Исследование механических свойств труб магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.

Для исследований механических свойств основного металла и сварных стыковых соединений труб были вырезаны вдоль оси трубопровода плоские образцы размером 5×20×120 мм в соответствии с ГОСТ 6996 [118] (номер 21). Испытания на статическое растяжение плоских образцов без головок основного металла трубы проводились согласно ГОСТ 1497 [80]. Испытания на статическое растяжение плоских образцов без головок сварных соединений проводились согласно ГОСТ 6996 [118]. Определялся угол изгиба сварных соединений при испытании на статический изгиб согласно требованиям ГОСТ 6996 [118]. Контроль указанных механических характеристик проводился с помощью разрывной машины для статических испытаний Р-20 с разрывным усилием 20 тонн. Исследования характеристик сопротивления хрупкому разрушению основного металла и сварных соединений проводились на образцах с U-образным при температуре -40ºС и V-образным надрезом при температуре -5ºС при помощи маятникового копра МК-30А согласно ГОСТ 9454 [79], ГОСТ 6996 [118]. Механические свойства основного металла и сварных соединений исследованных труб представлены в таблицах 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2 – Механические свойства основного металла исследованных образцов труб магистрального трубопровода

№ участка, характеристика вырезки	σв, МПа	σ02, МПа	δ, %	σ02/ σв	КСU-40, Дж/см2	КСV-5, Дж/см2
1 Сталь 14ГН			29,3	0,66
14ГН ГОСТ 19281 [107]	≥460	≥325	≥21	≤0,81	≥34	–
2 Сталь 10Г2С1			29,8	0,73	–	–
3 Сталь 10Г2С1			31,3	0,75
4 Сталь 10Г2С1			28,1	0,76
5 Сталь 10Г2С1				0,75
10Г2C1 ГОСТ 19281 [107]	≥490	≥345	≥21	≤0,81	≥29,0	–
6 Сталь 17ГС			20,8	0,71
7 Сталь 17ГС				0,71
Сталь 17ГС ГОСТ 19281 [107]	≥490	≥345	≥23	≤0,81		–
8 Сталь 20			32,6	0,76
9 Сталь 20				0,63
10 Сталь 20			28,8	0,63
11 Сталь 20				0,65
12 Сталь 20				0,56
13 Сталь 20			29,5	0,59
14 Сталь 20			30,5	0,62
Сталь 20 ГОСТ 1050 [108]	≥410	≥245	≥25	≤0,751	–	–

¹ – согласно СНиП 2.05.06 [69]

Таблица 2.3 – Механические свойства сварных соединений исследованных образцов труб магистрального трубопровода

№ образца	σв, МПа	КСU-40, Дж/см2	КСV-5, Дж/см2	Угол загиба α, град
				>120
				<100
				>120
				>120
				>120

Как видно из представленных таблиц механические свойства исследованных трубных сталей не ниже требуемых нормативной документацией. Исключение составляет образец №6 у которого пластические свойства не соответствуют требованиям (относительное удлинение 20,8% при требуемых 23%) и образец №4 у которого отношение предела текучести к пределу прочности составляет 0,76, что превышает требуемый согласно СНиП 2.05.06 [69] показатель, равный для углеродистых сталей 0,75. Пластические свойства сварных соединений в 36% случаев оказались ниже требуемых согласно СНиП III-42 [70] (среднее арифметическое значение угла изгиба образцов, сваренных дуговыми методами сварки, должно быть не менее 120°).

Механические свойства сварных соединений труб сваренных из низколегированных сталей 14ГН, 17ГС, 10Г2С1 ниже свойств основного металла труб, что видно из рисунков 2.3-2.5. Предел прочности сварных соединений до 25%, а энергия разрушения более чем в 2 раза ниже соответствующих показателей основного металла трубопровода. Для труб, изготовленных из углеродистой Стали 20 устойчивой закономерности не наблюдается (рисунок 2.6-2.8).

Рисунок 2.3 – Значения предела прочности основного металла и сварного соединения для низколегированных сталей

Рисунок 2.4 – Значения КСU-40 основного металла и сварного соединения для низколегированных сталей

Рисунок 2.5 – Значения КСV-5 основного металла и сварного соединения для низколегированных сталей

Рисунок 2.6 – Значения предела прочности основного металла и сварного соединения для Стали 20

Рисунок 2.7 – Значения КСU-40 основного металла и сварного соединения для Стали 20

Рисунок 2.8 – Значения КСV-5 основного металла и сварного соединения для Стали 20

Измерение твердости производилось с помощью стационарного твердомера ТК-2. В таблице 2.4 представлены значения твердости одного из исследованных темплетов, являющиеся типичными для нефте- и нефтепродуктопроводов Беларуси. Измерение производилось в точках указанных на рисунке 2.9.

Рис. 2.9 – Карта контроля твердости

Таблица 2.4 – Типичная твердость сварного соединения труб магистрального трубопровода

№ п/п
Твердость, НВ
№ п/п
Твердость, НВ

Представленные данные показывают, что твердость основного металла не выходит за пределы указанного в нормативной документации [40] интервала для стали 10Г2С1 130÷190 НВ, твердость сварного соединения также не превышает максимального значения в 225 НВ. В результате проведенного контроля остальных образцов выявлено, что твердость, за единичным исключением, удовлетворяет требованиям нормативной документации.

Как было указано в первой главе, эти закономерности подтверждаются и другими авторами при исследованиях изменения механических свойств магистральных трубопроводов, проработавших длительное время. В работе [113] подтверждается, что предел текучести и временное сопротивление труб магистральных трубопроводов, проработавших длительное время, не ниже значений, указанных в технических условиях в период изготовления труб, а показатели относительного поперечного сужения свидетельствуют о сохранении ресурса пластичности. А в работах [7, 8, 9, 24, 29, 58, 101, 115, 124, 126, 130, 156]зафиксировано повышение прочностных характеристик (предел прочности, предел текучести) и снижение пластических характеристик (относительное удлинение и сужение) и значительное снижение сопротивления хрупкому разрушению. При этом отмечается [60, 153], что при увеличении содержания углерода в стали, усиливается снижение вязкопластичных свойств металла в процессе эксплуатации. Ударная вязкость образцов вырезанных в продольном направлении относительно оси трубопровода приблизительно в два раза выше, чем у образцов вырезанных в поперечном направлении, при одинаковых температурах хрупко-вязкого перехода и приблизительно одинаковых долях вязкой составляющей. Коэффициент анизотропии свойств зависит от температуры испытаний, радиуса надреза, марки стали, и уменьшается с увеличением срока эксплуатации трубопроводов [58].