1.3 Влияние старения на эксплуатационные свойства трубных сталей (прочностные свойства, трещиностойкость, сопротивление хрупкому разрушению, коррозионная стойкость, водородное охрупчивание)

Результаты, полученные в многочисленных исследованиях об изменении свойств трубопроводных сталей при эксплуатации, весьма противоречивы. Например, авторами работ [44, 69] утверждается, что прочность металла газопровода после длительной эксплуатации возрастает на 15-20 % а пластичность и ударная вязкость уменьшаются соответственно на 15-20 % и 40-50 %. В процессе деформационного старения восстанавливаются зуб и площадка текучести, и происходит рост прочностных характеристик — предела упругости (сгу), предела текучести

(ат), напряжение течения при данной деформации (о,,), предела прочности (<тД коэффициента упрочнения и скорости деформационного упрочнения. В свою очередь по данным работ [34,87, 88] при стандартных испытаниях на растяжение, изменений прочности и пластичности, происходящих при длительной эксплуатации магистральных трубопроводов, не выявлено.

Но надо учитывать, что при исследовании процессов изменения свойств металла при длительной эксплуатации необходимо учитывать статистический разброс исходных свойств металла проката и труб.

Например, в работе [95] при изучении процесса деформационного старения использовали образцы определенного химического состава и сортамента, с фиксацией величины пластической деформации, времени старения и температуры старения.

Результаты данной работы показали, что в процессе деформационного старения в низкоуглеродистых и в низколегированных сталях происходит повышение прочностных характеристик и снижение пластичности.

В процессе деформационного старения наблюдается уменьшение общего относительного удлинения (5), относительного сужения (ф), работы разрушения, (площадка под кривой растяжения) (А).

Однако для S, А, как характеристик, связанных с процессом разрушения, указанная связь является более сложной, ибо процесс образования и роста трещин является более локальным, чем процесс упрочнения, и поэтому изменения* 8, \р, А более сильно зависят как от распределения дислокаций, так и от общего структурного фона. Следовательно, изменения 8, А труднее связать с определенной стадией старения.

Так, например, в работе [38] отмечается значительное снижение относительного удлинения ( на 20 %), относительное сужение изменяется незначительно - на 5 %, что свидетельствует об охрупчивании металла.

Таким образом, при деформационном старении наблюдается эффект охрупчивания. Блокирование дислокаций примесными атомами должно увеличивать вероятность возникновения и развития хрупких трещин, так как уменьшается возможность релаксации упругих напряжений за счет пластической деформации. Вакансии, которые всегда имеются в металле и которые генерируются при деформации, взаимодействуют как с

дислокациями, так и с примесными атомами. Вакансии увеличиваются с ростом степени деформации почти по линейному закону.

Взаимодействие дислокаций с вакансиями в общем аналогично взаимодействию первых с примесными атомами.

В порядке очередности возможны следующие стадии деформационного старения: стадия упрочнения, стадия образования атмосфер из атомов примесей, стадия сегрегации, стадия выделения.

На каждой стадии происходит определенное изменение механических свойств сталей. При переходе к последующим стадиям общая тенденция заключается в увеличении упрочнения, в том числе увеличении сопротивления большим деформациям и увеличении степени охрупчивания.

Итак, склонность стали к хрупкому разрушению представляет основную опасность деформационного старения и оценивается по изменению ударной вязкости (KCV), критической температуры хрупкости (TM) и номинального разрушающего напряжения (ар).

Температуры испытания ан не всегда указывают на процесс охрупчивания при деформационном старении [100, 106]. Однако, они весьма распространены и даже имеются в соответствующих стандартах. При соблюдении определенных условий, а именно: температура испытания в течение всего процесса старения лежит в переходной зоне от вязкого разрушения к хрупкому, изменение KCV может в полной мере описывать качественную картину охрупчивания [104]. Уменьшение ан в процессе старения происходит весьма быстро. Изменение ан согласуется с соответствующим изменением 1п.т., 0т и других свойств [104] и свидетельствует о чувствительности этой характеристики уже к первым стадиям старения.

Исследование кинетики изменения Тхл в процессе деформационного старения связанно с большими методическими трудностями, чем

соответствующее исследование изменения ан при одной температуре, так как требует единовременного испытания сравнительно большого количества образцов. Поэтому в литературе такие исследования почти не рассмотрены. Данных об изменении Т^ непосредственно после деформации по сравнению с исходным состоянием и об изменении Тхл даже после одного режима старения по сравнению с Тхл в свежее-деформированном состоянии очень мало. Деформация устойчиво снижает значения ан в вязкой области по сравнению с исходным состоянием. Последующее старение повышает (рисунок 1.2), существенно не изменяя значений ан в вязкой области, причем искусственное старение, как правило, дает более высокие значения [83, 97].

300

. О

<1

I

г

tисп, о С

Рисунок 1.2 - Изменение положения кривых хладноломкости при деформационном старении низкоуглеродистой стали после 10%-ной деформации растяжением.

Максимальное повышение Т^ по сравнению с деформированным состоянием сильно зависит от типа стали и обработки, режима деформации и

старения и ориентировано лежит и интервале 20-100°С, т.е. может быть весьма заметным. Отличительной особенностью Т^ при деформационном старении является весьма малая склонность ее к перестраиванию.

Как показал еще Кекритц [102], сдвиг кривой хладноломкости при деформационном старении происходит неравномерно. Сначала повышается нижняя Тхл при постоянной верхней TXJI, что уменьшает ширину переходной зоны, но дальнейшее старение меняет картину на обратную, в результате чего переходная зона увеличивается. Это наблюдение говорит о том, что кинетика изменения Тхл при деформационном старении будет зависеть от методики ее определения.

С учетом данных работы [31] это означает, что деформационное старение более сильно влияет на температурный сдвиг работы распространения трещины, чем на температурный сдвиг работы зарождения ее. В большинстве исследованных случаев после деформационного старения увеличивается также разница между TM, определенными по виду излома и по изменению ударной вязкости. Более сильный сдвиг верхней TM приводит к расширению переходного интервала от вязкого разрушения к хрупкому деформационно состаренной стали по сравнению с исходным состоянием.

Важное практическое значение имеет исследование изменения ар при деформационном старении, так как при расчете конструкций и оценке их надежности оперируют обычно значениями допускаемых в данных условиях напряжений и предельно возможных нагрузок. Изменение же энергоемкости разрушения трудно учесть непосредственно в инженерных расчетах. Способы учета неблагоприятного влияния деформационного старения на конструктивную прочность рассмотрены в работе [76]. О необходимости такого учета свидетельствуют многочисленные случаи катастроф и аварий сварных конструкций и сооружений при напряжениях ниже расчетных [17, 105].

Природа изменения ар, как среднего разрушающего напряжения при деформационном старении достаточно сложна. С одной стороны,

деформация и старение должны увеличивать 0"р вследствие роста сопротивления упругой и пластической деформации. С другой стороны, деформационное старение облегчает зарождение и рост хрупких трещин. Этот процесс является локальным и поэтому трудно связуем со средним уровнем напряжений. Можно, однако, полагать, что ffp будет тем меньше, чем меньшая требуется деформация для создания концентрации напряжений, необходимой для образования и роста трещин до критического размера. С этой точки зрения ср при деформации и старении будет уменьшаться, так как будет уменьшаться вероятность релаксации упругих напряжений вследствие блокирования дислокаций повышенной плотности.

Так как технологические свойства низкоуглеродистых и высокопрочных сталей связаны, как правило, с ее деформируемостью в определенных условиях, т.е. с пластичностью и вязкостью, то деформационное старение снижает показатели соответствующих свойств.

Критическая температура Т50 перехода металла труб в хрупкое состояние с увеличением срока эксплуатации постепенно смещается в сторону более высоких значений, а после 25-35 лет эксплуатации - в область плюсовых температур. Это означает, что распространение трещины в трубах после длительного срока эксплуатации даже при положительных температурах может происходить по хрупкому механизму[88].

Одним из наиболее практических вопросов надежности и долговечности труб как раз и является выяснение природы хрупкого разрушения, а также установление тех условий деформации, при которых происходит переход металла в области концентраторов из пластического в хрупкое состояние.

Как видно из работы [6], в процессе деформационного старения твердость увеличивается. Это увеличение твердости указывает, в частности, на рост коэффициента упрочнения, что связанно с определенной стадией закрепления дислокаций. Метод твердости можно использовать и для оценки анизотропии упрочнения.

Охрупчивание металла труб в условиях эксплуатации также происходит за счет наводораживания.

Вопросы, связанные с влиянием деформационного старения на водородное охрупчивание не находили должного отражение в литературе.

Особенно сильный эффект изменения механических и физических характеристик появляется в сварных соединениях, так как высокие температуры нагрева при сварке и последующее быстрое охлаждение интенсифицируют процессы перенасыщения и старения.

Итак, при возникающих перепадах давления, температуры, динамических и статических нагрузках создаются условия для протекания в металле деформационного старения, приводящего к повышению сопротивления к микропластической деформации и к увеличению опасности появления в металле локальных «пиков» напряжения. Вследствие этого в ходе эксплуатации труб уменьшается возможность релаксации локальных напряжений в вершине надреза или трещины, что приводит к повышению склонности стали к хрупкому разрушению. Накопление локальных микронапряжений и дефектов типа микротрещин подтверждается и различными физическими методами исследований [64].

Большинство существующих расчетных методов оценки ресурса элементов конструкций в условиях коррозионного действия рабочих сред базируются на экспериментальных кривых коррозионно-механической прочности металла в координатах "приложенное напряжение - время до разрушения", которые аппроксимируются соответствующими аналитическими функциями. По кривым коррозионно-механической прочности устанавливают величину допускаемого напряжения, не вызывающего разрушения в назначенный срок службы трубопровода. Этот подход практикуется в расчете трубопроводов работающих в средах, вызывающих коррозионное растрескивание.

В работе [40] было показано, что в целом деформационное старение должно снижать ресурс конструктивных элементов в связи с тем, что оно связанно с расчетом прочностных свойств и реализацией дислокаций, ускоряющих коррозионные процессы. Но расчет показал, что деформационное старение повышает ресурс трубы почти на 1 год. А степень механохимического эффекта Кмхп = 1,67.

1.4 Структура и эксплуатационные характеристики трубных сталей

Трубопроводы, несмотря на свою внешнюю конструктивную простоту, принципиально отличаются от других сооружений сложной схемой воздействия силовых факторов, разнообразием нагрузок, неопределенностью напряженно-деформированного состояния, масштабностью.

На рисунке 1.3 представлена фотография микроструктуры низколегированной трубной стали. Большинство трубных сталей имеют практически идентичную ферритно-перлитную микроструктуру, типичную для металла в состоянии нормализации (рисунок 1.3 (в)) и контролируемой прокатки (рисунок 1.3.а, 1.3.6), где перлит имеет строчечное распределение. Наблюдается явно выраженная полосчатость структуры (текстура - рисунок 1.3.а) материала, являющаяся следствием сегрегации легирующих элементов в процессе кристаллизации. В процессе прокатки возникают слои разного химического состава, из которых формируются чередующиеся полосы феррита и перлита, причем в полосах без перлита зерна феррита более крупные, чем в полосах с перлитом. Это указывает на то, что перлит сдерживает рост ферритных зерен [95].

а) 09Г2С

б) 10Г2

в) 19Г

Рисунок 1.3 - Микроструктура исследованных сталей

В таблице 1.2 и на рисунке 1.4 [36, 51] приведены данные об изменении механических свойств трубных сталей в зависимости от длительности эксплуатации.

Анализ представленных данных подтверждает влияние длительности эксплуатации на изменение механических характеристик рассматриваемых сталей. В частности, происходит уменьшение пластических свойств и вязкости при одновременном росте прочностных характеристик.

Таблица 1.2 - Зависимость механических характеристик трубных сталей от длительности эксплуатации

KClf20, Дж/см2

1              5 10 15 20 30

Рисунок 1.4 - Изменение ударной вязкости трубных сталей в зависимости от длительности эксплуатации газопроводов

Годы эксплуатации

Наблюдается деградация свойств металла. Происходит смена механизма микроразушения от вязкого к хрупкому. С увеличением длительности эксплуатации доля хрупкой составляющей растет и, при предельно больших сроках эксплуатации, материал может полностью охрупчиваться [63].

Например, по данным работы [21, 22] в углеродистых и низколегированных сталях при степени пластической деформации порядка 5 % температура охрупчивания составляет 4,0-4,4 °С.

Подобный характер охрупчивания сталей свойственен свариваемым сталям с ферритно-перлитной структурой.

Присутствие в ферритной матрице сталей высокоподвижных атомов углерода и азота приводит к их взаимодействию с дислокациями. В результате, вокруг последних возникает повышенная плотность распределения внедренных атомов, а также формирование на дислокациях предвыделений карбидов и карбонитридов. Эти процессы протекают даже при комнатной температуре, приводя к ограничению подвижности дислокаций и закреплению их на местах, т.е. к деформационному старению.

В трубной стали 17Г1С, из которой построено большое количество трубопроводов, через 20 лет эксплуатации ударная вязкость стали уменьшилась до 20 Дж/см (рисунок 1.4), что ниже нормативных требований. При исследовании изменений во времени физических свойств и микроструктуры стали 09Г2ФС установлена начальная стадия деформированного старения, монотонное увеличение внутреннего трения и снижение подвижности дислокаций за счет их блокирования примесными атомами азота и углерода. При этом изменяется микромеханизм разрушения образцов. В работах [22, 63] показано, что после испытаний на ударный изгиб металла со сроком эксплуатации 12-15 лет хрупкий излом присутствует даже при положительной температуре. Для сталей, эксплуатирующихся более 25 лет, в изломах всех испытанных образцов без

исключения стопроцентный кристаллический излом без заметных следов пластической деформации образца в зоне разрушения, абсолютные значения ударной вязкости ниже нормативной [21, 22,63].

Выводы по главе 1

В настоящее время перспективными конструкционными материалами для магистральных газопроводов являются низкоуглеродистые, микролегированные, высокопрочные стали. Отличительной особенностью этих сталей от традиционных трубопроводных сталей, является низкое содержание до 0,04-0,06% углерода, и микролегирование стойкими карбидо- образующими элементами Ni, V, Ti и формирование в процессе термомеханической прокатки преимущественно бейнитной структуры, с содержанием феррита до 20-30% (Х80).

Применительно к новым высокопрочным сталям Х70, Х80 с ферритно-перлитно-бейнитной или бейнитной структурой вопросы деформационного старения изучены недостаточно.

Малоизученным остается вопрос влияния деформационного старения на коррозионную стойкость и склонность к водородному охрупчиванию как традиционных трубных сталей с ферритно-перлитной структурой, так и малоуглеродистых высокопрочных трубных сталей.

Целью данной работы явилось выявление особенностей деформационного старения высокопрочных трубных сталей и его влияние на их коррозионную стойкость и склонность к водородному охрупчиванию. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

Выявление особенностей склонности к деформационному старению трубных сталей различной категории прочности.

Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость трубных сталей различной категории прочности и их сварных соединений.

Оценка влияния деформационного старения на склонность стали к водородному охрупчиванию.