Физические основы деградации механических свойств металла газопроводов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕГРАДАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МЕТАЛЛА ГАЗОПРОВОДОВ

БАКИЕВ

Ахмет Вахитович,

академик АН РБ

Представление о разрушении материалов до сих пор основывается на концепции классической механики, сформулированной Галилеем в 1638 г. Считается, что разрушение наступает при превышении напряжений исходного значения предела прочности материалов, хотя постепенное снижение прочности под действием постоянных статических нагрузок на закаленных сталях и титановых сплавах было установлено во второй половине прошлого столетия [1,2]. Это явление получило название «замедленное или задержанное раз-

рушение». Сущность этого явления, в отличие от ползучести, заключается в постепенном снижении прочности металла под действием постоянных нагрузок при нормальных температурах.

Первые сведения о старении трубопроводных сталей были получены в Институте проблем транспорта энергоресурсов АН РБ [3].

В настоящей статье приводятся результаты исследований реального физического состояния металла длительно эксплуатируемых газопроводов систем газоснабжения и газопотребления.

Трубопроводные сети газораспределения и газопотребления проложены в черте городов, проходят внутри промышленных предприятий и жилых домов. Они эксплуатируются в тяжелых условиях: испытывают воздействие интенсивного поля блуждающих токов, колебания грунта, вызывающих циклические нагру-жения; относятся к потенциально опасным производственным объектам, подконтрольным Ростехнадзору.

Сроки эксплуатации значительной части газопроводов превышают первоначально установленные. К настоящему времени протяженность газопроводов России, отработавших 40 и более лет, приближается к 22 тыс. км (рис. 1).

5 25 п § 20

л ь о о

X

X

ф

* ее

I-

о о.

15

10

21,8

19

_84

10,3

-Л^г

14,5

16,5

6,3

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

годы

Рис. 1. Протяженность сети газопроводов России, отработавших 40 и более лет

Физические основы деградации механических свойств металла

17

Увеличивается удельная аварийность. Если количество аварий на 1000 км в 1997 г. составило 0,069, то в настоящее время -0,10. Среди причин превалируют коррозионные и механические повреждения. Отсутствуют сведения аварий по причине деформационного старения.

Несмотря на редуцированное давление и большой расчетный запас прочности, сложные условия эксплуатации вызывают деградацию механических свойств металла. Это -оложение в настоящее время является общепризнанным.

Причины ухудшения физического состоя--ия металла применительно к газопроводам системы газоснабжения практически не изу--ены. Например, по результатам расследова-~ия причин взрыва газопровода на улице Озерной Москвы в ночь на 10 мая 2009 г. комиссия сделала совершенно правильный вывод о том, что аварии способствовало развитие «вялотекущих деструктивных процессов з структуре материала трубы». Однако структурная природа деградации механических свойств в процессе длительной эксплуатации металла газопроводов оставалась до настоящего времени малоисследованной.

Результаты деградации механических свойств металла труб нами были получены на основе обширных экспериментальных изучений образцов из углеродистых и низколегированных газопроводных сталей, прослуживших различные сроки.

При установлении изменений количественных значений показателей механических свойств использовали результаты ранее проведенных собственных исследований и других авторов. Однако они имели разрозненный

характер и были направлены, как правило, на изучение лишь одного параметра. Поэтому был проведен дополнительный полный комплекс экспериментальных исследований по всем этапам динамики деградации свойств металла труб на образцах из стали 20, бывших в эксплуатации 22 года и 50 лет. Исходные состояние металла имитировали путем отжига образцов при 650°С в течение 1 часа.

После 50 лет эксплуатации газопровода произошло повышение показателей прочности, показатель пластичности - относительное удлинение - уменьшалось (рис. 2).

Количественную оценку изменения свойств металла, наряду со стандартными, выполняли и более чувствительными методами испытаний к тонкоструктурным изменениям металла газопроводов, прослуживших различные сроки.

Потерю пластичности металла определяли методом расхождения берегов концентратора напряжений, обладающим высокой чувствительностью.

Показатель остаточной пластичности (П) определяли по формуле

П =

где Кк и К0, - соответственно, конечная и начальная величины расхождения берегов концентратора;

Сд - коэффициент деформационного старения для стали-17ГС, эксплуатируемой 30...46 лет; его значение находится в пределах 1,32... 1,35.

Этот метод, основанный на изгибе образцов, позволяет более точно определять состояние охрупченности металла.

witfmm,

209!

. МПа

Относительное удлинение, %

400

ОТЖЙГЭ

Ш2Ш 8&  ям

'ti: В ó !

1 1 i

в течение 50 лет

ШМЖ

Рис. 2. Изменение основных механических свойств стали 20 за 50 лет эксплуатации Вестник Академии наук РБ. 2010. Том 15, № 4

18

А.В. Бакиев

Данные измерений (табл. 1) показывают, что с увеличением времени эксплуатации расхождение берегов концентратора напряжений уменьшается. За период эксплуатации 30...46 лет потеря пластичности металла составляет 8. ..10 %.

С целью выявления снижения показателей прочности металла труб газопроводов были проведены длительные испытания образцов на растяжение. Испытывали одновременно попарно два образца - состаренный и отожженный в совершенно одинаковых условиях,

что позволило корректно сопоставлять значения времени их до разрушения (табл. 2).

Образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести, сколько угодно долго находясь под нагрузкой, а деформационно-состаренные разрушались при напряжениях, меньших предела текучести.

Тот факт, что образцы разрушаются при напряжениях меньших предела текучести, однозначно указывает на изменение структурных параметров металла, подверженного долговременному воздействию постоянных нагрузок.

Таблица 1

щ

ми эм

за

иа

Значения расхождения берегов концентратора напряжений в зависимости от срока эксплуатации газопровода

Время К0, мм г—————————- Кк, мм Кф - П, %

эксплуатации, лет г г изм Ко кг изм Кср Кср

30 7,05 7,03 7,07 7,05 7,70 7,50 7,30 7,50 0,45 8,43

46 6,50 6,80 6,20 6,50 6,81 6,79 6,77 6,79 0,29 6,02

46 + отжиг 7,14 7,12 7,10 7,12 00 ОО 00 К) 'ю 1/1 ООО 8,30 1,18 16,57

Таблица 2

Данные о времени до разрушения образцов

Марка Продолжительность Предел Напряжение Время до

стали эксплуатации, лет текучести от, испытания сгн, МПа разрушения, ч

17ГС Отжиг при 650 °С, 1 ч 355 355 -

46 366 0,95-стт = 348 408

46 366 0,90стт = 320 740

СтЗ Отжиг при 650 °С, 1 ч 248 248 -

48 257 0,95-Ст = 244 305

48 257 0,90от= 230 605

Сталь Отжиг при 650 °С, 1 ч 259 259 -

20 40 268 0,9 5-ат = 254 307

40 268 0,90-стт = 241 633

14ГН Отжит при 650 °С, 1 ч 260 260 -

42 269 0,95-ат = 255 309

42 269 0,90ат = 242 635

Физические основы деградации механических свойств металла..

19

Металлографические исследования проверены на всех структурных уровнях (макро-, адезо - и микро) различными методами (цифровая макросъемка, оптическая металлография. рентгеноструктурный анализ, электроно-•.«икроскопические, лазерносканирующие и эмергодисперсионные исследования).

Динамику изменения объемных долей хаз их размеров микротвердости и показателей прочности и пластичности изучали на образцах, вырезанных из труб (сталь 20), быв-_»сх в эксплуатации 22 года и 50 лет.

Изучение микроструктуры проводили с помощью ТУ-мшххжопа «АхюуегМООА», измену МПа 5000

4000

рение микротвердости - по Виккерсу на прецизионной приставке «МНТ-10». Цифровая обработка выполнялась с помощью программного пакета анализа изображений «КБ-ЗОО».

В процессе эксплуатации (от 22 до 50 лет) в металле труб доля перлита увеличилась на 9 %, соответственно, на эту величину уменьшилась доля феррита, происходит заметное уменьшение размеров зерна феррита. В образцах после 50 лет эксплуатации произошло слияние зерен перлита, границы между ними четко не просматриваются. Наибольшее повышение микротвердости наблюдается на межфазной границе перлит - феррит (рис. 3).

3000

2000

1000

О ? 2 3 4 5

Рис. 3. Диаграмма распределения микротвердости по Виккерсу Н\/ в зависимости от зоны измерения для образца из трубопроводной стали 20:

1 - зерно феррита, 2 - тройной стык зерен феррита, 3 - граница зерен феррита, 4 - зерно перлита, 5 - межфазная граница перлит-феррит

а) отожженный

б) состаренный

Рис. 4. Локальный профиль деформационного рельефа образцов, эксплуатировавшихся в течение 50 лет

20

A.B. Бакиев

Сетчатая структура (х 24000) Ячеистая структура(х 26000) Клубковая структура(х 24000) Рис. 5. Эволюция дислокационной структуры стали-17ГС при циклическом нагружении образцов

Динамика изменения деформационного рельефа наглядно просматривается на снимках, выполненных лазерным сканирующим микроскопом «ЦЗМ-б-ЕхсКег», в трехмерном изображении (рис, 4).

Исследования с помощью лазерного сканирующего микроскопа показали, что увеличение средней высоты деформационного рельефа поверхности увеличивается в пределах 30 %, что соответствует значению роста коэффициента деформационного старения за такой же период эксплуатации.

Эволюция дислокационной структуры показана на примере стали 17ГС (рис. 5). Дислокационная структура изменяется от сетчатой до клубковой. В некоторых случаях образуется полосовая структура - вестник в образовании микротрещин в металле. Эволюция дислокационных структур создает дополнительные напряжения в кристалле и сопровождается увеличением плотности дислокаций.

В дальнейшем фундаментальные исследования будут направлены на установление процессов и закономерностей эволюции тонкой

структуры металла на основе современных представлений о структурном механизме деформационного старения, диффузионно-дислокационных процессов пластического течения в кристаллах.

Полученные данные позволят разработать методику определения остаточного ресурса с назначенным сроком безопасной эксплуатации, наступления предельного состояния металла и тем самым предупредить катастрофические отказы технических устройств.

Литература

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

2. Шоршоров М.Х. О роли вакансий в механизме задержанного разрушения стали и сплавов из титана // Изд-во АН СССР ОТН «Металлургия и топливо». - 1962. - № 4. - С.70 - 77.

3. Ямалеев K.M. Старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1990.