Оценка склонности к замедленному разрушению объектов систем газораспределения

Основным техническим устройством систем газораспределения и газопотребления природного углеводородного газа (метана) являются наружные газопроводы подземного и надземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). С некоторой условностью в работе они названы городскими газопроводами. Газопроводы газораспределительной сети (систем газоснабжения) обеспечивают подачу газа от источника газоснабжения до газопроводоввводов к потребителям газа.

В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», газораспределительные системы отнесены к потенциально опасным производственным объектам. Проектирование, строительство, эксплуатация и ремонт выполняются согласно нормативному документу по безопасности, надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве ПБ 12−529−03.

Условия эксплуатации городских газопроводов отличаются от магистральных. Несмотря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеют место множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов, и даже катастрофических аварий. Зачастую городские газопроводы соседствуют с электрифицированными железными дорогами, трамвайными путями, подземными трубопроводами множественного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач и могут пересекаться автомобильными и железнодорожными дорогами. Все это создает интенсивное поле блуждающих токов, колебания грунта, приводящие к коррозионному воздействию и циклическому нагружению. Из года в год растет доля «дряхлых» (эксплуатируемых более 40 лет) газопроводов. Вывести из эксплуатации эти объекты не представляется возможным, а продолжение дальнейшей эксплуатации связано с решением научно-технических задач с учетом изменений комплекса свойств металла за время длительной работы, определяющих качественное функционирование объекта.

В настоящее время нормативные документы по безопасности надзорной и разрешительной деятельности в газовом хозяйстве, в частности, «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» (РД 12−411−01) при определении остаточного срока службы базируются на фактических количественных значениях физико-механических свойств металла и параметров напряженно-деформированного состояния. Для получения таких сведений необходимо установление закономерностей и явлений деградацион-ных изменений состояния, тонкой структуры и комплекса свойств металла, определяющих эксплуатационную надежность и безопасность трубопроводных систем газораспределения и газопотребеления.

Решение этой проблемы требует научного подхода — необходимости исследования физического состояния металла, закономерностей деградационных изменений 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.

Условия эксплуатации городских газопроводов создают все предпосылки для протекания процессов замедленного разрушения.

Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу не исследованных и представляющих большую актуальность.

Цель работы заключается в оценке влияния процессов замедленного разрушения металла на промышленную безопасность газораспределительных сетей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Об условиях эксплуатации подземных газопроводов и изучение проявления процесса замедленного разрушения.

2. Исследование влияния усталостных процессов 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.

Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее, структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокационными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, описанная 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 источникам теоретические и экспериментальные сведения:

— о факторах, обуславливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах;

— условиях его протекания под действием статических нагрузок;

— структурный механизм (эволюция тонкой структуры металла) при замедленном разрушении;

— конечные эффекты замедленного разрушения и их влияние на служебные свойства металлов на развитие дефектов металла длительно эксплуатируемых газопроводов.

Процессы и структурный механизм деформационного старения (основного фактора, приводящего к замедленному разрушению) углеродистых и низколегированных сталей относительно полно изучены в трудах Бабича В. К., Лют-цау В. Г. 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 сложно-напряженном состоянии, испытывает постоянно действующее статическое и циклическое нагружения, подвержен коррозионному воздействию внутренней и наружной поверхности трубопровода. Получены опытным путем количественные значения — уменьшение относительного удлинения на 18−20%- ударной вязкости примерно в 2 раза, повышение предела прочности и текучести на 810%, уменьшение отношения предела прочности к пределу текучести указывают на старение металла труб при длительной эксплуатации.

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

В работах Ямалеева К. М. и Габдюшева Р. И. показано, что при длительной эксплуатации низколегированных нефтепроводных сталей 14ХГС, 19 Г, 17ГС и Ц21 на границах зерен и на полосах скольжения образуются зародыши новой карбидной фазы. Происходит блокировка 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 объяснений причин потерь прочностных и пластических свойств газопроводных сталей, обнаруженных при выполнении специальных экспериментов.

Установлены характерные для исследуемого объекта источники и механизмы повреждаемости металла труб.

Исследованиями тонкой структуры металла труб определены виды и особенности микродефектов, эволюция дислокационных структур, которая является предпосылкой для образования усталостных микротрещин. Для эксплуатационных режимов газопроводов микродефекты (вакансия, дислокация и их скопление) имеют определяющие значение. Но более опасными являются границы кристаллических зерен и двойникновение в зернах, способные привести к охрупчиванию и созданию благоприятных условий к протеканию коррозионных процессов.

Следует также отметить, что в трубопроводных сталях, как известно, деформационное старение происходит при наличии дислокации и примесных атомов, даже при низких нагрузках, т. е. когда создаваемое в стенках трубы напряжение ниже даже напряжения усталости. Хотя в трубопроводах давление колеблется в малых пределах, однако, в структурно неоднородных областях (окрестности дефектов, границы кристаллических зерен и т. п.) напряжение достигает значительных величин, что способствует в этих областях протеканию деформационного старения и накопления необратимых микропластических деформаций. Протекание этих процессов приводят к образованию охрупченных областей, где относительно легко зарождаются и распространяются усталостные трещины.

В случае нагружения металла ниже предела усталости, как известно, также происходит образование большого количества подвижных дислокаций. Дальнейшее увеличение числа колебаний вызывает деформационное старение, приводящее к снижению трещиностойкости металла труб. Этот сложный процесс объяснен множеством явлений. Происходят: генерация новых дислокаций и вакансий, увеличивается их плотностьэволюция дислокационной структуры по схеме «сетчатая ячеистая —> клубковая" — коагуляция вакансий и образованием порфрагментация цементитных пластинскопление дислокации одного знака, которое приводит к упругому искажению кристалла a-Fe.

Деформационное старение сопровождается также образованием новых карбидных частиц на полосах скольжения и на границе зерен, которые вызывают охрупчивание металла.

Примесные атомы кремния, углерода, азота и др. скапливаются на границах зерен, в результате чего уменьшается прочность связи между зернами. При дальнейшей эксплуатации в определенной степени происходит наводораживание металла труб. Атомы водорода легко диффундируют в деформированную область у вершины трещины и охрупчивают эту область. Этим самым они ускоряют рост усталостных трещин. Другим влиянием атомов водорода на надежность газопровода является то, что они, проникая в металл трубы, собираются в коллекторах, где, образуя молекулу водорода, создают высокое давление. Это в свою очередь приводит к выпучиванию металла на поверхность трубы, снижая при этом ее прочность.

Водород, соединяясь с атомами углерода, образует метан. Этот процесс уносит часть углерода, чем и объясняется уменьшение углерода в металле газопроводов в процессе длительной эксплуатации. Сказанное является характерным для газопроводов, перекачиваемая среда в которых способствует этому процессу.

Трубопроводы систем газораспределения и газопотребления по условиям эксплуатации, характеру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистрального. В силу этого, процессы изменений комплекса свойств металла при длительной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогично магистральным нефтепроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходимость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам систем газоснабжения.

Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов по выявлению причин, создающих условия для замедленного разрушения и их количественной оценки для практического применения в целях обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа.

Ухудшение физического состояния металла исследовали на газопроводах предприятия «Уфагаз» филиала ОАО «Газ-Сервис».

На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углеродистых сталей марок СтЗ, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганцевой стали повышенной прочности 17ГС.

Экспериментальные исследования по выявлению потери механических свойств металла проводили на специально сконструированных установках в Институте проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР, г. Уфа), электронную микроскопию образцов выполняли на оборудовании Института проблем сверхпластичности Российской академии наук (г. Уфа).

Образцы изготавливали из металлов труб (катушек), которые были демонтированы при замене непригодных к дальнейшей эксплуатации участков или при устранении аварий.

Для восстановления исходных свойств металла применяли метод термической обработки образцов в виде отжига при температуре 600 °C в течение одного часа. Сопоставлением свойств отожженных образцов со свойствами длительно эксплуатированного металла определяли количественное изменение прочностно-пластических свойств в зависимости от продолжительности нагру-жения.

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

В конечном счете, эти процессы у длительно эксплуатируемых газопроводов приводят к образованию охрупченных микрообластей, к созданию больших внутренних напряжений. Поэтому количественная оценка потерь механических свойств (пластичности, несущей способности) становится первоочередной задачей для долгосрочного прогнозирования промышленной безопасности объектов газораспределения и газопотребеления.

Методом измерения расхождения берегов концентратора напряжений определяли потерю пластических свойств на образцах из низколегированной кремнемарганцевой стали марки 17ГС, которая широко применяется при сооружении, как городских газопроводов, так и магистральных нефтепроводов.

При длительной эксплуатации газопроводной стали 17ГС происходит ее деформационное старение, остаточная пластичность уменьшается, что непременно должно учитываться при оценке промышленной безопасности. Уменьшение остаточной пластичности непосредственно связано 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.

Явление замедленного разрушения связано с временной зависимостью предела прочности. Сопротивление разрушению уменьшается при увеличении времени действия постоянной нагрузки. Это явление в основном 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 длительно эксплуатируемых газопроводов в ОАО «Газ-Сервис» (г. Уфа). Образцы были изготовлены из углеродистых сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и ранее упомянутой низколегированной стали 17ГС. Испытания образцов производили на специально сконструированной установке рычажного типа. Образцы после отжига не разрушаются при напряжениях, равных пределу текучести сколь угодно долго, находясь под нагрузкой. А деформационно-состаренные разрушаются при напряжениях меньших предела текучести.

При длительной эксплуатации газопроводов происходят динамическое и статическое деформационное старение, поскольку металл деформируется и 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, т. е. создаются условия для замедленного разрушения металла. Газопроводы системы снабжения, соприкасаясь с грунтом или надземные с атмосферой, при длительной эксплуатации подвергаются коррозионному разрушению.

Испытывали образцы из тех сталей, что и на замедленное разрушение. Особенностью решаемой задачи явилось изучение факторов деформационного старения и коррозионной среды при их совместном действии на процессы замедленного разрушения.

Коррозионная среда значительно ускоряет процесс замедленного разрушения газопроводных труб, работающих в экстремальных условиях, а также будучи пластически деформированными.

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 Сталь 20 после закалки испытывали на замедленное разрушение на той же установке рычажного типа.

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

Выполненные теоретические экспериментальные исследования позволили разработать методику расчетного определения времени замедленного разрушения применительно к металлу трубопроводов систем газораспределения и газопотребления.

Научная новизна выполненной работы: — установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обусловленные процессами усталости и деформационного старениявоздействием коррозионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящие к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающие энергию связи между кристаллическими зернами;

— разработана методика расчета времени замедленного разрушения металла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных нагрузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта деформационного старения и усталостных процессов в уравнении для определения времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного. Практическую ценность работы представляет разработанная методика позволяющая оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению, длительно (30−40 лет и более) эксплуатируемых трубопроводов, в частности газопроводов системы газораспределения и газоснабжения.

Преимущества использования данной методики заключается в том, что, не проводя длительные испытания (порядка 20−30 суток), можно путем расчета оценить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых трубопроводов. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы позволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла. Методы определения времени замедленного разрушения с учетом потерь пластичности металла используются для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения — стальных подземных трубопроводов.

Личное участие автора в получении результатов диссертации. Для реализации поставленных цели и задач исследований проделал следующие виды работ:

— самостоятельно выполнил литературный обзор теоретического и экспериментального материала, касающихся явления замедленного разрушения металлов. Установленные на этой основе дислокационные и диффузионные механизмы замедленного разрушения использовал для теоретического обоснования и объяснения результатов экспериментальных исследований;

— изучив условия длительной эксплуатации и нагружения трубопроводов систем газораспределения и газопотребления, установил неоспоримость факта проявления процессов замедленного разрушения;

— подготовил образцы и провел эксперименты по выявлению влияния усталости и деформационного старения на прочностно-пластические свойства металла труб, а также коррозионной среды и закалочных структур на процесс замедленного разрушения;

— разработал методику оценки времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами Республики Башкортостан на 2002;2004 годы, выполняемых Академией наук Республики Башкортостан «Нефтегазовый комплекс Башкортостана», «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии».

Основные научные положения и результаты экспериментальных исследований докладывались и обсуждались:

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

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

— Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходытехнологии — доходы» (Уфа, 2004 г.);

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

Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опубликовано в восьми печатных научных работах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Трубопроводы газораспределительных сетей находятся в сложных условиях эксплуатации. Подвергаются длительному воздействию постоянной статической нагрузки, опасности коррозионного повреждения, испытывают циклические нагружения, могут иметь место локальные концентраторы напряжений, 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 деформационным старением металла труб, обуславливающие в дальнейшем развития процессов замедленного разрушения.

Дополнительные внутренние напряжения создаются за счет увеличения дислокации и развития дислокационной структуры, начиная от сетчатой, кончая клубковойобразования изгибных контуров как результат скопления дислокации одного знакаобразования и роста новых карбидных частиц на границах зерен и полосах скольжения внутри кристалла.

3. Исследования образцов трубопроводной стали 17ГС методом расхождения берегов концентратора напряжений показали потерю пластичности во времени. При длительной эксплуатации (в течение 36 лет) она составляет 810%, что объясняется развитием деформационного старения в металле, приводящим к образованию охрупченных микрообластей и созданию больших внутренних напряжений.

4. По результатам испытаний образцов из углеродистых сталей СтЗ, Ст4, Сталь 20 и низколегированной стали 17ГС установлено уменьшение сопротивления разрушению при увеличении времени воздействия постоянной длительной нагрузки. Кромка разрыва располагается под прямым углом к оси образца, излом зернистый, кристаллический, волокнистая часть незначительна. Причиной является наличие охрупченных границ между кристаллическими зернами, уменьшающие энергии связи между зернами, что происходит 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 среде меньше, чем на воздухе.

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

7. Используя выполненные теоретические и экспериментальные исследования, разработана методика для ускоренного расчетно-экспериментального определения времени замедленного разрушения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов.

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