WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

САНДАКОВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»

(Нефтегазовая отрасль) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Бакиев Тагир Ахметович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович;

доктор технических наук, профессор Гареев Алексей Габдуллович.

Ведущее предприятие ОАО «Газ-сервис» филиал «Уфагаз».

Защита состоится 4 марта 2005 года в 16-30 на заседании диссертацион ного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техниче ском университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государст венного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «3» февраля 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета М.М. Закирничная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Основным объектом систем газораспределения и газопотребления явля ются наружные газопроводы подземного и наземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). Эти газораспределительные сети относятся к потенциально опасным производственным объектам.

Из года в год доля трубопроводов, длительно работающих (более 40 лет) под действием постоянного давления перекачиваемого газа, интенсивно увели чивается. Заменить их на новые практически нереально, рациональным являет ся дальнейшая безопасная эксплуатация путем полного использования ресурсов несущей способности.

Решение этой задачи требует научного подхода – необходимости иссле дования физического состояния металла, закономерностей деградационных из менений его механических свойств в процессе длительного нагружения.

Явление, оказывающее влияние на динамику изменения служебных свойств металла, длительно находящегося под действием постоянной нагрузки при нормальных температурах, названо замедленным разрушением. Такой же процесс, происходящий при высоких температурах, называется ползучестью.

Воздействие внешних нагрузок и условия продолжительной эксплуатации газопроводов создают все условия для протекания процессов замедленного раз рушения.

Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу неисследованных. С учетом уве личения протяженности старых газопроводов (эксплуатируемых более 40 лет), установление склонности металла труб к замедленному разрушению и влияния этого явления на служебные свойства стали представляет большую актуаль ность.

Цель работы. Оценка влияния процессов замедленного разрушения ме талла на промышленную безопасность газораспределительных сетей.

Задачи исследований 1. Изучение условий эксплуатации подземных газопроводов и проявления процесса замедленного разрушения.

2. Исследование влияния процессов усталости и деформационного старения на прочностные и пластические свойства металла труб.

3. Изучение влияния коррозионной среды и закаленных структур на процесс замедленного разрушения.

4. Разработка методики расчета времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.

Научная новизна 1. Установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обуслов ленные процессами усталости и деформационного старения;

воздействием кор розионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящими к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающими энергию связи между кристаллическими зер нами.

2. Разработана методика расчета времени замедленного разрушения ме талла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных на грузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта де формационного старения и усталостных процессов в уравнении для определе ния времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного.

Практическая ценность 1. Разработанная методика позволяет оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению и определить его физическое состояние в зависи мости от длительности эксплуатации. Преимущества использования данной ме тодики заключается в том, что, не проводя длительные испытания, можно пу тем расчета определить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых газопроводов. Методика расчетного определения времени замедленного разрушения используется в ГУП «БашНИИнефтемаш».

2. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы по зволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла, для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения – сталь ных подземных трубопроводов. Научные результаты включены в программы обучения специалистов НПОУ Инженерный Центр «Техника», г. Уфа.

Апробация работы Результаты научных исследований докладывались и обсуждались:

- на Международной научно-практической конференции «Проблемы и ме тоды обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (Уфа, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Современные про блемы химии и химической технологии и экологической безопасности» (Стерлитамак, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходы – технологии – доходы» (Уфа, 2004 г.);

- IV международной научно-технической конференции «Сварка, Контроль, Реновация – 2004» (Уфа, 2004 г.).

Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного тек ста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опублико вано в восьми печатных научных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и за дачи исследований, приведены краткая характеристика полученных результа тов диссертационной работы, сведения о научной новизне, практической цен ности и апробации работы. Отражен личный вклад автора в теоретические и практические разработки.

В первой главе приводятся сведения о подземных городских газопрово дах как основном объекте систем газопотребления и газораспределения, об ус ловиях их эксплуатации и техническом состоянии, подходах к определению и обеспечению безопасности эксплуатации.

Газификация городов России началась в 50-х годах прошлого столетия. По укрупненной оценке примерно 40% фонда городских и поселковых газопроводов имеют возраст около 20 лет («стареющие» газопроводы), около 30% – до 40 лет («ветхие» газопроводы) и лишь 20% газопроводов могут считаться «молодыми».

Подземные трубопроводы газораспределительных организаций в процессе эксплуатации подвержены действию постоянной статической нагрузки. Несмот ря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеет место мно жество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов и даже аварий. Зачастую газопроводы соседствуют с электрифицированными пу тями, подземными трубопроводами различного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач, создающими интенсивное поле блуждающих токов, приводящих к коррозионному воздействию на металл.

Надземные газопроводы имеют компенсирующие устройства, скользящие опоры, а подземные в городских условиях проходят под автомобильными доро гами и рельсовыми путями. Все это вызывает циклические нагрузки, которые могут привести к деформационному старению и порождать усталостные тре щины.

В то же время необходимо отметить, что частотность циклических коле баний давления перекачиваемого газа незначительна, внутренняя поверхность труб практически не подвергается коррозионному и эрозионному износу.

Существует вероятность наводораживания металла газопроводов. Однако эти вопросы можно отнести с учетом условий эксплуатации газопроводов к со вершенно неисследованным.

Таким образом, городской газопровод по условиям эксплуатации, харак теру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистраль ного. В силу этого процессы изменений комплекса свойств металла при дли тельной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогич но магистральным трубопроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходи мость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам сис тем газоснабжения.

В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.08-87 для строительства систем газоснабжения применяются трубы, изготовленные из углеродистой стали обыкновенного качества, а также из качественной стали и низколегиро ванных, хорошо свариваемых и содержащих не более 0,25% углерода.

На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углероди стых сталей марок Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганцевой стали повышенной прочности 17ГС. К основным примесным элементам отно сятся Mn, Si, и в незначительном количестве (0,3%) могут присутствовать Cr, Ni и Cu. У этих сталей хорошая свариваемость, они широко применяются в нефтяной отрасли, в частности в нефтехимическом аппаратостроении. Листы из этих сталей поставляются в холоднокатаном и горячекатаном состояниях. У холоднокатаного металла кристаллические зерна текстурованы, вытянуты в на правлении прокатки, а у горячекатаного кристаллические зерна имеют равно осный вид. В этих сталях, возможно, присутствуют в небольшом количестве и другие элементы, например S и Р и др. Следует также отметить, что в них при сутствуют неметаллические включения (сульфиды, окислы, нитриды) и дефек ты технологического, механического и коррозионного происхождения.

В целом эти стали имеют высокие пластические свойства и хорошую сва риваемость. По сопротивляемости к действию коррозионных сред относятся к мало- и пониженно-стойким.

В качестве статистических показателей причин аварийности на объектах трубопроводного транспорта приняты коррозия, внешнее механическое воздей ствие, брак в изготовлении труб и выполнении строительно-монтажных работ, ошибочные действия персонала.

Анализ реестра повреждений длительно эксплуатируемых газопроводов (с 1954 г.) предприятия «Уфагаз» показывает, что отказы имеют преимущест венно коррозионное происхождение и составляет около 45% от общего числа повреждений.

В некоторых научных работах, посвященных аварийности на объектах трубопроводного транспорта, например, указывается, что усталость и старение металла труб вызывает замедленное разрушение, однако при этом не приводят ся количественные данные отказов по этой причине, что можно объяснить лишь неизученностью этих процессов.

К настоящему времени доля длительно эксплуатируемых газопроводов (более 40 лет) из года в год интенсивно растет. Деградационные изменения ме ханических свойств при этом являются неоспоримым фактом.

Ухудшение физического состояния металла газопроводов в основном оценивается показателями уменьшения отношения предела прочности к преде лу текучести, снижением ударной вязкости металла. Однако количественное снижение этих механических свойств не превышает допустимых нормативных значений и не дает возможности оценивать продолжительность дальнейшей безопасной эксплуатации этих объектов, хотя эти изменения свойств несомнен но свидетельствуют о протекании структурных изменений в металле труб.

Изменению свойств металла, которые в последующем могут привести к замедленному разрушению газопроводов, способствуют множество факторов, действующих в отдельности и в совокупности.

Проведенные нами исследования показали, что условия для протекания процессов замедленного разрушения при длительной эксплуатации городских газопроводов имеют место.

К числу факторов, приводящих к развитию явления замедленного разру шения в металле, относятся:

- деформационное старение;

- пластические деформации, которые появляются при изготовлении, строительстве и эксплуатации;

- образование структур закалки;

- воздействие перекачиваемого продукта и грунта.

Применительно к газопроводам это сложное явление относится к числу неизученных и представляет несомненную актуальность.

Без этого не представляются возможными установление научнообосно ванных норм правильной эксплуатации и продление сроков безопасной экс плуатации. Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов выяв ления причин, создающих условия для замедленного разрушения, и их количе ственной оценки для практического применения в целях обеспечения безопас ной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа.

Вторая глава посвящена описанию сущности замедленного разрушения металла под действием статической нагрузки, условий его возникновения и проявления на исследуемых объектах.

Впервые это явление было обнаружено на закаленных сталях и некото рых сплавах.

Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокаци онными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, опи санную в трудах Коттрелла, Давыденкова Н.Н., Мотта, Набарро, Орована, Еко бори, Бернштейна М.П., Шурокова С.С., Гордеевой Т.А. и др.

В диссертации подробно описаны известные по литературным источни кам теоретические и экспериментальные сведения:

- о факторах, обусловливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах;

- об условиях его протекания под действием статических нагрузок;

- о структурном механизме (эволюции тонкой структуры металла) при за медленном разрушении;

- конечных эффектах замедленного разрушения и их влиянии на служеб ные свойства металлов.

Процессы и структурный механизм деформационного старения (основно го фактора замедленного разрушения) углеродистых и низколегированных ста лей относительно полно изучены в трудах Бабича В.К., Лютцау В.Г.

За последние десятилетия выполнены исследования, направленные на изучение процессов старения металла магистральных нефтепроводов, нахо дившихся в процессе длительной эксплуатации в трассовых условиях. Среди авторов – Ямалеев К.М., Гумеров А.Г., Кершенбаум В.Я., Гумеров К.М.

Металл труб магистральных нефтепроводов находится в сложно напряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и цик лическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и на ружной поверхности трубопровода. Получены лабораторными методами количе ственные значения уменьшения относительного удлинения на 18-20%, ударной вязкости примерно в 2 раза, повышения предела прочности и текучести на 8-10%.

При этом уменьшается отношение предела прочности к пределу текучести.

Все эти факты указывают на старение металла труб при длительной экс плуатации.

Изучение изменения тонкой структуры на сталях длительно нагруженных нефтепроводов и газораспределительных сетей показывает единый характер происходящих изменений, механизмы которых объяснены на основании ре зультатов вышеприведенных исследований и отражены в выводах работы.

При длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных ста лей 14ХГС, 19Г, 17ГС и Ц21 показано, что на границах зерен и на полосах скольжения образуются зародыши новой карбидной фазы. Происходит блоки ровка дислокации примесными атомами, эволюция дислокационной структуры.

Все эти процессы приводят к увеличению внутренней энергии металла и уменьшению связи между кристаллическими зернами, а следовательно, к уменьшению пластичности и увеличению склонности к замедленному разру шению. Методом измерения величины прогиба образцов установлено, что за период около 30 лет эксплуатации эти стали теряют пластические свойства примерно на 15-20%. Показаны особенности их замедленного разрушения при закалке.

Результаты вышеприведенных исследований использовались в настоящей работе для сопоставления и обоснования объяснений причин потерь прочност ных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выпол нении экспериментов.

В третьей главе приведены результаты выполненных эксперименталь ных исследований по выявлению склонности к замедленному разрушению ме талла труб подземных газопроводов, длительно находящихся под действием постоянной нагрузки в процессе эксплуатации.

Исследовали основные факторы, приводящие к деградационным измене ниям тонкой структуры металла, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. К числу таких, в первую очередь, отнесли деформационное старение и усталость металла труб.

В конечном счете, эти процессы в длительно эксплуатируемых газопро водах приводят к образованию охрупченных микрообластей, созданию допол нительных внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится перво очередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безо пасности объектов газораспределения и газопотребления.

Имеется множество методов изучения деформационного старения как прямых, так и косвенных. Для определения остаточной пластичности в работе выбрали метод расхождения берегов концентратора напряжений (рис. 1).

Показатель остаточной пластичности (П) определяли по формуле (Кк - Ко) Сд П = 100%, (1) Ко где Кк и Ко – соответственно конечная и начальная величина расхождения бе регов концентратора;

Сд – коэффициент деформационного старения (для стали, эксплуатируе мой приблизительно 36 лет, его значение находится в пределах 1,30-1,35).

Измерение расхождения берегов концентратора напряжений производи лось с помощью лупы Ли-2-8х и кварцевой нити.

Рис. 1. Схема установки для определения расхождения берегов концентратора напряжений Этот метод, основанный на изгибе образцов, является более подходящим для исследования охрупчивания сталей, которое происходит при деформацион ном старении. Кроме того, изгиб относится, по сравнению с методом растяже ния, к мягкому нагружению, в нем не происходят перекосы во время нагружения образцов. С помощью метода изгиба, в частности путем измерения расхождения берегов, можно более точно установить состояние охрупченности металла.

Исследования проводили на стандартных образцах прямоугольного сече ния размерами 140128 мм из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении как городских газо проводов, так и магистральных нефтепроводов.

Во всех экспериментах образцы изготавливали из металлов труб, которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий. Часть образцов подвергалась отжигу при температуре 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного ста рения металла.

В табл. 1 приведены данные по измерению расхождения берегов концен тратора образцов из стали 17ГС под приложенной нагрузке Q.

Таблица Ко, мм Ко, мм Время эксплуата ср ср Q, Н Кк - Ко изм ср изм ср ции, лет Ко Ко Кк Кк 7,08 7, 19 7,09 7,08 7,6 7,70 0, 7,07 7, 7,05 7, 29 7,03 7,05 7,5 7,50 0, 7,07 7, 1254, 6,8 7, 36 7,0 6,9 7,2 7,10 0, 6,9 7, 7,10 9, 29 + отжиг 7,15 7,10 9,11 9,10 2, 7,05 9, Как видно из полученных данных, с увеличением времени эксплуатации расхождение берегов уменьшается, что указывает на деформационную состарен ность исследованной стали марки 17ГС, на ее охрупченность в микрообластях.

Проведенная оценка потери пластичности стали 17ГС на основе получен ных данных за 36 лет эксплуатации составляет 8-10%.

Это, несомненно, связано как с блокировкой дислокации примесными атомами, так и торможением дислокации границами зерен. Эти процессы при водят к уменьшению движения дислокации, т.е. потере пластичности стали 17ГС.

Таким образом, при длительной эксплуатации газопроводной стали 17ГС происходит ее деформационное старение, остаточная пластичность уменьшает ся, что непременно должно учитываться при оценке промышленной безопасно сти. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано с концен трацией напряжений, т.е. с увеличением склонности стали 17ГС к замедленно му разрушению.

Потеря пластичности стали при ее работе в подземных трубопроводах га зораспределительных систем примерно в 2 раза меньше, чем в магистральных нефтепроводах, что можно объяснить редуцированным давлением транспорти руемого газа.

В работе установлена временная зависимость прочности стали от нагруз ки при замедленном разрушении трубопроводных сталей. Сопротивление раз рушению уменьшается при увеличении времени действия постоянной нагрузки.

Это явление в основном было исследовано на закаленных сталях, алюминиевых и титановых сплавах. Оно совершенно не изучено на деформационно состаренных трубопроводных сталях в результате длительной эксплуатации.

Для решения этой задачи исследованиям подвергали металлы труб дли тельно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Нестан дартные образцы размерами в рабочей части 6063 мм были изготовлены из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегирован ной стали 17ГС. Чтобы изучить характер деформации в результате длительного нагружения на одной партии образцов было просверлено отверстие диаметром 1,3 мм. Испытания образцов производили на специально сконструированной установке рычажного типа (рис. 2).

На установке испытывали одновременно два образца совершенно в оди наковых условиях. Это позволило попарно испытать деформационно состаренный и отожженный, с целью их сопоставления. Часть образцов отжи гали при температуре 600°С в течение 1 часа и охлаждали вместе с печью с це лью снятия эффекта старения.

До проведения экспериментов по определению времени замедленного разрушения образцы подвергались испытанию на разрывной машине «Инс трон» с целью установления пределов текучести и прочности материала.

Рис. 2. Схема установки для испытания образцов на замедленное разрушение:

1, 2 – образцы;

3 – держатель;

4 – стойка;

5 – рычаг;

6 – основание;

7 – груз;

8 - измерительная линейка В табл. 2 приведены значения времени замедленного разрушения образцов.

Таблица Марка Продолжительность Предел текуче- Напряжение испы- Время разру стали эксплуатации, лет сти, т, МПа тания, и, МПа шения, час 42+отжиг 248 248 - 42 257 Ст3 (0,95-1,00)т 42 257 (0,90-0,95)т 41+отжиг 259 259 - Сталь 41 268 (0,95-1,00)т 41 268 (0,90-0,95)т 42+отжиг 260 260 - 42 269 Ст4 (0,95-1,00)т 42 269 (0,90-0,95)т 36+отжиг 355 355 - 36 366 (0,95-1,00)т 17ГС 36 366 (0,90-0,95)т 36 366 (0,80-0,85)т Как видно из полученных данных, образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести сколь угодно долго, находясь под нагрузкой. А деформационно-состаренные разрушаются при напряжениях даже меньших предела текучести.

Фрактографическое исследование изломов показывает, что кромка раз рыва образуется под прямым углом к оси образца, сам излом зернистый, кри сталлический. Волокнистая часть излома незначительна.

У неразрушенных образцов произошло изменение круглого отверстия в эллипс с соотношением осей 1:2.

Эти факты указывают на наличие охрупченных границ между кристалли ческими зернами, уменьшение энергии связи между зернами, что происходит при деформационном старении сталей.

Следовательно, при длительной эксплуатации газопроводов происходит динамическое и статическое деформационное старение, поскольку металл был деформирован еще при изготовлении труб, и во время эксплуатации деформи руются, прежде всего, структурно-неоднородные микрообласти (границы зерен, окрестности дефектов). В таких областях интенсивно протекают процессы де формационного старения, в результате которых образуются охрупченные гра ницы зерен из-за образования зародышей карбидных частиц, а также из-за ско пления атомов Si по границам зерен, т.е. создаются условия для замедленного разрушения металла.

Газопроводы системы снабжения, соприкасаясь – подземные с грунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются кор розионному разрушению. Особенно быстрое разрушение наблюдается у под земных газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов. Почва содержит различные химические реагенты, влагу и обладает полной электро проводностью. Это делает их коррозионно-активными электролитами по отно шению к эксплуатируемым трубопроводам, что приводит к их электрохимиче ской коррозии.

Особенностью решаемой задачи является изучение влияния факторов де формационного старения и коррозионной среды при их совместном действии на процессы замедленного разрушения.

Специальные образцы изготавливали из тех же сталей Ст3, Ст4, Сталь и 17ГС для коррозионного исследования. Часть образцов от каждой стали так же подвергали отжигу при 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект дефор мационного старения. В качестве коррозионно-активной среды был использо ван 3% раствор NaCl. Нагружение образцов осуществлялось на испытательной установке, имеющей рычажную систему.

В табл. 3 приведены значения времени замедленного разрушения образ цов в коррозионной среде.

Таблица Продолжительность Предел текуче- Напряжение ис- Время раз Сталь эксплуатации, лет сти, т, МПа пытания, и, МПа рушения, час 42+отжиг 248 248 - Ст 42 257 (0,90-0,95)т 42+отжиг 260 - Ст 42 269 (0,90-0,95)т 41+отжиг 259 259 - Сталь 41 268 (0,90-0,95)т 36+отжиг 355 - 17ГС 36 366 (0,90-0,95)т Параллельно проведенные исследования на воздухе при таких же нагруз ках показали следующие результаты: Ст3 разрушилась через 605 часов, Ст4 – через 635 часов, Сталь 20 – через 633 часа, и 17ГС – через 860 часов. Как видно из полученных данных, в среднем время замедленного разрушения образцов в коррозионной среде меньше на 15%, чем на воздухе.

Следовательно, коррозионная среда во всех исследованных случаях зна чительно ускоряет процесс замедленного разрушения металла газопроводных труб.

Использованные в настоящей работе экспериментальные методы опреде ления времени разрушения образцов могут быть применены для определения сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения длительно эксплуатируемых подземных стальных газопроводов.

Одним из факторов, вызывающих процесс замедленного разрушения в сталях, является образование закалочных структур.

При определенных условиях в металле шва и зоне термического влияния газопроводных сталей, которые в основном состоят из углеродистых и низколе гированных сталей, возможно образование мартенсита.

Образцы из углеродистой стали 20 после закалки испытывали на замед ленное разрушение на той же установке рычажного типа (см. рис. 2).

Обнаружена существенная разница в механизме замедленного разруше ния деформационно-состаренных сталей по сравнению со сталями, имеющими в своем составе закалочные структуры.

Полученные экспериментальные данные показывают, что у состаренных сталей, в результате длительной эксплуатации разница между временами раз рушения при напряжениях 0,95т-1,00т и 0,90т незначительна. Например, для Стали 20 она составляет в среднем 300-600 часов, соответственно, а для образ цов этой же стали, имеющих структуру закалки она составляет порядка 290 и 800 часов. Это объясняется тем, что в результате закалки образуются мартенсит и остаточный аустенит, которые создают дополнительные напряжения. Однако при внешних статических нагрузках, соответствующих напряжениям, равным 0,95т, разрушение закаленных образцов происходит быстрее за счет наличия мартенсита. При напряжениях 0,90т, наоборот, разрушение наступает позже, чем у деформационно-состаренных образцов. Это объясняется тем, что мартен сит при напряжениях, близких к т, быстро распадается даже при комнатной температуре, значит, остаются напряжения, создаваемые только остаточным аустенитом. Из-за этого уменьшается склонность стали к замедленному разру шению. Поэтому процесс разрушения образцов происходит в течение более длительного времени, чем у образцов, изготовленных из деформационно состаренных сталей.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчетного определе ния времени замедленного разрушения металла газопроводов, находившихся под действием эксплуатационных нагрузок в течение длительного времени.

В основу методики положено уравнение (2) для определения времени, за которое напряжение релаксирует от начального значения о до конечного к 1 1 = -, (2) n-1 n- (n -1)AE o к где Е – модуль упругости материала;

n и А – постоянные величины.

С целью учета эффектов деформационного старения и усталостных про цессов нами в числитель уравнения (2) введен коэффициент Сд.у, тогда с учетом сказанного уравнение (4.3) примет вид Сд.у 1 = -. (3) n-1 n- (n -1)A E o к Коэффициент n характеризует пластические свойства материала и зави сит от соотношения значений начального о и конечного к напряжений.

Для углеродистых и низколегированных сталей значение n колеблется в пределах от 2 до 3.

т Сд.у = Сд1-, (4) в где Сд – коэффициент деформационного старения. Его величина зависит от длительности эксплуатации конструкции и растет во времени.

Отношение предела текучести к пределу прочности тв характеризует упрочнение (охрупчивание) металла. При длительном нагружении т растет быстрее, чем в.

Значения коэффициента деформационного старения и динамика измене ния тв для трубных сталей содержатся в ранее проведенных работах. Исполь зуя их, по формуле (4) рассчитывается коэффициент Сд.у.

По известным n и Сд.у, экспериментально определив время замедленного разрушения на образцах, вычисляется значение постоянной А.

Расчеты проводили для газопроводной стали марки 17ГС. Образцы были изготовлены из труб, которые эксплуатировались в условия городской черты г. Уфы на протяжении 36 лет. За это время предел текучести увеличился с до 366 МПа.

При расчетах для этой стали приняты: n = 2;

модуль упругости Е = МПа, Сд.у = 0,1.

Время наступления разрушения образцов при начальном значении на пряжения о = т составило 466 часов, а истинные напряжения, соответствую щие моменту разрушения образцов – к = 582 МПа. Из уравнения (3):

Сд.у 1 А = -. (5) n n- (n -1) E o-1 к Подставив значения членов этого уравнения, получим 0,1 1 А = - = 1,12 10-12.

(2 -1)466 2 105 366 По формуле (3) рассчитывали время разрушения образцов для трех зна чений напряжений 01 = т;

02 = 0,9т и 0,3 = 0,8т. Напряжение, соответст вующее моменту разрушения образцов (к), определяли исходя из эксперимен тальных данных, замеряя истинную площадь сечения образцов после разрыва (Sк) и нагрузку (Р), соответствующую моменту потери пластической устойчи Р вости образца к =.

Sк Используя значения вышеприведенных параметров и данных, получен ных из экспериментов, вычислили для данной стали расчетные значения време ни замедленного разрушения (табл. 4).

Таблица Продолжительность, МПа Время разруше Сталь эксплуатации, лет ния,, час о, МПа к, МПа 36 т = 366 582 17ГС 36 0,9т = 329,4 582 36 0,8т = 292,8 582 Для подтверждения расчетных значений дополнительно проводили дли тельные эксперименты по определению времени замедленного разрушения об разцов из стали 17ГС (полученные значения представлены в табл. 2).

Как видно из приведенных в табл. 4 данных, значения времени замедлен ного разрушения, полученные расчетным путем, вполне сопоставимы с данны ми эксперимента.

Данная методика может быть использована для ускоренной оценки склон ности металла труб к замедленному разрушению длительно (30-40 лет и более) эксплуатируемых газопроводов системы газораспределения и газоснабжения.

Преимущество использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20-30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла труб эксплуатируемых трубопроводов.

Для этого необходимо довести до разрыва образцы исследуемого металла и определить значения предела текучести и истинного напряжения.

Значения постоянных для длительно эксплуатируемых трубопроводных (нефтегазопроводных) сталей известны (n = 2 и А = 1,1210-12). Подставляя эти значения в формулу (3), можно вычислить (оценить) время замедленного раз рушения металла трубы под действием статических нагрузок, имеющих место в реальных условиях эксплуатации.

Полученные данные еще раз показывают, что при длительной эксплуата ции газопроводов в результате усталости и деформационного старения на гра ницах кристаллических зерен, окрестностях дефектов происходят накопление микропластических повреждений и увеличение внутренней энергии. Создаются условия к повышению склонности металла труб к замедленному разрушению.

Основные выводы и рекомендации 1. Трубопроводы газораспределительных сетей находятся в сложных условиях эксплуатации, подвергаются длительному воздействию постоянной статиче ской нагрузки, опасности коррозионного повреждения, испытывают цикли ческие нагружения;

могут иметь место локальные концентраторы напряже ний, а также закаленные участки зоны термического влияния сварных швов.

Условия длительной эксплуатации создают предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения металла труб.

2. При длительной эксплуатации газопроводов происходят существенные структурные изменения, вызванные усталостными явлениями и деформаци онным старением металла труб, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения.

Дополнительные внутренние напряжения создаются за счет генерации дис локаций и развития дислокационной структуры, начиная от сетчатой, кончая клубковой, образования изгибных контуров как результата скопления дисло кации одного знака, образования и роста новых карбидных частиц на границах зерен и полосах скольжения внутри кристалла.

3. При исследовании образцов трубопроводной стали 17ГС методом расхож дения берегов концентратора напряжений обнаружена потеря пластичности во времени. При длительной эксплуатации (в течение 36 лет) она составляет 8-10%, что объясняется развитием деформационного старения в металле, приводящим к образованию охрупченных микрообластей и созданию боль ших внутренних напряжений.

4. По результатам испытаний образцов из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной стали 17ГС установлено уменьшение сопро тивления разрушению при увеличении времени воздействия постоянной длительной нагрузки. Кромка разрыва располагается под прямым углом к оси образца, излом зернистый, кристаллический, волокнистая часть незна чительна. Причиной является наличие охрупченных границ между кристал лическими зернами, уменьшающие энергии связи между зернами, что про исходит при деформационном старении.

5. Коррозионная среда ускоряет процесс замедленного разрушения деформа ционно-состаренного металла газопроводных труб. Время замедленного разрушения образцов, изготовленных из тех же сталей, в коррозионной сре де меньше, чем на воздухе.

6. Обнаружена разница в замедленном разрушении стали, имеющей в составе закалочные структуры. При статических нагрузках, создающих напряжения, близкие к пределу текучести, разрушение закаленных образцов происходит быстрее, а при низких напряжениях, наоборот, разрушение наступает после длительного времени. Это объясняется быстрым распадом мартенсита, а ос таточный аустенит не создает дополнительные внутренние напряжения.

7. Используя выполненные теоретические и экспериментальные исследования, разработана методика для ускоренного расчетно-экспериментального опре деления времени замедленного разрушения металла труб длительно экс плуатируемых газопроводов.

Методика рекомендуется для прогнозирования возможности безопасного срока дальнейшей эксплуатации газораспределительных сетей, а также для объяснения причин отказов на этих объектах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сандаков В.А. Остаточная пластичность металла как критерий оценки экс плуатационной безопасности конструкций // Проблемы и методы обеспече ния надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта угле водородного сырья: Материалы научно-практической конференции. – Уфа:

Транстэк, 2004. – С. 17-19.

2. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. К обеспечению промышленной безопасности объектов газоснабжения с учетом замедленного разрушения стали // Про блемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубо проводного транспорта углеводородного сырья: Материалы научно практической конференции. – Уфа: Транстэк, 2004. – С. 20-23.

3. Сандаков В.А. Влияние коррозионной среды на замедленное разрушение го родских газопроводов // Реновация: отходы – технологии – доходы: Мате риалы Всероссийской научно-практической конференции. – Уфа, 2004. – С. 208-210.

4. Сандаков В.А., Бакиев Т.А. Обеспечение безопасной эксплуатации город ских газопроводов с учетом замедленного разрушения стали // Реновация:

отходы – технологии – доходы: Материалы Всероссийской научно практической конференции. – Уфа, 2004. – С. 210-213.

5. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Методика расчета замедленного разрушения ме талла труб систем газоснабжения //Современные проблемы химии, химиче ской технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Уфа: Гилем, 2004. – С. 312-314.

6. Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Некоторые особенности замедленного разруше ния газопроводных сталей //Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской науч но-практической конференции. – Уфа: Гилем, 2004. – С. 315-316.

7. Юнкин А.И., Сандаков В.А. Замедленное разрушение // Бергколлегия. – 2004. – №3. – С. 24-25.

8. Юнкин А.И., Бакиев Т.А., Сандаков В.А. Оценка механических свойств ме талла длительно эксплуатируемых трубопроводов системы газоснабжения // Безопасность труда в промышленности. – 2004. – №9. – С. 15-16.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.