<<
>>

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

  Изменение механических свойств является главным, практически важным результатом деформационного старения. Детальное исследование указанных изменений позволяет также развивать и теорию деформационного старения, правильно подходить к методике оценки склонности низколегированных и высокопрочных трубных сталей к старению. При этом сама возможность протекания деформационного старения, как правило, обусловлена либо технологической деформацией, либо деформацией при эксплуатации.

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. Так, например, значение ств у стали 17ГС увеличивается на 18%. Значение ат возросло на 40 %. Значение коэффициентов упрочнения по временному сопротивлению и разрушению (Kyi) и пределу текучести (Ку2) изменяются в пределах: 1,12 до 1,19 и от 1,44 до 1,62 соответственно.

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. В результате старения у стали изменяется склонность к хрупкому разрушению.

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. 1- исходное состояние; 2- деформационное старение

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. В нефтепроводах возможно образование конденсата с высоким содержанием сероводорода, наличие которого приводит к развитию коррозии и насыщению стали водородом. Атомарный водород получается и от катодных реакций защиты на поверхности труб. Атомы водорода также проникают из окружающей среды (нефть, щелочи, кислоты). В металле трубы они накапливаются в коллекторах (микропустотах, порах, границах зерен и т.п.), что в конечном итоге приводит к расслоению металла труб, образованию пузырьков, микротрещин и т.д. Если насыщенный водородом металл напряжен, но не деформируется, наводораживание не приводит к значительному изменению напряжений; если же процесс насыщения происходит одновременно с деформацией, остаточные напряжения возрастают весьма существенно [29], т.е. охрупчивание стали увеличивается.

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

Марка стали

Длительность эксплуатации

Механические характеристики металла труб

(Тв, МПа ffo,2, МПа 55, %
17ГС Исходное состояние 29 лет 520 540 380-400 400 27,0 21,7
19Г Исходное состояние 22 года 500 550 340-390 410 23,0 21,6
14ХГС Исходное состояние 24 года 500 540 340-360 380 29,0 18,3
14ГН Исходное состояние 22 года 520 570 370-390 400 26,0 21,6

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.

 

<< | >>
Источник: ИЛЮХИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ И СКЛОННОСТЬ К ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва-2009. 2009

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

  1. ИЛЮХИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ И СКЛОННОСТЬ К ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва-2009, 2009
  2. Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость трубных сталей
  3. Глава 3 Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость трубных сталей различной категории прочности и их сварных соединений
  4. 3.2 Результаты оценки влияния деформационного старения на коррозионную стойкость стали с различной структурой
  5. 1.1 Модели старения трубных сталей
  6. Глава 2 Анализ склонности к деформационному старению трубных сталей различной категории прочности
  7. 2.4 Влияние деформационного старения на изменение тонкой структуры сталей.
  8. 4.1.2. Изучение влияния расширяющейся композиции на свойства твердеющего цемента
  9. Г. Видоизменение образовательного процесса под влиянием личных свойств образуемых
  10. Нормативные свойства христианского логоса: влияние на общество и экономику