WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

За последние десятилетия выполнены исследования, направленные на изучение процессов старения металла магистральных нефтепроводов, находившихся 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 сложнонапряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и циклическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и наружной поверхности трубопровода. Получены лабораторными методами количественные 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 эксплуатации.

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

При длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных сталей 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 разрушению. 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 прочностных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выполнении экспериментов.

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

Исследовали основные факторы, приводящие к деградационным изменениям 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 газопроводах приводят к образованию охрупченных микрообластей, созданию дополнительных внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности 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 берегов концентратора;

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

Измерение расхождения берегов концентратора напряжений производилось 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 деформационном старении. Кроме того, изгиб относится, по сравнению с методом растяжения, 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 сечения размерами 140128 мм из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении как городских газопроводов, 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 старения металла.

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

Таблица Ко, мм Ко, мм Время эксплуатаср 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 состаренность исследованной стали марки 17ГС, на ее охрупченность в микрообластях.

Проведенная оценка потери пластичности стали 17ГС на основе полученных 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 приводят 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 безопасности. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано с концентрацией напряжений, т.е. с увеличением склонности стали 17ГС к замедленному разрушению.

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

В работе установлена временная зависимость прочности стали от нагрузки при замедленном разрушении трубопроводных сталей. Сопротивление разрушению 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 деформационносостаренных трубопроводных сталях в результате длительной эксплуатации.

Для решения этой задачи исследованиям подвергали металлы труб длительно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Нестандартные образцы размерами в рабочей части 6063 мм были изготовлены из углеродистых сталей Ст3, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегированной 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 одинаковых условиях. Это позволило попарно испытать деформационносостаренный и отожженный, с целью их сопоставления. Часть образцов отжигали при температуре 600°С в течение 1 часа и охлаждали вместе с печью с целью снятия эффекта старения.

До проведения экспериментов по определению времени замедленного разрушения образцы подвергались испытанию на разрывной машине «Инстрон» 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 разрустали 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 разрыва образуется под прямым углом к оси образца, сам излом зернистый, кристаллический. 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 кристаллическими 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 деформируются, прежде всего, структурно-неоднородные микрообласти (границы зерен, окрестности дефектов). В таких областях интенсивно протекают процессы деформационного старения, в результате которых образуются охрупченные границы зерен из-за образования зародышей карбидных частиц, а также из-за скопления 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 коррозионному разрушению. Особенно быстрое разрушение наблюдается у подземных газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов. Почва содержит различные химические реагенты, влагу и обладает полной электропроводностью. Это делает их коррозионно-активными электролитами по отношению к эксплуатируемым трубопроводам, что приводит к их электрохимической коррозии.

Особенностью решаемой задачи является изучение влияния факторов деформационного 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 также подвергали отжигу при 600°С в течение 1 часа, чтобы снять эффект деформационного старения. В качестве коррозионно-активной среды был использован 3% раствор NaCl. Нагружение образцов осуществлялось на испытательной установке, имеющей рычажную систему.

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

Таблица Продолжительность Предел текуче- Напряжение ис- Время разСталь эксплуатации, лет сти, т, МПа пытания, и, МПа рушения, час 42+отжиг 248 248 - Ст42 257 (0,90-0,95)т 42+отжиг 260 - Ст42 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 нагрузках 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 значительно ускоряет процесс замедленного разрушения металла газопроводных труб.

Использованные в настоящей работе экспериментальные методы определения 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 низколегированных сталей, возможно образование мартенсита.

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

Обнаружена существенная разница в механизме замедленного разрушения 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 разрушения при напряжениях 0,95т-1,00т и 0,90т незначительна. Например, для Стали 20 она составляет в среднем 300-600 часов, соответственно, а для образцов 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 мартенсит 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 разрушению. Поэтому процесс разрушения образцов происходит в течение более длительного времени, чем у образцов, изготовленных из деформационносостаренных сталей.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчетного определения 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.

Pages:     | 1 || 3 |






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