автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Прочность сталей и сварных соединений трубопроводов в наводороживающих средах

РГ5 ОД

1С пкт ш

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

На правах рукописи

БАСИЕВ Казбек Данилович

УДК 621.791.052:539.4

ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ В НАВОДОРОЖИВАЮЩИХ СРЕДАХ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технической наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном технологическом университете и в Государственной Академии нефти и газа имени И.М.Губкина.

Научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, д.т.н. профессор СТЕКЛОВ О.И.

Официальные оппоненты : Доктор технических наук, профессор

МАКАРОВ Г.И.

Доктор технических наук, профессор ГОРИЦКИЙ В.М. Доктор технических наук, профессор МАКАРОВ Э.Л.

Ведущее предприятие: Всеросийский научно - исследовательский институт по строительству трубопроводов (ВНИИСТ)

Защита состоится " / "Ркё&йиЛ 1996г. в ауд. &>2 в часов на заседании специализированного Совета Д.053.27.13 в Московской Государственной Академии нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: 117917, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

Ваши отзывы и замечания по автореферату, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии.

Дата рассылки "3 1996г.

Ученый секретарь специализированного Совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Трубопроводы находят широкое применение во всех отраслях современной экономики. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, трубопроводы являются сложными, дорогостоящими и металлоемкими конструкциями. Расход стали на строительство нефтегазопроводов составляет от 2 до 3 млн. тонн в год.

Расчетный срок эксплуатации нефтегазопроводов определяется десятилетиями, однако статистика отказов свидетельствует о том, что проблема предотвращения хрупких, коррозионных и усталостных разрушений остается исключительно актуальной. Каждое аварийное разрушение трубопроводов, кроме больших материальных затрат приводит к загрязнению окружающей среды, так как зона распространения разрушений может простираться на большие расстояния.

Актуальность проблемы. Динамика разрушений нефтегазопроводов свидетельствует о том, что после 12-15 лет эксплуатации начинается устойчивый рост количества отказов. Анализ показал, что существующие нормы и правила расчета на прочность не учитывают всего многообразия конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, в частности, напряженное состояние трубы, повторно-статический характер на-гружения, наличия различного рода дефектов, изменение физико-механических свойств материала под влиянием длительно действующих температурно-силовых полей и коррозионно-активных сред.

Кроме того, на эксплуатационные свойства металла и сварных соединений трубопроводов большое влияние оказывает их структурно-напряженное состояние, которое в наводороживающих средах способствует накоплению повреждаемости. Нельзя также исключать влияние зерно-граничных сегрегаций примесных и легирующих элементов на когезивную прочность межзеренных границ. Так, например, существует прямая связь между уровнем углерода в стали и склонностью к коррозионному растрескиванию по механизму водородного охрупчивания.

Подавляющее большинство исследований по циклической трещино-стойкости при двухосном напряженном состоянии было выполнено на образцах со сквозными трещинами, хотя известно, что наиболее характерным и опасным дефектом в трубопроводах являются несквозные поверхностные трещины. Фактически отсутствуют сведения о влиянии напряженного состояния на поведение усталостной трещины при наводоро-живании.

Целью работы явилось: разработка методов и средств оценки длительной прочности и трещиностойкости металла и сварных соединений труб, эксплуатирующихся в наводороживающих средах, а также получение и обобщение достоверной информации о механизмах длительной прочности и коррозионно-циклической трещиностойкости.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния сталей и сварных соединений в наводороживающих средах;

- установить механизм углерод-водородного взаимодействия в сталях с учетом фактора термодинамической активности углерода;

- предложить математическую модель длительной прочности металла трубопроводов на основе континуальной механики разрушения;

- разработать образцы-модели и методику оценки коррозионно-циклической трещиностойкости металла и сварных соединений труб с учетом условий эксплуатации.

Методы исследования, применяемые в данной работе включают в себя измерение деформации с течением времени двухкоординатным измерительным прибором; определение термодинамической активности углерода в наводороживающих средах масс-спектрометрическим методом; проведение испытаний на ползучесть и определение изменения запаса пластичности в среде NACE; определение влияния вида напряженного состояния на трещиностойкость образцов-моделей из натурных труб, методом многоточечного электротензометрирования и методом разности электрических потенциалов; результаты обрабатывались методами математической статистики.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей многократного увеличения деформации сварных соединений сталей в наводороживающих средах и накопления повреждаемости с течением времени вследствие процессов релаксации остаточных сварочных напряжений и ползучести, превращения остаточного аустенита в мартенсит и отпуска мартенсита закалки. Увеличение ползучести при наводороживании связано с возникновением в неравновесных условиях наводороживания отдельных микрообъемов с высокой локальной концентрацией водорода. Разрядка концентрационных напряжений в этом случае может осуществляться за счет возникновения легкоподвижных дислокаций, дрейф которых в поле сварочных напряжений является причиной деформации ползучести и уменьшения запаса пластичности. Деформации сварных соединений с нестабильной структурой зависят от степени закалки и количества остаточного аустенита. Если в сварных соединениях после сварки содержится значительное количество остаточного аустенита, то с течением времени вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации происходят в направлении уменьшения усадочного усилия от сварки, при полном превращении аустенита в мартенсит, деформации с течением времени определяются процессами, связанными с распадом пересыщенного твердого раствора и снижения тетрогональности мартенсита. Установлена прямая связь между уровнем углерода в стали и склонностью к коррозионному растрескиванию по механизму водородного охрупчива-

ния. Водород способствует нарушению термодинамического равновесия между матрицей и карбидными включениями, в результате чего карбиды распадаются и повышают концентрацию углерода на границах зерен. Концентрация углерода ослабляет когезивную прочность границ и способствует снижению сопротивления зарождению и распространению меж-зеренных трещин.

Разработана математическая модель водородной длительной прочности на основе аппарата континуальной механики разрушения, который представляет собой инструмент для описания разрушения вследствие непрерывного накопления повреждений в материале. Даны модели разрушения стали и сварных соединений в среде сероводорода при одноосном и сложном напряженных состояниях.

Разработаны образцы-модели, являющиеся частью реальной трубы и в связи с этим, обладающие ее толщиной, кривизной поверхности, масштабностью, всем комплексом технологической наследственности. Конструкция образцов позволяет при нагружении воспроизводить в их центральной части двухосное напряженное состояние, характерное для трубопроводов под давлением. Разработана методика оценки коррозион-но-циклической трещиностойкости металла и сварных соединений труб, предусматривающая проведение испытаний образцов-моделей с поверхностными дефектами, получены кинетические диаграммы усталостного разрушения и на основе сопоставления скоростей роста трещин рекомендуется материал, обладающий лучшей трещиностойкостью.

Дана качественная и количественная оценка циклической трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений в зависимости от напряженного состояния. Экспериментально установлено, что одновременное воздействие двухосного нагружения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие.

Практическая ценность работы. Разработаны методики и оборудование, позволяющие оценить влияние напряженно-деформированного состояния сталей и сварных соединений трубопроводов на степень накопления повреждаемости в наводорожнвающих средах с течением времени.

Предложена математическая модель длительной прочности на основе континуальной механики разрушения, учитывающая процессы диффузии водорода, деформирования цилиндрических образцов на воздухе и в сероводороде и замедленного разрушения под влиянием длительного действия напряжений.

Создана методика оценки циклической трещиностойкости металла и сварных соединений в наводорожнвающих средах. В связи с тем, что методика отражает в комплексе влияние неблагоприятных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, становится возможным обосновано подходить к выбору сталей, сварных соединений и режимов термообработки для труб ответственного назначения.

Вышеперечисленные методики, оборудование и технологические решения внедрены на Тенгизском месторождении нефти и газа объединения "Тенгизнефтегаз".

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование природы многократного увеличения деформации формоизменения сварных соединений в наводороживающих средах с течением времени, вследствие процессов релаксации и ползучести остаточных сварочных напряжений и структурных превращений.

2. Механизм углерод-водородного взаимодействия в коррозионных реакциях. Полученные результаты подтверждают модельные представления о физико-механической природе водородного растрескивания, а также зависимость когезивной прочности границ зерен и состояние межзеренных поверхностей от термодинамической активности углерода.

3. Модель длительной прочности трубных сталей и сварных соединений в наводороживаюшщих средах. На основе теории ползучести получены уравнения остаточного относительного удлинения для одноосного и сложного напряженного состояния.

4. Образцы-модели, обладающие совокупностью конструктивно-технологическими признаками трубы и моделирующие при нагружении характерное для трубопроводов напряженное состояние.

5. Методология повышения достоверности оценки коррозионно-циклической трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений в зависимости от условий эксплуатации.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 52 работы, в том числе одна монография, одно учебное пособие, получено 6 авторских свидетельств на изобретения. Под руководством автора защищено 2 кандидатские диссертации. Наиболее важные положения работы докладывались: на 8-м зональном научно-методическом совещании-семинаре по теоретической механике вузов Северо-Кавказского региона (сентябрь 1990 г., г.Владикавказ); на Всесоюзном совещании "Проблемы защиты от коррозии нефтегазопромыслового оборудования" (сентябрь 1991 г., г.Смоленск); на научно-технической конференции "Обеспечение экологической и безопасной эксплуатации газотранспортной системы Украины" (май 1992 г., г.Черкассы); на научно-техническом семинаре кафедры "Сварка н защита от коррозии" ГАНГ им.И.М.Губкина (июнь 1992 г., г.Москва); на 1-ом Международном конгрессе Всесоюзной ассоциации коррознонистов "Защита-92" (сентябрь 1992 г., г.Москва); на 1-ой Международной конференции 'Экологические проблемы горных территорий" (октябрь 1992 г., г.Владикавказ); на 1!-ои Международной конференции "Безопасность п экология горных территорий" (сентябрь 1995 г., г.Владикавказ); на 11-ом Международном конгрессе "Защита-95" (ноябрь 1995 г., г.Москва).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, содержит 255 страниц машинописного текста, 86 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 205 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и положения, выносимые на защиту, научная и практическая ценность работы.

Глава 1. Основные механизмы влияния коррозионных сред на эксплуатационные свойства труб.

Условия эксплуатации трубопроводных систем и конструкций оболочкового типа в нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности показывают, что проблема обеспечения длительной прочности труб и сварных соединений из сталей средней и низкой прочности является чрезвычайно важной, от решения которой зависят объемы добычи углеводородного сырья. Крупнейшие отраслевые институты ВНИИГАЗ, ЦНИ-ИТМАШ, ВНИИСТ занимаются повышением надежности трубопроводов. Вопросам прочности и трещшюстойкости конструкционных материалов при сложном напряженном состояшш значительное внимание уделено в работах Я.Б.Фридмана, Г.С.Писаренко, А.А.Лебедева, С.А.Куркина, О.И.Стеклова, В.Ф.Лукьянова, ГЛибовица, К.Танаки, Т.Хошиды, Х.Китагавы и других ученых.

Трубопроводы в течение всего срока эксплуатации практически постоянно находятся под воздействием двухосного напряженного состояния с различным, зависящим от многих факторов, отношением напряжений в кольцевом и продольном направлениях. При сооружении трубопровода непосредственно в грунте, напряженное состояние в теле трубы помимо прочего будет зависеть также от свойств грунта и глубины заложения трубопровода. В практике эксплуатации, особенно в районах с развитой горнорудной промышленностью, известны многочисленные разрушения трубопроводов. Причем наблюдаются как поперечные разрывы от растя-гиваюшщих напряжений, так и потеря устойчивости с образованием гофр от сжатия.

В металле труб практически неизбежно наличие различного рода концентраторов напряжений. Они могут быть технологического (царапины, задиры, вмятины, усиления сварных швов, подрезы и т.д.) и эксплуатационного (коррозионные язвы, каверны, гшттинги и т.д.) происхождения. Действия концентраторов напряжений усиливается в местах отклонения трубы от цилиндрической формы. Перечисленные дефекты, как

правило, располагаются на поверхности трубы, а главная опасность их заключается в том, что они зачастую становятся инициаторами внезапных хрупких разрушений.

Трубопроводы аккумулируют большое количество энергии перекачиваемого продукта, что повышает их склонность к протяженным разрушениям, особенно в условиях высоких динамических нагрузок. Кроме того, трубопровод накапливает значительную энергию упругой деформации металла, что также усложняет условия работы металла.

Воздействие циклических, а точнее повторно-статических нагрузок, приводит к постепенному накоплению повреждений в металле, вследствие локализации микропластических деформаций, что в сочетании с другими неблагоприятными факторами существенно увеличивает опасность хрупких разрушений.

Металл трубопровода подвергается воздействию коррозионно-активной среды как с внутренней, так и с внешней поверхности. При контакте с наводороживающими средами помимо разрушения поверхности металла происходит существенное ухудшение исходных физико-механических свойств. В целом доля коррозионных повреждений в общем количестве отказов трубопроводов может достигать 40% и более.

Сложность проблемы безопасной эксплуатации трубных конструкций в НгЗ-содержащнх средах заключается в том, что сероводород, обладая уникальными коррозионными свойствами, в зависимости от целого комплекса факторов по-разному проявляет свою агрессивность. В настоящее время считается общепризнанным, что сероводород может вызывать интенсивную местную и общую коррозию, а также приводит к более серьезному виду разрушения - коррозионному растрескиванию.

В свою очередь нет единого мнения на механизм коррозионного растрескивания сталей в сероводороде.

Расстрескиванне в ЬЬБ средах обусловлено наводороживанием металла при действии растягивающих напряжений, имеются также данные, что коррозионное растрескивание связано с одновременным протеканием процессов локального анодного растворения и водородного охрупчивания. Сложность процессов ВО может быть следствием действия многих факторов, которые влияют на степень охрупчивания и на его вид. Большинство из этих факторов взаимосвязаны, что и затрудняет понимание и прогнозирование процесса в целом.

Водород, диффундирующий в кристаллическую решетку металла, является активным химическим элементом и может взаимодействовать с атомами других химических элементов, дислокациями, связями в решетке металла. Многолетние исследования позволили выявить ряд механизмов взаимодействия водорода с металлом, иногда принципиально отличающихся. В реальных условиях, скорее всего, происходит взаимодействие различных механизмов ВО и таким образом в окончательном виде охруп-

чивание проявляется комплексно, поэтому выделение вклада каждого из них представляется трудноразрешимой задачей.

Несмотря на отсутствие единой теории ВО, накоплен огромный материал о формах проявления водородного воздействия на структуру и свойства металла, что позволяет в каждом конкретном случае выявить наиболее значимый механизм, посредством которого происходит ухудшение свойств.

Совершенствование трубных сталей, стойких к воздействию H2S-содержащих сред, является важнейшей задачей, решение которой невозможно без разработки надежных методов оценки сопротивляемости основного металла и сварных соединений СКРН и ВИР. С учетом специфики двух принципиально различных видов растрескивания сталей в настоящее время разработано большое количество методов испытаний.

Существенным недостатком известных методов испытаний является то, что при их осуществлении не моделируется такой важный фактор эксплуатационных условий работы трубопровода, как циклическая нагрузка. Принципиальным, по-видимому, является физико-химический аспект взаимодействия водорода при переходе от статических нагрузок к циклическим. В частности, при воздействии переменных напряжений доставка водорода в дефектные области металла осуществляется дислокационным механизмом. Перемещения дислокации, активизируемые циклическими деформациями, усиливают различные типы взаимодействия их с водородом, снижают величину порогового коэффициента интенсивности напряжений Кш, облегчают зарождение и развитие усталостных трещин в результате одновременного ускорения процессов ЛАР и ВО. Учитывая все вышеизложенное и были сформулированы цель и задачи работы. -

Глава 2. Закономерности изменения напряженно-деформированного

состояния сталей и сварных соединений в наводороживающих средах.

Природа взаимодействия атомов растворенного водорода с точечными, линейными и более сложными дефектами во многом еще не ясна, однако именно это взаимодействие определяет те особенности, которые обнаруживаются при изучении поведения водорода в неравновесных структурах.

Оценка степени влияния наводороживающей среды на свойства стали и изменения напряженно-деформированного состояния, основывается на явлении водородного облегчения деформирования и разрушения. При насыщении стальных образцов водородом в среде NACE в условиях нагружения при стР = 0,9 сгт наблюдается многократное увеличение скорости и величины микропластической деформации последействия - ползучести.

■ В процессе испытаний в качестве критериев применялись величина ползучести Al и изменение пластичности 5С / 5 .

Величины Д/, 8с / 8 зависят при наводороживании от структуры металла, образцы из ст. 30ХГСА, ст. 45, ст.35 на выбранной базе времени интенсивно растрескиваются до полного разрушения, а стали марок 10895, ст.20 показали высокую стойкость сероводородной коррозии. Установлено, что водород, хемосорбируясь на активированных деформацией внешних и внутренних поверхностях, ослабляет межатомные связи металлов, облегчает пластическое течение металла и уменьшает запас пластичности.

На процесс водородного растрескивания стали оказывает влияние химико-металлургическое воздействие сварки. Сварные соединения отличаются от основного металла повышенной тремодинамической неустойчивостью. Формирование сварных соединений приводит к образованию полей остаточных сварочных напряжений (ОСН) и развитию структурных превращений, которые приводят с одной стороны, к деформационной нестабильности в стали, с другой - при суперпозиции с внешними силовыми полями активизируют разрушительное действие агрессивной среды.

На эксплуатационные свойства сварных соединений трубопроводов большое влияние оказывает их структурно-напряженное состояние, которое способствует интенсификации деформации и накоплению повреждаемости в наводороживающих средах с течением времени. Самопроизвольное изменение размеров соединений сталей является следствием следующих факторов:

1) нестабильности фазового и структурного состояния сварных соединений;

2) релаксации остаточных сварочных напряжений;

3) ползучести материала (упругое и пластическое последействие).

Следовательно, можно предполагать о процессах релаксации и ползучести в сварных швах при изменяющихся начальных напряжениях, которые, по всей вероятности, приводят к пластическим деформациям.

Оценка деформации сварных соединений в наводороживающих средах осуществляется на основе кривых деформирования образцов с течением времени для рассматриваемых сталей в интервале температур от 20 0 до 80 °С.

Кривые деформирования сварных соединений исследовались на кольцевых образцах таврового сечения. Определение величины деформации сварных соединений сводится к определению изменения усадочного усилия с течением времени. С этой целью изменение величины зазора кольцевого образца выражается через силовые факторы, приводящие к этому изменению:

8А-А=82паММ,с12/(ЕЛ), (1)

где М = АРус е - изгибающий момент от изменения величины усадочной силы; М| = !■ Я (1- совф ) - изгибающий момент от единичной силы.

и

Заменяя М и Mi , получим выражение для определения изменения усадочного усилия:

арус = sa-a • ej / r • е - / (2)

где / -длина шва, е - эксцентриситет, R - радиус кольца.

После сварки в течение времени производилось исследование деформации сварных образцов в различных температурных условиях на воздухе и в сероводородсодержащей среде NACE. Результаты наблюдений за образцами свидетельствуют о том, что в большей или меньшей степени сварные соединения различных материалов изменяют свои размеры, причем величина и характер этих изменений зависят от марки материала, поля остаточных напряжений, структурной стабильности и степени действия наводороживающей среды. Стали со стабильной стуктурой (Ст.20, 10895, ЭИ-395), не испытывающие структурных превращений в интервале температур, при которых проводились исследования, изменяются в направлении как бы снижения усадочной силы. Действие наводороживающей среды NACE приводит к увеличешпо деформащш по сравнению с воздухом от 3 до 7 раз. Многократное увеличение ползучести при наводороживании связано с возникновением в неравновесных условиях наводороживания отдельных микрообъемов с высокой локальной концентрацией водорода. Что касается сварных соединений с нестабильной структурой Ст.35, 40x13, то деформации их зависят от степени закалки и количества отстаточного аустенита.

Изменение во времени остаточных сварочных напряжений в кольцевых образцах определялось путем сопоставления результатов деформирования колец и известных данных, касающихся стабильности полей ОСН.

Так, снижение ОСН при температуре 20 °С для малоуглеродистых сталей едва заметно, но уже при 60 °С составляет 6-8 %, при 100 °С - 15 % их первоначальной величины. Снижение ОСН в кольцевых образцах сталей 10895 и Ст20 в среде NACE при 20 °С достигает ветгшны 6-7 %. Для структурно-нестабильных сталей 40x13 и Ст35 снижение ОСН в зоне сжимающих напряжений достигает величины 14-15 %, а в зоне растяжения - до 5 %. Таким образом, незначительное снижение ОСН в водородосодержа-щей среде и отсутствие эффекта повышения коррозионной стойкости свидетельствуют о нецелесообразности применения водородной обработки сварных соединешш труб.

Величина когезивной прочности границ и состояние межзеренных поверхностей зависят от сегрегации примесных и легирующих элементов. Межзеренные сегрегации зависят от способа легирования, режима термической обработки и воздействия на стали неводороживающих сред.

Образование зернограничных сегрегации в стали исследовалось в процессе вакуумной термической обработки в температурном интервале от 200 до 1000 °С, с использованием адсорбционных процессов, протекающих на поверхности твердых тел. Изучение адсорбционных процессов производилось в условиях высокого вакуума методом масс-спектрометрии. При повышении температуры из объема на поверхность металла диффундируют с различной интенсивностью атомы водорода, кислорода, азота и углерода, которые взаимодействуя с окисной пленкой, образуют химические соединения СОг, НгО, СО, Нг, N2, Ог и сложные углеводороды (преимущественно метан СН4 ). Высокая чувствительность используемого метода позволяет даже судить о содержании углерода в металлах, поскольку количество выделяющихся СО + N2 и СО2 при термическом обезгаживании металлов оказывается пропорциональным количеству углерода.(Рис. 1).

Рис. 1. Кинетика газовыделения СО + N2 и СОг из сталей в процессе нагрева в вакууме: 1,2,3 - Ст.20; Х-42; 10895; 4,5,6 - Ст.20; Х-42; 10895.

На основании полученных результатов было выявлено два температурных пика, при которых отмечается максимальное выделение СО + N2, СО2, первый при 450 °С и второй при 650 °С.

Газовыделение из образцов в процессе нагрева в вакууме можно рассматривать как диффузию углерода из межзеренного пространства на поверхность образца. По мере увеличения температуры происходит истощение межзеренного пространства, нарушается термодинамическое равновесие между матрицей и карбидными включениями, в результате чего карбиды распадаются, а кинетика их распада определяется активностью связанного углерода.

Повышение концентрации углерода на границах зерен возможно также при взаимодействии на металл наводороживающих сред.

Существует прямая связь между уровнем углерода в стали и склонностью к коррозионному растрескиванию по механизму водородного охрупчивания. Однако, данные, позволяющие достоверно установить механизм и природу углерод-водородного взаимодействия в коррозионных реакциях, отсутствуют.

Исследование кинетики углерод-водородного взаимодействия проводилось на цилиндрических образцах из стали 20, 10895, Х-42. В качестве рабочей среды для наводороживания образцов использовался водный раствор 5% NaCl и 0,5% СН СООН, насыщенный сероводородом.

В процессе температурного синтеза в вакууме из наводороженных образцов происходит более интенсивное выделение углерода в виде газообразных окислов СО + N2 и СО2 , превышающее более чем в 7 раз количество адсорбированных окислов СО + N2 и СО2 из образцов, непод-вергнутых наводороживашпо.

Обнаруженный феномен объясняется проникновением атомарного водорода в решетку металла и адсорбцией в замкнутых микропустотах, расположенных главным образом по границам зерен. В этих условиях изменяется дефектная структура металла, активизируются процессы диффузии и происходит диссоциация карбидов с выделением углерода, т.е. степень влияния водорода на свойства стали можно сравнить с влиянием термической обработки и холодной пластической деформацией.

Это предположение подтверждается результатами испытаний стандартных образцов на растяжение из стали Х-42 в сероводородсодержащем растворе. Напряжение в образцах создавали методом постоянной нагрузки и поддерживали на уровне 0,9ст . Часть образцов из стали Х-42 подвергали термической обработке - нормализации на крупное зерно, кинетика газовыделения из которых приведена на Рис. 2.

В процессе испытаний образцов с течением времени фиксировали величину пластической деформации ползучести Д/и изменение пластичности 5с/5.

Следует отметить, что образцы из стали Х-42, с минимальным пиком газообразующих окислов СО + N2 показали высокую стойкость сероводородной коррозии по сравнению с образцами, подвергнутых нормализации на крупное зерно. (Рис. 3).

Полученные результаты рассматриваются как подтверждение модельных представлений о физико-механической природе сероводородного растрескивания и можно считать, что один из основных путей защиты

сталей от водородной коррозии состоит в уменьшении термодинамической активности углерода, путем регулирования структуры стали легирующими элементами.

Рис.2. Кинетика газовыделения СО+Ыг из стали Х-42: 1- исходное состояние; 2 - после термообработки на крупное зерно.

м 0.6

0.6

ОА 0.2

оо 1 . г з < т,ш.

Рис. 3. Ползучесгь Д/ и изменение пластичности 8С / 5 стали Х-42: 1,2 - исходное состояние; 3,4 - после термической обработки на крупное зерно.

№

-5 10

А

1 / \

/ 1 т <

II

¿00 300 (00 ¡00 600 ио £00

Глава 3. Длительная прочность трубных сталей и сварных соединений в наводороживающих средах.

Большинство работ, посвященных построению количественных моделей водородной хрупкости стали, связаны с исследованием влияния водорода на критическое значение коэффициента интенсивности напряжения и скорость роста трещины, на оценку вязкости разрушения и пластических свойств при высоких напряжениях. Особый интерес представляет исследование так называемого "замедленного" разрушения под влиянием длительного действия напряжений растяжения часто сравнительно невысокого уровня. Фактически речь идет о длительной прочности. Известно много случаев замедленного образования трещин, инициируемых водородом. Вопросу влияния водорода на длительную прочность стали посвящено значительно меньшее число работ, чем разрушению при высоких уровнях скоростей деформации и напряжений.

Необходимо отметить, что количественных моделей длительной прочности, учитывающих влияние водорода, до настоящего времени не предложено. Подходы, основанные на методах линейной механики разрушения мало продуктивны. Поэтому при построении математической модели водородной длительной прочности используется аппарат континуальной механики разрушения, которая представляет собой инструмент для описания разрушения вследствие непрерывного накопления повреждений в материале в процессе ползучести.

Явление ползучести стали при низких температурах (в частности при 20 °С) изучено в значительно меньшей степени, чем при более высоких. Поэтому рассматривается возможность математтпеского описания ползучести стали на воздухе при температуре 20 °С и при постоянном растягивающем напряжении. Скорость ползучести быстро уменьшается и достигает нуля. Эта особенность кривых ползучести стали при низких температурах хорошо известна. Обьпшо этот эффект связывают с упругим или коттреловскнм взаимодействием и носит внутризеренный ( транскри-сталлитный)характер .

В дальнейшем для обозначения внутризеренной деформации используется индекс 'Чг". Математическое описание процесса ползучести стали на основе обычного кинетического уравнения имеет вид:

= П°,я1г) О)

где - скорость деформации, о - растягивающее напряжение, - параметр упрочнения, / - некоторая функция от а и Для конкретизации функции /'используется дробно-линейное соотношение

=A

a-a0

tr --Г (4)

<jt - a

которое хорошо описывает экспериментальные данные по ползучести металлических сплавов в широком диапазоне напряжений (фактически от О до предела текучести ct). Atr - некоторая константа материала, зависящая от температуры и химического состава, напряжения оо получили название "добавочных" или "внутренних" qtr = оо. С учетом рассмотренных представлений деформация ползучести может быть описана следующим уравнением:

-|l-ехр|-А,гБ,г(ат -a)/n_1fj|l (5)

В,г(от-аУ

где Аи = 8,5 • Ю-4 '/от. В" = 1320 МПа , т = 1 ,2 , ат= 296 МПа.

Водород видимо мало влияет на внутризеренную деформацию из-за своего малого атомного веса. Наибольшая концентрация водорода достигается в окрестности границ между отдельными зернами, приводя к ослаблению межзеренных связей и разрыхлению приграничных областей. Все это может привести к появлению макродеформации при воздействии водорода, в то время, как сами зерна могут в среднем оставаться в неде-формированном состоянии.

Для скорости межзеренной деформации используется обычный степенный закон, кроме того, считается (в первом приближении), что линейно зависит от относительной концентрации водорода. Тогда скорость межзеренной деформации имеет следующий вид:

=А1п-ап-с-Ф(д1п), (б)

где Аш , п - константы материала, Цт - параметр упрочнения, Ф - некоторая функциональная зависимость.

Упрочнение начинается с некоторой ненулевой накопленной деформации. В начальный момент времени с[1п = 0, деформирование материала идет за счет межзеренных границ и отдельные кристаллиты (зерна) непосредственно не находятся в силовом взаимодействии. По мере соприкосновения малодеформируемых кристаллитов во все возрастающей степени начинается упрочнение материала. После обработки экпернмен-тальных данных были получены конкретные значения констант:

Ain =2,16 10 " МПа-"/сут. Bi„ =8000; n = 3,2; К =1,5.

Для получения расчетных кривых ползучести использовался численный пошаговый явный метод Эйлера. На Рис. 4 показаны экспериментальная кривая 1 ползучести образца при напряжениях 0,9ат в среде сероводорода и расчетная кривая 2 для длительного промежутка времени.

Рис. 4. Кривые ползучести и изменение пластичности стали 20 в среде НгБ при напряжении 0,9 стт: 1,2,3,4 - экспериментальные и расчетные данные для основного металла; 5,6,7,8 - то же для сварного соединения.

Аналогично на Рис. 4 построена расчетная кривая деформирования 6 для сварного соединения стали 20 и экспериментальная 5. Предел текучести сварного соединения стали 20 соответствует 307 МПа.

С целью сокращения трудоемких по времени и методике проведения экспериментов разработаны схемы пересчета релаксационных характеристик в кривые ползучести, основанные на общности процессов релаксации и ползучести.

При релаксации напряжений в чистом виде упругая деформация переходит в качественно другую деформацию - пластическую.

Аналитический метод построения кривых ползучести и определения сопротивления ползучести по данным непосредственных испытаний на релаксацию напряжений основан на теории упругого последействия Больцмана-Вольтера, впервые предложенный для описания процессов ползучести Работновым. Для случая подобия кривых ползучести и релаксации в плоскости о(1) - е(1) эти соотношения записываются в виде системы интегральных уравнений:

О

35 72 108 114 t. Сдт.

t

ф(8) = 0(Г) + |к(Г-т)ф(т)Л

о

/ (8) cp(s) = a(f) + J /(f-т) о (t) dx

о

где ф(е) - функция деформации, K(t - т) - ядро релаксации, I(t - т) - ядро последействия.

В качестве исходных данных пересчета на характеристики ползучести были использованы результаты по релаксации напряжений стали 20 в среде H2S по уравнению ползучести:

s = 1[1 + G(0]ao (9)

где сто = const, - мгновенная деформация, ~G(t) - пластическая деформация.

Феноменологическая теория разрушения базируется на сложившихся в настоящее время физических представлениях о закономерностях разрушения металла при пластической деформации. Их существо сводится к следующему: деформация металла сопровождается его разрыхлением, представляющим собой на первой стадии развитие дислокационной структуры с последующим рассеянным образованием отдельных зародышевых субмикротреицш и субмикропор. В дальнейшем наблюдается образование микропор, их рост и слияние, и наконец, образование магистральной макротрещины, означающее макроразрушение материала.

Безразмерная функция (о, характеризуюет пластическое разрыхление материала. Причем, для недеформированного материала со = 0, а в момент разрушения ю = 1. Фактически использована функция поврежденности материала. Примем, что в основном пластическое разрыхление касается межзеренных границ, т.е. основной тип разрушения интеркристаллический. Тем не менее необходимо различать случаи, когда деформация происходит по межзеренному механизму, а когда по внутризеренному. Для межзеренного типа деформации

с/со ,,

dt

Ш _ Q U 1П

~ 0

где Sin - константа материала; E,q - шаровая составляющая тензора скоростей деформации.

Внутризеренная деформация также может вызывать пластическое разрыхление по границам зерен. В данном случае скорость накопления повреждений можно принять пропорциональной интенсивности скорости деформации или для одноосного напряженного состояния - просто скорости деформации^. Однако из-за микронеоднородности материала скорость со tr может зависеть от суммарной поврежденности ох Процесс накопления повреждений в начале деформирования может идти медленнее, чем в дальнейшем. Для скорости накопления повреждений со ,г

= s,AJf, («>) о.)

где Str - константа материала, f„(co) - примем в виде

fe ((О) = 1+А в ехр (-В« -со), (12)

где Аи иВи - также константы. Величины Sin и Str в литературе иногда называют модулями пластического разрыхления металла. Основным механизмом накопления повреждений при выдержке образца в сероводороде

под нагрузкой является интеркристаллитный (скоростью íOtr в этом случае можно пренебречь). Тогда к концу выдержки поврежденность достигнет

значения Юо:

СОо = 1/6 Sin' ^ ;„ (13)

После этого происходит растяжение образца до разрушения практически мгновенно по сравнению со временем выдержки под нагрузкой.

1

2,г

jkH-cfo. (И)

Полную деформацию в момент разрушения можно приближенно определить по относительному поперечному сужению образца \|/.

ерззр —

2 ч>

Учитывая, что на воздухе ц/ = 0,579 и 5к = 0,275, получим

еХр(Еразр )- 1 при ера3р < 0,18

5„ =■

ехр(Еразр)-1-гб7 (вразр -0.18)1-3 при Еразр >0,18

(15)

Используя формулу (15), можно рассчитать относительные остаточные удлинения образца при различных выдержках в среде сероводорода и при различных нагрузках.

В расчетах принято: Sin = 600; Aw = 25; Bm = 50; Su = 2,75 + 5,6 С. На Рис. 4 показаны экспериментальные 3,7 и расчетные кривые 4,8 для напряжения 0,9 сгт стали 20 и сварного соединения.

Рассмотрим возможное обобщение результатов по водородной ползучести и прочности, полученных ранее для случая одноосного растяжения, на общий случай произвольного сложного напряженного состояния, характеризуемого тензором напряжений a¡j (i, j = 1,2,3). Внутризеренная поврежденность связана с разрыхлением зерен металла и характеризуется функцией ю1г , подчиняющейся следующему кинетичес кому уравнению

d(ú

ir _

W(c)

tfe-^O

dt 7 + Д,ехр(-еш -co)UT-aJ

(16)

где Air , Aa , Ba - постоянные материала, Sir (С) - экспериментальная функция материала, зависящая от концентрации водорода. Межзеренная поврежденность связана с разрыхлением границ зерен металла и подчиняется уравнению

Gfc);,

dt

in _

= .

(17)

где З"1 - постоянная материала.

Окончательно скорость накопления повреждений в металле при сложном напряженном состоянии и водородном насыщении описывается следующим кинетическим уравнением:

dco dt

Л А С(0

1 + Аы ехр К

Со - Сг

После выдержки образец подвергается одноосному растяжению до разрушения за очень короткое время. В этом случае основной механизм накопления повреждений, приводящий в итоге к разрушению транскри-сталлитный, связанный со значительными пластическими деформациями:

ЕРаэр с

1

^|[1+Лшехр(-В(0 .©)]с/<о -

(19)

5" В

°0 I ш

Величина относительного остаточного удлинения после разрыва вычисляется по зависимости

8С = ехр (Еразр) - 1 . (20)

Таким образом, на основе разработанной модели длительной прочности, учитывающей влияние водорода, получены:

- уравнения относительного остаточного удлинения для одноосного и сложного напряженного состояния стали 20 и сварного соединения с течением времени.

- модель деформирования стали 20 при одноосном и сложном напряженном состояниях.

Глава 4. Циклическая трещиностойкость сталей и сварных соединений трубопроводов в наводороживающих средах.

Наличие двухосного поля напряжений ускоряет процесс возникновения и развития трещины при циклическом нагружении. Накопленньш к настоящему времени обширный аналитический и экспериментальный материал свидетельствует о том, что двухосность напряжений существенно повышает склонность большинства металлов и сплавов к различного рода хрупким разрушениям. Тем не менее, известные на сегодня исследования не. дают однозначный ответ на вопрос о влиянии вида напряженного состоять на параметры циклической трещиностойкости материалов. Результаты экспериментов указывают либо на наличие влияния двухосности на

скорость роста усталостной трещины / РУТ/ по сравнению со случаем одноосного напряженного состояния, либо на отсутствие такого влияния, либо на различное влияние при положительных и отрицательных соотношениях главных напряжений. Такая противоречивость объясняется прежде всего несовершенством существующих методик получения и обработки экспериментальных данных, отсутствием единой методологической основы проведения испытаний, несопоставимостью применяемых типов образцов по целому ряду признаков: по конструкции и размерам, по степени однородности поля напряжений и т.п., различной чувствительностью испытанных материалов к влиянию жесткости напряженного состояния. Подавляющее большинство исследований по циклической трещиностойкости материалов при двухосном напряженном состоянии было выполнено на образцах со сквозными трещинами, хотя известно, что наиболее характерным и опасным дефектом в трубопроводах являются несквозные поверхностные трещины.

Скорость роста трещин в сварных соединениях намного превышает скорость роста трещин в основном металле, что, очевидно, связано с наличием технологических концентраторов напряжений в сварных швах. В свою очередь, чувствительность к концентрации напряжений значительно возрастает при переходе от одноосного напряженного состояния к двухосному. Установлено, что закономерности коррозионно-усталостного разрушения, выявленные в процессе испытаний образцов сварных соединений при двухосном напряженном состоянии, хорошо коррелируют с повторно-статическими испытаниями натурных сварных узлов и конструкций из различных материалов.

Обобщая известные литературные данные по влиянию вида напряженного состояния на сопротивляемость сварных соединений различного рода разрушениям, можно заключить, что с увеличением жесткости напряженного состояния облегчаются процессы зарождения и развития разрушения в сварных соединениях. При этом, наличие концентраторов напряжений, поля остаточных сварочных напряжений, коррозионно-активных сред являются дополнительными охрупчивающими факторами, способствующими ускорению процесса разрушения. Показана существенная роль двухосности напряжений в сварных соединениях на кинетику развития трещин как на воздухе, так и в коррозионной среде. Установлено, что испытания при двухосном напряженном состоянии способствуют лучшей выявляемости конструктивно-технологических дефектов сварного соединения, анизотропии свойств материала. Недостаточно изучена сопротивляемость сварных соединений двухосному малоцикловому нагру-

жению в коррозионных средах и влияние двухосного напряженного состояния на трещиностойкость сварных оболочковых конструкций с учетом воздействия наводороживающих сред. Весьма актуальными остаются вопросы выработки критериев циклической прочности сварных соединений в условиях сложного напряженного состояния.

Одной из главных причин резкого снижения трещиностойкости конструкционных материалов во многих коррозионных средах является их водородное охрупчивание. Несмотря на отсутствие единой точки зрения на механизм этого явления, отдельные аспекты влияния водорода на эксплуатационные свойства сталей и сплавов достаточно подробно разработаны и описаны в специальной литературе. В частности, установлено, что диффундирующий в металл водород, практически во всех случаях ухудшает исходные механические свойства, активизирует процессы замедленного разрушения, снижает сопротивление отрыву, существенно ускоряет развитие усталостных трещин. Гораздо в меньшей степени освещены вопросы влияния жесткости напряженного состояния на металл-водородное взаимодействие, а между тем, ряд косвенных данных позволяет судить о существенной роли этого влияния. При исследовании степени охрупчивания предварительно наводороженной стали в различных напряженных состояниях ( X = - I; 0; 0,5; I) установлено, что по мере ужесточения схемы напряженного состояния предельная пластичность падает, а различие в поведении разных материалов усиливается. Влияние схемы напряженного состояния существенно подавляет роль таких резко усиливающих охрупчивание факторов, как прочность материала и нестабильность его структуры. Развитое трещины в металлах целиком определяется напряженно-деформированным состоянием в некоторой малой области перед верил той трещины, следовательно, влияние двухосности нагружения на трещиностойкость металлов при наводороживании следует оцешшать по изменению механической ситуации именно в этой области.

Обзор и анализ испытаний оболочковых материалов при двухосном напряженном состоянии показывает, что существующие типы образцов не в полной мере воспроизводят условия работы металла в трубах, поскольку известные образцы либо не обладают совокупностью конструктивно-технологических факторов трубы, либо создаваемое соотношение напряжений не может охватить весь встречающийся в эксплуатационной практике диапазон.

Достаточно распространен метод испытания гидростатическим давлением образцов с криволинейной поверхностью или предварительно сформованных сферических, эллипсовидных и полуцилиндрпческих сегментов.

Техника этих испытаний, разработанная проф. С.А.Куркиным и его учениками, позволяет испытывать как тонколистовые материалы, так и крупногабаритные цилиндрические панели, вырезанные непосредственно из трубы. Однако, зависимость требуемой величины двухосности напряжений от соотношения радиуса матрицы к толщине образца, от исходных прочностных свойств материала и от максимально допустимого давления под образцом существенно ограничивает не только диапазон реализуемых соотношений главных напряжений, но и возможность испытания большого класса реально существующих типоразмеров труб. Разработанный проф. А.Н.Моношковым кольцевой разрезной образец с плоской односторонней выемкой вдоль образующей позволяет при его нагружешш создавать на дне выемки двухосное растяжение, ограниченное величиной 0,5 и достигается только при пластическом деформировании металла выемки. Таким образом, показано, что ни один из существующих типов образцов не сможет обеспечить достоверность результатов испытаний.

Важнейшей задачей при разработке методики оценки циклической трещиностойкости трубопроводных материалов являлось создание принципиально новых типов образцов, адекватно отражающих условия работы металла в трубах. В числе требований, сформулированных к обазцу 1-го типа, было подчеркнуто, что он должен обладать совокупностью конструктивно-технологических признаков трубы и моделировать двухос-ность нагружения, характерную для трубы под давлением.

С этих позиций был рассмотрен известный в теории пластин и оболочек случай нагружения длинной цилиндрической оболочки двумя радиальными противоположно-направленными силами, когда в результате такого нагружения некоторая локальная область приобретает форму выпучины и, таким образом, оказывается в состоянии двухосного нагружения. Для практического применения наблюдаемого э^х|)екта в качестве образца было предложено вместо целой трубы использовать только ее часть в виде цилиндрической панели крестообразной формы с двумя парами плеч -кольцевыми и продольными; при этом, по аналогии с плоскими крестообразными образцами ширина кольцевых и продольных плеч принималась равной. Исследование напряженного состояния в образце из трубы конкретного типоразмера выявило, что подбором ширины кольцевых плеч можно добиться получения в центральной части образца характерной для трубы под давлением степени двухосности X = сл / Ст2 =2.

Очевидно, что соблюдение идентичности напряженного состояния в образце напряженному состоянию в трубе, имеющей сварные швы, возможно только при сохранении в образцах, вырезанных из трубы, остаточных

сварочных напряжений. Было показано, что размеры образца могут быть откорректированы так, что в его центральной части наряду с обеспечением требуемой степени двухосности X = 2 сохраняется высокий уровень остаточных напряжений. Внешний вид образца крестообразной формы с кольцевым и продольным швами показан на Рис. 5а. К числу дополнительных преимуществ разработанного образца, отличающих его от известных типов образцов, следует отнести следующее: а) двухосность напряжений центральной части образца создается при его одноосном на-гружении; б) возможно испытание образцов натурной толщины на сравнительно маломощном оборудовании за счет использования изгибной схемы нагружения; в) возможно создание двухосного растяжения с соотношением X = 2 при необходимости либо на внешней, либо на внутренней поверхности образца. Поскольку разработанный образец достаточно точно отражает условия работы металла в трубах, его можно рассматривать как модель трубы.

Рис.5. Образец-модель в виде цилиндрической панели крестообразной формы и схемы создания двухосного напряженного состояния: а) X = ел / Ст2 = 2; б) 1 < X = <я / стг < 2.

Эксплуатационная практика свидетельствует о том, что напряженное состояние, возникающее в трубопроводах, часто бывает более жесткой, чем X = 2. в связи с чем применительно к образцу-модели крестообразной формы была разработана схема расширения диапазона соотношений главных напряжений. Согласно этой схеме (Рис. 56), образец нагружают одновременно по торцам кольцевых п продольных плеч и, варьируя величиной

р

Р

усилий Р и И регулируют степень двухосности напряжений в диапазоне 1 <

Практическая реализация схемы нагружения стала возможной благодаря разработке расчетно-экспериментального метода установления соответствия между требуемым соотношением напряжений си / <зг и величиной перемещения точек приложения усилий. Тензометрирование центральной части образца свидетельствует, что и в этом случае однородность поля напряжений достаточно велика и достигает 70% от ширины плеч.

Предлагаемая схема нагружения образца-модели крестообразной формы обладает тем преимуществом, что позволяет: а) создавать требуемую степень двухосности напряжений при необходимости либо на внешней, либо на внутренней поверхности образца; б) осуществлять усталостные испытания с синхронным циклированием кольцевых и продольных напряжении на стандартной установке для одноосных испытаний, когда переменное усилие прикладывают только по торцам кольцевых плеч, а в продольном направлении образец остается нагруженным постоянным усилием, например, с помощью винтовой стажки.

Зачастую при проведении массовых испытаний наряду с обеспечением идентичности в отношении конструктивно-технологических факторов к образцам предъявляют требование по технологичности и металлоемкости. Поскольку этим требованиям в наибольшей степени соответствует образец, представляющий собой кольцо, отобранное непосредственно из натурной трубы, решение поставленной задачи заключалось в придании образцу такой конфигурации, которая позволила бы путем приложения механического усилия получать в нем двухосное напряженное состояние.

Поиск путей создания двухосности напряжений в кольцевом образце привел к рассмотрению изестного в теории оболочек случая нагружения внутренним давлением цилиндрической оболочки, торцы которой усилены жесткими кольцами. Это было достигнуто применением вместо замкнутого кольца, к примеру, полукольца (Рис. 6).

Х< 2.

1'ис. 6. Образец-модель в виде цилиндрической панели с кольцевой проточкой для создания двухосного напряженного состояния: 1 < X = ал / стг <2.

С целью установления количественных закономерностей изменения степени двухосности в образце от его геометрических параметров, в частности, от глубины и ширины проточки была использована другая аналогия со случаем равномерно загруженной квадратной пластины, два края которой свободно оперты, а два других поддерживаются упругими балками.

Сравнение предлагаемого образца с известными типами образцов для испытания оболочковых материалов позволяет выявить целый ряд существенных преимуществ: а) двухосное напряженное состояние в зоне проточки создается при одноосном нагружешш образца; б) изменяя размеры проточки в образце (ее глубину и ширину) можно получать различную степень двухосности в диапазоне 1 < X < 2; в) использование изгибной схемы нагружения позволяет испытывать образцы натурной толщины на сравнительно маломощном оборудоватш; г) двухосное растяжение при необходимости может быть реализовано либо на внешней, либо на внутренней поверхности проточки.

Поскольку разработанный образец достаточно точно воспроизводит условия работы металла в трубе, его можно рассматривать как модель трубы.

Методика оценки циклической трещиностойкости предусматривала проведение усталостных испытаний образцов, отобранных непосредственно из исследуемых труб, построение кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР) для сталей и сварных соединений на воздухе и в наво-дороживающей среде и посредством оценки степени изменения скорости РУТ при переходе от одной среды испытания к другой определение стали или сварного соединения, обладающих лучшей сопротивляемостью развитию трещины в заданных условиях. При этом, во всех экспериментах предполагалось использовать образцы с поверхностными трещинами, являющимися наиболее характерным и опасным видом дефекта в трубах.

Преимущество такого подхода заключается в том, что скорость РУТ в отличие от коэффициента интенсивности напряжений (КИН) позволяет оценивать фактическую грещиностойкость материала трубы с учетом реальной толщины, вида напряженного состояния и других неблаг оприятных факторов, а использование поверхностной трещины вместо сквозной позволяет существенно подавигь развитие пластической деформации в вершине трещины.

Методические особенности в проведении испытаний заключались в следующем. Учитывая, что при воздействии изгибных нагрузок скорость роста поверхностной трещины по толщине образца постоянна, а на его

поверхности непрерывно возрастает, КДУР исследованных материалов строили в координатах: скорость РУТ по поверхности - размах КИН на концах большой полуоси трещины. Испытания продолжали до достижения трещиной предельно допустимой глубины, которая согласно экспериментально полученным данным составляет 65% от толщины образца.

Показано, что наиболее оптимальная амплитуда цикла напряжений находится в диапазоне 0,6 со,2 < стгаах < 0,8 а0,2 .

В процессе испытаний признано необходимым осуществлять односторонний подвод коррозионного раствора к образцу, так как при этом моделируются реальные условия взаимодействия металла трубы со средой.

На основе анализа принятых условий и режимов испытагаш обоснована возможность корректной оценки большого класса пластичных и тонкостенных трубных сталей в том случае, если испытывают на усталость в наводороживающей среде разработанные образцы-модели с поверхностными трещинами, а в качестве критерия оценки используют скорость РУТ.

В соответствии с разработанной методикой осуществляли подготовку и проведение испытаний образцов-моделей при двухосном напряженном состояшш X = 2,0; 1,7; 1,0. Для сравнительной оценки трещиностойкости испытуемых материалов при одноосном напряженном состояшш параллельно испытывали образцы в виде гладких полуколец, толщина и ширина которых была такой же, как у полукольцевых образцов-моделей. Испытания были проведены на воздухе и в среде H2S (раствор NACE).

Количественную оценку влияния вида напряженного состояния на циклическую трещиностойкость исследуемых сталей и сварных соединений получали на основе анализа КДУР, результаты которых представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Скорость РУТ при испытаниях

Марка Размах

стали КИН ДК, на воздухе, м/цикл bH2S, м/цикл

МПа-мш

1- осн.н.с. 2- осн.н.с. 1- осн.н.с. 2- осн.н.с.

Ст.45 10 1,40-I0S 1,90- Ю-8 1,18-10-7 1,92-Ю-7

Ст.45* 10 — — 6,70-Ю-8 9,80-Ю-8

Ст. 20 10 4.75-10-9 5,44- Ю-9 6,29-10-8 8,30-Ю-8

Ст.20* 10 2.78-Ю-4 3,25-Ю-9 3,93-Ю-8 4,85-Ю-8

Св.С.* 10 — — 5,44-Ю-8 1,51-10-7

_Таблица 2

Изменение скорости РУТ

Марка Размах

стали КИН ДК, К—Угосн/У |осн Р=У„/У

МПам1'2

воздух НгБ 1- осн.н.с. 2- осн.н.с.

Ст.45 10 1,36 1,63 8,40 10,10

Ст.45* 10 — 1,50 — —

Ст. 20 10 1,15 1,32 13,20 15,30

Ст. 20* 10 1,17 1,23 14,10 14,90

Св.С.* 10 — 2,80 — —

* - амплитуда цикла нагружения: сталь 45 - 0,54ао.2; сталь 20 - 0,64сто,2 (в остальных случаях образцы из сталей 45 и 20 испытывали при СТп.ал=0,74ао,2 )

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что переход от одноосного напряженного состояния к двухосному однозначно снижает тре-щиностойкость материалов как на воздухе, так и в наводороживающей среде. Установлено, что режим испытания, а именно, уровень максимальных напряжений и частота циклирования нагрузки практически не сказываются на разл1пши в трещиностойкости в связи с изменением жесткости напряженного состояния; в то же время, влияние напряженного состояния во многом зависит от исходных прочностных свойств материала, воздействия наводороживающей среды, наличия остаточных сварочных напряжений.

Анализ полученных данных позволят заключить, что одновременное воздействие на металл двухосного нагружения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие. Так, для стали 20 скорость РУТ при переходе от одноосного напряженного состояния к двухосному на воздухе возрастает в 1,16 раза, а при одноосных испытаниях в среде НгЗ по сравнению с испытаниями на воздухе - в 13,7 раза, т.е. суммарное увеличение скорости РУТ от действия каждого из факторов в отдельности составило: Кв + Р|осн + 1,16 + 13,7 = 14,8. В то же время одновременное воздействие обоих факторов увеличивает скорость РУТ в 15,1 раза. Для стали 45 аналогичные выкладки дали следующий результат: Кв = 1,36; Рю™ =8,4, т.е. Кв + Рю™ = 1,36 + 8,4 =9,7 < р2ос„ = 10,1.

В еще большей степени усиливает эффект совместного воздействия двухосности нагружения и водорода термодеформационный цикл сварки.

Причина этого - неблагоприятное суммирование двухосного поля остаточных напряжении к внешним двухосным напряженным состояниям.

Качественная оценка влияния вида напряженного состояния на тре-щиностойкость исследуемых материалов была получена в ходе изучения эволюции формы поверхностной трещины (Рис. 7).

б/а 0Л 0.3 0.2 0.<

Сш» 20

1 Д

у/щгл

---2'ОСНОЕ «.с.

0.2

ол

0,6

0.8

в/н

Рис. 7. Влияние наводороживающей среды на эволюцию формы поверхностной трещины в стали 20.

Наблюдение за изменением контура поверхностной трещины под влиянием различных факторов показало, что коэффициент формы, т.е. отношение глубины трещины к полудлине на поверхности уменьшается в результате повышения жесткости схемы напряженного состояния; воздействия наводороживающей среды; наличия остаточных сварочных напряжений. Было отмечено, что аналогичное изменение формы трещины вызывает и увеличение максимального напряжения цикла, в связи с чем факт уменьшения коэффициента формы трещины был однозначно расценен как результат воздействий, напрвленных на ускоренное развитие разрушения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Эксплуатационные свойства сталей и сварных соединений трубопроводов в наводороживающих средах зависят от их структурно-напряженного состояния. Показано, что в наводороживающих средах интенсифицируются процессы деформации и накопления повреждаемости с течением времени. Величина деформации и степень повреждаемости сварных соединений зависят от нестабильности фазового и структурного состояния, релаксации остаточных сварочных напряжений и ползучести.

2. Установлено, что незначительное снижение ОСН в водородосодер-жащей среде на 6-7% и отсутствие эффекта повышения коррозионной стойкости свидетельствуют о нецелесообразности применения водородной обработки сварных соединений труб.

3. Установлена связь между уровнем углерода в стали и склонностью к коррозионному растрескиванию по механизму водородного охрупчи-вания. Водород способствует повышению концентрации углерода на границах зерен, вследствие нарушения термодинамического равновесия между матрицей и карбидными включениями. Полученные результаты подтверждают модельные представления о физико-механической природе водородного растрескивания, а также зависимость когезивной прочности границ зерен и состояния межзеренных поверхностей от термодинамической активности углерода.

4. Разработана модель длительной прочности трубных сталей и сварных соединегаш в наводороживающих средах с использованием аппарата континуальной механики разрушения, которая представляет собой инструмент для описания разрушения вследствие ползучести и непрерывного накопления повреждений в металле. Получены уравнения относительного остаточного удлинения для одноосного и сложного напряженного состояния стали 20 и сварных соединений с течением времени.

5. Разработана методика оценки циклической трещиностойкости металла и сварных соединений труб в наводороживающих средах, обоснована возможность распространения подходов механики разрушения на широкий класс пластичных и тонкостенных трубных сталей. Разра-

ботаны образцы-модели двух типов, обладающих масштабностью, кривизной и толщиной реальной оболочки, ее технологической наследственностью, при нагружении которых моделируется двухосное напряженное состояние в диапазоне, представляющем практический интерес.

6. Показано, что вид напряженного состояния оказывает существенное влияние на развитие трещины. При переходе от одноосной схемы на-гружения к двухосной увеличивается скорость РУТ, для пластичных сталей это достигает 14% при испытании на воздухе и 32% - в среде NACE, для сталей повышенной прочности скорость РУТ составляет соответственно 35% и 60%.

7. Стойкость сталей 20 и 45 сероводородному разрушению, определенная по результатам проведенных испытаний на циклическую трещино-стойкость, не коррелирует с результатами исследований по оценке этих же сталей сульфидному коррозионному растрескиванию, причем различие двух видов оценок заметно усиливается при двухосном напряженном состоянии.

8. Установлено, что совместное действие на металл двухосности нагру-жения и водорода оказывает более сильное влияние, чем их суммарное, но раздельное действие. Дано феноменологическое обоснование тому, что ужесточение схемы напряженного состояния приводит к смещению максимума напряжений к вершине трещины, росту величины гидростатических напряжении, благодаря чему достижение критической комбинации водорода и напряжений, необходимой для очередного скачка трещины, происходит при меньшей величине напряжений. Показано, что совместное воздействиие двухосности напряжений и водорода усиливает термодеформационный цикл сварки.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Сагалевич В.М., Басиев К.Д. Деформации сварных соединений и конструкций с течением времени.//Сварочное производство. - 1971. - 11. - С.16-17.

2. Басиев К.Д., Сагалевич В.М. О деформации сварных соединений во времени./Тезисы докладов на конференции "Новые методы сварки и передовая технология в производстве сварных конструкций" - Пермь. -1971. - С.63-64.

3. Басиев К.Д. Стабильность геометрических размеров сварных конструкций во времени /Тезисы докладов "Научно-техн.конференц., посвященная 50-летию СКГМИ". - Орджоникидзе. - 1981. - С.137-138.

4. A.c. N 1142778. Способ определения остаточных газов в сварных швах. /Басиев К.Д., Сагалевич В.М., Есиев Т.С. - Б.И. N 8 - 1985.

5. A.c. N 1326942. Способ оценки прочностных свойств металлов. /Стеклов О.И., Басиев К.Д., Есиев Т.С. - Б.И. N 28 - 1987.

6. Коррозионная стойкость сварных обсадных труб./Стеклов О.И., Зорин Е.Е., Басиев К.Д.. и др. //Автоматическая сварка. - 1987. - N 8. -С.48-51.

7. Коррозионно-механическая прочность сварных соединений электросварных труб. /Басиев К.Д., Стеклов О.И., Богатова М.Н. и др. //Сталь. - 1987. - N 12. - С.80-82.

8. Басиев К.Д., Есиев Т.С. Коррозионная стойкость электросварных обсадных труб, изготовленных способом высокочастотной сварки. //Тезисы докл. Всесоюзн. совещания "Защита от коррозии нефтегазового оборудования в процессе строительства предприятий нефтяной и газовой промышленности". - п.Красный Курган, Ставропольского края, - 1987.-С.117-119.

9. Басиев К.Д., Авсарагов А.Б. Длительная прочность сварныхсое-динений в водородсодержащих средах.//Тезисы докл. Y республик, кон-ферен. "Коррозия металлов под напряжением и методы защиты". -Львов, 1989.

10. Басиев К.Д., Хасиев Ч.М. Установка для исследования адсорбции в твердых телах в процессе платического деформирова1шя методом масс-спектрометрии. //Тезисы докладов республ. научно-техн. конфе-ренщш "Электронные приборы и системы в промышленности". -Орджоникидзе, 1989. - С.96-97.

11. A.c. 1550104. Способ компенсации температурных деформаций обсадных колонн. /Басиев К.Д., Есиев Т.С. - Б.И. N 10. - 1990.

12. Басиев К.Д., Есиев Т.С. Исследование влияния циклических нагрузок на работоспособность оболочковых конструкций. //Тезисы докл. УН зонального научно-метод. совещания-семинара по теорети ческой механике вузов Сев.-Кавказ. региона. - Владикавказ, 1990. -С.49-50.

13. Басиев К.Д., Есиев Т.С., Авсарагов А.Б. Влияние напряженого состояния на кинетику коррозии деформируемого алюминиевого сплава. //Тезисы докл. 111 республ. конференции "Теория и технология производства отливок и сплавов из цветных металлов. - Владикавказ. -С.43-44.

14. Басиев К.Д., Авсарагов А.Б. Оценка длительной прочности металлических конструкций в сероводородсодержащих средах. //Тезисы докладов научно-техн. конфер, - посвященной 60-летию СКГМИ. -Владикавказ, 1997. - С.234-237.

15. Басиев К.Д., Есиев Т.С. Об оценке работоспособности трубных сталей в наводороживающих средах по скорости роста усталостной трещины. //Тезисы докл. Всесоюзн. совещания "Проблемы защиты от коррозии нефтегазопромыслового оборудования". - Смоленск. -Москва, 1991. - С.23-24.

16. Басиев К.Д., Есиев Т.С., Авсарагов А.Б. Новые методы в оценке сопротивляемости трубных сталей сероводородной коррозии. //I Меж-дунар. конгресс Всесоюзн. ассоциации коррозионистов "Защита-92", Москва, 1992. - Т1, ч.2. - С.213-215.

17. Басиев К.Д., Есиев Т.С., Стеклов О.И. Эксплуатационная надежность оболочковых конструкций, предназначенных для хранения экологически опасных продуктов. //Тезисы докл. I Междунар. конфе-ренщш 'Экологические проблемы горных территорий" - Владикавказ, 1992. - С.202-205.

18. Басиев К.Д., Есиев Т.С., Стеклов О.И. Циклическая трещино-стойкость сварных соединений труб в наводороживающих коррозионных средах. //Межвузовский сборник научных трудов МАСИ "Стабильность, качество и работоспособность сварных конструкций". -Москва, 1993.-С.60-64.

19. Патент РФ 1832186. Образец для испытаний металлических труб на усталость при двухосном напряженном состоянии. /Стеклов О.И., Басиев К.Д., Есиев Т.С. - Б.И.И 29, - 1993.

20. Патент РФ 2020462. Способ испытания металлов на коррозионное растрескивание. / Басиев К.Д., Есиев Т.С., Хасиев Ч.М. - Б.И. N 9,-1994.

21. Басиев К.Д., Загалова Л.А. Модель разрушения стали в среде сероводорода при одноосном напряженном состоянии. /Материалы научно-гехнич.конференц. СКГМИ, посвященные 100-летию со дня рождения проф. Агеенкова В.Г. - Владикавказ, 1993. - 130 с.

22. Басиев К.Д., Тибилов В.И. Прочность трубных сталей в серо-водородсодержащих средах с учетом напряженного состояния. /Тезисы докл. научно-технич. конф., посвященные 50-летию Победы над фашистской Германией, Владикавказ, 1995. - С.30-31.

23. Есиев Т.С., Басиев К.Д., Стеклов О.И. Метод испытания оболочковых материалов на усталостную трещиностойкость в условиях двухосного изгиба. //Заводская лаборатория. - 1995. - N 4. - С.50-52.

24. Басиев К.Д., Есиев Т.С., Тибилов В.И. Оценка экологической безопасности нефтегазопроводов. /Тезисы докл. II Междунар. конкуренции "Безопасность и экология горных территорий". - Владикавказ, 1995. - С.79-80.

25.Басиев К.Д., Есиев Т.С., Катаев Т.С. Мониторинг экологической безопасности магистральных трубопроводов. /Тезисы докл. II Междунар. конференции "Безопасность и экология горных территорий". - Владикавказ, 1995. - С.543-545.

26.Стеклов О.И., Басиев К.Д., Есиев Т.С. Прочность трубопроводов в коррозионных средах. /Монография. Владикавказ, 1995. - 152 с.

27. Басиев К.Д. Напряженное состояние и работоспособность конструкционных материалов. /Труды СКГТУ - Владикавказ, 1995. - С.194-197.

28. Стеклов О.И., Басиев К.Д. О механизме углерод-водородного взаимодействия в сталях. //Тезисы докл. II Междунар. конгресса "Защита-95" - Москва, 1995. - С.104-105.

29. Басиев К.Д., Есиев Т.С. Синергизм в эффектах воздействия на металл сложного напряженного состоя1шя и водорода. //Тезисы докл. II Междунар. конгресса "Защита-95" - Москва, 1995. - С.53-54.

30.Басиев К.Д. Прочность сталей и сварных соединений труб в наводороживающих средах. /Учебное пособие. - Владикавказ, 1996. -

196 с.

Заказ №251 Тираж 80 экз.

Подразделение оперативной полиграфии СКГТУ, 362004, Владикавказ, ул. Николаева, 44