Деградация физико-механического состояния металла труб магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях криолитозоны

УДК 620.171.2:620.186.4

Деградация физико-механического состояния металла труб магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях криолитозоны

А.С. Сыромятникова

Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск, 677890, Россия

Приведены результаты исследования структуры и механических свойств малоуглеродистой низколегированной стали трубы после хранения в полевых условиях и длительной эксплуатации в составе магистрального газопровода Республики Саха (Якутия). Показано, что протекающие на нанометровом масштабном уровне структурно-деградационные процессы приводят к деградации структуры и свойств на микро- и макроуровнях.

Ключевые слова: трубная сталь, длительная эксплуатация, эволюция дислокационной субструктуры, деформация и разрушение цементита, деградация свойств

Degradation of physfcal and me^anical condition of the main gas pipeline metal at long operation in the conditions of the cryolitozone

A.S. Syromyatnikova

Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, SB RAS, Yakutsk, 677890, Russia

The results of a study of the structure and mechanical properties of low carbon and low alloyed steel of a pipe from a reserve stock and after long operation as a part of the Republics Sakha (Yakutia) main gas pipeline are presented. It is shown that proceeding on nanometer scale level structurally degradation processes lead to degradation of structure and properties on micro- and macrolevels.

Keywords: pipe steel, long operation, dislocation substructure evolution, deformation and destruction of cementite, degradation of properties

1. Введение

Одной из важнейших научно-технических проблем современности остается проблема продления ресурса безопасной эксплуатации потенциально опасных высокорисковых объектов. К числу таких систем относятся магистральные газопроводы из-за повышенного риска возникновения в них техногенных аварий, вызванных недостаточной эксплуатационной надежностью металла. Магистральные газопроводы Республики Саха (Якутия) являются уникальными металлоемкими конструкциями, которые проложены и эксплуатируются в зоне распространения вечномерзлых грунтов с 1970 года. Анализ возникновения аварийных ситуаций на магистральном газопроводе Республики Саха (Якутия) свидетельствует о том, что общее техническое состояние оборудования и газопроводов газопроводной системы

ухудшается, их эксплуатационный ресурс практически исчерпан. При этом возрастает опасность отказов, обусловленных деградационными процессами в металле труб при их длительной эксплуатации [1-3].

В первых работах по исследованию закономерностей изменения структуры и свойств металла магистральных нефтепроводов, которые были начаты в восьмидесятых годах прошлого столетия, был сделан вывод о том, что при длительной эксплуатации под действием циклических и статических нагрузок в трубном металле протекают процессы, характерные для деформационного старения малоуглеродистых и низколегированных сталей, приводящие к их упрочнению и охрупчиванию [4, 5]. В последнее десятилетие интенсивно проводятся экспериментальные работы, посвященные изучению механических свойств и структуры металла труб ста-

© Сыромятникова А.С., 2014

реющих магистральных газопроводов [6-21]. К настоящему времени сложились две противоположные точки зрения по этому поводу.

1. Металл труб в эксплуатационном интервале температур (минус 40 до плюс 150 °С) в течение длительного нагружения, исчисляемого десятками лет, не претерпевает структурных изменений [9-14]. Эта точка зрения обосновывается либо прямыми исследованиями структуры [10-13], либо тем, что стандартные механические свойства трубных сталей остаются в рамках допустимых значений даже после весьма длительных сроков эксплуатации [9, 14].

2. При длительной (более 20 лет) эксплуатации магистральных трубопроводов в металлах протекают процессы, характерные для деформационного старения, что приводит к деградации свойств металла: снижению параметров сопротивления разрушению, чувствительных к локальным структурным изменениям (работа разрушения, ударная вязкость, критическое раскрытие трещины COD), а также к повышению температуры вязкохрупкого перехода [17-21]. Большинство исследователей сходятся в заключении, что длительная эксплуатация магистральных газопроводов (20-40 лет) приводит к заметному изменению стандартных механических свойств трубных сталей — повышению прочностных характеристик и понижению параметров пластичности [12-19, 21]. Наблюдаемую деградацию механических свойств трубных сталей магистральных газонефтепроводов исследователи объясняют протеканием при длительной эксплуатации процессов деформационного старения: перераспределением углерода, азота и других элементов, эволюцией дислокационной субструктуры, распадом цементита, образованием микротрещин [12-21].

Таким образом, в настоящее время имеет место неоднозначность мнений исследователей относительно природы (микромеханизмов) и роли процесса старения и его влияния на свойства трубных сталей. В работе проведено исследование характера изменений параметров сопротивления разрушению, а также изменения структурного состояния и степени дефектности трубных сталей после длительной эксплуатации в условиях вечномерзлых грунтов, что является актуальной задачей прогнозирования эксплуатационной надежности стареющих стальных конструкций.

2. Материалы и методы исследования

Для исследований были предоставлены фрагменты, вырезанные из газопроводных труб диаметром D = = 530 мм: из аварийного запаса после хранения в полевых условиях около 30 лет, в состоянии поставки из текущего производства и после длительной (около 30 лет) эксплуатации в составе действующего магистрального газопровода Мастах-Берге-Якутск.

Рис. 1. Температурная зависимость ударной вязкости металла труб из аварийного запаса

Химический анализ материала трубопроводов проводился на установке для спектрального анализа Spect-roport-F. Испытания на ударный изгиб образцов с U-образным надрезом проводились при комнатной и пониженной температурах на инструментированном маятниковом копре Roell Amsler RKP-450 согласно ГОСТ 945478, ISO 148-1. Микротвердость измерялась на приборе Leco Fr-3e при нагрузке 10 г на индентор в форме четырехгранной алмазной пирамидки. Измерение микротвердости проводилось отдельно для ферритной и перлитной составляющей структуры. Среднее значение определялось по результатам 50 измерений. Структурные исследования проведены с использованием оптического микроскопа Axio Observer Dlm, растрового электронного микроскопа JSM-6480LV, просвечивающего электронного микроскопа JEM-4000EX, атомно-силового микроскопа IntegraSpectra.

3. Результаты и их обсуждение

По химическому составу металл всех исследованных труб соответствовал низкоуглеродистой низколегированной трубной стали 09Г2С.

Испытания на ударный изгиб показали следующее (рис. 1-4).

1. Ударная вязкость ab стали трубы после длительной эксплуатации снижается в 1.4-1.5 раза по сравнению с металлом труб из аварийного запаса (рис. 1).

Рис. 2. К определению критической температуры хрупкости Т50 по доле вязкой составляющей в изломе металла труб из аварийного запаса

Рис. 3. Температурная зависимость динамической трещино-стойкости Jid = 2Л3/В (Н - а), В и Н — ширина и высота образца; а — длина надреза

2. Наблюдается повышение критической температуры хрупкости Т50 для металла трубы после эксплуатации (Т50 = -33 °С) по сравнению с металлом трубы из аварийного запаса (Т50 = -52 °С) (рис. 2).

3. Температурные зависимости динамической тре-щиностойкости Jid совпадают для металла труб из аварийного запаса и после эксплуатации (рис. 3); Jid уменьшается со снижением температуры менее интенсивно, чем ударная вязкость а. Величина Jid определяется по абсолютному значению работы зарождения трещины Л3, а ударная вязкость аь — по полной работе разрушения. Понижение сопротивления разрушению металла в результате длительной эксплуатации в основном связано с работой, затрачиваемой на распространение трещины, и величина Jid не может служить показателем, характеризующим это изменение.

4. Снижение показателей ударной вязкости сильнее всего проявляется в значении работы распространения трещины, характеризующей вероятность внезапного хрупкого разрушения: на работу распространения трещины Лр в металле труб без эксплуатации затрачивается 0.4-0.5 части полной работы разрушения А во всем температурном диапазоне динамических испытаний (Ар/Л = 0.4-0.5), тогда как в металле трубы после длительной эксплуатации при отрицательных температурах испытания Лр! Л = 0.2-0.3 (рис. 4, а).

Средние значения микротвердости фазовых составляющих — перлита и свободного феррита — металла труб из аварийного запаса и после эксплуатации равны в пределах погрешности измерений. Однако анализ частотных распределений значений микротвердости, измеренных отдельно для каждой из присутствующих фаз, показал наличие следующей закономерности. В избыточном феррите металла трубы после эксплуатации наблюдается тенденция к обнаружению относительно более высоких значений микротвердости по сравнению с ферритом стали трубы аварийного запаса (рис. 5, а), а в перлите — наоборот, максимум кривой частотных распределений микротвердости смещен в сторону низких значений микротвердости по сравнению с перлитом стали трубы из аварийного запаса (рис. 5, б).

Изображения микроструктуры металлов труб, полученные с использованием атомно-силовой и растровой электронной микроскопии, представлены на рис. 6.

Сталь всех исследованных труб имеет феррито-пер-литную, мелкозернистую структуру, перлит пластинча-

Рис. 4. Температурные зависимости отношений Лр/Л

Рис. 5. Частотное распределение микротвердости ферритной

Рис. 6. Микроструктура металла трубы из аварийного запаса (а, в) и после эксплуатации (б, г): а, б—атомно-силовая микроскопия; в, г — растровая электронная микроскопия

тый, с толщиной пластин 70-125 нм и расстоянием между пластинами 150-300 нм. Перлитная составляющая в нормализованных сталях трубы из аварийного запаса и после длительной эксплуатации распределена равномерно. В структуре металла трубы из текущего производства наблюдаются строчечное расположение перлита по направлению проката, что свидетельствует об изготовлении проката стали методом контролируемой прокатки, приводящей к получению малоперлитной стали с содержанием перлита до 5 %. Так как металл трубы из новой поставки и металл трубы после длительной эксплуатации изготовлен по разным технологиям и, соответственно, характеризуется разной структурой и свойствами, за исходное состояние (состояние до эксплуатации) принимался металл трубы из аварийного запаса.

По изображениям микроструктуры на десяти полях зрения на каждом шлифе определены средний размер зерна феррита, объемное содержание фаз, размерное распределение перлитных колоний. Средний размер ферритных зерен исследованных металлов составляет 1.5-2.0 мкм, что соответствует минимальному стандартизованному баллу зерна 14 по ГОСТ 5639-82. Объемное содержание перлитной составляющей исследованных металлов приведено в табл. 1. Распределения по размерам перлитных колоний в металле хранившейся и эксплуатировавшейся труб приведены на рис. 7.

Объемное содержание и характер объемного и размерного распределения перлита в исследованных металлах различаются: в металле трубы из аварийного запаса перлит составляет 15 %, образует обособленные колонии, распределение по размерам близко к нормальному; в металле трубы после длительной эксплуатации содержание перлита равно 10 %, перлитные колонии мелкие, располагаются преимущественно на межзерен-ных границах (табл. 1, рис. 6, 7).

Исследование тонкой (дислокационной и внутрифаз-ной) структуры металла труб методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения показало следующее (рис. 8-10).

1. В металле трубы из аварийного запаса наблюдается хаотичное, равномерное расположение дислокаций в теле ферритных зерен, клубковые сплетения дислокаций с высокой плотностью (рис. 8, а, б, клубки дислокаций показаны тонкими стрелками). В обоих металлах обнаруживаются тонкие малоугловые границы, которые образуются при выстраивании в ряд краевых дислокаций, расположенных на параллельных плоскостях скольжения (рис. 8, а, г, малоугловые границы показаны жирными стрелками), а в металле трубы из аварийного запаса — малоугловая граница в виде «плетеных» дислокационных сеток шириной 0.5 мкм (рис. 8, б).

При длительной эксплуатации происходит эволюция дислокационной субструктуры стали — уменьшение

Таблица 1

Средний размер зерна и содержание перлита в металле труб

Характеристика микроструктуры Из аварийного запаса Новая поставка После эксплуатации

Средний размер ферритных зерен, мкм 1.63 ± 0.03 1.50 ± 0.02 1.94 ± 0.03

Содержание перлита, % 15 4 10

Рис. 7. Распределение по размерам перлита в металлах труб из аварийного запаса

Рис. 8. Дислокационная субструктура зерен феррита металла труб из аварийного запаса

Из аварийного запаса [а]

У у 1 0 -1 5

4  1 6 4

0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Размер зерна, мкм

400 нм I-1

После эксплуатации

0.5 1.0 2.0

Размер зерна, мкм

800 нм

I

800 нм I I

после длительной эксплуатации I

Рис. 9. Структура перлитных колоний металла трубы из аварийного запаса (а) и

600 нм

скалярной плотности дислокаций и переход к формированию более упорядоченной, стабильной сетчатой структуры (рис. 8, в-д). Измеренная по ПЭМ-изображениям плотность дислокаций в металле трубы после длительной эксплуатации составляет порядка 108 см-2. Количественная оценка плотности дислокаций в металле трубы из аварийного запаса, когда в клубковых сплетениях разрешается лишь незначительное число отдельных дислокаций, затруднительна. Учитывая, что средняя плотность дислокаций в клубках составляет порядка 10111012 см-2 , средняя плотность дислокаций в металле трубы из аварийного запаса составляет не менее 109 см-2.

2. В металле трубы из аварийного запаса структура перлитной фазы не искажена (рис. 9, а). Длительная эксплуатация приводит к деформации и разрушению цементитных пластин перлита (рис. 9, б, в).

Известно, что при пластической деформации стали пластинчатый цементит, в отличие от глобулярного, может пластически деформироваться по различным механизмам и хрупко разрушаться [20, 21]. Деформация цементитных пластин стали при длительной эксплуатации могла произойти путем сбросообразования и/или изгиба при скольжении в феррите под углом к плоскости пластин цементита, приводящего в условиях затруднен-

ного скольжения к хрупкому разрушению путем среза цементитных пластин.

3. В металлах обоих исследованных образцов наблюдаются округлые выделения второй фазы (рис. 8, выделения показаны штриховыми стрелками). Размеры наблюдающихся в металле трубы из аварийного запаса выделений составляют 60-70 нм, в металле трубы после длительной эксплуатации — 40-160 нм, количество выделений во втором случае больше.

В теле зерна феррита стали трубы после эксплуатации наблюдаются частицы второй фазы — карбидов железа — размерами около 1 мкм, опутанные дислокациями, которые имеют морфологическое сходство и размерное соответствие с перлитом (рис. 10).

Как известно, механизм взаимодействия примесных атомов с дислокациями, введенными деформацией, лежит в основе явления деформационного старения — изменения свойств металла во времени после холодной или «теплой» пластической деформации [20]. На поздних стадиях деформационного старения при уровне пересыщения углеродом, характерном для равновесного феррита стали (0.001-0.030 % в зависимости от технологии изготовления проката стали), на атмосферах происходит зарождение частиц второй фазы — образо-

Рис. 10. Карбидные образования в свободном феррите металла трубы после длительной эксплуатации

вание сложных карбидов и цементита [20, 21]. Учитывая, что углерод в решетке а-железа обладает диффузионной подвижностью и при естественно низких температурах, можно предположить, что образующиеся в феррите стали трубы после длительной эксплуатации частицы второй фазы микронного размера являются перлитными колониями.

4. Заключение

Проведены исследования микро- и тонкой структуры и механических свойств стали при длительной эксплуатации при естественно низких температурах под действием постоянно приложенных напряжений, значительно ниже предела текучести. Установлено, что на нано-метровом масштабном уровне протекают следующие структурно-деградационные процессы: деформация и разрушение цементита в перлитных колониях, эволюция дислокационной субструктуры и образование карбидных выделений в объеме ферритных зерен. Эти процессы на микроуровне приводят к уменьшению содержания и изменению характера размерного и объемного распределения перлитных колоний, изменению микротвердости фазовых составляющих стали, на макроуровне — к деградации его механических свойств: снижению параметров сопротивления разрушению (ударной вязкости, работы зарождения трещины), к значительному понижению характеристик, отражающих сопротивление хрупкому разрушению — критической температуры хрупкости и отношения работы распространения трещины к работе ее зарождения в диапазоне климатических температур.

Просвечивающая электронная микроскопия выполнена в центре коллективного пользования ЦКП «Наноструктуры» при Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова СО РАН, атомно-силовая микроскопия — в Арктическом инновационном центре СевероВосточного федерального университета им. М.К. Аммо-сова.

Литература

1. Чухарева Н.В., Тихонова Т.В., Миронов C.A. Анализ причин аварийных ситуаций при эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях Крайнего Севера в период с 2000 по 2010 гг. [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело. - 2011. - № 3. - С. 231-243. -URL: http://www.ogbus.ru/2011_3.shtml (дата обращения: 31.03. 2014).

2. Большаков A.M. Анализ разрушений и дефектов в магистральных

газопроводах и резервуарах Севера // Газовая промышленность. -2010. - № 5. - С. 52-53.

3. Большаков A.M., Голиков Н.И., Сыромятникова A.C., Алексеев A.A.,

ТихоновР.П. Разрушения и повреждения при длительной эксплуатации объектов нефтяной и газовой промышленности // Газовая промышленность. -2007. - № 7. - С. 89-91.

4. Ямалеев K.M. Старение металла труб в процессе эксплуатации трубопроводов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1990. - 64 с.

5. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Ямалеев K.M., Росляков A.B. Старение

труб нефтепроводов. - М.: Недра, 1995. - 218 с.

6. Андронов И.Н., Кузьбожев A.C., Агиней P.B. Ресурс надземных трубопроводов. В 2-х ч. - Ухта: УГТУ, 2008. - 550 с.

7. Бакиев A.B., Сандаков B.A. Изменение истинного напряжения в металле длительно эксплуатируемых газопроводов [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело. - 2008. - Т. 6. - № 2. - С. 81-83. -URL: http://www.ogbus.ru/2008_2.shtml (дата обращения: 31.03. 2014).

8. Ямалеев K.M., Гумерова Л.Р., Сандаков B.A. Распад цементита в металле труб газопроводов системы газоснабжения [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело. - 2008. - Т. 6. - № 2. - С. 9798. - URL: http://www.ogbus.ru/2008_2.shtml (дата обращения: 31.03. 2014).

9. Филипповr.A., Ливанова O.B., ДмитриевB.O. Деградация свойств металла при длительной эксплуатации магистральных трубопроводов // Сталь. - 2003. - № 2. - С. 84-87.

10. Долгий A.A., Красовский A.Я., Маковецкая ИЛ., Тороп B.M. Опыт оценки ресурса магистральных трубопроводов, претерпевших длительные эксплуатационные воздействия // Материалы международной научно-технической конференции «Прочность и надежность магистральных трубопроводов» (МТ-2008). - Киев: Институт проблем прочности НАНУ, 2008. - С. 128-135.

11. МочернюкН.П., Красневский С.М., ЛазаревичГ.И., СороханЦ.Д., Герасимчик И.И. Влияние времени эксплуатации магистрального газопровода и рабочего давления газа на физико-механические характеристики трубной стали 19Г // Газовая промышленность. -1991. - № 3. - С. 34-36.

12. Лякишев Н.П., Кантор М.М., Bоронин B.H., Тимофеев B.H., Шарыгин Ю.М. Исследование структуры металла газопроводов после их длительной эксплуатации // Металлы. - 2005. - № 1. -С. 3-16.

13. Ильин С.И., Смирнов M.A., Пашков Ю.И., Aнисимов Ю.И., Протопопов B.A. Изменение структуры и свойств трубной стали во время длительных выдержек под нагрузкой // Изв. ЧНЦ. Физическая химия и технология неорганических материалов. - 2002. -Т. 17. - Вып. 4. - С. 42-46.

14. Махутов H.A., Пермяков B.H., Кравцова Ю.A., Ботвина Л.Р. Оценка состояния материала продуктопровода после его длительной эксплуатации // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2007. - Т. 7З. - № 2. - С. 35-43.

15. Сызранцев B.H., Голофаст С.Л., Невелев Я.П., Лысяный К.К. Исследование механических характеристик трубных сталей 17ГС, 17Г1С, 14ХГС после длительной эксплуатации нефтепроводов // Нефтяное хозяйство. - 2008. - T. 1. - № 3. - С. 98-100.

16. Багмутов B.П., Столярчук A.С., Трудов A.Ф., Aрисова B.H., Коробов A.B. Комплексная оценка деградации трубной стали на различных структурных уровнях после длительной эксплуатации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2007. - № 1. - С. 118-124.

17. Микрюков B.P., Иванов Ю.Ф., Громов B.E. Физическая природа деградации свойств, фазового состава и дефектной субструктуры арматурной стали при длительной эксплуатации. - Новокузнецк: Изд. СибГИУ, 2007. - 170 с.

18. Стеклов О.И. Надежность магистральных газопроводов в условиях интенсификации процессов коррозии и старения // Сварочное производство. - 2010. - № 5. - С. 40-43.

19. Одесский П.Д. О деградации свойств сталей для металлических конструкций // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2003. - Т. 69. - № 10. - С. 86-92.

20. Бабич B.K., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.

21. Саррак B.И., Суворова С.О., Энтин Р.И. Исследование деформационного старения технического железа // Физика металлов и металловедение. - 1964. - Т. 17. - № 1. - С. 105-111.

__Поступила в редакцию 14.11.2013 г

Сведения об авторе

Сыромятникова Айталина Степановна, к.ф.-м.н., доц., внс ИФТПС СО РАН, sas@iptpn.ysn.ru