автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка склонности к замедленному разрушению объектов систем газораспределения

На правах рукописи

САНДАКОВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(Нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническим университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Бакиев Тагир Ахметович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович; доктор технических наук, профессор Гареев Алексей Габдуллович.

Ведущее предприятие

ОАО «Газ-сервис» филиал «Уфагаз».

Защита состоится 4 марта 2005 года в 16-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 3 » февраля 2005 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ьЗил*-^ М.М. Закирничная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Основным объектом систем газораспределения и газопотребления являются наружные газопроводы подземного и наземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). Эти газораспределительные сети относятся к потенциально опасным производственным объектам.

Из года в год доля трубопроводов, длительно работающих (более 40 лет) под действием постоянного давления перекачиваемого газа, интенсивно увеличивается. Заменить их на новые практически нереально, рациональным является дальнейшая безопасная эксплуатация путем полного использования ресурсов несущей способности.

Решение этой задачи требует научного подхода - необходимости исследования физического состояния металла, закономерностей деградационных изменений его механических свойств в процессе длительного нагружения.

Явление, оказывающее влияние на динамику изменения служебных свойств металла, длительно находящегося под действием постоянной нагрузки при нормальных температурах, названо замедленным разрушением. Такой же процесс, происходящий при высоких температурах, называется ползучестью.

Воздействие внешних нагрузок и условия продолжительной эксплуатации газопроводов создают все условия для протекания процессов замедленного разрушения.

Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу неисследованных. С учетом увеличения протяженности старых газопроводов (эксплуатируемых более 40 лет), установление склонности металла труб к замедленному разрушению и влияния этого явления на служебные свойства стали представляет большую актуальность.

Цель работы. Оценка влияния процессов замедленного разрушения металла на промышленную безопасность газораспределительных сетей. Задачи исследований

1. Изучение условий эксплуатации подземных газопроводов и проявления процесса замедленного разрушения.

2. Исследование влияния процессов усталости и деформационного старения на прочностные и пластические свойства металла труб.

3. Изучение влияния коррозионной среды и закаленных структур на процесс замедленного разрушения.

4. Разработка методики расчета времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.

Научная новизна

1. Установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обусловленные процессами усталости и деформационного старения; воздействием коррозионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящими к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающими энергию связи между кристаллическими зернами.

2. Разработана методика расчета времени замедленного разрушения металла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных нагрузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта деформационного старения и усталостных процессов в уравнении для определения времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного.

Практическая ценность

1. Разработанная методика позволяет оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению и определить его физическое состояние в зависимости от длительности эксплуатации. Преимущества использования данной ме-

тодики заключается в том, что, не проводя длительные испытания, можно путем расчета определить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых газопроводов. Методика расчетного определения времени замедленного разрушения используется в ГУЛ «БашНИИнефтемаш».

2. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы позволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла, для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения - стальных подземных трубопроводов. Научные результаты включены в программы обучения специалистов НПОУ Инженерный Центр «Техника», г. Уфа. Апробацияработы

Результаты научных исследований докладывались и обсуждались:

- на Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии и химической технологии и экологической безопасности» (Стерлитамак, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходы -технологии — доходы» (Уфа, 2004 г.);

- IV международной научно-технической конференции «Сварка, Контроль, Реновация - 2004» (Уфа, 2004 г.).

Объем иструктураработы

Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опубликовано в восьми печатных научных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены краткая характеристика полученных результатов диссертационной работы, сведения о научной новизне, практической ценности и апробации работы. Отражен личный вклад автора в теоретические и практические разработки.

В первой главе приводятся сведения о подземных городских газопроводах как основном объекте систем газопотребления и газораспределения, об условиях их эксплуатации и техническом состоянии, подходах к определению и обеспечению безопасности эксплуатации.

Газификация городов России началась в 50-х годах прошлого столетия. По укрупненной оценке примерно 40% фонда городских и поселковых газопроводов имеют возраст около 20 лет («стареющие» газопроводы), около 30% - до 40 лет («ветхие» газопроводы) и лишь 20% газопроводов могут считаться «молодыми».

Подземные трубопроводы газораспределительных организаций в процессе эксплуатации подвержены действию постоянной статической нагрузки. Несмотря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеет место множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов и даже аварий. Зачастую газопроводы соседствуют с электрифицированными путями, подземными трубопроводами различного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач, создающими интенсивное поле блуждающих токов, приводящих к коррозионному воздействию на металл.

Надземные газопроводы имеют компенсирующие устройства, скользящие опоры, а подземные в городских условиях проходят под автомобильными дорогами и рельсовыми путями. Все это вызывает циклические нагрузки, которые могут привести к деформационному старению и порождать усталостные трещины.

В то же время необходимо отметить, что частотность циклических колебаний давления перекачиваемого газа незначительна, внутренняя поверхность труб практически не подвергается коррозионному и эрозионному износу.

Существует вероятность наводораживания металла газопроводов. Однако эти вопросы можно отнести с учетом условий эксплуатации газопроводов к совершенно неисследованным.

Таким образом, городской газопровод по условиям эксплуатации, характеру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистрального. В силу этого процессы изменений комплекса свойств металла при длительной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогично магистральным трубопроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходимость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам систем газоснабжения.

В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.08-87 для строительства систем газоснабжения применяются трубы, изготовленные из углеродистой стали обыкновенного качества, а также из качественной стали и низколегированных, хорошо свариваемых и содержащих не более 0,25% углерода.

На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углеродистых сталей марок Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганЦевой стали повышенной прочности 17ГС. К основным примесным элементам относятся Mn, Si, и в незначительном количестве (0,3%) могут присутствовать Сг, № и Си. У этих сталей хорошая свариваемость, они широко применяются в нефтяной отрасли, в частности в нефтехимическом аппаратостроении. Листы из этих сталей поставляются в холоднокатаном и горячекатаном состояниях. У холоднокатаного металла кристаллические зерна текстурованы, вытянуты в направлении прокатки, а у горячекатаного кристаллические зерна имеют равноосный вид. В этих сталях, возможно, присутствуют в небольшом количестве и другие элементы, например S и Р и др. Следует также отметить, что в них присутствуют неметаллические включения (сульфиды, окислы, нитриды) и дефекты технологического, механического и коррозионного происхождения.

В целом эти стали имеют высокие пластические свойства и хорошую свариваемость. По сопротивляемости к действию коррозионных сред относятся к мало- и пониженно-стойким.

В качестве статистических показателей причин аварийности на объектах трубопроводного транспорта приняты коррозия, внешнее механическое воздействие, брак в изготовлении труб и выполнении строительно-монтажных работ, ошибочные действия персонала.

Анализ реестра повреждений длительно эксплуатируемых газопроводов (с 1954 г.) предприятия «Уфагаз» показывает, что отказы имеют преимущественно коррозионное происхождение и составляет около 45% от общего числа повреждений.

В некоторых научных работах, посвященных аварийности на объектах трубопроводного транспорта, например, указывается, что усталость и старение металла труб вызывает замедленное разрушение, однако при этом не приводятся количественные данные отказов по этой причине, что можно объяснить лишь неизученностью этих процессов.

К настоящему времени доля длительно эксплуатируемых газопроводов (более 40 лет) из года в год интенсивно растет. Деградационные изменения механических свойств при этом являются неоспоримым фактом.

Ухудшение физического состояния металла газопроводов в основном оценивается показателями уменьшения отношения предела прочности к пределу текучести, снижением ударной вязкости металла. Однако количественное снижение этих механических свойств не превышает допустимых нормативных значений и не дает возможности оценивать продолжительность дальнейшей безопасной эксплуатации этих объектов, хотя эти изменения свойств несомненно свидетельствуют о протекании структурных изменений в металле труб.

Изменению свойств металла, которые в последующем могут привести к замедленному разрушению газопроводов, способствуют множество факторов, действующих в отдельности и в совокупности.

Проведенные нами исследования показали, что условия для протекания процессов замедленного разрушения при длительной эксплуатации городских газопроводов имеют место.

К числу факторов, приводящих к развитию явления замедленного разрушения в металле, относятся:

- деформационное старение;

- пластические деформации, которые появляются при изготовлении,

строительстве и эксплуатации;

- образование структур закалки;

- воздействие перекачиваемого продукта и грунта.

Применительно к газопроводам это сложное явление относится к числу неизученных и представляет несомненную актуальность.

Без этого не представляются возможными установление научнообосно-ванных норм правильной эксплуатации и продление сроков безопасной эксплуатации. Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов выявления причин, создающих условия для замедленного разрушения, и их количественной оценки для практического применения в целях обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа.

Вторая глава посвящена описанию сущности замедленного разрушения металла под действием статической нагрузки, условий его возникновения и проявления на исследуемых объектах.

Впервые это явление было обнаружено на закаленных сталях и некоторых сплавах.

Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокационными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, описанную в трудах Коттрелла, Давыденкова Н.Н., Мотта, Набарро, Орована, Еко-бори, Бернштейна М.П., Шурокова С.С., Гордеевой Т.А. и др.

В диссертации подробно описаны известные по литературным источникам теоретические и экспериментальные сведения:

- о факторах, обусловливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах;

- об условиях его протекания под действием статических нагрузок;

- о структурном механизме (эволюции тонкой структуры металла) при замедленном разрушении;

- конечных эффектах замедленного разрушения и их влиянии на служебные свойства металлов.

Процессы и структурный механизм деформационного старения (основного фактора замедленного разрушения) углеродистых и низколегированных сталей относительно полно изучены в трудах Бабича В.К., Лютцау В.Г.

За последние десятилетия выполнены исследования, направленные на изучение процессов старения металла магистральных нефтепроводов, находившихся в процессе длительной эксплуатации в трассовых условиях. Среди авторов — Ямалеев К.М., Гумеров А.Г., Кершенбаум В.Я., Гумеров К.М.

Металл труб магистральных нефтепроводов находится в сложно-напряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и циклическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и наружной поверхности трубопровода. Получены лабораторными методами количественные значения уменьшения относительного удлинения на 18-20%, ударной вязкости примерно в 2 раза, повышения предела прочности и текучести на 8-10%. При этом уменьшается отношение предела прочности к пределу текучести.

Все эти факты указывают на старение металла труб при длительной эксплуатации.

Изучение изменения тонкой структуры на сталях длительно нагруженных нефтепроводов и газораспределительных сетей показывает единый характер происходящих изменений, механизмы которых объяснены на основании результатов вышеприведенных исследований и отражены в выводах работы.

При длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных сталей 14ХГС, 19Г, 17ГС и Ц21 показано, что на границах зерен и на полосах скольжения образуются зародыши новой карбидной фазы. Происходит блоки-

ровка дислокации примесными атомами, эволюция дислокационной структуры. Все эти процессы приводят к увеличению внутренней энергии металла и уменьшению связи между кристаллическими зернами, а следовательно, к уменьшению пластичности и увеличению склонности к замедленному разрушению. Методом измерения величины прогиба образцов установлено, что за период около 30 лет эксплуатации эти стали теряют пластические свойства примерно на 15-20%. Показаны особенности их замедленного разрушения при закалке.

Результаты вышеприведенных исследований использовались в настоящей работе для сопоставления и обоснования объяснений причин потерь прочностных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выполнении экспериментов.

В третьей главе приведены результаты выполненных экспериментальных исследований по выявлению склонности к замедленному разрушению металла труб подземных газопроводов, длительно находящихся под действием постоянной нагрузки в процессе эксплуатации.

Исследовали основные факторы, приводящие к деградационным изменениям тонкой структуры металла, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. К числу таких, в первую очередь, отнесли деформационное старение и усталость металла труб.

В конечном счете, эти процессы в длительно эксплуатируемых газопроводах приводят к образованию охрупченных микрообластей, созданию дополнительных внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности объектов газораспределения и газопотребления.

Имеется множество методов изучения деформационного старения как прямых, так и косвенных. Для определения остаточной пластичности в работе выбрали метод расхождения берегов концентратора напряжений (рис. 1).

Показатель остаточной пластичности (П) определяли по формуле

О)

где Кк и Ко -соответственно конечная и начальная величина расхождения берегов концентратора;

Сд - коэффициент деформационного старения (для стали, эксплуатируемой приблизительно 36 лет, его значение находится в пределах 1,30-1,35).

Измерение расхождения берегов концентратора напряжений производилось с помощью лупы Ли-2-8х и кварцевой нити.

Рис. 1. Схема установки для определения расхождения берегов концентратора напряжений

Этот метод, основанный на изгибе образцов, является более подходящим для исследования охрупчивания сталей, которое происходит при деформационном старении. Кроме того, изгиб относится, по сравнению с методом растяжения, к мягкому нагружению, в нем не происходят перекосы во время нагружения образцов. С помощью метода изгиба, в частности путем измерения расхождения берегов, можно более точно установить состояние охрупченности металла.

Исследования проводили на стандартных образцах прямоугольного сечения размерами 140x12x8 мм из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении как городских газопроводов, так и магистральных нефтепроводов.

Во всех экспериментах образцы изготавливали из металлов труб, которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий. Часть образцов подвергалась отжигу при температуре 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного старения металла.

В табл. 1 приведены данные по измерению расхождения берегов концентратора образцов из стали 17ГС под приложенной нагрузке Q.

Таблица 1

Время эксплуатации, лет «0 мм мм К?-К? а я

и-изм Ао к» тгЫЗМ Лк к?

7,08 7,8

19 7,09 7,07 7,08 7.6 7.7 7,70 0,62

7,05 7,7

29 7,03 7,05 7,5 7,50 0,45

7,07 7,3 1254,4

6,8 7,3

36 7,0 6,9 6,9 7,2 7,1 7,10 0,20

7,10 9,10

29 + отжиг 7,15 7,05 7,10 9,11 9,09 9,10 2,00

Как видно из полученных данных, с увеличением времени эксплуатации расхождение берегов уменьшается, что указывает на деформационную состарен-ность исследованной стали марки 17ГС, на ее охрупченность в микрообластях.

Проведенная оценка потери пластичности стали 17ГС на основе полученных данных за 36 лет эксплуатации составляет 8-10%.

Это, несомненно, связано как с блокировкой дислокации примесными атомами, так и торможением дислокации границами зерен. Эти процессы приводят к уменьшению движения дислокации, т.е. потере пластичности стали 17ГС.

Таким образом, при длительной эксплуатации газопроводной стали 17ГС происходит ее деформационное старение, остаточная пластичность уменьшает-

ся, что непременно должно учитываться при оценке промышленной безопасности. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано с концентрацией напряжений, т.е. с увеличением склонности стали 17ГС к замедленному разрушению.

Потеря пластичности стали при ее работе в подземных трубопроводах газораспределительных систем примерно в 2 раза меньше, чем в магистральных нефтепроводах, что можно объяснить редуцированным давлением транспортируемого газа.

В работе установлена временная зависимость прочности стали от нагрузки при замедленном разрушении трубопроводных сталей. Сопротивление разрушению уменьшается при увеличении времени действия постоянной нагрузки. Это явление в основном было исследовано на закаленных сталях, алюминиевых и титановых сплавах. Оно совершенно не изучено на деформационно-состаренных трубопроводных сталях в результате длительной эксплуатации.

Для решения этой задачи исследованиям подвергали металлы труб длительно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Нестандартные образцы размерами в рабочей части 60x6x3 мм были изготовлены из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегированной стали 17ГС. Чтобы изучить характер деформации в результате длительного нагружения на одной партии образцов было просверлено отверстие диаметром 1,3 мм. Испытания образцов производили на специально сконструированной установке рычажного типа (рис. 2).

На установке испытывали одновременно два образца совершенно в одинаковых условиях. Это позволило попарно испытать деформационно-состаренный и отожженный, с целью их сопоставления. Часть образцов отжигали при температуре 600°С в течение 1 часа и охлаждали вместе с печью с целью снятия эффекта старения.

До проведения экспериментов по определению времени замедленного разрушения образцы подвергались испытанию на разрывной машине «Инс-трон» с целью установления пределов текучести и прочности материала.

Рис. 2. Схема установки для испытания образцов на замедленное разрушение: 1,2- образцы; 3 - держатель; 4 - стойка; 5 - рычаг; 6 - основание; 7 - груз; 8 - измерительная линейка

В табл. 2 приведены значения времени замедленного разрушения образцов.

Таблица 2

Марка Продолжительность Предел текуче- Напряжение испы- Время разру-

стали эксплуатации, лет сти, сгт МПа тания, <т„, МПа шения, час

42+отжиг 248 248 -

СтЗ 42 257 (0,95-1,00)-стт 305

42 257 (0,90-0,95)-стт 605

Сталь 20 41+отжиг 259 259 -

41 41 268 268 (0,95-1,00)-стт (0,90-0,95)-стт 307 633

42+отжиг 260 260 -

Ст4 42 269 (0,95-],00)-сГт 309

42 269 (0,90-0,95)-стт 635

36+отжиг 355 355 -

17ГС 36 36 36 366 366 366 (0,95-1,ОО)-0Т (0,90-0,95>ат (0,80-0,85>ат 410 628 700

Как видно из полученных данных, образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести сколь угодно долго, находясь под нагрузкой. А деформационно-состаренные разрушаются при напряжениях даже меньших предела текучести.

Фрактографическое исследование изломов показывает, что кромка разрыва образуется под прямым углом к оси образца, сам излом зернистый, кристаллический. Волокнистая часть излома незначительна.

У неразрушенных образцов произошло изменение круглого отверстия в эллипс с соотношением осей 1:2.

Эти факты указывают на наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшение энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении сталей.

Следовательно, при длительной эксплуатации газопроводов происходит динамическое и статическое деформационное старение, поскольку металл был деформирован еще при изготовлении труб, и во время эксплуатации деформируются, прежде всего, структурно-неоднородные микрообласти (границы зерен, окрестности дефектов). В таких областях интенсивно протекают процессы деформационного старения, в результате которых образуются охрупченные границы зерен из-за образования зародышей карбидных частиц, а также из-за скопления атомов Si по границам зерен, т.е. создаются условия для замедленного разрушения металла.

Газопроводы системы снабжения, соприкасаясь - подземные с фунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному разрушению. Особенно быстрое разрушение наблюдается у подземных газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов. Почва содержит различные химические реагенты, влагу и обладает полной электропроводностью. Это делает их коррозионно-активными электролитами по отношению к эксплуатируемым трубопроводам, что приводит к их электрохимической коррозии.

Особенностью решаемой задачи является изучение влияния факторов деформационного старения и коррозионной среды при их совместном действии на процессы замедленного разрушения.

Специальные образцы изготавливали из тех же сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и 17ГС для коррозионного исследования. Часть образцов от каждой стали также подвергали отжигу при 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного старения. В качестве коррозионно-активной среды был использован 3% раствор №С1. Нагружение образцов осуществлялось на испытательной установке, имеющей рычажную систему.

В табл. 3 приведены значения времени замедленного разрушения образцов в коррозионной среде.

Таблица 3

Сталь Продолжительность Предел текуче- Напряжение ис- Время раз-

эксплуатации, лет сти, егт МПа пытания, аи, МПа рушения, час

СтЗ 42+отжиг 248 248 -

42 257 (0,90-0,95)-стт 544

Ст4 42+отжиг 260 260 -

42 269 (0,90-0,95>стт 540

Сталь 20 41+отжиг 259 259 -

41 268 (0,90-0,95>сгт 538

17ГС 36+отжиг 355 355 -

36 366 (0,90-0,95)стт 700

Параллельно проведенные исследования на воздухе при таких же нагрузках показали следующие результаты: Ст3 разрушилась через 605 часов, Ст4 -через 635 часов, Сталь 20 - через 633 часа, и 17ГС - через 860 часов. Как видно из полученных данных, в среднем время замедленного разрушения образцов в коррозионной среде меньше на 15%, чем на воздухе.

Следовательно, коррозионная среда во всех исследованных случаях значительно ускоряет процесс замедленного разрушения металла газопроводных труб.

Использованные в настоящей работе экспериментальные методы определения времени разрушения образцов могут быть применены для определения сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения длительно эксплуатируемых подземных стальных газопроводов.

Одним из факторов, вызывающих процесс замедленного разрушения в сталях, является образование закалочных структур.

При определенных условиях в металле шва и зоне термического влияния газопроводных сталей, которые в основном состоят из углеродистых и низколегированных сталей, возможно образование мартенсита.

Образцы из углеродистой стали 20 после закалки испытывали на замедленное разрушение на той же установке рычажного типа (см. рис. 2).

Обнаружена существенная разница в механизме замедленного разрушения деформационно-состаренных сталей по сравнению со сталями, имеющими в своем составе закалочные структуры.

Полученные экспериментальные данные показывают, что у состаренных сталей, в результате длительной эксплуатации разница между временами разрушения при напряжениях 0,95от-1,00стт и 0,90стт незначительна. Например, для Стали 20 она составляет в среднем 300-600 часов, соответственно, а для образцов этой же стали, имеющих структуру закалки она составляет порядка 290 и 800 часов. Это объясняется тем, что в результате закалки образуются мартенсит и остаточный аустенит, которые создают дополнительные напряжения. Однако при внешних статических нагрузках, соответствующих напряжениям, равным разрушение закаленных образцов происходит быстрее за счет наличия мартенсита. При напряжениях наоборот, разрушение наступает позже,

чем у деформационно-состаренных образцов. Это объясняется тем, что мартенсит при напряжениях, близких к быстро распадается даже при комнатной температуре, значит, остаются напряжения, создаваемые только остаточным аустенитом. Из-за этого уменьшается склонность стали к замедленному разрушению. Поэтому процесс разрушения образцов происходит в течение более

длительного времени, чем у образцов, изготовленных из деформационно-состаренных сталей.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчетного определения времени замедленного разрушения металла газопроводов, находившихся под действием эксплуатационных нагрузок в течение длительного времени.

В основу методики положено уравнение (2) для определения времени т, за которое напряжение релаксирует от начального значения а0 до конечного ак

(2)

Ча0 ак )

где Е — модуль упругости материала; п и А - постоянные величины.

С целью учета эффектов деформационного старения и усталостных процессов нами в числитель уравнения (2) введен коэффициент тогда с учетом сказанного уравнение (4.3) примет вид

т = -

'Д-У

1

1

п —1

т"-1

'к у

(3)

(п-1)А-Е

Коэффициент п характеризует пластические свойства материала и зависит от соотношения значений начального и конечного напряжений.

Для углеродистых и низколегированных сталей значение п колеблется в пределах от 2 до 3.

г \

гг

(4)

где - коэффициент деформационного старения. Его величина зависит от длительности эксплуатации конструкции и растет во времени.

Отношение предела текучести к пределу прочности а/ст8 характеризует упрочнение (охрупчивание) металла. При длительном нагружении стт растет быстрее, чем

Значения коэффициента деформационного старения и динамика изменения а/о, для трубных сталей содержатся в ранее проведенных работах. Используя их, по формуле (4) рассчитывается коэффициент Сд.у.

По известным п и Сд.у, экспериментально определив время замедленного разрушения на образцах, вычисляется значение постоянной А.

Расчеты проводили для газопроводной стали марки 17ГС. Образцы были изготовлены из труб, которые эксплуатировались в условия городской черты г. Уфы на протяжении 36 лет. За это время предел текучести увеличился с 355 до 366 МПа.

При расчетах для этой стали приняты: п = 2; модуль упругости Б = 2-105 МПа,СДу = 0,1.

Время наступления разрушения образцов при начальном значении напряжения Сто = стт составило 466 часов, а истинные напряжения, соответствующие моменту разрушения образцов - а, = 582 МПа. Из уравнения (3):

Г

А = -——

1

1

п—1 п—1

(5)

(п-1)т.Е

Подставив значения членов этого уравнения, получим

По формуле (3) рассчитывали время разрушения образцов для трех значений напряжений О01 = сгт; ащ ~ 0,9-СТт И СТо,з = 0,8-От- Напряжение, соответствующее моменту разрушения образцов (стк), определяли исходя из экспериментальных данных, замеряя истинную площадь сечения образцов после разрыва (8К) и нагрузю7 ™"-™етствующую моменту потери пластической устойчивости образца

I

Используя значения вышеприведенных параметров и данных, полученных из экспериментов, вычислили для данной стали расчетные значения времени замедленного разрушения (табл. 4).

Таблица 4

Сталь Продолжительность эксплуатации, лет о; МПа Время разрушения, г, час

а„ МПа <у„ МПа

17ГС 36 сгт = 366 582 446

36 0,9'СТТ = 329,4 582 587

36 0,8-ат = 292,8 582 756

Для подтверждения расчетных значений дополнительно проводили длительные эксперименты по определению времени замедленного разрушения образцов из стали 17ГС (полученные значения представлены в табл. 2)

Как видно из приведенных в табл. 4 данных, значения времени замедленного разрушения, полученные расчетным путем, вполне сопоставимы с данными эксперимента.

Данная методика может быть использована для ускоренной оценки склонности металла труб к замедленному разрушению длительно (30-40 лет и более) эксплуатируемых газопроводов системы газораспределения и газоснабжения.

Преимущество использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20-30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла труб эксплуатируемых трубопроводов.

Для этого необходимо довести до разрыва образцы исследуемого металла и определить значения предела текучести и истинного напряжения.

Значения постоянных для длительно эксплуатируемых трубопроводных (нефтегазопроводных) сталей известны (п = 2 и А = 1,1210'12). Подставляя эти значения в формулу (3), можно вычислить (оценить) время замедленного разрушения металла трубы под действием статических нагрузок, имеющих место в реальных условиях эксплуатации.

Полученные данные еще раз показывают, что при длительной эксплуатации газопроводов в результате усталости и деформационного старения на границах кристаллических зерен, окрестностях дефектов происходят накопление микропластических повреждений и увеличение внутренней энергии. Создаются условия к повышению склонности металла труб к замедленному разрушению.

Основные выводы и рекомендации

1. Трубопроводы газораспределительных сетей находятся в сложных условиях эксплуатации, подвергаются длительному воздействию постоянной статической нагрузки, опасности коррозионного повреждения, испытывают циклические нагружения; могут иметь место локальные концентраторы напряжений, а также закаленные участки зоны термического влияния сварных швов. Условия длительной эксплуатации создают предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения металла труб.

2. При длительной эксплуатации газопроводов происходят существенные структурные изменения, вызванные усталостными явлениями и деформационным старением металла труб, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения.

Дополнительные внутренние напряжения создаются за счет генерации дислокаций и развития дислокационной структуры, начиная от сетчатой, кончая клубковой, образования изгибных контуров как результата скопления дислокации одного знака, образования и роста новых карбидных частиц на границах зерен и полосах скольжения внутри кристалла.

3. При исследовании образцов трубопроводной стали 17ГС методом расхождения берегов концентратора напряжений обнаружена потеря пластичности во времени. При длительной эксплуатации (в течение 36 лет) она составляет 8-10%, что объясняется развитием деформационного старения в металле, приводящим к образованию охрупченных микрообластей и созданию больших внутренних напряжений.

4. По результатам испытаний образцов из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной стали 17ГС установлено уменьшение сопротивления разрушению при увеличении времени воздействия постоянной длительной нагрузки. Кромка разрыва располагается под прямым углом к оси образца, излом зернистый, кристаллический, волокнистая часть незначительна. Причиной является наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшающие энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении.

5. Коррозионная среда ускоряет процесс замедленного разрушения деформа-ционно-состаренного металла газопроводных труб. Время замедленного разрушения образцов, изготовленных из тех же сталей, в коррозионной среде меньше, чем на воздухе.

6. Обнаружена разница в замедленном разрушении стали, имеющей в составе закалочные структуры. При статических нагрузках, создающих напряжения, близкие к пределу текучести, разрушение закаленных образцов происходит быстрее, а при низких напряжениях, наоборот, разрушение наступает после длительного времени. Это объясняется быстрым распадом мартенсита, а остаточный аустенит не создает дополнительные внутренние напряжения.

7. Используя выполненные теоретические и экспериментальные исследования, разработана методика для ускоренного расчетно-экспериментального определения времени замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов.

Методика рекомендуется для прогнозирования возможности безопасного срока дальнейшей эксплуатации газораспределительных сетей, а также для объяснения причин отказов на этих объектах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сандаков В.А. Остаточная пластичность металла как критерий оценки эксплуатационной безопасности конструкций // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья: Материалы научно-практической конференции. - Уфа: Транстэк, 2004. - С. 17-19.

2. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. К обеспечению промышленной безопасности объектов газоснабжения с учетом замедленного разрушения стали // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья: Материалы научно-практической конференции. - Уфа: Транстэк, 2004. - С. 20-23.

0£.24- 0£26

3. Сандаков В.А. Влияние коррозионной среды на замедленное разрушение городских газопроводов // Реновация: отходы — технологии — доходы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа, 2004. -С. 208-210.

4. Сандаков В.А., Бакиев Т.А. Обеспечение безопасной эксплуатации городских газопроводов с учетом замедленного разрушения стали // Реновация: отходы - технологии - доходы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа, 2004. - С. 210-213.

5. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Методика расчета замедленного разрушения металла труб систем газоснабжения //Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: Гилем, 2004. - С. 312-314.

6. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Некоторые особенности замедленного разрушения газопроводных сталей //Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: Гилем, 2004. - С. 315-316.

7. Юнкин А.И., Сандаков В.А. Замедленное разрушение // Бергколлегия. -2004. - № 3 . - С. 24-25.

8. Юнкин А.И., Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Оценка механических свойств металла длительно эксплуатируемых трубопроводов системы газоснабжения // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - №9. - С. 15-16.

Подписано в печать 31.01.05 .Бумага офсетная. Формат 60x84Д/16. Печать трафаретная. Печ. л. 1 Тираж 90 экз. Заказ 22.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета. Адрес типографии: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПРОВОДОВ СИСТЕМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОТРЕБЛЕНИЯ ГАЗА.

1.1 Условия эксплуатации и характер нагружения.

1.2 Характеристика газопроводных сталей.

1.3 Дефекты кристаллической решетки металла труб.

1.4 Статистика отказов и причин их возникновения на объектах трубопроводного транспорта.

1.5 Выводы.

2 О ЗАМЕДЛЕННОМ РАЗРУШЕНИИ МЕТАЛЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

2.1 Сущность и условия возникновения замедленного разрушения металла.

2.2 Факторы, обуславливающие протекание замедленного разрушения металла.

2.3 Структурный механизм возникновения напряжений в стали, способствующее ее замедленному разрушению.

2.4 Выводы.

3 ИССЛЕДОВАНИЯ СКЛОННОСТИ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ МЕТАЛЛА ТРУБ ГАЗОПРОВОДОВ.

3.1 Определение потери пластичности металла труб.

3.2 Установление временных зависимостей сопротивлению разрушения деформационно-состаренных сталей.'.

3.3 Влияние коррозионной среды на замедленное разрушение.

3.4 Влияние закалочных структур на процессы замедленного разрушения

3.5 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВРЕМЕНИ ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ.

4.1 Исходные положения для разработки методики.

4.2 Уравнение для определения времени замедленного разрушения деформационно-состаренных сталей.

4.3 Результаты расчетных и экспериментальных данных.

4.4 Выводы.

Основным техническим устройством систем газораспределения и газопотребления природного углеводородного газа (метана) являются наружные газопроводы подземного и надземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). С некоторой условностью в работе они названы городскими газопроводами. Газопроводы газораспределительной сети (систем газоснабжения) обеспечивают подачу газа от источника газоснабжения до газопроводов -вводов к потребителям газа.

В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», газораспределительные системы отнесены к потенциально опасным производственным объектам. Проектирование, строительство, эксплуатация и ремонт выполняются согласно нормативному документу по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве ПБ 12-529-03.

Условия эксплуатации городских газопроводов отличаются от магистральных. Несмотря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеют место множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов, и даже катастрофических аварий. Зачастую городские газопроводы соседствуют с электрифицированными железными дорогами, трамвайными путями, подземными трубопроводами множественного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач и могут пересекаться автомобильными и железнодорожными дорогами. Все это создает интенсивное поле блуждающих токов, колебания грунта, приводящие к коррозионному воздействию и циклическому нагружению. Из года в год растет доля «дряхлых» (эксплуатируемых более 40 лет) газопроводов. Вывести из эксплуатации эти объекты не представляется возможным, а продолжение дальнейшей эксплуатации связано с решением научно-технических задач с учетом изменений комплекса свойств металла за время длительной работы, определяющих качественное функционирование объекта.

В настоящее время нормативные документы по безопасности надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве, в частности, «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» (РД 12-411-01) при определении остаточного срока службы базируются на фактических количественных значениях физико-механических свойств металла и параметров напряженно-деформированного состояния. Для получения таких сведений необходимо установление закономерностей и явлений деградацион-ных изменений состояния, тонкой структуры и комплекса свойств металла, определяющих эксплуатационную надежность и безопасность трубопроводных систем газораспределения и газопотребеления.

Решение этой проблемы требует научного подхода - необходимости исследования физического состояния металла, закономерностей деградационных изменений его механических свойств в процессе длительного нагружения.

Явление, оказывающее влияние на динамику изменения служебных свойств металла, длительно находящегося под действием постоянной нагрузки при нормальных температурах, названо замедленным разрушением. Такой же процесс, происходящий при высоких температурах называется ползучестью.

Условия эксплуатации городских газопроводов создают все предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения.

Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу не исследованных и представляющих большую актуальность.

Цель работы заключается в оценке влияния процессов замедленного разрушения металла на промышленную безопасность газораспределительных сетей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Об условиях эксплуатации подземных газопроводов и изучение проявления процесса замедленного разрушения.

2. Исследование влияния усталостных процессов и деформационного старения на прочностные и пластические свойства металла труб.

3. Изучение влияния коррозионной среды и закаленных структур на процесс замедленного разрушения.

4. Разработка методики расчета времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.

Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее, структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокационными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, описанная в трудах Коттрелла, Давыденкова Н.Н., Мотта, Набарро, Орована, Еко-бори, Бернштейна М.П., Шурокова С.С., Гордеевой Т.А. и др.

В диссертации подробно описаны известные по литературным источникам теоретические и экспериментальные сведения:

- о факторах, обуславливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах;

- условиях его протекания под действием статических нагрузок;

- структурный механизм (эволюция тонкой структуры металла) при замедленном разрушении;

- конечные эффекты замедленного разрушения и их влияние на служебные свойства металлов на развитие дефектов металла длительно эксплуатируемых газопроводов.

Процессы и структурный механизм деформационного старения (основного фактора, приводящего к замедленному разрушению) углеродистых и низколегированных сталей относительно полно изучены в трудах Бабича В.К., Лют-цау В.Г. За последние десятилетия выполнены исследования, направленные на изучение процессов старения металла магистральных нефтепроводов, находившихся в процессе длительной эксплуатации в трассовых условиях. Среди авторов Ямалеев К.М., Гумеров А.Г., Кершенбаум В .Я., Гумеров К.М.

Металл труб магистральных нефтепроводов находится в сложно-напряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и циклическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и наружной поверхности трубопровода. Получены опытным путем количественные значения - уменьшение относительного удлинения на 18-20%; ударной вязкости примерно в 2 раза, повышение предела прочности и текучести на 810%, уменьшение отношения предела прочности к пределу текучести указывают на старение металла труб при длительной эксплуатации.

Изучение тонкой структуры на сталях длительно нагруженных нефтепроводов и газораспределительных сетей показывает единый характер, происходящих изменений, механизмы которых объяснены, базируясь на результаты вышеприведенных исследований, и отражены в выводах работы.

В работах Ямалеева К.М. и Габдюшева Р.И. показано, что при длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных сталей 14ХГС, 19Г, 17ГС и Ц21 на границах зерен и на полосах скольжения образуются зародыши новой карбидной фазы. Происходит блокировка дислокации примесными атомами, эволюция дислокационной структуры. Все эти процессы приводят к увеличению внутренней энергии металла и уменьшению связи между кристаллическими зернами, а, следовательно, к уменьшению пластичности и увеличению склонности к замедленному разрушению.

Методом измерения величины прогиба образцов установлено, что за период около 30 лет эксплуатации эти стали теряют пластические свойства примерно на 15-20%. Показаны особенности их замедленного разрушения при закалке.

Результаты вышеприведенных исследований использовались в настоящей работе для объяснений причин потерь прочностных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выполнении специальных экспериментов.

Установлены характерные для исследуемого объекта источники и механизмы повреждаемости металла труб.

Исследованиями тонкой структуры металла труб определены виды и особенности микродефектов, эволюция дислокационных структур, которая является предпосылкой для образования усталостных микротрещин. Для эксплуатационных режимов газопроводов микродефекты (вакансия, дислокация и их скопление) имеют определяющие значение. Но более опасными являются границы кристаллических зерен и двойникновение в зернах, способные привести к охрупчиванию и созданию благоприятных условий к протеканию коррозионных процессов.

Следует также отметить, что в трубопроводных сталях, как известно, деформационное старение происходит при наличии дислокации и примесных атомов, даже при низких нагрузках, т.е. когда создаваемое в стенках трубы напряжение ниже даже напряжения усталости. Хотя в трубопроводах давление колеблется в малых пределах, однако, в структурно неоднородных областях (окрестности дефектов, границы кристаллических зерен и т.п.) напряжение достигает значительных величин, что способствует в этих областях протеканию деформационного старения и накопления необратимых микропластических деформаций. Протекание этих процессов приводят к образованию охрупченных областей, где относительно легко зарождаются и распространяются усталостные трещины.

В случае нагружения металла ниже предела усталости, как известно, также происходит образование большого количества подвижных дислокаций. Дальнейшее увеличение числа колебаний вызывает деформационное старение, приводящее к снижению трещиностойкости металла труб. Этот сложный процесс объяснен множеством явлений. Происходят: генерация новых дислокаций и вакансий, увеличивается их плотность; эволюция дислокационной структуры по схеме «сетчатая ячеистая —> клубковая»; коагуляция вакансий и образованием пор; фрагментация цементитных пластин; скопление дислокации одного знака, которое приводит к упругому искажению кристалла a-Fe.

Деформационное старение сопровождается также образованием новых карбидных частиц на полосах скольжения и на границе зерен, которые вызывают охрупчивание металла.

Примесные атомы кремния, углерода, азота и др. скапливаются на границах зерен, в результате чего уменьшается прочность связи между зернами. При дальнейшей эксплуатации в определенной степени происходит наводораживание металла труб. Атомы водорода легко диффундируют в деформированную область у вершины трещины и охрупчивают эту область. Этим самым они ускоряют рост усталостных трещин. Другим влиянием атомов водорода на надежность газопровода является то, что они, проникая в металл трубы, собираются в коллекторах, где, образуя молекулу водорода, создают высокое давление. Это в свою очередь приводит к выпучиванию металла на поверхность трубы, снижая при этом ее прочность.

Водород, соединяясь с атомами углерода, образует метан. Этот процесс уносит часть углерода, чем и объясняется уменьшение углерода в металле газопроводов в процессе длительной эксплуатации. Сказанное является характерным для газопроводов, перекачиваемая среда в которых способствует этому процессу.

Трубопроводы систем газораспределения и газопотребления по условиям эксплуатации, характеру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистрального. В силу этого, процессы изменений комплекса свойств металла при длительной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогично магистральным нефтепроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходимость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам систем газоснабжения.

Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов по выявлению причин, создающих условия для замедленного разрушения и их количественной оценки для практического применения в целях обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа.

Ухудшение физического состояния металла исследовали на газопроводах предприятия «Уфагаз» филиала ОАО «Газ-Сервис».

На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углеродистых сталей марок СтЗ, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганцевой стали повышенной прочности 17ГС.

Экспериментальные исследования по выявлению потери механических свойств металла проводили на специально сконструированных установках в Институте проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР, г. Уфа), электронную микроскопию образцов выполняли на оборудовании Института проблем сверхпластичности Российской академии наук (г. Уфа).

Образцы изготавливали из металлов труб (катушек), которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий.

Для восстановления исходных свойств металла применяли метод термической обработки образцов в виде отжига при температуре 600°С в течение одного часа. Сопоставлением свойств отожженных образцов со свойствами длительно эксплуатированного металла определяли количественное изменение прочностно-пластических свойств в зависимости от продолжительности нагру-жения.

Исследовали основные факторы, приводящие к деградационным изменениям тонкой структуры металла, обуславливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. К числу таких в первую очередь отнесли деформационное старение и усталость металла труб.

В конечном счете, эти процессы у длительно эксплуатируемых газопроводов приводят к образованию охрупченных микрообластей, к созданию больших внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности объектов газораспределения и газопотребеления.

Методом измерения расхождения берегов концентратора напряжений определяли потерю пластических свойств на образцах из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении, как городских газопроводов, так и магистральных нефтепроводов.

При длительной эксплуатации газопроводной стали 17ГС происходит ее деформационное старение, остаточная пластичность уменьшается, что непременно должно учитываться при оценке промышленной безопасности. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано с увеличением склонности стали 17ГС к замедленному разрушению.

Потеря пластичности стали при ее работе в подземных трубопроводах газораспределительных систем примерно в 2 раза меньше, чем в магистральных нефтепроводах, что можно объяснить редуцированным давлением транспортируемого газа.

Явление замедленного разрушения связано с временной зависимостью предела прочности. Сопротивление разрушению уменьшается при увеличении времени действия постоянной нагрузки. Это явление в основном исследовано на закаленных сталях, алюминиевых и титановых сплавах. Оно совершенно не изучено на деформационно-состаренных трубопроводных сталях в результате длительной эксплуатации.

Для решения этой задачи исследованиям подвергали металлы труб длительно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Образцы были изготовлены из углеродистых сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегированной стали 17ГС. Испытания образцов производили на специально сконструированной установке рычажного типа. Образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести сколь угодно долго, находясь под нагрузкой. А деформационно-состаренные разрушаются при напряжениях меньших предела текучести.

При длительной эксплуатации газопроводов происходят динамическое и статическое деформационное старение, поскольку металл деформируется и при изготовлении труб, и во время эксплуатации, деформируются, прежде всего, структурно-неоднородные микрообласти (границы зерен, окрестности дефектов). В таких областях интенсивно протекают процессы деформационного старения, в результате которых образуются охрупченные границы зерен, т.е. создаются условия для замедленного разрушения металла. Газопроводы системы снабжения, соприкасаясь с грунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному разрушению.

Испытывали образцы из тех сталей, что и на замедленное разрушение. Особенностью решаемой задачи явилось изучение факторов деформационного старения и коррозионной среды при их совместном действии на процессы замедленного разрушения.

Коррозионная среда значительно ускоряет процесс замедленного разрушения газопроводных труб, работающих в экстремальных условиях, а также будучи пластически деформированными.

Одним из факторов, вызывающих процесс замедленного разрушения в сталях является образование закалочных структур.

При определенных условиях в металле шва и зоне термического влияния газопроводных сталей, которые в основном состоят из углеродистых и низколегированных сталей, возможно образование мартенсита.

Образцы из углеродистой стали Сталь 20 после закалки испытывали на замедленное разрушение на той же установке рычажного типа.

Обнаружена существенная разница в механизме замедленного разрушения деформационно-состаренных сталей по сравнению со сталями, имеющих в своем составе закалочные структуры.

Выполненные теоретические экспериментальные исследования позволили разработать методику расчетного определения времени замедленного разрушения применительно к металлу трубопроводов систем газораспределения и газопотребления.

Научная новизна выполненной работы: - установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обусловленные процессами усталости и деформационного старения; воздействием коррозионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящие к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающие энергию связи между кристаллическими зернами;

- разработана методика расчета времени замедленного разрушения металла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных нагрузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта деформационного старения и усталостных процессов в уравнении для определения времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного. Практическую ценность работы представляет разработанная методика позволяющая оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению, длительно (30-40 лет и более) эксплуатируемых трубопроводов, в частности газопроводов системы газораспределения и газоснабжения.

Преимущества использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20-30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых трубопроводов. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы позволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла. Методы определения времени замедленного разрушения с учетом потерь пластичности металла используются для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения - стальных подземных трубопроводов.

Личное участие автора в получении результатов диссертации. Для реализации поставленных цели и задач исследований проделал следующие виды работ:

- самостоятельно выполнил литературный обзор теоретического и экспериментального материала, касающихся явления замедленного разрушения металлов. Установленные на этой основе дислокационные и диффузионные механизмы замедленного разрушения использовал для теоретического обоснования и объяснения результатов экспериментальных исследований;

- изучив условия длительной эксплуатации и нагружения трубопроводов систем газораспределения и газопотребления, установил неоспоримость факта проявления процессов замедленного разрушения;

- подготовил образцы и провел эксперименты по выявлению влияния усталости и деформационного старения на прочностно-пластические свойства металла труб, а также коррозионной среды и закалочных структур на процесс замедленного разрушения;

- разработал методику оценки времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами Республики Башкортостан на 2002-2004 годы, выполняемых Академией наук Республики Башкортостан «Нефтегазовый комплекс Башкортостана», «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии».

Основные научные положения и результаты экспериментальных исследований докладывались и обсуждались:

- на Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии и химической технологии и экологической безопасности» (Стерлитамак, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходы -технологии - доходы» (Уфа, 2004 г.);

- IV международной научно-технической конференции «Сварка, Контроль, Реновация - 2004» (Уфа, 2004 г.).

Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опубликовано в восьми печатных научных работах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Трубопроводы газораспределительных сетей находятся в сложных условиях эксплуатации. Подвергаются длительному воздействию постоянной статической нагрузки, опасности коррозионного повреждения, испытывают циклические нагружения, могут иметь место локальные концентраторы напряжений, а также закаленные участки зоны термического влияния сварных швов. Условия длительной эксплуатации создают предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения металла труб.

2. При длительной эксплуатации газопроводов происходят существенные структурные изменения, вызванные усталостными явлениями и деформационным старением металла труб, обуславливающие в дальнейшем развития процессов замедленного разрушения.

Дополнительные внутренние напряжения создаются за счет увеличения дислокации и развития дислокационной структуры, начиная от сетчатой, кончая клубковой; образования изгибных контуров как результат скопления дислокации одного знака; образования и роста новых карбидных частиц на границах зерен и полосах скольжения внутри кристалла.

3. Исследования образцов трубопроводной стали 17ГС методом расхождения берегов концентратора напряжений показали потерю пластичности во времени. При длительной эксплуатации (в течение 36 лет) она составляет 810%, что объясняется развитием деформационного старения в металле, приводящим к образованию охрупченных микрообластей и созданию больших внутренних напряжений.

4. По результатам испытаний образцов из углеродистых сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и низколегированной стали 17ГС установлено уменьшение сопротивления разрушению при увеличении времени воздействия постоянной длительной нагрузки. Кромка разрыва располагается под прямым углом к оси образца, излом зернистый, кристаллический, волокнистая часть незначительна. Причиной является наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшающие энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении.

5. Коррозионная среда ускоряет процесс замедленного разрушения деформа-ционно-состаренного металла газопроводных труб. Время замедленного разрушения образцов, изготовленных из тех же сталей, в коррозионной среде меньше, чем на воздухе.

6. Обнаружена разница в замедленном разрушении стали, имеющего в составе закалочные структуры. При статических нагрузках, создающих напряжения близких к пределу текучести, разрушение закаленных образцов происходит быстрее, а при низких напряжениях, наоборот, разрушение наступает после длительного времени. Это объясняется быстрым распадом мартенсита, а остаточный аустенит не создает дополнительные внутренние напряжения.

7. Используя выполненные теоретические и экспериментальные исследования, разработана методика для ускоренного расчетно-экспериментального определения времени замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов.

Методика рекомендуется для прогнозирования возможности безопасного срока дальнейшей эксплуатации газораспределительных сетей, а также для объяснения причин отказов на этих объектах.

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой А.В. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов. Уфа: Гилем, 2003. - 93 с.

2. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Гутман Э.М. Идентификация коррозионного карбонатного растрескивания. Тр. конференции Надежность оборудования в химических отраслях. Уфа: УНИ, 1987. - С. 146-147.

3. Абдуллин И.Г., Мостовой А.В., Гареев А.Г. Современные представления о механизмах коррозионного растрескивания металлических конструкций. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. С. 131-138.

4. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974. - 255 с.

5. Аистов А.С., Фокин М.Ф. Расчет напряженно-деформационного состояния и циклической долговечности труб и тройников магистральных нефтепроводов. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1981.-№7.-С. 18-21.

6. Антонов В.Г., Кантор М.М. Материалы семинара «Коррозионное растрескивание под напряжением трубных сталей. Проблемы. Решения». Ухта: РАО «Газпром», 1996. - С. 33-37.

7. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Донженников И.Е. Деформационное старение стали.- М.: Металлургия, 1972. 320 с.

8. Бакиев А.В. Технология аппаратостроения. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1995. -297 с.

9. Бакиев А.В., Пригула В.В., Надршин А.С., Покровская Н.В., Мустафин У.М. Концепция обеспечения надежности городских подземных газопроводов в коррозионных условиях эксплуатации //Наукоемкие технологии в машиностроении. Уфа: Гилем, 2000. - С. 178-184.

10. Белоусов М.В., Новожилов В.В. Влияние повторной пластической деформации на состояние карбидной фазы в сталях. Металлофизика, 1982. - Т. 2. №3. - С. 87-90.

11. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979. - 495 с.

12. И.Богомолова Н.А. Практическая металлография. Изд. 2-ое. М.: Высшая школа, 1982.-271 с.

13. Бэкофен В. Процессы деформации. М.: Мир, 1977. - 139 с.

14. Волский М.И., Аистов А.С., Гусенков А.П. Прочность труб магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов при статическом и малоцикловом нагру-жении. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - М.: ВНИИО-ЭНГ, 1979. - 50 с.

15. Глазков В.И., Стрижевский И.В. и др. Защита металлических сооружений от подземной коррозии. М.: Недра, 1981. - 296 с.

16. Головин С.А., Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. М.: Металлургия, 1980. - 239 с.

17. Головин С.А., Разин В.К. Особенности деформационного старения конструкционных сталей // В кн. Вопросы металловедения и физики металлов. — Тульский политехнический инстиут, 1974. — В. 2. С. 78-83.

18. Гольдштейн М.И., Литвинов B.C., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия, 1986. - 297 с.

19. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978. - 200 с.

20. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургия, 2004. - 402 с.

21. Грабин В.Ф., Денисенко А.В. Металловедение сварки и низко- и среднеле-гированных сталей. Киев: Наукова думка, 1978. - 297 с.

22. Грибанова Л.И., Саррак В.И., Филипов Г.А. и др. Физико-химическая механика материалов, 1981. Т.17. - №5. - С. 29-33.

23. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.П. Распад цементита при пластической деформации стали. Металлофизика, 1982. - Т. 4. - В. 3. - С. 72-75.

24. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С., Макроусов С.Н. Расчеты остаточного ресурса магистральных и промысловых нефтепродуктов // Тр. конгресса нефтегазо-промышленников России. Уфа, 2000. - С. 3-13.

25. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С., Ямалеев К.М. Старение труб нефтепроводов. -М.: Недра, 1995.-220 с.

26. Гумеров А.Г., Ямалеев К.М., Гумеров Р.С. и др. Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта. М.: Недра, 1998. - 256 с.

27. Гумеров К.М., Иванова Е.В., Заворыгин В.В. и др. Оценка усталостной прочности незащищенных переходов газонефтепроводов через автомобильные дороги.

28. Ермоленко Ю.Г., Большаков A.M., Черемкин М.К., Туш Р.Э. О техническом состоянии магистральных газопроводов Якутии Безопасность труда в промышленности, 2003. - №10. - С. 5-7.

29. Зайнуллин Р.С. Механика катастроф. Обеспечение работоспособности и оборудования в условиях механохимической повреждаемости. ИПК Госсобрание РБ. Уфа, 1997. - 426 с.

30. Зилова Т.К., Демина Н.И., Фридман Л.Б. Методика оценки склонности материалов к замедленному разрушению // Заводская лаборатория, 1956. — Т.22. №8. - С. 967-973.

31. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983.-350 с.

32. Иванов Е.А., Дадонов Ю.А. и др. О техническом состоянии магистрального трубопроводного транспорта в России / Безопасность труда в промышленности. 2000. - №9. - С. 34-37.

33. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, 2003. №5.

34. Кершенбаум В.Я., Ямалеев К.М., Зайнудлин Р.С., Гумеров К.М. Оценка старения магистральных нефтепроводов при длительной эксплуатации // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, 2001. №3. -С. 31-36.

35. Конева Н.А., Козлов Э.В. Природа субструктурного упрочнения. М.: Известия ВУЗ, сер. «Физика», 1982. - С. 3-14.

36. Конрад X. Сверхмелкие зерна в металлах. -М.: Металлургия, 1973. 384 с.

37. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в металлах. М.: Металлургия, 1958. - 267 с.

38. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Изд. 3-е. М.: Металлургия, 1984. - 359 с.

39. Лютцау В.Г. Современные представления о структурном механизме деформационного старения и его роль в развитии разрушения при малоцикловой усталости // В кн. Структурные факторы малоциклового разрушения металлов. М.: Наука, 1977. - С. 5-21.

40. Макара А.М. Исследование природы холодных околошовных трещин при сварке закаливающихся сталей // Автоматическая сварка, 1960. №2. - С. 2-33.

41. Макара A.M. Исследование природы холодных околошовных трещин при сварке легированных конструкционных сталей. Автореферат докторской диссертации. К., 1963. - 51 с.

42. Макара A.M., Мосенуз Н.А. Природа влияния металла шва на образование трещин в околошовной зоне // Автоматическая сварка, 1964. №9. - С. 1-10.

43. Маричев В.А. Некоторые нерешенные вопросы электрохимического коррозионного растрескивания // Защита металлов, 1984. Т.20. - №1. - С. 77-83.

44. Методика оценки работоспособности труб линейной части нефтепроводов на основе диагностической информации РД 39-0014705-001-91. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1992. - 140 с.

45. Миланчев B.C. Оценка работоспособности труб при наличии концентраторов напряжений // Строительство трубопроводов, 1984. №2. - С 23-25.

46. Мишков Ю.Я. Физические основы разрушения стальных конструкций. -Киев: Наукова Думка, 1981. 238 с.

47. Надршин А.С. Обеспечение работоспособности и безопасности трубопроводных систем газоснабжения. Докторская диссертация. Уфа: ОАО «Газ-Сервис», 2003.

48. Надршин А.С. Работоспособность трубопроводов системы газоснабжения. -Уфа: Издательско-полиграфический комплекс при администрации президента РБ, 2002. 220 с.

49. Олешко В.Д. Расчет долговечности труб с расслоением // В кн. Транспортировка нефти и газа. Уфа: ИПТЭР, 2001. - С. 9-12.

50. Орлов А.Н. Физика металлов и металловедения, 1977. Т. 44. - Вып. 5. - С. 966-970.

51. Орлов А.Н., Перевезенцев В.Н., Рыбин В.В. Граница зерен в металлах. М.: Металлургия, 1980.- 154 с.

52. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов // Под ред. K.JI. Брайента, С.К. Бенержи. -М.: Металлургия, 1988. 551 с.

53. Павлов В.А. Физические основы холодной деформации ОЦК металлов.1. М.: Наука, 1978.-206 с. *

54. Панасюк В.В., Ковчик С.Е., Сморода Г.И. Физико-химическая механика материалов, 1979. №3. - С. 5-17.

55. Потак Я.М., Бреславцева О.П. Некоторые проблемы прочности твердого тела. М.: Изд-во АН СССР, 1959. - С. 152-160.

56. Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления. ПБ 12-529-03.-М., 2003.-200 с.

57. РД 12-411-01. Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов. М., 2001.

58. Саррак В.И., Филиппов Г.А. Задержанное разрушение стали после закалки // Физико-химическая механика материалов, 1976. №2. - С. 44-53.

59. Сергеева Т.К., Болотов А.С., Гулей Г.Г. и др. Химическое и нефтяное машиностроение, 1996. №2. - С. 72-76.

60. Сорокин А.А., Шурайц A.JL, Зубаилов Г.И., Осипов Ю.А. Опыт технического диагностирования подземных газопроводов Безопасность труда в промышленности, 2003. №5. - С. 10-12.

61. Таран В.Д. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1964. — 544 с.

62. Ткач В.М., Бендер B.C., Мелеход Р.К. и др. Физико-химическая механика материалов, 1994. № 1. - С. 51 -56.

63. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» №116-ФЗ от 21 июля 1997 г.

64. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. Пер с анг. М.: Мир, 1976.-328 с.

65. Шарапов' М.Х. О роли вакансий в механизме задержанного разрушения стали и сплавов титана. Изд. АН СССР ОТН, Металлургия и топливо, 1962. — №4.-С. 70-77.

66. Шульце Г. Металлофизика. М.: Мир, 1971. - С. 227-274.

67. Шуроков С.С. Замедленное разрушение закаленной стали и влияние отдыха на ее прочность. Автореферат докторской диссертации. Л,: Физтех, институт, 1961. - 33 с.

68. Щепин Л.С. Расчетная оценка ресурса труб нефтепроводов, работающих в условиях механохимической коррозии / Тр. конгресса нефтегазопромыш-ленникой России. Уфа: ИПТЭР, 2001. - С. 15-20.

69. Эшелби Дж., Франк Ф. Континуальная теория дислокаций. М., 1963. — 152 с.

70. Ямалеев К.М. Влияние условий длительной эксплуатации нефтерповодов на свойства и структуру металла труб. Докторская диссертация. Свердловск: ИФМ, 1988. - 338 с.

71. Ямалеев К.М. Деформационное старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989. - С. 133-136.

72. Ямалеев К.М. Старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1990. - 64 с.

73. Ямалеев К.М., Журавлев Г.Р., Трафимов В.В. Методика оценки ресурса металла труб нефтепроводов с трещиноподобными дефектами / Тр. конференции Нефть и газ на старте XXI века. М. : Химия, 2001. - С. 121-130.

74. Ямалеев К.М., Пауль А.В. Структурный механизм старения трубных сталейtпри эксплуатации нефтепроводов // Нефтяное хозяйство, 1988. №11. - С. 61-65.

75. Barth C.F., Stelgerwald Е.А. Metallurgical Transactions. 1979. v. 1; №12. - P. 3451-3455.

76. Mazenes R., Sejnoha R. Zelayed Fracture in Martensite. Trans ASME, 1965. -v. 233; №2.-P. 1602-1608.

77. Wilson D.V. Effect of plastic deformation on carbide precipitation in sted // Acta Metals, 1957. v. 5. P. 239-302.