На правах рукописи АЛБОРОВ Алан Дзамболатович АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ

1
На правах рукописи
АЛБОРОВ Алан Дзамболатович
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДАМИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЦЕНКИ
РАЗВИТИЯ СТРЕСС-КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА
Специальность: 05.02.13 – машины, агрегаты и процессы
(в нефтегазовой отрасли)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2013
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет» (КубГТУ)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кунина Полина Семеновна,
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет», заведующая
кафедрой оборудования нефтяных и газовых
промыслов
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Бережной Сергей Борисович,
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет» заведующий
кафедрой технической механики
кандидат технических наук
Павленко Павел Павлович,
генеральный директор ОАО «Автогаз» от
ООО «ГАЗПРОМ трансгаз Краснодар»
Ведущая организация:
Открытое акционерное общество «Научноисследовательский и проектный институт по
переработке газа» (ОАО «НИПИГазпереработка»)
Защита состоится «27» декабря 2013 года в 1500 часов на заседании
диссертационного совета ДМ 212.100.08 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ) по адресу: 350072,
г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-248.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ).
Автореферат разослан «27» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета ДМ 212.100.08,
кандидат химических наук, доцент
Г.Г. Попова
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Трубопроводный транспорт углеводородов – сложная техническая система с мощным энергетическим потенциалом. Она уже занимает 35% территории страны, на которых проживает более 60% населения. Протяженность магистральных трубопроводов в России в настоящее время составляет
231,2 тыс.км, в том числе газопроводов – 161 тыс. км, нефтепроводов – 50,6
тыс. км, нефтепродуктопроводов – 19,6 тыс.км.
Несмотря на то, что системы трубопроводного транспорта в настоящее
время выполняют свои функции по бесперебойному снабжению потребителей нефтью, газом, нефтепродуктами, на магистралях имеют место отказы и
аварии. Как и все оборудование, основные фонды трубопроводного транспорта подвержены процессу старению, причем износ трубопроводов идет по
нарастающей. Более 20 лет эксплуатируется 35% газопроводов по протяженности и 75% нефтепроводов, более 30 лет – 15% газопроводов и 37% нефтепроводов. Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), так как более
половины отказов магистральных газопроводов происходит именно по этой
причине, а на газопроводах диаметром 1220 мм, 1420 мм около 75 % от общего числа отказов. Выход из строя такой конструкции во время ее эксплуатации неизбежно приводит к большому материальному ущербу, разрушению
оборудования и загрязнению окружающей среды, а нередко и к человеческим жертвам, так как зона распространения негативного воздействия может
простираться на расстояние до десятков километров. Своевременная диагностика повреждений трубопроводов может значительно сократить риск возникновения аварийных и опасных ситуаций, поэтомуоценка технического
состояния магистральных газопроводов, подверженных стресс-коррозии, является актуальной научно-практической задачей.
4
Цель работы
Разработка методики оценки технического состояния магистральных
трубопроводов, подверженных стресс-коррозииультразвуковыми приборами
серии УСД.
Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи исследования:
1. Разработка методики и установки для оценки склонности металла
труб и сварных соединений к стресс-коррозии.
2. Разработка образцов, имитирующих напряженно-деформированное
состояние реального трубопровода.
3. Повышение точности процесса зарождения и развития стресскоррозионных трещин и поверхностных повреждений в металле труб и сварных соединениях.
4. Разработка рекомендаций по снижению уровня повреждений магистральных трубопроводов.
Научная новизна
1. Разработана методика оценки технического состояния магистральных трубопроводов ультразвуковыми приборами серии УСД, подверженных
стресс-коррозии.
2. Создана модель для оценки безопасности и эксплуатационной надежности трубопроводов, длительно эксплуатируемых в сложных условиях. В лабораторных условиях получены стресс-коррозионные трещины на сталях Ст20,
Х46, Х70, которые свидетельствуют о сложной природе их образования и о
многостадийном процессе, происходящем с течением времени при контакте
напряженного металла труб с околотрубной коррозионной средой.
3. Установлено, что безопасность магистральных нефтегазопроводов и
других энергонагруженных оболочковых конструкций зависит от структуры
материала, вида и уровня напряженно-деформированного состояния, коррозионной активности внешней среды и параметров, характеризующих уста-
5
лостную деградацию металла (срок эксплуатации, количество циклов нагружения).
4. Выявлена неравномерность распределения пластических деформации в поверхностном слое образцов из основного металла стали Х70, в
окружном направлении наблюдается неоднородность деформационных характеристик.
5. Установлено что, максимальная величина микропластических деформаций в локальных зонах происходит в поверхностном слое сварного
шва и околошовной зоне и согласуется с тем, что большинство стресскоррозионных разрушений газопроводов из стали Х70 происходит в сварном
шве и околошовной зоне.
6. Определено, что ползучесть образцов в наводороживающих средах,
связана с возникновением в неравновесных условиях отдельных микрообъемов с высокой локальной концентрацией водорода;
7. Показано, что ползучесть трубчатых образцов в наводороживающих
средах наряду с протеканием микропластических деформаций, сопровождается
непрерывным накоплением повреждений и снижением пластичности.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Оценка технического состояния магистральных газопроводов подверженных стресс-коррозии;
2. Определение режимов безопасной эксплуатации магистральных
трубопроводов с выявленными дефектами стресс-коррозии;
3. Определениестепени опасности поврежденных участков магистральныхтрубопроводовоценивается по результатам ранжирования стресскоррозионных дефектов с использованием данных диагностики;
4. Определение опасности выявленных дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, таких как ультразвуковой метод, который позволяет установить возможность дальнейшей эксплуатации трубопровода.
6
5. Результаты исследований использованы в учебном процессе СевероКавказского горно-металлургического института (государственный технологический университет), а также
для совершенствования ультразвукового
прибора марки УСД. Методика и результаты исследований предложены для
внедрения в ООО «СпецРемДиагностика» г. Москва, в НЦ «Кропус» г. Ногинск, ОАО «ТРЕСТ ГИДРОМОНТАЖ» г. Владикавказ.
Обоснованность и достоверность результатов, научных положений
и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается согласованностью полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных
обеспечивается использованием современных средств измерений и стандартных методик проведения исследований, а также методов статистической
обработки данных.
Личный вклад авторазаключается в выполнении основного объема
теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая постановку цели и задач исследования, выборе методик экспериментов, непосредственном участии в их проведении, анализе и
обобщении экспериментальных результатов, формулировании обоснованных
выводов, при составлении материалов публикаций и докладов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Методика оценки технического влияния коррозионных сред на коррозионные и стресс-коррозионные повреждения магистральных газопроводов.
2. Доказательство того, что неравномерность пластических деформации по поверхности металла является причиной зарождения коррозионных
микротрещин.
3. Доказательство того, что ползучесть трубчатых образцов в наводораживающих средах наряду с протеканием микропластических деформации,
сопровождается накоплением повреждении и снижением пластичности.
7
4. Утверждение, что безопасность функционирования магистральных
газопроводов во многом зависит от структуры материала, вида напряженного состояния коррозионной среды и степени деградации металла.
Апробация работы. Материалы диссертационных исследований докладывались на семинарах,вСеверо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете),Кубанском государственном технологическом университете, на международной научной
конференции «Устойчивое развитие горных территории».
Публикации результатов работы.По теме диссертации опубликовано
14 печатных работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК при
Минобрнауки России, получено 3 патента РФ.
Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, 4
глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы. Полный объем диссертации состоит из 120страниц текста, 44 рисунка, 6
таблиц,82 наименования использованной литературы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность научных исследований, сформулированы цель и основные задачи работы, показана практическая значимость и научная новизна.
В первой главе приводится обзор и анализ воздействия негативных
факторов на магистральные трубопроводы.
Для контроля состояния системы необходимо регулярно получать данные онапряженно-деформированном состоянии трубопровода и образовании
поверхностных дефектов. Такие данные могут быть получены лишь при помощи внутритрубной и поверхностной диагностики. Поэтому для обеспечения
диагностики технического состояния трубы производится зачистки поверхности трубопровода ипредусматриваются узлы пуска и приёма средств диагно-
8
стики без остановки насосно-компрессорных станции. На основе выполненного анализа определена цель и поставлены задачи исследования.
Во второй главе рассматривается анализ причин отказов и аварий на
магистральных трубопроводах.
Коррозия под напряжением и стресс-коррозия остаются доминирующей причиной аварий на действующих газопроводах России (рис. 1).
Описываются методы выявления стресс-коррозионных повреждений и
оценка степени опасности выявленных дефектов.Огромное значение для
обеспечения безопасности трубопроводных систем имеет диагностика, особенно внутритрубная. Большие успехи в создании новых магнитных и ультразвуковых аппаратов, новых методик и объемовприменения достигнуты в
"Диаскане" ("Транснефть"),"Спецнефтегазе","Оргэнергогазе", ("Газпром"),
ООО "СпецРемДиагностика". На рисунке 1 представленадинамика аварийности на газопроводах (всех диаметров) по причине наружной коррозии, в
т.ч. стресс-коррозии.
Рисунок 1 – Динамика аварийности на газопроводах (всех диаметров)
по причине наружной коррозии, в т.ч. стресс-коррозии
9
Внутритрубная диагностика должна сопровождаться системой глобального позиционирования (GPS) для высокоточного определения положения трубопровода на местности.Внутритрубную диагностику в настоящее
время проводят лишь на половине общей протяженности магистральных газопроводов ОАО «Газпром».Диагностика по внешней поверхности трубопроводов проводится с помощью ультразвуковых приборовУСД-50, УСД60-8К, УСД-60-КА, разработанных НПЦ "Кропус" при участии ООО
"СпецРемДиагностика"
и
Северо-Кавказский
горно-металлургический-
институт(горно-металлургический университет). В частности, с помощью
разработанной ультразвуковой аппаратуры было в 2011году обследовано
ООО "СпецРемДиагностика" более 2 тыс. км магистральных газопроводов и
сварных соединений.
Третья глава посвященаразработке методики и образцов для оценки
склонности металла и сварных соединении трубопроводов к склонности к
стресс-коррозионным повреждениям.
Для повышения точности испытаний и надежности получаемых данных
к разрабатываемому образцу-модели были сформулированы основные требования:
Образец должен отражать действительную работу металла трубы, а
также обладать всеми её конструктивно-технологическими признаками, в
частности, такими, как кривизна, толщина стенки, технологическая наследственность и при наличии сварных соединений должно сохраняться поле
остаточных сварочных напряжений.
При нагружении образца статической нагрузкой в его рабочей зоне
должно создаваться напряженно-деформированное состояние, характерное
для реальной трубы, так как усталостное и коррозионно-усталостное разрушения наиболее часто возникают в зоне максимальных напряжений.
Однородное поле напряжений должно сохраняться на всём пути следования усталостной и коррозионно-усталостной трещин, как по поверхно-
10
сти образца, так и по его толщине, вплоть до достижения трещиной предельно допустимых размеров.
Всем перечисленным требованиям, предъявленным к образцу, соответствует модель, разработанная в СКГМИ(ГТУ). Модель состоит из образца, изготовленного из материала реальной трубы, обладающего всеми её
конструктивно-технологическими признаками, асхема нагружения образца
создает в рабочей зоне напряженное состояние соответствующее реальномутрубопроводу.
В процессе испытаний нагрузка, приложенная к исследуемому сегменту трубы, поддерживалась постоянной. Вследствие этого общий запас упругой потенциальной энергии поддерживался на уровне, обеспечивающем развитие усталостной трещины.
Общий запас потенциальной энергии определяется из следующего выражения
bH2MAX
W
6E
где
L

L  2 
9

(1.1)
b – ширина; H – толщина, L– длина;Е – модуль Юнга.
Больший запас потенциальной энергии резко сокращает время до рас-
трескивания и увеличивает скорость растрескивания по сравнению с испытаниями при постоянной общей деформации.
При испытании на изгиб широких образцовВ/Н>5 в центре образца в
пластической области реализуется двухосное напряженное состояние с
1 /  2 1 / 0 ,5 . Таким образом, оптимальные размеры приспособления вы-
бирали исходя из толщины исследуемого сегмента, и обеспечивающими получение однородного поля растягивающих напряжений по сечению трубы в
его центральной части.
Зависимости же распределения напряжений по толщине исследуемого
сегмента определяли по аналогии с ранее разработанным образцом-моделью,
с той лишь разницей, что радиус R цилиндрической оболочки увеличивается
11
(трубопровод большего диаметра) и её кривизной можно пренебречь ввиду
малости. В этом случае расчетная схема оболочки будет представлять из себя пластину, нагруженную равномерно распределенной нагрузкой q = const.
Следовательно, при Rдифференциальное уравнение прогибов пластины
примет вид:
 4W
x 4

4u 2  2W
a 2 x 2
u
где

4u 2
N xa2
q,
(1.2)
a Nx
,
2 D
(1.3)
W– перемещение (прогиб оболочки), N – продольное усилие, q –
нагрузка
Общее решение соответствующего однородного дифференциального
уравнения:
W0  C1  C2 x  C3 sh
где
2u
2u
x  C4ch
x,
a
a
(1.4)
С1, С2, С3и С4– постоянные интегрирования.
Частное решение неоднородного дифференциального уравнения (1.2)
будет иметь вид:
WЧ .Р.  qx2 / 2 N x .
(1.5)
Общее решение неоднородного дифференциального уравнения получим, сложив зависимости (1.4) и (1.5):
Расчетная схема цилиндрической панели.
W  C1  „2 x  C3 sh 2
u
u
x  C4ch 2 x  qx2 / 2 N x .
a
a
(1.6)
Дифференцируем это выражение по координате х:
dW
u
u
u
 C2  C3 2 x  C4 2 sh 2 x  qx / N .
dx
a
a
a
Используя граничные условия х=0; х=а, W=0,
му уравнений
(1.7)
dW
 0 ,получим систеdx
12



2
C1  C2 a  C3 sh 2u  C4ch 2u  qa / 2 N x  0,

u
u
C2  C3 2 ch 2u  C4 2 sh 2u  qa / N x  0. 
a
a

C1  C4  C2  C3 2
u
 0,
a
(1.8)
Решая систему уравнений (1.8), найдем:
C1  
qa 4
16 Du3thu
C3  
qa
4
16 Du
,C2 
,C4 
3
qa3
8Du 2
qa
,
(1.9)
4
1
.
16 Du3 thu
С учетом найденных постоянных интегрирования, уравнение прогибов
(1.6) примет вид:


 2x 
chu1    chu

qa
2u 
x 
a 


W 

1   x 
shu
a  a 
16 Du 3 


4
(1.10)
Дифференцируя выражение (1.10), найдем:
 2x 
shu1  
dW
qa
x
a  




1

2

.
dx 8 Du 2
shu
a

3
(1.11)
Для вычисления параметра “u” воспользуемся соотношением:
a
2
 dW 
Nx 

 dx.

2( 1   2 )a 0  dx 
Eh
(1.12)
Е,  – соответственно, модуль упругости и коэффициент Пуассона материала оболочки.
Вычислив интегралы, входящие в выражение (1.12), и подставив их в
данное уравнение, найдем:
N x ( 1   2 )a q 2 a 2 
3
1
1
1
 2  



Eh
D  258u 5thu 256u 4 sh 2u 64u 6 384u 4
где
h– толщина оболочки.

.

(1.13)
13
Учитывая, что Nx=4u2D/a2 и D=Eh3/12(1 – 2),окончательно получим
уравнение для определения параметра “u”:
E 2 h8
81
27
27
9 







.
q 2 a8 ( 1   2 )2  16u 7thu 16u 6 sh 2u 4u 8 8u 6 
(1.14)
Прогибы в произвольном сечении пластинки на расстоянии х от начала
координат можно определить из выражения (1.10). Из этого выражения следует, что вдоль длинных кромок (при х = 0 и х = а) прогибы равны нулю.
Максимальный прогиб будет в середине пролета (при х = а/2) и составит
W( a / 2 ) 
qa 4
 f1( u ),
384 D
(1.15)
где
2u  u 2
u
u 
.
f1( u ) 


u  2 shu tgu 
(1.16)
Уравнение для угла поворота сечения пластинки можно получить
дифференцированием выражения (1.10):


 2x 
shu
1



dW
qa 
x 
a  





1

2

 .
dx 8 Du 2 
shu
a 



3
(1.17)
Из этого выражения следует, что вдоль длинных сторон (при х=0 и
х=а) углы поворота равны нулю. Равен нулю и угол поворота в середине
пролета (при х=а/2).
Изгибающий момент в произвольном сечении будет равен:

 2x  
chu1   

d W qa
a 

 D
 2 1  u
(1.18)
2
shu
dx
4u 





2
M ( x)
2
В опорных сечениях (при х=0 и х=а) изгибающий момент составит:
14
M( 0 )  M( a )
qa 2 
u 
 2 1 
.
4u  thu 
(1.19)
Из этого же выражения (1.18) определяется момент в середине пролета
(при х=а/2):
M( a / 2 ) 
qa2 
u 
1


.
2
shu


4u
(1.20)
Поперечная сила в произвольном сечении деформированной пластинки определяется дифференцированием уравнения (1.18):
 2x 
shu1  
qa
a 

.
Q x  
2
shu
(1.21)
Из этого выражения следует:
Q(0)=-Q(a)=qa/2, Q(a/2)=0.
(1.22)
Для определения эквивалентной равномерно распределенной нагрузки
q примем, что данная нагрузка обеспечивает возможность создания в центральной части образца таких же напряжений, как и продольная сила Р. В
этом случае, чтобы напряжения в трубе были одинаковыми, очевидно должны, быть равны и изгибающие моменты в рассматриваемом сечении. Тогда:
M = P·R·sin  = q(R2/2 – R).
(1.23)
Из этого уравнения определим величину q:
q = P·sin  /(0,5R – 1).
(1.24)
В зависимости от жесткости вставки для достижения напряжений, равных 0,8·  0,2, будет меняться приложенная нагрузка.Зная величину равномерно распределенной нагрузки по уравнению 1.21, определяли изгибающий
момент посредине пролета оболочки и соответствующие нормальные
напряжения по сечению оболочки по уравнению 1.24. Разработанный образец в большей мере отражает условия работы трубопроводов, моделирует
потенциальную энергию перекачиваемого продукта за счет вставки и создает
15
однородное поле растягивающих напряжений по толщине трубы в зоне испытания.
На вырезанном фрагменте трубы устанавливается коррозионная ячейка, которая стягивается и крепится к ней плотно и герметичнорисунке 2.
Конструкцию выдерживают во времени в течение 1500 часов и наблюдают
за процессами на поверхности. Геометрические размеры трещин по глубине
и поверхности определяли с помощью, ультразвукового метода и металлографического микроскопа 114КС. Экспериментальным путем были получены и зафиксированы дефекты, выявлен рост трещин и взаимное влияние дефектов друг на друга.
Рисунок 2 –Общий вид образцов с коррозионными ячейками
Учитывая дороговизну и сложность испытаний полукольцевых моделей, было принято решение провести на одноосных образцах исследованиевлияния различных растворов, имитирующих грунтовые электролиты, на
неравномерность пластических деформаций.
Поверхностно-активные элементы коррозионной среды способствуют
зарождению микропластических деформаций в зоне дефекта, характеризу-
16
ющегося высоким уровнем остаточных напряжений и скоплением неметаллических включений. Процесс микропластических деформации поверхностного слоя интенсифицируется под действием водорода. Вопреки распространенному мнению о том, что в водородосодержащих средах происходит
процесс охрупчивания, в начальный период при малых концентрациях, водород способствует микропластическим деформациям удлинения.
Локальные микропластические течения поверхностного слоя происходят при напряжениях, меньших величины микропластического предела текучести.
Для оценки поверхностных микропластических деформаций использовали стандартные цилиндрические образцы 6мм, ГОСТ1497.
На основе математико-статистического метода определяли среднеквадратическое отклонение результатов пластических деформации между
отпечатками. Дисперсия и среднеквадратическое отклонение для образцов из
стали Э-12 составили соответственно: 0,048 и 0,219; для Х70, основной металл: 0,545 и 0,74, сварное соединение: 1,544 и 1,24, околошовная зона: 0,893
и 0,944 и основной металл, вырезанный из тела трубы Х70 в окружном
направлении – поперек проката: 1,04 и 1,3 (рис. 3).Сравнивая результаты неравномерного распределения пластических деформаций в поверхностном
слое образцов и из основного металла стали Х70, следует, что в металле трубы в окружном направлении наблюдается анизотропия деформационных характеристиках. Возможно, это связано с аномальными концентрациями неметаллических включений и может быть источником зарождения стресскоррозионных трещин, ориентированных нормально к действию максимальных растягивающих напряжений.
Из полученных результатов так же следует, что максимальная величина микропластических деформаций в локальных зонах происходит в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоне и согласуется с тем, что
17
большинство стресс-коррозионных разрушений газопроводов из стали Х70
происходит в сварном шве и околошовной зоне.
Коррозионные среды способствуют увеличению неравномерности поверхностных деформаций металла с течением времени в результатепроцессов низкотемпературной ползучести.
На рисунке 3 представлен график изменениямикропластических деформаций в поверхностном слое стали Х70(Дисперсия: Х1=0,916 – околошовная зона,Х2=0,561 – основной металл, Х3=1,544 – сварной шов).
Рисунок3–Микропластические деформации в поверхностном слое стали
Х70(Дисперсия: Х1=0,916 – околошовная зона, Х2=0,561 – основной
металл, Х3= 1,544 – сварной шов)
Наиболее распространенной гипотезой водородного охрупчивания в
коррозионных средах является гипотеза, основанная на предположении об
ослаблении водородом межатомных связей в металле, способствующая
разупрочнению поверхностного слоя и образованию микротрещин при
накоплении критической концентрации водорода в локальном объеме.
18
В качестве наводороживающей коррозионной среды в лабораторных
условиях использовали 3% раствор NaCl+0,5% СН3СООН+СО2+HCl, исследованию подвергались стандартные цилиндрические образцы сплошного и
трубчатого сечения. Испытания проводились в коррозионной среде в течение длительного времени при напряжении 0,8  т и 0,9  т.
В процессе взаимодействия коррозионной среды с образцами наблюдается ползучесть их во времени (рисунок 4).
Рисунок 4 – Ползучесть стали Х70
в 3% раствореаCl +0,5% СН3СООН+СО2+НCl
Ползучесть образцов в наводороживающих средах связана с возникновением в неравновесных условиях отдельных микрообъемов с высокой локальной концентрацией водорода. Разрядка концентрированных напряжений
в этом случае может осуществляться засчет возникновения легкоподвижных
дислокаций, дрейф которых в поле напряжений растяжений является причиной деформации ползучести. Значения кривых ползучести зависят от структуры металла, концентрации примесей и сегрегации атомов углерода к границам зерен.
19
Таким образом, водород в результате хемосорбции на поверхностях
дефектов кристаллической решетки способствует облегчению пластического
течения и изменению механических свойств металла для структурностабильных
сталей.Микропластические
деформации
сопровождаются
накоплением повреждении и снижением пластичности.
В образцах сплошного сечения уровень ползучести для сталей Х46 и
09Г2С превосходит величину пластических деформации трубчатых образцов, в
связи с тем, что наблюдается различие физико-химических свойств поверхностного слоя и внутренних слоев. Внутренние слои образца способствуют созданию дополнительных растягивающих напряжений в поверхностном слое.
Одновременное действие на поверхностный слой коррозионной среды и растягивающих напряжений способствуют удлинению и образованию коррозионных трещин.
На рисунке 4 приведена диаграмма отображающаяползучесть стали
Х70 в 3% раствореаCl +0,5% СН3СООН+СО2+НCl.
Зарождение изолированных микротрещин происходит преимущественно в местах выхода на внешнюю поверхность трубы неметаллических
включений, а также в местах поверхностных дефектов.
Четвертаяглавапосвящена результатам полученным в исследовании
развития поверхностных трещин.
Экспериментально получены результаты для 2-х наведенных трещин и
одиночной трещины после выдержки в коррозионно-активной среде. Коррозионная среда ускоряет рост трещин по сравнению с образцами, испытанными без среды. Максимальные размеры двух наведенных трещин достигаются
при циклическомнагружении исходных образцов при 170 т. цикл, а после
выдержки в коррозионной среде при 130 т. цикл(рисунок5).
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что они могут
быть использованы при определении опасности дефекта и поведения его в эксплуатационных условиях. Сопоставление критической трещины с размерами
20
развивающейся трещины при циклических испытаниях позволит определить
запас дефектной трубы по уровню давления и принять обоснованное решение.
Рисунок 5 – Кинетика развития наведенных дефектов (1, 2) по поверхности
и толщине образца из ст. Х70 трубы Ø1420 мм δ=18,5 мм с учетом
их взаимного влияния при циклическом нагружении σmax=0,8σТ, R=0,6, действии коррозионной среды. t – толщина образца, l1, l2 мм – размеры
развивающихся трещин по поверхности, a1,a2 мм – по толщине
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. С целью выявления механизма образования стресс-коррозионных
повреждении в металле и сварных соединении магистральных газопроводах
разработанобразец из трубной стали, обладающий совокупностью конструктивно-технологических признаков реальной трубы, ее кривизной, толщиной
стенки, технологической наследственностью, а при наличии сварных швов
обеспечивается сохранение остаточных сварочных напряжений.
2. Разработана методика и принципиально новый тип образцов, позволяющих наиболее полно моделировать условия работы металла в трубах. Выявлено, что при взаимодействии коррозионной среды с цилиндрическими образцами из сталей Ст 20, 17Г1С,Х46, Х70 наблюдается их ползучесть во времени, вследствие хемосорбции водорода. Атомарный водород способствует облегчению протеканию микропластических деформации, что сопровождается
накоплением и снижением пластичности в поверхностных слоях образцов.
21
3. Склонности металла труб, к зарождению и развитию стресскоррозионных трещин при статических и циклических нагружениях определялась с использованием разработанных стендов и испытательной машины
МУП-50, а также средств контроля развития поверхностных трещин с помощью ультразвукового дефектоскопа УЗД-50 и металлографического микроскопа 114КС.
4. Полученные результаты свидетельствуют о том, что максимальная
величина микропластических деформации в локальных зонах происходит в
поверхностном слое сварного шва и околошовной зоне и согласуется с тем,
что большинство стресс-коррозионных разрушений газопроводов из стали
Х70, диаметром 1420мм происходит в сварном шве и околошовной зонена
расстояний до 200мм.
5. Показано, что потенциальная опасность обнаруженных дефектов,
возможно после проведения местной диагностики с помощью ультразвукового аппарата УЗД-50 и расчетной оценки остаточного ресурса.
6. Опасность выявленных дефектов позволяет сделать следующие рекомендации: удаление дефектного места, снижение рабочего давления в газопроводе, сохранение прежних условий эксплуатации с использованием
местных внутритрубных датчиков МВД-3 для контроля размеров трещин по
глубине и поверхности с течением времени.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В
СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Рецензируемые журналы, входящие в перечень ВАК при
Минобрнауки России:
1. БасиевК.Д., ВеличкоЛ.Н., АлборовА.Д., Тибилов О.В. Влияние
агрессивной среды околотрубного пространства на склонность магистральных трубопроводов к стресс-коррозионному разрушению [Текст] / Экология
и промышленность России. – 2009, Декабрь. – С. 24–25.
22
2. Басиев К.Д., Дзиоев К.М., Алборов А.Д., Тибилов О.В. Исследование влияния уровня напряжений на коррозионное растрескивание подземных трубопроводов [Текст] / Коррозия: материалы, защита. – 2010. – № 3.–С.
14–16.
3. Басиев К.Д., Величко Л.Н., Дзиоев К.М., Алборов А.Д. Исследование коррозионного растрескивания металлических конструкций под напряжением [Текст] / Коррозия: материалы, защита. – 2011. – № 7.–С. 7–11.
4. Басиев К.Д., Бигулаев А.А., Алборов А.Д., Тибилов О.В. Коррозионные процессы в металле и сварных соединениях магистральных газопроводов [Текст] /Устойчивое развитие горных территории. – 2011.– № 3(9).–С.
23–28.
5. Басиев К.Д., Величко Л.Н., Алборов А.Д., Чехоев В.У. Исследование
сталей и сварных соединений на стойкость к углекислотной коррозии[Текст]
/Коррозия: материалы, защита. – 2011. – №10.–С. 8 – 11.
Патенты РФ:
6. Патент № 88149 Российская Федерация, МПК G01N 3/08. Установка
для оценки склонности металла труб и сварных соединений к стресскоррозии [Текст] /Басиев К.Д., Алборов А.Д., Тибилов О.В., Чехоев В.У.; заявитель Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Заявка № 2009125380; заявл.
02.07.09; опубл. 27.10.09, Бюл. № 30.
7. Патент № 100266 Российская Федерация, МПК G01N17/04. Установка для определения дефектов в строительных конструкциях или трубопроводах [Текст] / Басиев К.Д., Алборов А.Д., Тибилов О.В., заявитель Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Заявка № 2010131124; заявл. 26.06.10; опубл.
10.12.10, Бюл. № 34.
8. Патент №112424 Российская Федерация, МПК G01NУстановка для
оценки трещиностойкости сталей сварных соединений труб [Текст] /Басиев
23
К.Д., Алборов А.Д., Тебиев Р.А., Тибилов О.В., заявитель СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Заявка № 2011113285; заявл. 6.04.11; опубл. 10.01.12,
Бюл. № 1.
Статьи в других научных журналах и тезисы в материалах,
трудах международных и всероссийских конференций:
9. Тибилов О.В., Алборов А.Д., Тибилов В.И. Разработка образцамодели для испытаний труб большого диаметра и образца-модели в виде цилиндрической панели крестообразной формы с жесткой вставкой и проточкой [Текст] / Труды молодых ученых Владикавказского научного центра
РАН и Правительства РСО-Алания. – 2009. – № 4. – С. 56–62.
10. БасиевК.Д., АлборовА.Д., ТибиловО.В., Чехоев В.У. Влияние
напряженного состояния на циклическуютрещиностойкость сталей и сварных
соединений
[Текст]
/
Труды
Северо-Кавказского
горно-
металлургического института (государственноготехнологического университета). – 2009. – № 16. – С. 180–183.
11. ДзиоевК.М., БасиевК.Д., КодзаевМ.Ю., АлборовА.Д., Тибилов
О.В.Стресс-коррозионные процессы в металле и сварных соединениях магистральных газопроводов [Текст] / Труды Северо-Кавказского горнометаллургического института (государственного технологического университета). – 2009. – № 16. – С. 184–188.
12. АлборовА.Д., ТибиловО.В., Кодзаев М.Ю. Исследование коррозии
в водородвыделяющих средах принизком рН [Текст] / Труды молодых ученых Владикавказского научного центра РАН и Правительства РСО-Алания.
– 2009. – № 4. – С. 62–67.
13. Басиев К.Д., Алборов А.Д., Тибилов О.В., Тебиев Р.А. Коррозионное растрескивание подземных трубопроводов под влиянием механических
напряжений [Текст] / Труды Северо-Кавказского горно-металлургического
24
института (государственного технологического университета). – 2010. – №
17. – С. 117–121.
14. Алборов А.Д.,Тибилов О.В.,Тебиев Р.А. Исследование характера
изменения скорости коррозии сталей Ст.3, Ст.20, 17Г1С, Ст.45 под влиянием
механокоррозионных испытаний [Текст] /Труды молодых ученыхВладикавказского научного центра РАН и Правительства РСО-Алания.– 2010. – № 2.
– С.26–29.
15. Алборов А.Д.,Тибилов О.В.,Тебиев Р.А.Исследование на стресскоррозионное разрушение стали марки Х70, используемой для изготовления
подземных трубопроводов [Текст] /Труды молодых ученыхВладикавказского научного центра РАН и Правительства РСО-Алания.– 2011. – № 2.– С.75–
86 с.
16. Кунина П.С., Алборов А.Д. Коррозионные процессы на магистральных газопроводах[Текст] /Пути совершенствования качества строительства промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений.
– Владикавказ: Изд-во «Терек» СКГМИ, 2012. – С. 248–255 с.
17. Алборов А.Д., Кунина П.С., БасиевК.Д.Влияние коррозионных водородсодержащих сред на свойства трубных сталей с течением времени
[Текст] / Труды молодых ученых. – Владикавказ: Изд-во «Терек» СКГМИ,
2012. –№ 3–4. С.9–14.
Подписано в печать 26.11.2013. Печать трафаретная.
Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 1027.
ООО «Издательский Дом-Юг»
350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120
тел. 8-918-41-50-571
e-mail: olfomenko@yandex.ruСайт: http://id-yug.com