Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость и склонность к водородному охрупчиванию трубных сталей различной категории прочности

В настоящее время добыча газа в России составляет около 600 млрд. т. С использованием природного газа производится 47−57% тепловой энергии, 45% электроэнергии, 49% проката черного металла, 59% мартеновской стали, 97% чугуна, 98% кирпича и другой промышленной продукции- 13% газа расходуется на коммунальные нужды. Этот далеко не полный перечень использования газа говорит о зависимости экономики и быта стран СНГ от надежной работы трубопроводного транспорта газа [35].

Для транспортировки газа по территории государств СНГ и Балтии, а также на экспорт в Европу создана единая система газоснабжения (ЕСГ).

Протяженность магистралей ЕСГ достигла 220 тыс. км, в том числе больших диаметров (1020, 1220 и 1420 мм) — 124 тыс. км (56%). Из них протяженность магистралей России составляет 138,5 тыс. км (63%), Украины — 31 тыс. км (14,1%), Беларуси — 4,7 тыс. км (2,1%), других стран СНГ -20,8% [35].

Действующая система магистральных подземных газопроводов состоит из следующих конструктивных элементов: более чем 20 млн. труб, 20 млн. сварочных соединений, 690 млн. кв. м изоляционных покрытий, более 18 тыс, установок электрохимической защиты, 220 тыс. км траншей, 220 тыс. км грунтовой засыпки, десятки тысяч балластировочных устройств.

Число переходов через автодороги составляет 2426, из них 1195 в Россиичерез железные дороги — 2472, из них 1489 в Россииподводных переходов — 1339 (ниток 2593), из них 1066 (ниток 2004) в России.

Основная часть магистральных трубопроводов России эксплуатируется более 30 лет. В течение столь длительного времени в трубах под воздействием напряжений, коррозионной среды и водорода происходят процессы, приводящие к изменению физико-механических свойств металла. При анализе состояния, оценке остаточного ресурса и планировании капитального ремонта трубопроводов необходимо исходить из реальных свойств металла труб. Преждевременное разрушение трубопроводов вызывают в основном концентраторы напряжений механического происхождения (царапины, надрезы, конструктивные дефекты и т. п.), а также дефекты, образующиеся в результате контакта металла с коррозионной средой. Длительная эксплуатация приводит к деградации свойств металла труб вследствие изменения его структурного состояния, так что разрушение становится возможным даже при напряжениях, не превышающих максимально допустимые. Ослабление сопротивления разрушению может быть связанно с процессами старения металла, увеличением в нем содержания водорода и внутренних напряжений и с накоплением дефектов типа микротрещин [23, 37, 50, 54, 62, 77].

Таблица 1.1 — Статистика отказов нефтегазовых сооружений.

НГС Вид отказа.

Коррозия Брак материалов Механические повреждения Эксплуатационные нарушения и др

Нефтеперерабатывающая промышленность и транспорт нефти 70% 2% 10% 3%.

Газопроводы 36,1%, в том числе 70% по причине КРН 13,3% 13,9% 26,1%.

Внутрипромысловые трубопроводы 95%, разрывы из-за внутренней коррозии 60−80 в день, 25−30 тыс в год.

В таблице 1.1 приведена статистика отказов нефтегазовых сооружений (НГС). Как видно, коррозионные повреждения являются основной причиной выхода оборудования из строя.

Потери от коррозии по данным [35] составляют до 12% национального дохода и 23% всего проката, производимого в год.

Следует так же обращать внимание на изменение свойств трубных сталей в процессе эксплуатации за счет деформационного старения. Это может оказывать негативное влияние на коррозионную стойкость трубных сталей и их сварных соединений.

В работах [93, 94, 95] показано влияние процессов деформационного старения на свойства низколегированных трубных сталей категории прочности до К50 включительно. Установлено, что деформационное старение низколегированных трубных сталей в условиях действия статических нагрузок проявляется не только в повышении прочностных и уменьшении пластических свойств, но и в снижении способности металла сопротивляться накоплению и развитию микроповреждений, определяемых значениями коэффициентов деструкции (А) и добротности (77) материала. При этом чем выше значения, А и ниже 7], тем больше склонность металла к повреждаемости. В отличие от основных механических характеристик, значения, А и 7] изменяются более интенсивно, что необходимо учитывать при оценке свойств стали. Установлено, что в результате деформационного старения в условиях действия циклических нагрузок происходит снижение значений предела выносливости и уменьшение числа циклов до разрушения. При этом сопротивление металла накоплению локальных повреждений тем интенсивнее, чем выше степень деформации металла при старении. В процессе деформационного старения низколегированных трубных сталей с ферритно-перлитной структурой наблюдается изменение морфологии дислокационной структуры. Вместо отдельных дислокаций и дислокационных петель, имеющих место в структуре до деформационного старения, формируется ячеистая субструктура с неоднородным распределением дислокаций, при котором стенки ячеек, представляющие собой участки с повышенной плотностью дислокаций, разделяют области феррита практически свободные от них. Установлено, что при деформационном старении низколегированных трубных сталей с преимущественно бейнитной структурой существенных изменений дислокационной субструктуры не наблюдается. Как до, так и после деформационного старения в ферритной фазе бейнитной структуры наблюдаются равномерно распределенные дислокации с плотностью 109 см² и Ю10 — 1011 см² в крупно и мелко-игольчатых кристаллах соответственно.

К настоящему времени достаточно подробно изучена проблема деформационного старения трубопроводных сталей с ферритно-перлитной структурой категории прочности до К50. Вместе с тем,' в отечественной и мировой практике строительства трубопроводов отмечается тенденция замены традиционных трубных сталей на высокопрочные категории прочности К60, К65 и выше. Использование труб из сталей более высокой категории прочности позволит повысить рабочее давление в трубопроводах, без увеличения металлоемкости и удельных затрат на строительство.

На международной конференции «Металл для нефтегазопроводных труб: перспективы сотрудничества и партнёрства», проходящей в Санкт — Петербурге, в докладе [66] были обозначены основные требования к эксплуатационным характеристикам трубопроводов, актуальные для решения множества вопросов нефтегазовой промышленности России:

• увеличение рабочего давления в магистральных газопроводах >11,8 МПа;

• повышение прочности стали для труб в перспективе до XI20;

• понижение температуры эксплуатации до -50°С;

• испытания на ударную вязкость при температурах до -60°С;

• повышение вязкопластических свойств и коррозионной стойкости стали;

• повышение экологической безопасности.

Для обустройства нефтегазовых месторождений в северных районах России, где имеется повышенное содержание коррозионно-активных компонентов в промысловых средах, требуются трубы, отличающиеся достаточным сопротивлением хрупкому разрушению при отрицательных температурах, а также сероводородному растрескиванию. Для повышения эффективности газовых месторождений требуется переход на транспортировку природного газа под более высокими давлениями. Если использовать для строительства новых высокоэффективных газопроводов традиционные стали категории прочности Х65 — Х70 (что по российским нормам соответствует классам прочности К56 — К60), пришлось бы значительно увеличить толщину стенки. Поэтому в настоящее время актуальной становится задача создания труб большого диаметра категории прочности Х80 (К65), применение которых позволит существенно уменьшить металлоёмкость, стоимость сооружения и эксплуатации газопроводов.

Для обеспечения повышенных эксплутационных характеристик труб, работающих в условиях воздействия низких (до -60°С) температур и коррозионно-агрессивных промысловых сред ужесточены требования:

• по величине ударной вязкости и доле вязкой составляющей в.

О 2 изломе образцов с острым надрезом (КСУ.б0 с⁴⁰ Дж/см — процент вязкой составляющей в изломе должен быть больше или равен 50%);

• по уровню загрязнённости стали неметаллическими включениями (средний/максимальный балл): сульфиды 1,5/2,0- оксиды и силикаты 2,5/3,0;

• по содержанию водорода (< 0,0002%) — 1.

• по содержанию азота (< 0,008%);

• по размеру действительного зерна (не крупнее № 9);

• по ферритно-перлитной полосчатости (не более балла 2);

• по стойкости против сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением и водородного растрескивания: пороговое напряжение должно быть не менее 70% минимально гарантированного предела текучести, а значение коэффициентов длины (CLR) и ширины (CTR) водородных трещин не более 6% и 3% соответственно [19].

Необходимость улучшения вязкости и свариваемости стали потребовала уменьшения в ней содержания углерода до 0,06% [11, 67, 71]. Для достижения заданного уровня прочности в сталь вводятся ниобий (до 0,06%), а также молибден и никель, повышающие устойчивость горячедеформированного аустенита и способствующие формированию в готовом прокате микроструктуры из смеси полигонального и игольчатого феррита (верхнего бейнита) [89].

Следует отметить, что вопросы деформационного старения этой группы сталей практически не изучены. Также в работах отечественных и зарубежных исследователей не нашло должного отражения изучение влияния деформационного старения на коррозионную стойкость и склонность к водородному охрупчиванию трубных сталей и их сварных соединений. В связи с чем, исследование влияния особенностей деформационного старения высокопрочных трубных сталей и их сварных соединений на коррозионную стойкость является актуальным.

Основные выводы и результаты работы.

1. На основе изучения литературных данных показано, что перспективными конструкционными материалами для магистральных газопроводов являются низкоуглеродистые микролегированные высокопрочные стали с преимущественно бейнитной структурой, вопросы деформационного старения которых, а также их влияние на коррозионную стойкость и склонность к водородному охрупчиванию изучены недостаточно.

2. На основании сравнительного анализа изменения в процессе деформационного старения комплекса механических свойств у традиционных низколегированных трубных сталей с ферритно-перлитной структурой, категории прочности К55 и высокопрочной малоуглеродистой, микролегированной стали категории прочности К65, с преимущественно бейнитной структурой, показано меньшая склонность последней к деформационному старению. Это выражается в двое меньшем по сравнению со сталью 17ГС повышении прочностных характеристик, с сохранением высоких пластических характеристик и критической температуры хрупкости вплоть до температуры -60°С. При этом работа зарождения трещины изменяется незначительно, а работа распространения трещины уменьшается существенно, что необходимо учитывать при оценке фактического состояния металла трубопровода.

3. На основании электронно-микроскопических и рентгенографических исследований, показано существенное отличие в изменении тонкой структуры малоуглеродистой высокопрочной стали по сравнению с традиционными ферритно-перлитными трубными сталями, в процессе деформационного старения.

Методом рентгенографического анализа показано, что малоуглеродистые высокопрочные стали после деформационного старения характеризуются существенно меньшей величиной микродеформаций решетки, по сравнению с традиционными ферритно-перлитными сталями, (О, 234% для стали Х80 против 10,7% для стали 17ГС) и более низкой плотностью дислокаций (4,1*10п см" 2 сталь Х80 и 3,7*10п см" 2 стали 17ГС).

Методом электронной микроскопии установлено, что для бейнитной структуры стали Х80 существенного изменения дислокационной структуры не наблюдается, в то время как для традиционных сталей с ферритно-перлитной структурой происходит искажение перлитной структуры и формирование в ферритных зернах ячеистой дислокационной субструктуры, что объясняет их различную склонность к деформационному старению.

4. На основании исследования поведения сталей разной категории прочности в кислых средах до и после деформационного старения показано отрицательное влияние последнего на их коррозионную стойкость. При этом у стали с ферритно-перлитной структурой (сталь 17ГС), в результате деформационного старения, скорость коррозии возрастает примерно в 2 раза больше, чем у малоуглеродистой стали с преимущественно бейнитной структурой (Х80) и составляет 7,1 г/м2ч и 3,7 г/м2ч для стали 17ГС и Х80 соответственно.

5. Изучение влияния деформационного старения на скорость коррозии металла ОШУ ЗТВ показало его существенную зависимость от структурно-фазового состава. Установлено, что наличие в структуре металла ферритной и мартенситной фаз способствует интенсивному снижению коррозионной стойкости металла ОШУ ЗТВ. Выявлено минимальное воздействие деформационного старения на металл ОШУ ЗТВ со структурой, представляющей однородную высокодисперсную ферритно-карбидную смесь.

6. На основе оценки влияния деформационного старения на склонность трубных сталей категории прочности К60 и К65 к водородному охрупчиванию в условиях электролитического наводораживания показано, что оно вызывает интенсификацию этого процесса. Склонность к водородному охрупчиванию проявляется в снижении сопротивления стали хрупкому разрушению, уменьшению значения ударной вязкости, повышении критической температуры хрупкости и изменению микромеханизма разрушения.

Влияние деформационного старения на склонность к водородному охрупчиванию стали 10Г2ФБЮ с ферритно-перлитно-бейнитной структурой выше, чем стали Х80 с бейнитной структурой. Это выражается, в более существенном снижении значения ударной вязкости стали 10Г2ФБЮ и доли волокна в изломе во всем диапазоне температур испытания.

У стали Х80 с бейнитной структурой отрицательное влияние на склонность стали к водородному охрупчиванию в значительной степени проявляется только при температурах испытания от -60°С и ниже.

Методом электроннофрактографического исследования определено, что для обеих сталей микромеханизм разрушения преимущественно хрупкий с долей межзеренного разрушения около 10% при температуре испытания 0 °C у стали 10Г2ФБЮ и при температуре испытания -60°С у стали Х80.