Анализ изменений, протекающих в металле труб и сварных соединений в процессе эксплуатации
Обширные исследования свойств материалов магистральных трубопроводов, проработавших длительное время, начались в конце прошлого века и продолжаются в настоящее время. Это связано с необходимостью оценки технического состояния и определения остаточного ресурса эксплуатируемых конструкций. Для оценки степени старения металла и сварных соединений зачастую используют отношение значения какого-либо параметра, определенного при испытаниях образцов после длительной эксплуатации, к значению этого же параметра, определенному до эксплуатации или установленному по паспортным данным [84]. Процессы, протекающие в металле труб в ходе длительной эксплуатации, могут оказывать влияние, как на стандартные механические свойства, так и на нестандартные, оцениваемые по специальным методикам. [153 с. 36]
В литературе встречаются противоречивые данные об изменении характеристик механических свойств металла труб и сварных соединений магистральных трубопроводов, проработавших длительное время.
Так, например, авторы в работе [113] привели результаты обширных исследований ОАО ЦТД «Диаскан». Исследователями проведены натурные испытания на долговечность и статическую прочность 54 труб, вырезанных из магистральных нефтепроводов и проработавших более 25 лет, а также стандартных и специальных образцов (всего исследовано 1077 образцов) с целью определения механических характеристик, ударной вязкости и циклической трещиностойкости основного металла трубы, продольных швов и зоны термического влияния. На основании проведенных исследований сделан вывод, что изменения механических свойств металла труб, свидетельствующие о наличии деформационного старения металла и подлежащие учету при оценке работоспособности, отсутствуют. Предел текучести и временное сопротивление не ниже значений, указанных в технических условиях в период изготовления труб, показатели относительного поперечного сужения свидетельствуют о сохранении ресурса пластичности. Авторами исследований не выявлены признаки усталости труб (бороздчатой структуры) вне зоны дефектов, что было объяснено отсутствием значимых пластических деформаций труб в процессе их эксплуатации.
Иной точки зрения придерживаются другие исследователи. Так, например, представители Уфимской школы в своих работах [24, 130, 156] привели анализ технического состояния магистральных нефтепроводов Российской Федерации и исследовали закономерности изменения механических свойств металла труб и их сварных соединений в зависимости от срока эксплуатации. Согласно представленным в работах данным повышаются прочностные характеристики (предел прочности и предел текучести) и снижаются пластические характеристики (относительное удлинение и сужение) металла, что свидетельствует о старении. Предложена эмпирическая формула для расчета коэффициента упрочнения 
.
Значительное внимание авторы уделили исследованиям сопротивления трубных сталей хрупкому разрушению [24, 130, 136, 156, 157]. Согласно опубликованным данным снижение ударной вязкости KCV-40°C KCV+20°C за время эксплуатации труб магистральных трубопроводов может достигать 65% по отношению к исходному материалу. Для сталей 14ХГС, 10Г2С и 14ГН значения ударной вязкости KCV-40°C оказались выше 0,3 МДж/м2, что соответствует требованиям действующих технических нормативных правовых актов. Для сталей 17ГС, 19Г, 14ГН, Х52 значения ударной вязкости падает ниже допустимого значения при температуре -40°C. Проведенная авторами статистическая обработка данных показала, что вариации испытанных партий образцов достаточно малы и не превышают 30%, что свидетельствует о достаточно устойчивых показателях. Фрактологические исследования изломов указывают на уменьшение волокнистой структуры и увеличение зернистой структуры, что свидетельствует об увеличении склонности металла к хрупкому разрушению.
Результаты исследований степени старения металла труб методом усталостного разрушения показывают [24, 130, 136, 156, 157], что во время эксплуатации происходит накопление необратимых микропластических деформаций, что приводит к зарождению и развитию множества микротрещин. Авторами изучены характер и скорости развития усталостных трещин. Обычно усталостные трещины идут от подреза внутреннего сварного шва по двум направлениям: по направлению максимального касательного напряжения и по направлению вдоль линии сплавления сварного шва с основным металлом. Возникновение трещины в основном металле происходит от имеющихся дефектов. Усталостные трещины в состаренных сталях более ветвистые, и их критический размер значительно меньше 1 мм, тогда как у несостаренных сталей критические размеры усталостных микротрещин составляют 2-2,5 мм [136 с. 116]. Скорость роста усталостных трещин в состаренных сталях приблизительно в два раза выше скорости у несостаренных сталей. Коэффициент деформационного старения в зависимости от марки стали изменяется от 1,08 до 1,35 [24 с. 234, 130 с. 101, 136 с. 120]. При повторно-статических напряжениях первыми деформируются зерна феррита (150-200 циклов). Затем наблюдается деформация перлитных зерен. На образцах со сварным швом наблюдаются те же закономерности, что и на образцах без сварного шва, но скорость разрушения первых приблизительно в 1,5-2 раза выше [136 с. 124].
Согласно представленной авторами концепции разрушения [24, 136, 157], старение малоуглеродистых сталей происходит в прокатанном состоянии в феррите. При повторно-статических нагружениях в пластически деформируемых областях (в окрестностях дефектов или сварных соединениях) происходит выделение атомов азота и углерода, а затем образование частиц нитридов и карбидов. При дальнейшей деформации металла происходит дробление «сетки» нитридов и карбидов на границе зерен и блоков, генерация новых дислокаций, что способствует охрупчиванию стали. Особенно сильно данный эффект проявляется в сварных соединениях, так как высокие температуры при сварке и последующее быстрое охлаждение интенсифицируют процессы старения [25 c.12]. Авторами исследовано снижение объемной доли цементита и перлита в стали и цементита в перлите методами металлографии и рентгеноструктурного анализа. Атомы углерода, которые «освободились» в результате распада цементита, скапливаются на границах зерен и в микротрещинах, где образуют зародыши новых карбидных частиц. В процессе эксплуатации начинают появляться частицы цементита на границах перлитных зерен, причем их число размеры с течением времени увеличиваются. Одновременно происходит фрагментация цементитных пластин в результате перерезания ферритных и перлитных зерен дислокациями под действием переменных напряжений. Изменяется не только объемная доля цементита, но и его морфология. Появляется зернистый цементит, что приводит к уменьшению пластичности и увеличению твердости стали.
Исследование свойств материала магистральных трубопроводов «Полоцк-Мажейкяй» (20 лет эксплуатации), «Полоцк-Вентспилс» (30 лет эксплуатации) и нефтепродуктопровода «Полоцк-Вентспилс» (26 лет эксплуатации) приведенное в работе [29] также подтверждает повышение предела прочности и предела текучести для стали 17ГС (коэффициенты упрочнения 1,05 и 1,16 соответственно), снижение пластических свойств и характеристик ударной вязкости. Согласно данным исследователей показатель старения KCV+20°C для стали 17ГС составляет 38,57%.
Схожие результаты получены исследователями из ОАО «Гипротрубопровод». В работах [60, 153] приведены результаты исследования 106 образцов из труб 19 действующих трубопроводов с различными сроками эксплуатации. Согласно опубликованным данным предел прочности и предел текучести, относительное сужение и поперечное сужение металла практически не изменяются в зависимости от срока эксплуатации и не зависят от расположения труб по длине участка. При этом перечисленные механические свойства сварных соединений магистральных трубопроводов совпадают с соответствующими характеристиками основного металла при близком разбросе показателей.
Приведенные авторами данные испытаний при динамическом изгибе образцов с надрезом показали существенное снижение значений KCU-40°C KCV+20°C (с 55-70 Дж/см2 до 30-50 Дж/см2) для основного металла. Значения ударной вязкости металла сварных соединений KCU-40°C KCV+20°C находились в диапазоне 19-78 Дж/см2 и 10-95 Дж/см2 [153 с. 40]. Значительный разброс значений авторами объясняется большим количеством дефектов в сварных швах. Тем не менее, отмечается значительное снижение показателей ударной вязкости с течением времени эксплуатации. Зафиксировано смещение критической температуры хрупко-вязкого перехода в сторону высоких температур, и после 25-30 лет эксплуатации трубопровода порог хладноломкости переходит в область положительных температур. Отмечается снижение сопротивления, как зарождению трещины, так и ее распространению. Длительная эксплуатация оказывает более значительное влияние на сопротивление зарождению трещины, вызывая его снижение в зависимости от срока эксплуатации на 50-80% [60]. Исследователями выявлена закономерность снижения характеристик хрупкому разрушению в зависимости от расположения труб по длине участка. С приближением к началу участка трубопровода значения KCU-40°C KCV+20°C снижаются. Аналогично ведут себя и другие характеристики хрупкого разрушения – работы зарождения и распространения трещины [153 с. 47-48]. Для сварных соединений авторами не выявлена монотонная зависимость изменения характеристик хрупкому разрушению в зависимости от силовых условий эксплуатации, что объясняется большой дефектностью сварных швов. Отмечается, что при увеличении содержания углерода в стали, усиливается снижение вязкопластичных свойств металла в процессе эксплуатации.
Исследователями выявлена анизотропия свойств металла труб магистральных трубопроводов. Ударная вязкость образцов, вырезанных в продольном направлении относительно оси трубопровода, приблизительно в два раза выше, чем у образцов, вырезанных в поперечном направлении. Характер изменения доли вязкой составляющей в изломе продольных ударных образцов в зависимости от температуры приблизительно совпадает с результатами поперечных образцов. Образцы в продольном направлении имеют примерно такую же критическую температуру, как и поперечные образцы, но значительно более высокую ударную вязкость при этой температуре [153 с. 51-56].
В работе [12] определен коэффициент анизотропии образцов труб, изготовленных из сталей марок 09Г2С и Сталь 20 при испытании на ударную вязкость. Температура испытаний варьировалась от -100 до +20 ˚С с интервалом 10 ˚С, а радиус надреза составлял 1 мм (U-образный надрез), 0,25 мм (V-образный надрез) и 0,01 мм (усталостная трещина или Т-образный надрез). Максимальная анизотропия свойств наблюдается после испытаний образцов при температурах близких к нижней критической температуре.
В работах белорусских исследователей [58, 101] подтверждается возрастание свойств статической прочности на 5-15% и снижение пластических характеристик на 20-40% для стали марки 17Г1С после наработки более 20 лет. Отмечается увеличение анизотропии энергии разрушения с увеличением срока эксплуатации магистральных трубопроводов.
В работах Сосновского Л.А., Бордовского А.М., Воробьева В.В., [7, 8, 9, 126] описаны методы поддержания и частичного восстановления прочностной надежности линейной части нефтепровода, эксплуатируемого РУП «Гомельтранснефть Дружба», базирующиеся на мониторинге его технического состояния и экспериментальных исследованиях деградации свойств трубной стали в процессе длительной эксплуатации. Авторами выявлено, что снижение механических свойств металла труб протекает преимущественно на внутренней поверхности труб. Для этого были проведены испытания на ударную вязкость двух партий образцов, толщина которых равна толщине стенки трубы. Первая серия имела надрез на внутренней поверхности стенки, а вторая – на наружной. Значения ударной вязкости образцов исходного материала в обеих группах совпали, а значения ударной вязкости после эксплуатации на образцах с надрезом на внутренней стороне оказались в среднем на 18% ниже значений, полученных на образцах с надрезом на внешней стороне. При этом отмечается, что снижение ударной вязкости после длительной эксплуатации составило около 30% [9 с. 100]. Авторами опубликованы результаты исследований влияния длительной эксплуатации на сопротивление усталости элементов труб. Выявлено, что в результате длительной эксплуатации значение предела выносливости в зоне основного металла снижается на 14,9%, а в зоне сварного шва на 9,5%, при этом абсолютное значение предела выносливости у сварного соединения существенно ниже, чем у основного металла [7, 8, 9 с. 96, 126 с. 77]. По мнению данных исследователей, механизмы разрушения основного металла и сварного соединения различаются. В элементах со сварным соединением зарождение и развитие трещин происходит в зернах с «пакетными» структурами неполной закалки (реечным малоуглеродистым мартенситом или бейнитом с HV0,2=2000 МПа), благоприятно ориентированных к поверхности образца. Направления пластин (реек) в таких образцах близко к перпендикулярному к поверхности. В основном металле зарождение микротрещин происходит у структурных составляющих с повышенной искаженностью, а также по границам зерен, вблизи поверхности и благоприятно расположенных по отношению к ней. В основном металле зарождение и развитие трещин происходит преимущественно на внутренней поверхности трубы. У образцов со сварным соединением трещины наблюдаются в зоне структур неполной закалки. Зарождение трещин наблюдается с поверхности на расстоянии 0,1-0,3 мм от сварного шва. [9 с. 98].
Таким образом, у исследователей отсутствует единое мнение о влиянии срока эксплуатации магистральных трубопроводов на свойства металла труб и их сварных соединений. Большинство авторов считает, что длительная эксплуатация приводит к некоторому повышению предела текучести и предела прочности, снижению относительного удлинения, относительного сужения и значительному снижению ударной вязкости.
1.7 Постановка задач исследований
Выполненный анализ показал, что значительная часть магистральных трубопроводов работает за пределами нормативного срока службы, когда возрастает вероятность аварий. При этом аварии на магистральных трубопроводах могут повлечь за собой высокий экологический, экономический и социальный ущерб. Несмотря на особое внимание, уделяемое проблеме обеспечения надежности магистральных трубопроводов, полностью исключить аварийные ситуации не удается.
По результатам проведенного анализа выявляемых дефектов и повреждений магистральных трубопроводов, эксплуатируемых длительное время, выявлено, что основным видом повреждений является коррозия металла труб и их сварных соединений. Выявлен наиболее опасный элемент линейной части трубопроводной системы по критерию частоты возникновения аварий – сварные соединения, и основная причина их разрушения – низкие значения ударной вязкости в сочетании с концентраторами напряжений. При этом большинство исследователей доказывает, что при эксплуатации магистральных трубопроводов в первую очередь снижается именно ударная вязкость, во многом определяющая надежность, а наибольшее снижение данного показателя наблюдается у структурно-неоднородных областей, которыми и являются сварные соединения. Однако вопросу повышения надежности магистрального трубопровода за счет восстановления ударной вязкости сварных соединений, проработавших длительное время, внимание практически не уделено.
Основные используемые в настоящее время мероприятия по обеспечению прочностной надежности магистральных трубопроводов не достаточно эффективны, так как не позволяют полностью выявить и идентифицировать все дефекты сварных соединений, не позволяют обнаружить участки с пониженными значениями механических свойств и не позволяют восстановить значения ударной вязкости, что наиболее актуально для сварных соединений. В связи с этим не всегда обеспечивается необходимый уровень надёжности при эксплуатации трубопроводов и, как следствие, возникают отказы.
Выход из создавшегося положения видится в разработке нового метода, который позволил бы восстановить ударную вязкость сварных соединений магистральных трубопроводов на тех участках, где ее значения будут не соответствовать заданному уровню надежности, при этом остальные механические свойства должны оставаться в пределах требований технических нормативных правовых актов. Использование данного метода не должно приводить к снижению других эксплуатационных свойств, таких, как например, коррозионная стойкость. Реализация данного метода возможна за счет использования следующих технологий:
· неразрушающего контроля для определения мест с низкими параметрами ударной вязкости, во многом определяющей уровень надежности;
· термической обработки для восстановления эксплуатационных свойств металла сварных соединений магистральных трубопроводов, проработавших длительное время.
Обобщив вышеизложенное, отметим высокую актуальность обеспечения надежности магистральных трубопроводов, и в частности их сварных соединений, проработавших длительное время, в связи с их высокой экологической, социальной и экономической опасностью в случае возникновения аварийного отказа. В связи с этим была определена цель исследования: разработать метод повышения надежности магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации на основе термической восстановительной обработки кольцевых сварных соединений.
Цель исследования достигается решением задач исследования:
1) Провести анализ современного состояния магистральных трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Республики Беларусь, для выявления факторов, влияющие на их надёжность.
2) Исследовать структуру и механические свойства основного металла и сварных соединений магистральных трубопроводов, эксплуатируемых длительное время для оценки их технического состояния.
3) Предложить способ восстановительной термической обработки кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов, проработавших длительное время, повышающий ударную вязкость и коррозионную стойкость металла сварного соединения.
4) Предложить метод неразрушающей диагностики механических свойств сварных соединений магистральных трубопроводов, выявляющий участки с максимальной степенью старения и минимальной ударной вязкостью, а также позволяющий определять изменение характеристик металла в результате восстановительной термической обработки.
5) Провести опытно-промышленную апробацию разработанного способа восстановительной термической обработки и оценить возможный экономический эффект от внедрения предложенного способа.
Выводы по главе 1
1. Проведенный анализ технического состояния магистральных трубопроводов показал, что в Республике Беларусь эксплуатируется в однониточном исполнении 11381 км магистральных трубопроводов, включающих в себя свыше миллиона кольцевых сварных соединений. Около 80% магистральных трубопроводов, транспортирующих жидкие углеводороды, и 26% магистральных газопроводов выработало амортизационный срок своей эксплуатации, что увеличивает вероятность возникновения аварии.
2. Авария на магистральном трубопроводе может сопровождаться значительным экономическим, экологическим и социальным ущербом.
3. Выявлено, что коррозионное повреждение для длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов Беларуси является наиболее распространенным и составляет более 99% от всех обнаруживаемых дефектов и повреждений, в то же время основной причиной аварий является разрушение сварного соединения, вследствие низкой пластичности и вязкости металла соединения в сочетании с концентрацией напряжений.
4. Анализ приведенных работ показал, что длительная эксплуатация магистральных трубопроводов и их сварных соединений приводит к некоторому повышению предела текучести и предела прочности, снижению относительного удлинения, относительного сужения и значительному снижению ударной вязкости.
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.