Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
УДК 622.692.4
На правах рукописи
Гумерова илия Ришатовна
Совершенствование методов снижения
аварийности ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ
Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовый комплекс)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2012
Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР)
Научный руководитель | Ц доктор технических наук, профессор Ямалеев Ким Масгутович |
Официальные оппоненты: | Ц доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович Ц кандидат технических наук Файзуллин Саяфетдин Миннигулович |
Ведущее предприятие | Ц ОАО Институт Нефтегазпроект, г. Тюмень |
Защита диссертации состоится 26 января 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП Институт проблем транспорта энергоресурсов по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ИПТЭР.
Автореферат разослан 21 декабря 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В настоящее время особое внимание уделяется безопасности и надежности систем магистральных нефтепроводов (МН) в связи с их важностью для экономики страны, большой протяженностью, значительной степенью состаренности металла труб при длительной эксплуатации.
Несмотря на большие достижения в области диагностики с применением таких современных снарядов, как Ультраскан WM, Ультраскан СД, магнитный дефектоскоп MFL и другие, все еще происходит значительное количество аварий на магистральных нефтепроводах. Это объясняется также тем, что имеется множество трубопроводов (технологических, телескопически соединенных, с внутренней подкладкой на сварных швах и т.п.), для которых нельзя применять внутритрубную диагностику. Кроме того, внутритрубные снаряды не могут обнаружить микротрещины, микродефекты, локально охрупченные области, которые также являются концентраторами напряжений, т.е. источниками возникновения трещин, особенно при длительной эксплуатации МН.
Действующие МН находятся в сложнонапряженном состоянии: под циклической, вернее, повторно-статической и статической нагрузками. Известно, что если рабочее давление в трубопроводе порядка 50 атмосфер, то в стенке трубы напряжение доходит до 180Е200 МПа, а в структурно-неод-нородных областях (границы зёрен, окрестности дефектов и т.п.) металла труб напряжение доходит до предела текучести и выше. В этих областях более интенсивно протекают процессы усталости и деформационного старения.
Известно, что процессы усталости и деформационного старения металла труб длительно эксплуатируемых МН сопровождаются упрочнением и охрупчиванием структурно-неоднородных областей. Следовательно, эти локальные области являются результатом повторно-статического нагружения металла труб, там концентрируются напряжения. Релаксация этих напряжений, вероятно, и является причиной образования микротрещин. Поэтому установление структурного механизма возникновения микротрещин, влияния их на трещиностойкость металла труб и на уменьшение его сопротивления коррозии является актуальной задачей обеспечения надежности нефтепроводного транспорта.
Цель работы - повышение эффективности методов обеспечения промышленной безопасности длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов.
Основные задачи работы:
- разработать методы определения зависимости снижения трещиностойкости и сопротивляемости коррозии металла труб длительно эксплуатируемых МН;
- исследовать изменения микроструктуры металла, приводящие к локализации напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
- определить степень старения металла выбранных для исследования труб (сталей 17ГС, 19Г, 14ГН) путем определения изменения нерасчетных параметров (Sk, , , КС, Сд и тр) и коэффициента деформационного старения;
- исследовать структурную природу образования микротрещин в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
- оценить влияние возникших при эксплуатации МН микротрещин на сопротивляемость трещиностойкости и коррозии металла труб.
Методы решения поставленных задач
Основой для решения поставленных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых: В.К. Бабича, А.Г. Гумерова,
А.П. Гусенькова, В.С. Ивановой, Н.А. Махутова, Р.С. Зайнуллина,
В.Г. Лютцау, К.М. Ямалеева, К.М. Гумерова, А.Х. Коттрелла,
.Ф. Коффила, Е. Орована и других. Кроме того, в работе использованы результаты обследования аварийных ситуаций, данные о характере разрушения металла труб. Для исследования изменения тонкой структуры металла труб в процессе длительной эксплуатации МН использованы металлографические, рентгеновские методы. В работе также использованы теоретические методы решения задач о напряженном состоянии локальных, структурно-неоднородных областей металла труб, результаты исследования образцов состаренных труб.
Научная новизна
- Созданы научно-методические основы снижения аварийности путем определения физического состояния металла (трещиностойкости и сопротивления коррозии).
- Определены степень распада цементита и количество атомов углерода, зашедших в тетраэдрические пустоты ОЦК-решетки -Fe.
- Дана оценка состояния металла длительно (30 лет и более) эксплуатированных в условиях трассы труб, изготовленных из сталей 17ГС, 19Г и 14ГН, методами определения нерасчетных параметров (Sk, тр, Сд, , , КС).
- Обоснован механизм образования дислокационных структур, их эволюции, а также образования и роста зародышей новых карбидных частиц, приводящих к локализации внутренних напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых МН, релаксация которых приводит к образованию микротрещин как одного из факторов, приводящих к аварийности длительно эксплуатируемых МН.
- Исследованы структурные механизмы образования и роста микротрещин в металле труб длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, а также их влияние на трещиностойкость металла труб и сопротивляемость его коррозии.
На защиту выносятся:
- методы определения зависимости снижения трещиностойкости и сопротивляемости коррозии металла труб длительно эксплуатируемых МН;
- результаты исследования изменения микроструктуры металла, приводящие к локализации напряжений в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
- формула определения степени старения металла выбранных для исследования труб (сталей 17ГС, 19Г, 14ГН) в зависимости от изменения нерасчетных параметров (Sk, , , КС, Сд и тр) и коэффициента деформационного старения;
- механизм образования микротрещин в металле труб длительно эксплуатируемых МН;
- зависимость влияния возникших при эксплуатации МН микротрещин на сопротивляемость трещиностойкости и коррозии металла труб.
Практическая ценность результатов работы
Установленные в работе структурные механизмы образования и роста микротрещин позволяют оценить степень снижения трещиностойкости металла труб и его сопротивляемости коррозии, а также более точнее определить остаточный ресурс длительно эксплуатируемых МН с целью предотвращения разрушения металла.
Экспериментальные данные, полученные в работе при исследовании закономерности снижения трещиностойкости металла труб длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, являются научным обоснованием принципов и способов обеспечения промышленной безопасности путем снижения аварийности на нефтепроводном транспорте.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях по проблемам и методам обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта, в том числе на:
- семинаре в рамках Международной научно-практической конференции Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах (Уфа, февраль 2008 г.);
- научно-практической конференции Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа (Уфа, май 2008 г.);
- научно-практической конференции Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа (Уфа, май 2009 г.);
- семинаре Остаточный ресурс нефтегазового оборудования (Уфа, 2010 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в т.ч.
1 монография и 2 статьи в ведущем рецензируемом научно-техническом журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 126 наименований. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 39 рисунков, 16 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам
ГУП ИПТЭР за помощь и полезные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая значимость, приведены основные защищаемые положения.
Первая глава посвящена анализу проблем безопасности и надежности длительно (30 и более лет) находящихся в эксплуатации МН.
При длительной эксплуатации МН, как показывают экспериментальные данные, происходят изменения механических свойств металла труб. В частности, происходят увеличение прочностных харакнтеристик (в, т) примерно на 6Е8 %, уменьшение пластичности металла (, ) на 18Е20 %, а также уменьшение ударной вязкости (KCV и KCU) в 1,5Е2,0 раза. Все эти свойства трубопроводных сталей являются структурно-чувствительными свойствами. Следовательно, изменения перечисленных характеристик обусловлены, прежде всего, структурными превращениями в процессе длительной эксплуатации МН.
Согласно существующей нормативной документации на стадии проекнтирования МН и изготовления труб не предусматривается расчетная оценка сопротивляемости металла хрупкому разрушению. Нормируется только уронвень пластичности металла труб в исходном состоянии по относительной венличине ударной вязкости. Использование только ударной вязкости в качестве сдаточной характеристики трубопроводных сталей, как показывают многочисленные исследования и практика эксплуатации нефтепроводов, не гарантирует их безаварийную работу. Данная проблема становится еще острее в связи с тем, что при длительной эксплуатации нефтепроводов происходит прогрессирование процессов усталости и старения металла труб.
Одним из основных факторов, приводящих к изменению свойств и структуры, т.е. к усталости и деформационному старению, является циклический характер нагружения металла труб МН.
Цикличность нагружения металла труб МН обусловлена остановкой и пуском нефтеперекачивающих станций, переключением их агрегатов. Эти изменения режима перекачки связаны с эксплуатационно-технологическими процессами, т.е. плановыми и внеплановыми остановками, которые возникают в результате аварии, временного отсутствия электроэнергии и т.д. Оценка режима работы МН показывает, что количество колебаний давления в трубах составляет примерно один цикл в сутки. Следовательно, за амортизационный срок эксплуатации (33 года) количество циклов доходит до 10а000 и более. Несмотря на это, именно цикличность нагружения не учитывается в нормативных документах по строительству и эксплуатации трубопроводов. Также в нормативных документах не отражено влияние микродефектов и микротрещин на процессы разрушения металла труб длительно эксплуатируемых нефтепроводов.
Вторая глава посвящена исследованию степени состаренности металла труб длительно эксплуатируемых МН. Методами механических испытаний определены значения нерасчетных параметров выбранных для исследования нефтепроводных сталей 17ГС, 19Г и 14ГН.
Исследования структурных изменений выбранных трубопроводных сталей проводились как с помощью стандартных методик металлографии, так и с помощью специально сконструированных установок и разработанных методик. Для этих целей применялись металлографический микроскоп Неофот-21, электронный микроскоп Tesla-BS 540, рентгеновский дифрактометр ДРОН и другие вспомогательные приборы. С помощью маятникового копра КМ-30 определяли охрупченное состояние металла исследованных труб (таблица 1).
Для определения количества распавшегося цементита (Fe3C) была применена специальная методика. Были изготовлены специальные для этой цели образцы. Съемка велась на ДРОНе с применением Со-Кα-излучения узла (121) обратной решетки при определенных режимах (съёмка велась по 40Е60 секунд после каждого поворота на 0,1).
Таблица 1 - Экспериментальные данные по определению ударной вязкости
при различных температурах
Марка стали | Время эксплуатации, лет | Ударная вязкость, МДж/м3 | ||
+ 20 С | - 40 С | после термообработки | ||
17ГС | отжиг при 650 С, 1 час 19 30 | 0,50 0,40 0,30 | 0,38 0,18 0,15 | - 0,45 0,40 |
19Г | отжиг при 650 С, 1 час 20 32 | 0,65 0,48 0,46 | 0,50 0,38 0,36 | - 0,53 0,50 |
14ХГС | отжиг при 650 С, 1 час 24 36 | 0,60 0,46 0,32 | 0,45 0,30 0,25 | - 0,48 0,45 |
На рисунке 1 приведены дифрактограммы стали 17ГС.
В таблице 2 приведены полученные данные о количестве распавшегося цементита в зависимости от продолжительности эксплуатации.
Таблица 2 - Количество распавшегося цементита
Марка стали | Продолжительность эксплуатации, лет | Количество FезС, % |
17ГС | отжиг при 650 оС, 1 час | 0 |
19 | 25Е30 | |
30 | 35Е38 | |
19Г | отжиг при 650 оС, 1 час | 0 |
20 | 25Е30 | |
32 | 30Е35 | |
14ГН | отжиг при 650 оС, 1 час | 0 |
24 | 23Е25 | |
36 | 26Е30 |
Рентгеноструктурным методом прецизионной съемки было определено изменение параметра а ОЦК-решетки (степени тетрагональности) исследуемых сталей после 30 лет эксплуатации МН. Затем, используя полученные данные, по формуле (1) было рассчитано количество атомов углерода, которые уходят в тетраэдрические пустоты ОЦК-решетки феррита:
, (1)
где - объемная доля α-Fe; = 2,8668; - параметр решетки текущий, определяется экспериментально.
Полученные данные показывают, что из освободившихся при распаде цементита атомов углерода порядка 10 % от общего количества уходят в тетраэдрические пустоты, что приводит к упругому искажению ОЦК-решет-ки феррита стали, делая ее тетрагональной, т.е. упругоискаженной.
Показано, что процессы усталости и деформационного старения металла труб проявляются в охрупчивании структурно-неоднородных областей. Такие необратимые структурные изменения, как образование линий и полос скольжения, генерация дислокаций и вакансий, фрагментация кристаллических зёрен и др., которые происходят при циклических нагружениях, создают благоприятные условия для протекания деформационного старения металла труб. Коэффициент старения металла труб длительно эксплуатируемых нефтепроводов определяли по формуле
, (2)
где N0 - количество циклов до разрушения образца в исходном состоянии;
- количество циклов до разрушения состаренного металла; - расчет-ное значение с учетом времени эксплуатации МН.
Полученные данные приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Коэффициент деформационного старения нефтепроводных
сталей
Сталь | Продолжительность эксплуатации, лет | ||||
17 ГС | отжиг при 650 оС, 1 час 19 30 | 42 000 6 935 10 950 | - 35а065 31 050 | - 28а052 23 345 | 1,00 1,25 1,33 |
19Г | отжиг при 650 оС, 1 час 20 32 | 40 000 7 300 11 680 | - 32а700 28 320 | - 26а370 20 978 | 1,00 1,24 1,35 |
14ГН | отжиг при 650 оС, 1 час 24 36 | 45 000 8 760 13 140 | - 36а240 31а800 | - 29а950 24 508 | 1,00 1,21 1,28 |
Как видно из полученных данных, коэффициент старения нефтепроводных сталей со временем эксплуатации растет. Интенсивность роста Сд зависит от количества углерода в стали.
При определении допустимого рабочего давления используются только предел текучести (т) и предел прочности (в), которые названы расчетными параметрами. Однако, при длительной эксплуатации трубопроводов значения этих расчетных параметров увеличиваются, поэтому расчет по ним можно произвести только для новых труб. Другие параметры, не учитывающиеся в расчетах, - ударная вязкость (КС), относительное удлинение (), относительное сужение (), процент вязкой составляющей в изломе, коэффициент деформационного старения (Сд), истинное напряжение (Sk), коэффициент трещиностойкости (тр) - при длительной эксплуатации МН претерпевают значительные изменения.
В работе получены зависимости изменения нерасчетных параметров от структурных превращений, из которых нами более подробно изучено истинное напряжение, которое определяет реальную прочность металла труб МН.
Обработка полученных данных проводилась по формуле
, (3)
где Р - разрушающая нагрузка; Fk - площадь сечения образца в месте разрушения; d - диаметр образца; R - радиус кривизны.
На рисунке 2 отражены полученные результаты исследования образцов труб, изготовленных из стали 17ГС.
Установлено, что структурные изменения, с которыми связано снижение значения Sk, зависят от особенности нефтепроводных сталей, их химического состава, физического состояния, а также от условий и срока эксплуатации. В начальном периоде эксплуатации (10Е15 лет), как показывают экспериментальные результаты, при циклическом нагружении происходят генерация новых дислокаций и вакансий, образование линий и полос скольжения, а также начинает происходить распад цементита.
Рисунок 2 - Графики зависимостей истинного напряжения (Sk),
твердости (HV), коэффициента деформационного
старения (Сд), параметра замедленного разрушения ()
и предела прочности (в) от срока эксплуатации МН
(сталь 17ГС)
Полученные данные при испытании образцов на растяжение показывают, что к 15 годам эксплуатации твердость металла труб заметно возросла (рисунок 2), а поперечное сечение образцов в области разрыва увеличилось на 5Е7 % по сравнению с образцами в исходном состоянии. Следовательно, значение параметра Sk уменьшалось на 100Е120 МПа.
Снижение значения истинного напряжения (Sk) металла труб во втором периоде эксплуатации МН (20Е30 лет) связано с деформационным старением.
Структурные превращения во втором периоде эксплуатации МН более интенсивно происходят в структурно-неоднородных областях металла труб. Эти области в результате структурных превращений охрупчиваются. Поэтому трещиностойкость как структурно-чувствительное свойство металла труб изменяется со временем эксплуатации МН.
Дальнейшее снижение значения параметра Sk (3-ий период) в основном происходит в результате протекания процессов замедленного разрушения металла труб при длительной (30Е40 и более лет) эксплуатации МН. В качестве примера определения степени старения рассмотрим трубопроводную сталь 17ГС, труба из которой прослужила 30 лет в условиях трассы.
Критические значения исследованных параметров следующие:
Sk = 700 МПа; 1/Сд = 0,8; КСV = 30 Дж/см2 и тр = 0,8. При длительной эксплуатации нефтепроводной стали 17ГС значения рассмотренных параметров составляют: Sk = 600 МПа; 1/Сд = 0,77; КСV = 25 Дж/см2 и
тр = 0,70.
Известно, что параметры Sk, Сд, КСV, тр описывают одно и то же явление (деформационное старение) с разных сторон, поэтому эти величины являются зависимыми друг от друга. Следовательно, к этим параметрам можно применить принцип линейного суммирования и определить интегральный коэффициент старения, который характеризует охрупчивание металла труб длительно эксплуатируемых МН. Определяем интегральный коэффициент надежности по механическим свойствам, обусловленный деформационным старением, по следующей формуле:
(4)
Интегральный коэффициент в данном случае будет:
0,88 .
Следовательно, физическое состояние металла труб МН ухудшилось примерно на 12 %.
В третьей главе приведены данные, полученные при исследовании структурных механизмов образования микротрещин в локально охрупченных областях металла труб длительно эксплуатируемых МН.
Были изучены следующие структурные изменения, которые привели к образованию микротрещин:
а) образование микротрещин на полосах скольжения;
б) возникновение микротрещин в окрестности неметаллических включений;
в) образование микротрещин, обусловленных ростом зародышей новых карбидных частиц на границах зёрен и на полосах скольжения;
г) образование микротрещин на деформированных кристалликах в результате скопления дислокаций одного знака (ρ±);
д) флуктуация химических элементов.
Образование микротрещин на полосах скольжения
Полосы скольжения, как показывают экспериментальные данные, возникают в неоднородных областях металла труб МН еще на начальном периоде эксплуатации (рисунок 3, а). Эти полосы очень узкие и густо расположены. Со временем (после 30 лет эксплуатации), как показывают экспериментальные данные, происходит их слияние, а в отдельных кристаллах образуются микротрещины (рисунок 3, б).
а) после 19 лет эксплуатации б) после 30 лет эксплуатации
Рисунок 3 - Микроструктура стали 17 ГС (х 800)
(одинарной стрелкой показаны полосы скольжения, двойной стрелкой показана микротрещина)
Формирование полос скольжения в кристаллических зёрнах сопровождается концентрацией напряжений, величину которых можно оценить с помощью следующей формулы:
, (5)
где G - модуль сдвига (GFe = 7 700 кГс/см2); Р - мощность сдвига; - коэффициент Пуассона (Fe 0,3); n - число дислокаций; L - длина полосы скольжения. P и L определяются экспериментально.
Механизм возникновения микротрещин в окрестности неметаллических включений
Скопление дислокаций приводит к локализации напряжений (f). Когда незакрепленные дислокации преодолеют напряжение трения (т), происходит образование микротрещин на конце полосы скольжения.
. (6)
Здесь v - поверхностная энергия; d - диаметр зерна; G - модуль сдвига;
n - число дислокаций.
Полученные данные показывают, что окрестности неметаллических включений являются структурно-неоднородными областями металла труб из-за разности строения кристаллических решёток. В исследованных сталях в основном наблюдались включения оксидного и сульфидного происхождения.
На рисунке 4 приведен металлографический снимок нефтепроводной стали 19Г, содержащей неметаллические включения сульфидного происхождения.
Образование микротрещин, обусловленных ростом зародышей новых карбидных частиц на границах зёрен и на полосах скольжения
Основными примесными атомами в наших сталях (17ГС, 14ГН и 19Г) являются C, Mn, Si, Cr, Cu и Ni. Из них C, Mn и Cr являются карбидообразующими. Часть остальных атомов, особенно атомы Si и Cu, в результате повторно-статических нагружений металла труб собираются по границам зёрен, что приводит к ослаблению связи между зёрнами, т.е. к охрупчиванию межзёренных областей металла труб, к образованию зародышей новых карбидных частиц.
Установлено, что любое изменение структуры микрообластей связано с возникновением упругонапряженного состояния этой области металла. Даже вокруг дислокации образуются поля напряжения, а увеличение количества дислокаций, что наблюдается со временем эксплуатации МН, приводит к увеличению напряженности на этих полосах. Наличие локальных полей напряжений вокруг дислокаций означает, что они представляют собой области запасённой упругой энергии. Напряжение, создаваемое этой энергией, определяется в случае винтовой дислокации формулой
, (7)
где G - модуль сдвига; - вектор Бюргерса; r - радиус кристаллика.
Структурные превращения, происходящие, как было отмечено выше, при деформационном старении, приводят к локализации внутренней энергии. Эксперимент показывает, что в процессе длительной эксплуатации МН в металле труб происходит рост зародышей новых карбидных частиц (рисунок 5).
Согласно выражению (где - расстояние между зародышами карбида), уменьшение расстояния между частицами за счет их роста приводит к увеличению напряжения, т.е. локализации напряжений в областях, где происходит образование новых карбидных частиц.
а) после 20 лет эксплуатации б) после 32 лет эксплуатации
Рисунок 5 - Микроструктура стали 19Г (х 22000)
(одинарными стрелками показаны зародыши новых карбидных частиц, двойными стрелками показана микротрещина)
Модуль сдвига для стали GFe 7700 кГс/см2; 2,86 = 2,8610-8 см;
λ = 0,1Е1,0 мк (т.е. = 10-5 Е10-4 см). Получаем:
кГс/см2.
Расчеты, проведенные для стали 17ГС после эксплуатации 30 лет, дали следующий результат: = 1,5 н 33 кГс/см2.
Образование микротрещин на деформированных кристалликах
в результате скопления дислокаций одного знака (ρ±)
На электронно-микроскопических снимках нефтепроводных сталей уже после 8Е10 лет эксплуатации наблюдаются изгибные (деформационные) контуры (рисунок 6), обусловленные скоплением в кристалле дислокаций одного знака ( = + - -) избыточной плотности, которые создают внутренние дальнодействующие напряжения (u). Размеры контуров, их взаимное расположение, расстояние между ними являются важными характеристиками при определении дальнодействующих полей напряжений.
Избыточная плотность дислокаций:
ρ± = θ/(⋅l), (8)
где θ - угол изгиба участка кристалла; - вектор Бюргерса; l - длина участка, на котором кристалл изогнут на угол θ.
Связь дальнодействующих напряжений с избыточной плотностью дислокаций можно выразить следующим образом:
, (9)
где , L - ширина контура, h - толщина фольги; G - модуль сдвига; (здесь - угол разворота, Е - модуль упругости);
ν - коэффициент Пуассона,ν = 0,3.
Изгибные контуры в стали марки 17ГС наблюдаются уже на начальных стадиях эксплуатации, тогда как в стали марки 14ГН они практически отсутствуют даже после 10 лет эксплуатации. Значения ширины изгибных контуров L, создаваемых ими дальнодействующих напряжений τ, а также значения изменения напряжений σs в процессе эксплуатации для исследованной нами стали 17ГС приведены в таблице 4. Аналогичные данные были получены и для сталей 19Г и 14ГН.
Таблица 4 - Значения ширины изгибных контуров и дальнодействующих
напряжений в стали марки 17ГС в зависимости от времени
эксплуатации
Время эксплуатации, лет | L, | τ, МПа | σs, МПа | ||
в перлите | в феррите | в перлите | в феррите | ||
Исходное состояние 19 30 | 7800 6700 6450 | 7000 6300 5400 | 133 198 212 | 143 173 212 | 135 260 290 |
Как видно из полученных данных, ширина изгибных контуров с увеличением времени эксплуатации уменьшается, а дальнодействующие напряжения растут. С увеличением срока эксплуатации растет и плотность изгибных контуров: если в исходном состоянии изгибные контуры встречались только в некоторых зёрнах, то после эксплуатации в течение
19 лет плотность этих контуров резко увеличивается и к 30 годам эксплуатации приводит к появлению микротрещин.
В четвертой главе приведены данные о механизме образования микротрещин в структурно-неоднородных областях в результате флуктуации химических элементов. Здесь также рассмотрены вопросы ослабления металла деформационно-состаренных труб длительно эксплуатируемых МН.
Образование химически неоднородных по составу локальных областей происходит при кристаллизации металла труб, т.е. при остывании жидкой фазы. Это особенно характерно для сварных соединений МН. В металле труб имеется множество примесных атомов. При остывании ванны процесс диффузии не успевает выравнивать примесный состав металла по всему объему, так как скорость диффузии меньше, чем скорость кристаллизации. Известно, что такие атомы, как С, О, S, N, стремятся в сторону жидкой фазы, такие как Mn, Si, Cr - остаются в твердой фазе. Эти процессы способствуют образованию в металле труб структурно-неоднород-ных областей (рисунок 7).
Примесные атомы, упруго искажая структурно-неоднородные области, создают концентрацию напряжений, которые определяются формулой
, (10)
где Кi - коэффициент упрочнения i-ым элементом; Сi - концентрация
i-ого элемента (% масс.).
В таблице 5 приведены значения коэффициентов упрочнения сталей примесными атомами.
Таблица 5 - Значения коэффициента упрочнения сталей примесными
атомами
Химические элементы | Концентрация примесных атомов, % масс. | ||||||
С, N | P | Si | Cu | Mn | Cr | Ni | |
Кi, МПа | 4670 | 690 | 86 | 39 | 33 | 31 | 30 |
Следовательно, в результате повторно-циклического нагружения стенки труб при длительной эксплуатации в этих локальных структурно-неоднород-ных областях происходит концентрация напряжений, а когда напряжения достигают критической величины, происходит их релаксация через образование микротрещин. Тот факт, что процесс релаксации напряжений происходит через образование трещины без признаков пластической деформации, говорит о том, что эти локальные области являются охрупченными, и разрушение их происходит через разрыв атомных связей.
В таблице 6 приведены экспериментальные данные о трещиностойкости сталей марок 17ГС, 19Г и 14ГН.
Таблица 6 - Значения коэффициента тр
Марка стали | Время эксплуатации, лет | тр |
17ГС | 30 | 0,89 |
19Г | 32 | 0,90 |
14ГН | 32 | 0,92 |
Приведенные данные говорят о том, что в процессе длительной эксплуатации трещиностойкость исследованных сталей уменьшается примерно в 1,2Е1,3 раза.
В ходе выполнения работы также был изучен процесс ослабления сопротивляемости металла длительно эксплуатируемых труб коррозии. Следует отметить, что разделить степень влияния на скорость коррозии охрупченных локальных областей с трещиной и без трещины практически невозможно, так как процесс образования микротрещин в этих областях происходит скачкообразно и неравномерно по времени. Это объясняется тем, что образование микротрещин как результат релаксации напряжений зависит от многих факторов, в том числе и от сложности поликристаллического строения нефтепроводных сталей. Кроме того, коррозионные процессы сами по себе являются сложными и проявляются в виде различных видов повреждения металла труб.
Исследования образцов проводились на установке, сконструированной в ГУП ИПТЭР. Данная установка позволяет одновременно исследовать два образца: состаренный и отожженный. Были изготовлены две партии образцов. Первая партия состояла из металла труб различного срока эксплуатации, вторая партия - из этого же металла, но отожженного при 650 С в течение 1 часа. К образцам прикреплялись полиэтиленовые мешочки для коррозионной жидкости. В качестве коррозионной среды был применен классический 3 %-ный водный раствор NaCl. Образцы подвергались коррозии в течение 365 суток. Скорость коррозии образцов периодически определяли методом взвешивания. В таблице 7 приведены результаты испытания образцов.
Таблица 7 - Значения времени до разрушения образцов выбранных сталей
в коррозионной среде под нагрузкой
Сталь | Продолжительность эксплуатации, лет | исп., МПа (0,2 до испыт.) | Время до разрушения в растворе, ч | Время до разрушения на воздухе, ч |
17ГС | 30 | 0,95 0,2 (0,2 = 366 МПа) | 800 | 845 |
19Г | 32 | 0,95 0,2 (0,2 = 363 МПа) | 760 | 790 |
14ГН | 36 | 0,95 0,2 (0,2 = 360 МПа) | 810 | 860 |
Как видно из полученных данных, деформационно-состаренные нефтепроводные стали в коррозионной среде разрушаются быстрее (≈ в 1,3 раза) (рисунок 8). Это, вероятно, объясняется наличием микротрещин в охрупченных локально напряженных областях, которые приводят к ослаблению сопротивляемости сталей протеканию коррозионных процессов.
Основные выводы
- Установлено влияние возникающих в процессе эксплуатации МН в локальных охрупченных областях микротрещин на такие важные характеристики безопасности эксплуатации магистральных нефтепроводов, как трещиностойкость и коррозионная долговечность.
- На основании результатов исследований установлены зависимости снижения трещиностойкости и сопротивляемости коррозии металла труб нефтепроводов, которые являются научным обоснованием принципов и способов обеспечения промышленной безопасности, так как позволяют реально определить остаточный ресурс металла длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов.
- Установлено, что при длительной (30 лет и более) эксплуатации прочностные свойства (в, т) исследованных сталей (17ГС, 14ГН, 19Г) увеличиваются на 6Е8 %, пластические свойства (, ) уменьшаются в среднем на 18Е20 % и ударная вязкость (KCV) уменьшается в 2 раза. Общее лухудшение эксплуатационных свойств этих марок сталей, подсчитанное по изменениям нерасчетных параметров (, , KC, Сд, Sk, тр), составляет 13Е15 %. Коэффициент деформационного старения порядка 1,3.
- Показано, что наиболее перспективными при оценке остаточного ресурса нефтепроводов после длительной (30 лет и более) эксплуатации являются методы расчета долговечности с учетом степени состаренности (охрупченности) и степени снижения трещиностойкости (за ≈ 30 лет в 1,2Е1,3 раза) металла труб. Показано также, что исследованные стали (17ГС, 19Г и 14 ГН) значительно (6Е8 %) теряют сопротивляемость коррозии после 30 лет эксплуатации в условиях трассы.
- Экспериментально изучены и аналитически описаны структурные механизмы образования микротрещин в металле исследованных труб в зависимости от срока и условий эксплуатации магистральных нефтепроводов.
Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:
- Ямалеев К.М., Гумерова Л.Р. Структурные аспекты разрушения металла нефтепроводов. - Уфа: Гилем, 2011. - 144 с.
- Ямалеев К.М., Гумеров А.К., Гумерова Л.Р. Особенности влияния тритичного цементита на металл труб нефтепроводов // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования. Матер. семинара в рамках Междунар. научн.-практ. конф. Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах 13-14 февраля 2008 г. - Уфа: Изд-во Центр безопасности эксплуатации сложных технических систем, 2008. - С. 61-64.
- Ямалеев К.М., Садыков Р.В., Васильев А.А., Гумерова Л.Р. О потере запаса пластичности металла труб МН // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования. Матер. семинара в рамках Междунар. научн.-практ. конф. Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах 13-14 февраля 2008 г. - Уфа: Изд-во Центр безопасности эксплуатации сложных технических систем, 2008. - С. 69-70.
- Гумеров К.М., Ямалеев К.М., Гумеров А.К., Гумерова Л.Р. Метод определения запаса надежности металла длительно эксплуатируемых нефтепроводов // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования. Матер. семинара в рамках Междунар. научн.-практ. конф. Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах 13-14 февраля 2008 г. - Уфа: Изд-во Центр безопасности эксплуатации сложных технических систем, 2008. - С. 71-73.
- Ямалеев К.М., Гумерова Л.Р., Сандаков В.А. Структурные аспекты изменения истинного напряжения металла длительно эксплуатируемых трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 93-95.
- Сандаков В.А., Гумерова Л.Р. Микродеформация кристалликов металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 96-97.
- Ямалеев К.М., Гумерова Л.Р. Структурные механизмы упрочнения и охрупчивания металла труб нефтепроводов // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - 2009.
Вып. 1 (75). - С. 39-42. - Ямалеев К.М., Гумерова Л.Р. Структурные особенности зарождения усталостных трещин в металле нефтепроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 65-67.
- Ямалеев К.М., Гумерова Л.Р. Корреляция между микроструктурой и напряжением в трубопроводной стали 17ГС // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 68-70.
- Ямалеев К.М., Гумерова Л.Р. Изменение истинного напряжения металла длительно эксплуатируемых нефтепроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 27 мая 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 71-74.
- Гумерова Л.Р. Распад цементита в металле труб магистральных нефтепроводов // НТЖ Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - 2011. - Вып. 1 (83). - С. 101-105.
Фонд содействия развитию научных исследований.
Подписано к печати 14.12.2011 г. Бумага писчая.
Заказ № 244. Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП ИПТЭР РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям