Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость трубных сталей

Основными марками трубных сталей являются низкоуглеродистые и низколегированные кремнисто-марганцовистые стали: 17ГС, 17Г1С, 19Г, 14ХГС, 14ГН, 10Г2С.

В зависимости от времени строительства трубопроводов использовались стали разного химического состава и категории прочности.

Условия работы металла труб газо- и нефтепроводов специфичны [78]. Они определяются следующими факторами. Трубопроводы эксплуатируются в различных природно-климатических условиях, что обуславливает работу металла труб в широком диапазоне температур от +40°С в летний период, и до -60°С в зимний период. Металл труб работает практически в условиях двухосного напряженного состояния, когда обе компоненты напряжений растягивающие. Металл газопроводов к тому же испытывает малоцикловые нагрузки.

По механизмам и физической природе на магистральных трубопроводах встречаются следующие виды разрушений: статическое, квазистатическое, усталостное, коррозионный износ, коррозионное растрескивание под напряжением, сероводородное растрескивание.

Статическим называют разрушение, которое происходит при постоянном давлении при медленном однократном повышении нагрузки. Статической прочностью трубы называют максимальное давление, при котором происходит статическое разрушение трубы в данных условиях. Статическое разрушение, как правило, наблюдается при испытаниях участков трубопроводов, в процессе ремонта без остановки перекачки продукта (с подъемом трубы из траншеи), при гидроударах, при повреждении трубопровода в процессе эксплуатации [1, 2].

Квазистатическим называется разрушение после нескольких (не более десяти) циклов изменения давления или внешней нагрузки. Такое разрушение трубопровода, как правило, происходит при испытаниях или в начальный период эксплуатации (в течение первых месяцев). Давление, приводящее к квазистатическому разрушению, несколько ниже давления, определяющего статическую прочность. Причинами квазистатического разрушения могут быть дефекты, повреждения или другие концентраторы напряжений [43].

Малоцикловое разрушение происходит при значительном количестве перепадов давления или внешней нагрузки (от ста до десятков тысяч). Такое разрушение весьма характерно для длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов и особенно нефтепроводов. При циклическом или нерегулярном изменении давления на дефектных участках развиваются трещины усталостного характера [47].

Усталостное многоцикловое разрушение происходит при большом числе циклов (более ста тысяч) [46]. Такой вид разрушения на линейных участках трубопроводов наблюдается редко. Усталостное разрушение может появиться на подводных переходах от воздействия потока воды

(автоколебания), на сложных надземных участках от резонансных вибраций, связанных с ветрами. Для появления усталостного разрушения недостаточны перепады рабочего давления, а необходимы более частые изменения внешней нагрузки или вибрации.

К коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) относятся специфическое явление макрохрупкого разрушения сталей и сплавов при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих напряжений [39].

Сероводородное растрескивание происходит за счет специфического свойства сероводорода стимулировать коррозионное разрушение стального оборудования в результате электрохимической коррозии и водородного охрупчивания [4].

HaS^H* + HS" + S2" Fe^ +H2S = FeS + 2КГ

В зависимости от величины рН среды равновесие реакций сдвигается вправо или влево: в нейтральных или щелочных средах содержится больше ионов гидросульфидов, в сильнощелочных электролитах появляются ионы сульфидов в небольших количествах, а в кислых средах молекулярный сероводород [79].

Применительно к условиям безопасной работы трубопроводов вопросы старения металла труб и их сварных соединений занимают одно из центральных мест. Благодаря исследованиям ряда авторов [6, 22, 72, 73, 93, 94] в настоящее время установлено, что механические свойства сталей, используемых в трубопроводах, в процессе длительной эксплуатации

изменяются, хотя и медленно. Это явление состоит в том, что металл трубы становится более хрупким, снижается ударная вязкость, уменьшается запас прочности. Временное сопротивление (предел прочности) незначительно повышается, а предел текучести повышается более заметно, приближаясь к пределу прочности.

При проектировании магистральных трубопроводов закладывается такой запас прочности (например, коэффициент запаса прочности в зависимости от категории магистрального газопровода составляет 1,76-2,61), который при нормальной эксплуатации гарантирует отсутствие пластических деформаций в стенке трубы.

Это позволяет авторам работы [65] утверждать, что заметных изменений свойств металла труб газопроводов при длительной эксплуатации в условиях, предусмотренных проектом, ожидать не следует.

В то же время по данным [34, 44, 69, 80, 87, 88] результатом многолетней эксплуатации магистральных трубопроводов является деградация механических свойств металла труб. Например, согласно [90] примерно 10 % газопроводов по протяженности работают на пониженных давлениях из соображений безопасности.

Из-за сложного поликристаллического строения металла труб пластические деформации разного уровня могут происходить и при небольших нагрузках. Не существует резкой границы между упругим и пластическим состоянием стали. При любой степени деформации есть упругая и пластическая составляющие. Например, напряжение вызывающее остаточную деформацию 0,002 %, по величине сопоставимо с напряжением при рабочих режимах нагружения трубопроводов. Такая малая деформация не играет особой роли при статических режимах нагружения трубопроводов, но при количестве циклов нагружения 10 000 и более остаточные деформации накапливаются и становятся заметными [36].

Как известно [55, 94], природа пластического деформирования металлов напрямую связана с генерацией и движением дислокаций. При

прекращении генерации и движения дислокаций прекращается и пластическое деформирование. Дислокации, двигаясь внутри кристаллов, взаимодействуют с другими дислокациями, примесными атомами, вакансиями. При этом примесные атомы и вакансии переходят в другие положения, группируются, увеличивая внутрикристаллитное напряженное состояние. Изменения претерпевают практически все структурные составляющие металла, включая феррит, перлит и цементит. Углеродные атомы, приходя в движение, выделяются из состава цементита и накапливаются на границах зерен, увеличивая хрупкость стали. Вакансии, постепенно объединяясь друг с другом, образуют микропустоты - зародыши микротрещин. Дислокации одинакового знака, объединяясь вместе, также создают микротрещины. Таким образом, постоянные перемещения дислокаций при пластических деформациях приводят к изменениям свойств стали.

При существующих режимах эксплуатации магистральных трубопроводов в металле труб имеются такие зоны, где происходит генерация дислокаций в течение всего срока эксплуатации.

напряжения достигают предела текучести, могут быть очень малы, но для развития процессов разрушения при переменных нагрузках этого может оказаться достаточным.

Изменение механических свойств является главным практически важным результатом деформационного старения. В преобладающем числе работ исследования изменения механических характеристик при деформационном старении проводят по результатам испытаний на статическое растяжение (с записью технической и полученной истинной диаграмм растяжения). Это позволяет оценить изменение таких механических характеристик как предел упругости (<7У), физический предел текучести (о"о 2), предел прочности (а„), коэффициент упрочнения и скорость деформационного упрочнения (dCT/dc).