СПОСОБ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR ASSESSMENT OF FUNCTIONALITY OF PIPES OUT OF LOW CARBON LOW ALLOYED STEEL

Изобретение относится к диагностике ресурса работоспособности труб магистральных трубопроводов, изготовленных из ферритно-перлитных сталей и подвергающихся цикловому усталостному воздействию при больших сроках эксплуатации, характерен значительный разброс.
Известны различные лабораторные методы исследования труб газо- и нефтепроводов, при которых исследуются образцы сталей.
В журнале "Заводская лаборатория. Диагностика материалов", 2008, № 3, с.38 описана комплексная диагностика труб метанолопровода. Исследование включало металловедческую диагностику, химический анализ материала труб и оценку его механических свойств. В ходе испытаний были изготовлены металлографические шлифы для определения неметаллических включений в стали и определения величины зерна сталей. Указано используемое оборудование. При изучении микроструктуры металла труб исследовался характер его ферритно-перлитной структуры, и по оценке полосчатости перлита и величине зерна металла по ГОСТ 5639 и 5640 оценивается изотропность металла.
Недостатки: известный анализ применен в отношении металла труб с фактическими дефектами; эксплуатационная пригодность оценивается по повторным испытаниям на прочность под давлением; для проведения исследований из трубы вырезают образцы.
в
τ
С
В работе "Влияние ударной вязкости на прочность трубопровода" отмечается, что в настоящее время срок эксплуатации значительной части магистральных трубопроводов превышает амортизационный срок [см. научно-технический журнал "Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов". - 3(69). - 2007. - Уфа: Институт проблем транспорта энергоресурсов]. Отмечается, что при длительной эксплуатации трубопроводов свойства металлов изменяются: сохраняется предел прочности σ, повышается предел текучести σ, снижается относительное удлинение δ, снижается вязкость разрушения К и др. Неоднозначны оценки разных специалистов по поводу допустимости определенных изменений в металле эксплуатируемых труб. Предложен расчетный метод оценки безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов путем определения ударной вязкости металла и ее влияния на допустимое рабочее давление трубопроводов. Рекомендации основаны на определении ударной вязкости путем испытания образцов по ГОСТ 9454.
Процесс старения и изменения механических характеристик металла труб не всегда приводит к снижению прочности и ударной вязкости металла труб. Более надежные оценки механических характеристик трубных сталей в отношении старого оборудования основываются на металлографическом анализе.
Известен также экспресс-анализ микроструктуры и механических свойств металлов с помощью переносного металломикроскопа, например, портативного микроскопа типа МПМ-1, используемый НПО Техкранэнерго [http://www.tke.ru/node/208].
Целесообразность применения переносного металломикроскопа обоснована тем, что вырезка образцов затруднительна из деталей действующего оборудования, особенно это касается старого и импортного оборудования.
Известный метод включает следующие действия.
1. Выделяют контрольные участки, в первую очередь исследуются аварийные участки, подвергшиеся недопустимым воздействиям (температура, давление и пр.).
2. На выбранном месте приготавливается микрошлиф в виде пятна 15-20 мм. Для этого поверхность металла очищается от накипи, ржавчины, окалины и различных повреждений, при необходимости снимается обезуглероженный слой. В качестве инструмента используют, например, автономную электродрель с различными насадками; зернистость шлифовального материала в процессе зачистки последовательно убывает до 600.
3. Осуществляют травление - заключительный этап в приготовлении шлифа. Обычно, для малоуглеродистой низколегированной стали используется 4% раствор азотной кислоты в спирте. Шлиф промывают и просушивают.
4. Микроскоп устанавливают и фиксируют на контролируемом шлифе. Предлагаемое увеличение от 100 до 800 крат.
5. Заключение составляют на основе субъективной оценки специалиста-металловеда и включает в себя словесное описание микроструктуры: общее распределение феррита и перлита, их форма, примерное содержание углерода, размер зерен и полосчатость ферритно-перлитной структуры по ГОСТ 5639 и 5640.
Описанный известный способ, основываясь на тщательном выборе места исследования и подготовке анализа, объективно оценивает лишь наличие дефектов, а оценка структуры по увеличенному рисунку шлифа не связывается с механическими характеристиками металла и эксплуатационной надежностью изделий из него.
Техническая задача изобретения состоит
- в получении достоверного знания о стадии и возможности эксплуатации металлических трубопроводов с периодом эксплуатации более 30 лет;
- в упрощении анализа путем выбора удобных и доступных критериев оценки, которые могут быть использованы не только квалифицированными специалистами, но и персоналом по обслуживанию трубопроводов.
Способ диагностики работоспособности труб из малоуглеродистой низколегированной стали, выработавших нормативный ресурс, включающий выбор участка, анализ на действующем трубопроводе, приготовление микрошлифа путем шлифования с убыванием зернистости шлифовального материала, травления, промывки и просушивания микрошлифа; закрепление на трубопроводе микроскопа с фиксацией окуляра на микрошлифе при увеличении в 500, сравнение видимого изображения микрошлифа с эталонами микроструктуры по ГОСТ 8233-56, определение количественной характеристики дисперсности пластинчатого и зернистого перлита на основе сравнения структуры микрошлифа со шкалой соотношения между пластинчатым и зернистым перлитом и при зернистости перлита 35-100% констатируют эксплуатационную надежность трубопровода.
Результаты исследования микроструктуры заявленным способом на поверхности трубы магистрального трубопровода, выработавшего нормативный ресурс, были подтверждены путем исследования на фрагментах демонтированных труб из стали 17ГС методом разрушающего металлографического контроля. Наличие зернистости совпадало на поперечных и продольных микрошлифах.
Микрошлифы приготовлены, как и по прототипу, путем шлифования с убыванием зернистости шлифовального материала до 600 и полирования выбранного участка на поверхности трубы (то есть вдоль оси трубы), травления, промывки и просушивания микрошлифа.
На действующем трубопроводе микроскоп ММПУ-1 с увеличением более 600 (изготовитель предприятие "Энерговест") устойчиво был закреплен с помощью его магнитных опор. Фотографирование микроструктуры было осуществлено с помощью цифрового фотоаппарата (в комплекте с микроскопом).
Реальное изображение сравнивалось со шкалой соотношения между пластинчатым и зернистым перлитом п.2 приложения, таблица 2, ГОСТ 8233-56. Межгосударственный стандарт: Сталь, эталоны микроструктуры [Текст] // Москва: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 12 с.
На чертеже показана наблюдаемая при увеличении 500 ферритно-перлитная структура стали 17ГС. Отмечаем, что колонии перлита (темные области) характеризуются наличием зернистости (сфероидальные светлые участки на темном фоне), которую предварительно оцениваем 35-40%. Такое количество зернистого перлита объясняет однозначно реальный срок эксплуатации.
Увеличение зернистой фазы в перлите в количестве 35% и более способствует увеличению ударной вязкости и пластичности стали. При появлении микротрещин сферическая форма зернистой фазы препятствует их развитию, что приводит к увеличению срока безаварийной работы трубопроводов.
Путем компьютерной обработки изображения микроструктуры и увеличения отдельных областей исследования было уточнено наличие зернистости в перлитной структурной составляющей (фрагмент 2). В том числе, на стыке зерен ферритной структурной составляющей отмечено появление зернистой фазы (цементитной фазы, фрагмент 1) и это увеличивает трещиностойкость материала трубы.
Изменение морфологии перлитной структурной составляющей, при которой увеличивается процент зернистой цементитной фазы, способствует долговечности материала труб магистральных трубопроводов для транспортировки углеводородных продуктов. К существенным преимуществам способа относится не только простота выполнения анализа, но и возможность его сочетания с другими методами неразрушающего контроля (ультразвуковой, магнитный и пр.).