автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Конструкционно-технологическая свариваемость и повышение коррозионно-механической прочности резервуаров для экологически опасных продуктов



ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.791.620.194

КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СВАРИВАЕМОСТЬ И ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ПРОДУКТОВ

05.03.06 -

технология и машины сварочного проэводства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа »ыполнека в Ахадеыии нефти и газа им. И.U.Губкина.

Научный руководитель: доктор технических неук, профессор СТЕКЛОВ О.И.

Научный консультант: кандидат технических наук ГШАНОВ В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук МАКАРОВ Г.И.;

кандидат технических наук СОРОКИН В.Н. .

Ведущее предприятие - ВНИИпромотаяьконотрукция

Зацита состоится * fb " i^Cf^^T^"^ 16Э2 г. в /Г часов на оаоедании специализированного совета Д.053.27.13 в Академии нефти и газа им. И.М.Губкина (II70J7 Воскеа, Ленинский просп., 65).

Автореферат разослан ¿vf 1032 г.

Ученый секретарь специализированного сове? кандидат технических иву

.Б. ЗОРИН

j

■st' I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

л В настоящее время практика снижения металлоемкости строитель-ны£^2Утрукций' Ужесточение режимов работы и повышение степени агрессивности эксплуатационной среды обусловили появление проблемы обеспечения надетой работоспособности сварных конструкций.

Актуальность темы. Существующий до настоящего времени подход по снижению себестоимости резервуаростроеиия за счет уменьшения затрат на проектирование, исследования, материалы, сборку без учета реальной работоспособности конструкции, когда эксплуатация резервуаров на иефтегазохимических комплексах становится малоприбыльной, а порой и затратной вследствии больаих расходов при остановке производств на внеплановый и плановый ремонт и освидетельствования/ Существенно снияают эффективность производства нормативные недоливы продукта из-за снижения несущей способности и/« корпуса резервуара вследствии чрезмерной коррозии элементов, а непредвиденные катастрофические отказы и аварии приносят невосполнимый ущерб далеко несораз-меримый с себестоимостью конструкции. Практически 90Х резервуарного парка страны эксплуатируется с экологически опасными продуктами (ЭОП), утечки которых вследствии приобретенной негерметичности корпуса стали в последнее время достаточно частыми явлениями.

Опыт эксплуатации резервуаров показал недостаточную надежность их сварных соединений, в районе которых образуются характерные для гетерогенной структуры локальные коррозионно-механические дефолты: ножевая коррозия, коррозионное растрескивание, коррозионно-усталост-ные трещины. Отсутствие ледяного внимания к вопросу достоверной оценки сопротивления сварных соединений замедленным видам разрушения, например, коррозионно-механическим трещинам (КМГ) приводит к неоправданным трудозатратам на ремонт резервуаров. Поэтому необходимо проведение работ, направленных на изучение коррозионно-механической долговечности резервуаров с учетом технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов на-основе сохранения экологической безопасности объекта.

Цель работы - определение закономерностей влияния условий, реяимов эксплуатации и технологии сварки на конструкционно-технологическую свариваемость (КТС) нефтяных резервуаров и повышение долго- -вечности сварных листовых оболочковых конструкций для нефтегазохимических производств на примере нефтяных резервуаров.

Методы исследований, применяемые в работе, включали в себя стан-

дартные механические и специальные коррозионно-механические испытания образцов, металлографические исследования структуры, Фотосъемку поверхностного рельефа, фрактографический анализ изломов трещин, оценку распределения микротвердости, анализ химической и электрохимической неоднородности. Обработка онспериыентальных данных проводилась с использованием математической статистики.

Научная новизна:

1. Предложена условная классификация сварных фрагментов корпуса нефтяных цилиндрических резервуаров по категориям в зависимости от уровня: •

- безопасности (I - элементы днища, окрайки, настила кровли, верхнего пояса стенки, нагрувенные до <5Р< 1/3 6, , локальное разрушение которых не вызывает опасения полного разрушения конструкции; 2 - элементы никнего и средних поясов стенки, нагруженные ДО (З^Я/З^локальное разрушение которых вызывает опасение полного разрушения конструкции);

- напряженного состояния (I - элементы, нагруженные доб,.< 1/3 2 - элементы, нагруяенные до 2/36г ;.'3 - элементы, нагруяенные до 2/3 бг );

- коррозионной агрессивности среды {А - слабоагрессивная среда - нефть,"действующая на средние пояса стенки; В - среднеагрес-сивная среда - подтоварная вода с примесями серы и хлоридов, действующая на днище и нижний пояс стенки; С - среднеагрессивная среда -паровоздушная среда слабого раствора серной кислоты в воде, действующая на элементы настила крыши и верхний пояс стенки.

2. Разработана комплексная методика оценки уровня КТС с позиции заровденйя локальных коррозионно-механических дефектов и установлены показатели КТС элементов резервуара, как отношение сопротивлений металла переходных зон сварного соединения (ЗТВ, ЗС, шов) к основному металлу локальному разрушению в условиях эксплуатации резервуаров.

а) регламента уровня КТС для различных категорий сварных соединений;

б) регламента методических испытаний образцов и способов оценки качества в зависимости от категории сварных соединений.

3. Зависимости уровня КТС по сопротивлению локальной коррозии, ррдорадному охрупчиванию, коррозионному растрескиванию и коррозионной усталости низколегированных сталей от величины монтажной пляс-

тической деформации, техиологиче-ских факторов сварки (марки электрода и присадочной проволоки, температуры предварительного подогрева и уровня погонной энергии сварки) и послесварочной обработки (обработка взрывом и антикоррозийная защита), решимов и уровней нагружения, степени коррозионной активности сред.

4, Показана необходимость учета коэффициента (С^) КТС по сопротивлению зарождению норрозионно-усталостной трещины при расчете долговечности сварных элементов нефтяных резервуаров на стадии зарождения трещины путем умношения известной эмпирической зависимости (методика расчета ЦНИИПСК) на понижающий коэффициент с!?':

К

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований учтены при строительстве резервуаров на Тобольском нефтехимическом комбинате; положительный эффект повышения уровня КТС за счет обработки взрывом монтакных стыков был реализован на Гродненской ТЭЦ-2 при реконструкции цилиндрического резервуара для хранения нефтепродуктов объемом 30 тыс.м'.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на научно-технических советах ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова и ВНИИпромстальконструкция; на научном семинаре кафедры "Сварки и защиты от коррозии" Государственной академии нефти ' и газа им. И.М.Губкина.

Публикации. Основное содеряание работы отраяено в $ публикациях.

Структура.и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения, изложена на ?-^-4~страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 93 рисунков и 10.3 наименований использованных литературных источников.

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, дана краткая характеристика темы исследования, освещена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе на основе результатов натурного обследования резервуаров проанализированы характерные эксплуатационные дефекты.

а - ю6

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большинство случаев потери герметичности приходится на сварные соединения, поэтому рассмотрены вопросы эволюции их формирования и основные факторы и параметры, определяющие их работоспособность, причем в ракурсе такого понятия как свариваемость. Понятие конструкционно-технологической свариваемости по существу ранее было определено в работах профессора Стеклова О.И. как отношение конструк ционной прочности сварного соединения к основному металлу с учетом эксплуатационного, в т.ч. коррозионного воздействия среды. При ана лиэе экономической эффективности отечественного резервуаростроения в терминах прибыль (затраты) - долговечность рассмотрены варианты эксплуатационных ситуаций, связанные с ремонтами, недоливами, непредвиденными отказами конструкции, ответственными за малоприбыльную или затратну» их работоспособность. Рассмотрены критерии выбор; стали для сварной конструкции с позиции ее безопасности и группы ■есткости напряяенного состояния. Существенным недостатком лредста! ленной' схемы, выбора марок и категорий сталей для сварных конструкций в зависимости от требований по их безопасности является недостаточный учет активного коррозионного и сорбционного воздействия рабочей или окруяаюцей среды.

Как известно из работ Стеклова О.И., влияние корроэионно-акти ной среды особенно существенно для сварных соединений, обладающих геометрической, химической и физической неоднородностью, поэтому привлечение современных методов оценки коррозионно-механической прочности конструкций, работающих в контакте с ЗОП, необходимо с п зиции обеспечения надевной эксплуатации резервуаров.

В методической подходе к оценке сопротивления коррозионно-ме-ханическому разрушению сварных соединений существует три основных направления: по изучению чувствительности металла зарождению дефор иационных дефектов в средах, по определению долговечности образца и по оценке сопротивления металла распространению КМ трещин.

Существующие методы оценки сопротивления КМ разрушению не в п ной мере отражают эксплуатационную ситуацию для нефтяных резервуаров по ре«имаы нагру&ения и воздействия сред. Способы ускорения ис пытаний за счет завышения уровней, скоростей, амплитуд и частот на ружения, наряду с использованием искусственных сред высокой агрессивности не могут обеспечить корректное подобие по замедленным видам разрушений, для реализации которых основное значение имеет про долиительность контакта со средой локальной зоны предразрушения

напряженного металла.

Современные методы расчета долговечности резервуаров не учитывают влияния корроэионно-активной среды и основаны на концепции наступления предельного состояния конструкции вследствие:

1) зарождения усталостных трецин в сварных соединениях глубиной 2 мм;

2) развития коротких трещин до критических размеров, когда возможно хрупкое разрушение конструкции, т.е. допускается экологическая катастрофа.

Такой подход оправдывается фактически неудовлетворительный качеством сварных соединений, не исключающим существование коротких трещин после монтака из-за невысокой культуры производства и низкой технологической дисциплины. Указанные причины требуют корректировки .

Учитывая вышеназванное, были сформулированы задачи работы:

1) Разработать методику оценки конструкционно-технологической свариваемости резервуаров с ЭОП.

2) Установить закономерности влияния условий, рекимов эксплуатации и технологии сварки на уровень КТС резервуаров длл нефтеперекачивающих производств.

3) Выявить влияние послесварочных операций: упрочняющей обработки взрывом и антикоррозийной запиты на долговечность сварных элементов листовых конструкций.

4) Разработать методику учета параметров КТС при расчете Долговечности сварных элементов резервуаров на стадии зароидения корро-эионно-усталостных трещин.

Во второй главе описаны конструктивные особенности экспериментального оборудования и методики оценки сопротивления сварных соединений зарождению коррозионно-механических дефектов.

Разработана условная классификация сварных соединений элементов вертикальных цилиндрических резервуаров для нефтепродуктов по категориям в зависимости от степени безопасности элемента, уровня «есткости напряженного состояния и степени агрессивности среды (см. табл. I). Определены характерные режимы нагруяения отдельных групп элементов и их сварных соединений. В зависимости от категории сварных соединений регламентированы необходимые и достаточные способы дефектоскопии сварных соединений, а также регламентированы предельные уровни коэффициентов КТС и методы лабораторной оценки сопротив-

ления разрушению.

Ранее в работах Стеклова О.И. по существу определен подход к оценке КТС как отношение сопротивляемости разрушению переходных зон сварных соединений и основного металла в эксплуатационных средах.

Конструкционно-технологическая свариваемость - комплексное понятие, характеризующее физическую и технологическую свариваемость материала, учитывающее напряженно-деформированное состояние и условия эксплуатации конструкции.

В данной работе конкретизированы показатели КТС для вертикаль ного цилиндрического резервуара для нефтепродуктов и разработана комплексная методика оценки КТС емкостей с ЭОП.

Предложено определять уровень КТС по трем зонам сварных соеду нений: центр шва, зона сплавления (ЗС), зона термического влияния (ЗТВ) на участке максимального уровня микротвердости как отношение их сопротивления: I) локальной коррозии под напряжением - С^;

2) коррозионному растрескиванию при катодном наводораживании с"р(Н

3) коррозионной усталости - с"у к сопротивлению соответствующему е

К

ду р.азруиения основного металла.

1-ый этап методики основан на испытании многопозиционного ко^ пантного образца в натурных и/или лабораторных условиях. Образец выполняется из двух сомкнутых пластин предварительно приваренных по трем сторонам к более жесткой подложке. Затем пластины свариваются между собой стыковым швом (контрольный вюв). Далее, поперек но шву пластины разрезаются в центральной части таким образом, чтс образуется пять независимых ветвей (образцов), жестко закрепленные пек концам. По центру набор образцов нагружается с фиксацией прогиба винтами (постоянная деформация). Образцы в зависимости от целевого назначения эксперимента могут иметь:

- реальную технологически-модельную поверхность;

- олифованную по 7 классу точности поверхность;

- шлифованную поверхность с острым надрезом в любой из перехс них зон сварных соединений.

Показателем сопротивления локальной коррозии служит величина обратная глубине коррозии.

2-о» этап методики предполагает испытание на сопротивляемость коррозионному растрескиванию и проводится на многопозиционных компактных образцах с острыми искусственными надрезами глубиной 0,5

помещенными в искусственную среду //г5о^голл нг $со3 при катодном наводоралнвании с током коррозии = 40 мА/см* и ступенчато-возрастающем нагружении. Показателем сопротивления КР служит время (АТ ) до образования трещины.

Кроме того, этап включает испытания образцов о двумя короткими (0,5 мм) боковыми трещинами при постоянной нагрузке в средах группы В и С на специальной установке с целью определения КТС по сопротивлению зарождению трещин КР. Чувствительностью к КР служит средняя скорость подрастания трещины до 2 мм.

3-ий этап методики состоит из испытания образцов с двумя короткими (0,5 мм) боковыми трещинами при комбинированном статическом и переменно-импульсном нагруяении (нестационарном) на специальной установке роторного типа и/или переменно-синусоидальном нагруяении (стационарном) на специальной установке кривоаипно-рычажной системы в средах группы В и С. Показателями чувствительности к коррозионной усталости (КУ) при /? = 0,2 и коррозионного растрескивания (КР) при /? =0,8 служит средняя скорость подрастания коротких трещин (зарождение макротрещины).

Для оценки степени влияния коррозионно-активной среды методика включает испытания дисковых образцов при двухосном нагружении с искусственным непроваром по центру шва. Методика предполагает испытания стыковых сварных соединений патрубков резервуаров с различными видами-антикоррозийного покрытия и тавровых сварных соединений, моделирующих уторный шов резервуара на усталостную долговечность^'при нестационарном нагруяении в среде В.

В третьей главе описаны закономерности и результаты испытаний однородных и разнородных сварных соединений иирокоиспользуе-мых в резервуаростроении сталей марок: ВСтЗсп, 16Г2АФ.09Г2С и перспективных 12ХГДАФ и 08Х4Н2М по методике, описанной выше. При натурном испытании многопозиционних образцов в нефтяном резервуаре объемом 20 тыс. м' на Никольской перекачивающей станции, закрепленных в зоне подтоварной воды и паровоздушной среды, после I года экспозиции выявлена линейно падающая зависимость уровня КТС по сопротивлению локальной коррозии металла ЗТВ и однозначного уровня КТС по металлу шва с возрастанием степени пластической деформации для сварных соединений сталей ВСтЗсп и 09Г2С.

На образцах с наплавленными валиками с различной погонной энергией и шлифованной поверхностью по сопротивлению локальной коррозии

при постоянной нагрузке в подтоварной воде установлены следующие зависимости уровня КТС однозначной, равной 0,5, по ЗТВ от

величины без предварительного подогрева для сварных соединений стали 16Г2АФ; параболической с максимальным уровнем КТС, равным 1,3 при % = 15 кД»/см по ЗТВ от величины погонной энергии с предварительным подогревом в 160°С стали 16Г2АФ; однозначной, равной 1,25, по металлу шва от величины погонной энергии и температуры-предварительного подогрева для сварного соединения стали 16Г2АФ, полученного автоматической сваркой под слоем флюса АН-348 сварочной проволокой св 10НМА; однозначной зависимости уровня КТС, равного 1,75, для ЗТВ и 1,25 для металла шва, от величины погонной энергии для сварных соединений стали 08Х4Н2М, полученных автоматической сваркой под слоем флюса АН-348 проволокой св 07ХЗНЗГСМ.

Кинетика локальной коррозии сварного соединения стали 16Г2АФ крайне неравномерна, ее степень увеличивается в ряду переходных зон: шов, основной металл, ЗТВ. Уменьшение температуры предварительного подогрева со 160°С до 20°С увеличивает глубину растворения ЗТВ примерно в 3 раза, незначительно влияя на глубину растворения металла ова.

По сопротивлению КР образцов с двумя боковыми трещинами при постоянном нагруяении установлено, что уровень КТС обладает высоким значением (0,75»1,0) для элементов, эксплуатирующихся в подтоварной воде из сталей 09Г2С и 08Х4Н2М и для элементов, эксплуатирующихся в слабом растворе серной кислоты из сталей 09Г2С и 16Г2АФ. Сопротивляемость зарождению трещин в средах группы С и В убывает для всех зон сварных соединений в ряду сталей 08Х4Н2М, 09Г2С, 16Г2АФ.

Влияние степени наводораяивания для сворных соединений стали 08Х4Н2М сказалось более эффективно, чем для сварных соединений 16ГЙАФ, причем, по основному металлу в-1,25 раз, по ЗТВ в 2,25 раза, по зоне сплавления в 4,0 раза, по металлу шва в 3,0 раз, что исключает использование стали 08Х4Н2М для нижнего пояса нефтяного резервуара. С позиции сопротивления водородному охрупчиванию оптимальными режимами сварки следует считать: для стали 16Г2АФ - 30 кДи/сы, для стали 08Х4Н2М - 7 кДя/см.

По сопротивлению водородному охрупчиванию установлены: экспо-нентциально-падаюцая зависимость уровнялТ и линейно-возрастающая зависимость уровня микротвердости по ЗТВ при увеличении погонной энергии сварки стали 08Х4Н2М; экспонентциально-возрастающая эависи-

мость уровня дТ и линейно-падающая зависимость микротвердосги по ЗТВ при увеличении погонной энергии сварки стали 16Г2АФ. Таким образом, степень водородного охрупчивания возрастает с увеличением уровня микротвердости структур в ЗТВ сварных соединений. Сталь 16Г2АФ не следует сваривать на яестких режимах во избежание образования закалочных структур, склонных к водородному охрупчива-нию, сталь 08Х4Н2М не следует сваривать на мягких режимах во избежание образования структур перегрева (типа видманштетовой структуры) склонных к водородному охрупчиванию.

При комбинированном статическом и переменно импульсном нагруяе-нии с асимметрией цикла I? =0,8 образцов с натурной поверхностью в среде группы С по чувствительности к зарождению коррозионно-меха-ничеоких трещин ( V* , м/час) по зоне сплавления сварных соедине-•ний установлены:

- параболическая зависимость с отрицательным экстремумом уровня V от величины (?-/у ) для сталей 09Г2С и 16Г2АФ;

- экспонентциально возрастающей зависимости уровня V стали 08Х4Н2М с увеличением ( Ь

Отсюда следует, что сварку следует осуществлять на режимах с уровнем погонной энергии, равной для сталей марок: 09Г2С - 12 кДя/см; 16Г2АВ - 15 кДж/см; 08Х4Н2М г 15 кДж/см.

При испвтании образцов с двумя короткими боковыми трещинами в среде группы В выявлено, что скорость зарождения КМ трещин (длиной до 2 ми) при нестационарном импульсно-переменном нагружении на порядок ниве, чем при стационарном синусоидально-переменном нагружении .

При стационарном переменном нагружении скорость зарождения кор-роэионно-усталостных трещин (КУГ) стали 12ХГДАФ в два раза выше, чем в стали 09Г2С. Чувствительность металла шва сварных соединений этих сталей к зарождению КУГ мало отличается от основного металла и примерно в два раза ниже, чем у металлов переходных зон сплавления и термического влияния.

По сопротивляемости зарождению КУТ в подтоварной воде коэффициенты КТС составляют:

П Для сварных соединений стали 09Г2С:

- при стационарном нагружении по металлу вва - 0,76; по-ЗТВ -0,4; по зоне сплавления - 0,45;

- при нестационарном нагружении по металлу шва - 0,5; по ЗТВ -

0,3; по зоне сплавления - 0,23.

Из-за низких показателей КТС использование стали 09Г2С в нижнем поясе резервуара требует обязательных дополнительных мер ее повышения (антикоррозионная защита металла, обработка взрывом и т.д.).

2) Для сварных соединений стали 12ХГДАФ:

- при стационарном нагруиении по металлу шва - 1,2; по ЗТВ -0,75; по зоне сплавления - 0,7;

- при нестационарном нагружении по металлу шва - 0,55; по ЗТВ -0,3; по зоне сплавления - 0,25.

Для однородных и разнородных сварных соединений сталей 00Г2С и 12ХГДАФ уровень КТС при стационарном переменном нагружении конструкции с позиции зарождения КУТ в 1,543,0 раза выше, чем при нестационарном переменно-импульсном нагружении.

В четвертой главе рассмотрены вопросы влияния послесварочной обработки м/к резервуаров на уровень долговечности и коэффициенты КТС; при расчете коррозиоино-усталостной долговечности учтены коэффициенты КТС.

Для снятия остаточных сварочных напряиений и поверхностного упрочнения металла сварных соединений в настоящее время применяется разработанный в И0С им. Патона технологический процесс обработки взрывом, заключающийся в инициировании в обрабатываемом металле интенсивных релаксационных и деформационных процессов, обусловленных локальным введением дозированного по длительности и амплитуде ударного (взрывного) импульса.

В работе исследовалась реакция металла сварных соединений поело оптимальной офаботки на иоррозионно-механические воздействия, характерные для эксплуатации металлоконструкций резервуаров.

После взрывной обработки (ВО) уровень КТС по сопротивлению локальной коррозии (С") под нагрузкой в среде группы В (подтоварная вода) в зоне сварных соединений повышается для сталей:

- 12ХГДАФ - в 2,0 раза при ручной сварке электродами марки УОНИ 13/55;

- (09Г2С 4 12ХГДАФ) (разнородные сварные соединения) - в 2,5 раза при автоматической сварке под флюсом' с применением присадочной проволоки св 08Х1ДЮ (марка флюса АН-348); '

- (ВстЗсп + 09Г2С) - в 2,3 раза при автоматической сварке под флюсом (АН-348) проволокой св ЮГА.

Положительный эффект ВО для частично оплавленной структуры зо-

ны сплавления сварных соединений объясняется, по-видимому, релаксацией напряжений П рода в местах локального плавления по границам зерен, а также при поверхностном наклепе металла механическим сдавливанием микрорыхлот (повышение плотности металла), что в совокупности снижает физическую гетерогенность и неоднородность НДС (напряженно-деформированного состояния), а это в свою очередь затрудняет реализации электро-механо-химического растворения металла. В результате ВО сопротивление металла сварных соединений сталей 16Г2АФ и 08Х4Н2М коррозионному растрескиванию при катодном наводо-раживании повышается соответственно: для ЗТВ - в 1,2 и 1,35 раза, для зоны сплавления - в 1,35 и 3,0 раза.

Приатом уровень КТС для переходных зон сварных соединений ста ли 16Г2АФ и 08Х4Н2М увеличивается соответственно - в 1,25*1,6 ра-.за и в 1,5*&,7 раза; для металла шва уровень КТС несколько снижается.

Это объясняется, по-видимому, тем фактом, что в зоне термического влияния за счет уплотнения металла вдоль его толщины (наклепа) уиенывается количество потенциальных микронакопителей молекулярного водорода (микрорыхлот, микропор, микрополостей), а также за счет деформационной рекристаллизации и полигонизации уменьшением длины границ зерен, на которых существовали сегрегационные при меси (грубые-границы), где может также скапливаться водород. В литой структуре металла шва ВО, по-видимому, увеличивает количество деформационных дефектов, типа вакансий, дислокаций, полос скольжения, на которых выделяется водород и несколько охрупчивает металл.

При ВО повышается уровень КТС по сопротивлению зарождению коррозионно-усталостных трещин в зонах термического влияния и сплав ления соответственно для сталей 09Г2С и 12ХГДАФ:

- при стационарном нагружении - в 1,3*1,4 раза и в 1,1*1,2

раза;

- при нестационарном нагружении - в 1,5*1,6 раза и в 2,0*2,4

раза.

Для разнородных сварных соединений (09Г2С + ШГДАФ):

- при стационарном нагружении - в 1,1*1,5 раза (со стороны^ стали 09Г2С); в 1,1*1,4 раза (со стороны стали 12ХГДАФ); .

- .при нестационарном нагружении - в 2,0 раза (со стороны стали 09Г2С); в 1,5*3,0 раза (со стороны стали 12ХГДАФ).

Это вызвано с одной стороны увеличением сопротивления металла

механическим (циклическим) нагрузкам наклепанного металла, а с другой - уменьшением физической неоднородности металла, спивающей электро-механический потенциал коррозии. Обработка взрывом за счет релаксации сварочных напряжений и поверхностного упрочнения металла повышает коррозионно-усталостную долговечность уторного шва сзар-ного соединения резервуара из стали 09Г2С примерно в 2 раза при расчетных нагрузках.

В работе также исследовался способ металлизации поверхности металлоконструкций резервуара путем покрытия алюминием (МАП) как способ антикоррозийной защиты. При этом установлено, что при сварке по покрытию и обнаженной поверхности сварного соединения стали 09Г2С поражение коррозией в зависимости от способа сварки и зоны металла сварного соединения достигает 45 - 70* от общей торцевой поверхности образца по истечении 160 часов выдержки в подтоварной воде и переменном нагружении и 100% по истечении 240*300 часов экспозиции образца. Наибольшей протекторной защитой обладает полное покрытие МАП основного металла и металла ива. При этом появление видимой питтинговой коррозии возникает через 180 часов и достигает 35 - 50* по истечении 360 часов.

Алюминирование только основного металла стали 09Г2С (сварка по покрытию) практически не оказывает протекторной защиты на зарождение коррозионно-усталостных трещин по зоне сплавления, кривые долговечности сварных соединений без покрытия и с частичным покрытием (МП совпадают.

После элиминирования металла шва и покрытия в один слой поверхности шва железным суриком долговечность сварных фрагментов категории 2ШВ в малоцикловой области нагруления повышается в 2*3 раза.

В работе было изучено коррозионное влияние сред групп В и С на распространение тренин в дисковых образцах по их толщине при двухосном переменно-циклическом нагружении. При атом установлено для сварных соединений стали 09Г2С на дисковых образцах с поверхностным искусственным непроваром по центру шва при повторно-синусоидальном двухосном нагружении с равными компонентами напряжений, что при изменении стартовых длин непроваров (поверхностных трещин) от 5 до 25 мм при одинаковой глубине в 2 мм подтоварная вода снижает долговечность (образование сквозной трещины) по сравнении с испытаниями на воздухе соответственно в 20*5 раз; слабый раствор серной кислоты

в воде - в 10*3 раза. При этом подтоварная вода на образце металлизированном алюминием после сварки снижает долговечность в 2*1,75 раза по сравнению с долговечностью непокрытого образца на воздухе.

В работе предложено расчет долговечности сварных элементов стенки нефтяных резервуаров вести только на стадии зарождения трещины до ее глубины в 2 мм, исключив стадию ее развития до образования сквозной трещины, считая наступлением предельного состояния -образование момента разгерметизации резервуара с позиции экологической безопасности. При этом следует учитывать уровень КТС нижнего или верхнего пояса резервуара путем введения коэффициента (С^у) сопротивления зарождению КУ трещины в известную расчетную формулу (методика ЦНШ1СК):

С • Ю

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведена условная классификация сварных фрагментов корпуса нефтяных цилиндрических резервуаров по категориям в зависимости от уровня: безопасности, напряженно-деформированного состояния, коррозионной агрессивности среды, что позволило регламентировать способы оценки качества сварных соединений и методы экспериментальной оценки сопротивления коррозионно-механическому разрушению.

2. Разработана комплексная методика и показатели оценки уровня конструкционно-технологической свариваемости (КТС) как отношение сопротивления зоны сварного соединения к основному металлу элементов резервуара по сопротивлению: локальной коррозии под нагрузкой, водородному охрупчиванию, коррозионному растрескиванию, коррозионной усталости в натурных средах.

В зависимости от категорий сварных фрагментов регламентирован уровень КТС по сопротивляемости доминирующим видам разруаения.

3. Установлено, что по сопротивляемости локальной коррозии под напряжением сталь 12ХГДАФ обладает более высоким уровнем КТС, чем сталь 09Г2С в среде группы В, что при ее более высоких показателях механической прочности служит основанием для использования в нижних поясах стенки резервуара.

4.- Выявлено, что величина погонной энергии сварки особенно эф-

фективно сказывается на уровне КТС для сталей средней прочности 16Г2АФ и 08Х4Н2М по сопротивлению ЗТВ (локальной коррозии и водородному охрупчиванию), зоны сплавления (по зарождению коррозион-но-усталостных трещин), причем температура предварительного подогрева существенно повышает уровень КТС.

б. Установлено, что для стали 09Г2С по сопротивлению зарояде-нию корроэионно-усталостних трещин в подтоварной воде (группа В) коэффициенты КТС составляют:

- при стационарно-синусоидальном нагружении: по металлу шва -0,76; по ЗТВ - 0,4; по зоне сплавления - 0,45;

- при нестационарном импульсном нагружении соответственно: 0,5; 0,3; 0,23.

В связи с низким уровнем КТС сталь 09Г2С требует обязательных дополнительных мер его повышения.

6. Определено, что обработка взрывом сварных соединений за счет релаксации напряжений П рода и поверхностного упрочнения металла повышает уровень КТС в средах типа- В:

- для стали 12ХГДАФ - в 2 раза по сопротивлению локальной коррозии по зоне сплавления; в 1,2 раза и 2,4 раза по сопротивлению зарождению КУ трещин соответственно при стационарном и нестационарном переменном нагружении;

- для стали 09Г2С: в 1,41-1,6 раза по сопротивлению заровдению КУ трещин;

- для сталей 16Г2АФ и 08Х4Н2М по сопротивлению водородному охрупчиванию соответственно: в 1,25 и 1,6 раза по ЗТВ; в 1,5 и 3,7 раза по зоне сплайгшния.

7. Показано, что элиминирование только основного металла стали 09Г2С (сварка по покрытии) практически не оказывает протекторной защиты на зарождение корроэионно-усталостних трещин по зоне сплавления, кривые коррозионно-усталостной долговечности с покрытием и без покрытия совпадают.

После элиминирования металла ива и покрытия в один слой поверхности шва железным суриком долговечность сварных фрагментов категории 2ШВ в малоцикловой области нагружения повышается в 2*3 раза.

8. Предложено при расчете долговечности сварных элементов нефтяных резервуаров по стадии зарождения трещины учитывать уровень КТС путем введения коэффициента (по сопротивлению зарождению

КУ трещины) в известную формулу для расчета •

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Яковлев В.М. Обеспечение надежности и долговечности сварных металлоконструкций производства по переработке бутадиена в каучук//Тез. докл.всесоз.конф. "Роль молодежи в решении конкретных научно-технических проблем нефтегазового комплекса страны". - пос. Красный Курган, 1989 г. - с. 51.

2. Яковлев В.М. Механо-коррозионная прочность материалов и сварных соединений оборудования Тобольского нефтехимического комбината/Лез. докл. Международной конференции молодых ученых в области сварки и смежных технологий. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1989 г! - с. 227.

3. Эффективность применения металлизационных алюминиевых покрытий для защиты от коррозии сварных нефтегазовых сооружений/ М.А.Сычева, В.М.Яковлев, Н.М.Федорова//Научно~технический сборник, разведка и разработка морских месторождений нефти и газа. - Москве 1989г. - вып. 1Р 5. - с. 9-10.