Проведение исследований металла опытных труб для прогнозирования их стойкости к вязкому разрушению

Дипломная работа Тема:

Проведение исследований металла опытных труб для прогнозирования их стойкости к вязкому разрушению

1.Введение

2.Аварии трубопроводов

3.Протяжённые вязкие разрушения газопроводов

4.Обзор требований к качеству материалов труб для газопроводов

4.1 Применяемые марки трубных сталей и технологии их производства

4.1.1. Первое поколение трубных сталей

4.1.2. Второе поколение трубных сталей

4.1.3. Третье поколение трубных сталей

4.1.4. Современные и перспективные трубные стали

4.2 Требования к качеству трубных сталей

4.2.1. Требования к работе удара образцов Шарпи

4.2.2. Требования к материалам труб, основанные на ИПГ (DWTT) испытаниях

4.3 Требования к вязкости материалов труб на основе линейной и нелинейной механики разрушения

4.3.1Линейная механика разрушения

4.3.2. Нелинейная механика разрушения

4.4. Проблемы определения трещиностойкости на стадии лабораторных испытаний

4.5. Натурные пневмоиспытания труб на сопротивление протяженным разрушениям

5. Исследование механических свойств металла трубы опытной партии после полигонных пневмоиспытаний

5.1 Испытания на ударную вязкость

5.2 Испытания на растяжение

5.3 Результаты ИПГ испытаний по стандартной и специальной методикам

6. Определение параметров трещиностойкости основного металла

7. Разработка методики и проведение испытаний для определения угла раскрытия вершины трещины CTOA металла труб после полигонных пневмоиспытаний

8. Вывод Список литературы

1. Введение

Россия обладает огромным природным топливо-энергетическим потенциалом. При численности населения менее 2.5% от общего числа жителей Земли запасы ресурсов составляют более 30% от суммарных общемировых запасов. Такие потенциальные возможности должны эффективно реализовываться, обеспечивая достойный уровень жизни населения, развития общества и государства.

Использование газа для освещения и отопления началось в первой половине XIX века, тогда же появились и первые газопроводы. В Санкт-Петербурге первый газовый завод (производивший светильный газ из импортного каменного угля) и система распределения построены в 1835 году, в Москве — в 1865 году. Затраты на сооружение и эксплуатацию газопроводов велики, поэтому первые газопроводы большой длины появились с началом эксплуатации месторождений природного газа.

Первый в СССР газопровод от Дашавских промыслов до Львова был построен в 1940;1941 гг. (первый газопровод от Дашавы — до Стрыя был построен в 1924 году). Во время Великой Отечественной войны были построены газопроводы от Бугуруслана и Похвистнево до Куйбышева (160 км, диаметр трубы 300 мм), а также от Елшанки до Саратова. Первым магистральным газопроводом в СССР стал газопровод Саратов — Москва вступивший в строй в 1946 году.

Добываемый в России природный газ поступает в магистральные газопроводы, объединенные в Единую систему газоснабжения (ЕСГ) России. ЕСГ является крупнейшей в мире системой транспортировки газа и представляет собой уникальный технологический комплекс, включающий в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа. ЕСГ обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя.

Трубопровод — искусственное сооружение, предназначенное для транспортировки газообразных и жидких веществ, а также твёрдого топлива и иных твёрдых веществ в виде раствора под воздействием разницы давлений в поперечных сечениях трубы. Газои нефтепроводы чрезвычайно важны для нашей страны, именно по ним транспортируются основные полезные ископаемые России.

Газопроводы подразделяются по своему назначению на промысловые, магистральные и газопроводы распределительных сетей.

Промысловые газопроводы — система технологических трубопроводов для транспортирования нефти, конденсата, газа, воды на нефтяных, нефтегазовых, газоконденсатных и газовых месторождениях.

Магистральные газопроводы предназначены для транспортировки газа на большие расстояния. Через определённые интервалы на магистрали установлены газокомпрессорные станции, поддерживающие давление в трубопроводе. В конечном пункте магистрального газопровода расположены газораспределительные станции, на которых давление понижается до уровня, необходимого для снабжения потребителей.

Газопроводы распределительных сетей предназначены для доставки газа от газораспределительных станций к конечному потребителю.

По давлению в магистрали газопроводы классифицируются на газопроводы низкого (до 0,005 МПа), среднего (от 0,005 до 0,3 МПа) и высокого давления (второй категории от 0,3 до 0,6 МПа и первой категории от 0,6 до 1,2 МПа).

По типу прокладки различают газопроводы наземные, надземные, подземные и подводные.

2. Аварии трубопроводов

Безаварийная работа магистральных трубопроводов — одно из основных требований, предъявляемых в газовой и нефтяной отраслях к трубопроводам в связи с их большой протяженностью и старением (значительная часть магистральных трубопроводов в нашей стране находятся в эксплуатации 20−30 лет и более). Выход из строя магистрального трубопровода из-за аварийного отказа может привести к нарушению нормальной работы отдельных экономических районов в связи с перебоями подачи газа, нанести большой материальный ущерб, а часто — и человеческие жертвы.

В настоящее время на территории Российской Федерации эксплуатируется 241,6 тысяч километров магистральных и около 350 тысяч километров промысловых трубопроводов. По протяженности подземных трубопроводов для транспортировки нефти и газа Россия занимает второе место в мире после США. При этом основные фонды трубопроводного транспорта России стареют с возрастающей скоростью — например, средний возраст газопроводов Северо-Запада составляет 30 — 35 лет, что неизбежно приближает кризисные явления. Средняя частота аварий в России за последние 10 лет составляет 0,17 аварий/год/1000 км для газопроводов и 0,25 аварий/год/1000 км для нефтепроводов [1, 2].

Основными причинами аварий на трубопроводах являются повреждения в результате внешних воздействий при производстве труб, их монтаже и эксплуатации, а также наружная коррозия, в том числе общая язвенная коррозия и коррозионное растрескивание под напряжением.

Наиболее уязвимыми на сегодня являются магистральные газопроводы Северного коридора — многониточной системы газопроводов, проложенных из районов северных месторождений (Уренгойское, Заполярное, Медвежье и др.) до границ Белоруссии с одной стороны и до границы с Финляндией — с другой. В том же коридоре проходит трасса строящегося магистрального газопровода Ямал — Европа.

В последние годы выделяется высокая доля аварий именно этого участка магистральных трубопроводов по причине стресс-коррозии (71,0%). В 2003 г. 66,7% аварий также имели стресс — коррозионные характер. Распределение числа аварий по годам здесь представлено на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Распределение аварийных разрушений МГ ООО «Севергазпром» в 1981;2003 гг. для труб диаметром 1020…1420 мм В последние годы в России основной проблемой аварии магистральных газопроводов является стресс-коррозия. Стресс-коррозия является причиной более 50% всех аварий на северо-западных магистралях начиная с 2003 года. Мониторинг состояния почти 10 000 км магистральных газопроводов Северного коридора с помощью внутритрубных снарядов-дефектоскопов, выполненный в 2002 году, позволил установить, что из 22.500 дефектов почти половину составляет коррозионные дефекты и дефекты стресс-коррозионного происхождения глубиной от 15 до 30% от толщины стенки трубы. Достаточно большой процент в общем количестве дефектов занимают дефекты проката, ликвационные полосы, зоны расслоений, дефекты кольцевых швов, дефекты продольных сварных швов. Количество дефектов коррозионного растрескивания под напряжением составляет 5−6 на каждом 5-ти километровом участке трубопровода.

Таблица 2.1 Данные о разрушениях магистральных газопроводов Северного коридора в процессе эксплуатации за период с 2001 по 2003 годы.

Таким образом, доминирующим механизмом разрушения является коррозионное растрескивание под напряжением (стресс-коррозия).

Растрескивание под напряжением труб происходит при одновременном воздействии растягивающих напряжений, агрессивной среды и при наличии электрохимической антикоррозионной защиты, которая применяется для предотвращения активной почвенной коррозии и электрокоррозии труб. Начальная стадия стресс-коррозионного повреждения представляет собой зарождение продольных поверхностных полуэллиптических трещин, располагающихся в полосе трубы, имеющей обычно размеры не более 400 мм поперек трубы и до нескольких метров в длину. Размеры этой поврежденной области определяются, в основном, состоянием изоляции трубы и размерами области насыщенного водой грунта, в которой создались благоприятные условия для зарождения и развития стресс — коррозионных трещин. Типичный вид стресс-коррозионных трещин показан на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Стресс-коррозионные трещины в трубе аварийного магистрального газопровода.

В процессе развития сети полуэллиптических трещин увеличивается их длина и глубина, пока они не объединяются в единую поверхностную трещину глубиной до 0.5 толщины стенки трубы и длиной, определяющейся протяженностью поврежденной области. Если размеры трещины превысят критические, определяемые характеристиками трещиностойкости материала и напряжениями в трубе, данная трещина явится очагом развития магистральной хрупкой или вязкой трещины. Развитие вязкой магистральной трещины в газопроводах приведет к протяженным разрушениям с тяжелыми последствиями из-за большой энергии сжатого газа в протяженном газопроводе (расстояние между компрессорными станциями составляют многие десятки километров). Вязкие магистральные трещины в нефтепроводах не развиваются из-за отсутствия запасенной энергии в сжатой жидкости (нефти). Типичная поверхностная стресс-коррозионная трещина большой протяженности, образовавшаяся путем слияния отдельных развившихся полуэллиптических стресс-коррозионных трещин, показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3 Поверхностная стресс-коррозионная трещина, послужившая очагом протяженного вязкого разрушения газопровода.

Стресс-коррозия трубопроводов является результатом тяжелых условий эксплуатации подземных трубопроводов, подверженных воздействию почвенных вод различного химического состава, неэффективной полимерной пленочной гидроизоляции большинства эксплуатирующихся в нашей стране трубопроводов и следствием применения электрохимической защиты трубопроводов. Современная многослойная гидроизоляция, выполняемая на заводах-изготовителях труб, является несопоставимо более надежной по сравнению с изоляцией полимерной пленкой, выполнявшейся при прокладке трубопроводов в 60−90 годы прошлого века. Применение современной заводской изоляции позволит в будущем если не решить полностью, то значительно снять остроту проблемы стресс-коррозионных повреждений трубопроводов.

Необходимость электрохимической защиты можно проиллюстрировать случаем протяженного разрушения магистрального газопровода, вызванного локальной электрокоррозией блуждающими токами.

На рис. 2.4 и 2.5 приведены соответственно общий вид электро-коррозионного повреждения и профиль трубы в зоне повреждения.

Рис. 2.4 Электро-коррозионное повреждение со свищем, развитие которого привело к протяженному разрушению магистрального газопровода. Размер повреждения 200 мм вдоль трубы х 100 мм поперек трубы. Изоляция пленочная. Электрохимическая защита.

Рис. 2.5 Профилограмма участка электро-коррозионного повреждения. Номинальный наружный диаметр трубы 1020 мм, толщина стенки 8 мм.

Пример данной аварии говорит об опасности электрокоррозионных повреждений магистральных газопроводов, особенно расположенных рядом с электрифицированными железными дорогами и линиями электропередач. Необходимо улучшение качества изоляции трубопроводов. На трубопроводах с пленочной изоляцией применение электрохимической защиты является, безусловно, необходимой мерой защиты от общей и электро-коррозии. материал труба газопровод металл Механические повреждения трубопроводов при строительстве и эксплуатации также могут приводить к авариям. Наиболее вероятно образование сквозных дефектов ограниченных размеров, которые при достаточно высокой вязкости металла труб не приводят к протяженным разрушениям. В этом случае образуется свищ, который для газопроводов не является опасным, если может быть вовремя обнаружен и отремонтирован. Для нефтепроводов свищи являются большой проблемой, так как утечка нефтепродуктов приводит к загрязнению окружающей среды.

Таким образом, среди всех видов разрушений можно выделить протяженные вязкие разрушения газопроводов, представляющие наибольшую опасность. Остановимся на них более подробно.

3. Протяжённые вязкие разрушения газопроводов

В 50−60-х годах прошлого века существовала проблема хрупкого разрушения трубопровода (рис. 3.1). При хрупком распространении трещин, протекающем практически без пластической деформации стенки трубы перед вершиной трещины, скорость движения трещины, соизмеримая или даже большая скорости распространения по длине трубы декомпрессии, приводит к разрушению протяженных участков трубопровода (выше 10 км) [3,4].

Рис. 3.1 Хрупкое разрушение магистрального трубопровода

В результате развития технологических процессов выплавки, разливки, прокатки трубных сталей и последующего передела лист-труба задача предотвращения хрупких разрушений магистральных трубопроводов была решена. Трубы изготавливают из сталей, которые при температурах эксплуатации проявляют вязкий характер разрушения. Однако с повышением рабочих давлений в трубопроводах возникает потребность в увеличении толщин и повышении уровня прочности труб. Опасность разрушений и тяжесть их последствий увеличиваются, а с учетом протяженности и объемов транспортируемого углеводородного топлива возможные экономические потери аварий возросли. Из практики эксплуатации газопроводов с конца 60-х годов прошлого века известно много случаев протяженных вязких разрушений, которые в отличие от хрупкого разрушения протекают с пластическим утонением стенки трубы. Анализ процесса вязкого распространения разрушения показывает, что утонение стенки трубы обусловлено пластической деформацией металла стенки трубы растяжением перед вершиной вязкой трещины. При этом пластическая деформация растяжением стенки трубы приводит к удлинению стенки трубы вдоль кромки разрыва, в результате участки стенки трубы вблизи кромки разрыва при вязком распространении разрушения приобретают волнистый характер, подобный тому, что наблюдается при листовой прокатке в случае повышенной вытяжки боковых кромок листа (рис. 3.2). Амплитуда, периодичность и ширина зоны наблюдаемой волнистости зависят от толщины стенки трубы, степени и ширины зоны пластической деформации стенки вблизи кромки разрыва.

Рис. 3.2 Вязкое разрушение магистрального трубопровода

С увеличением мощности современных магистральных газопроводов, за счет увеличения диаметра труб и рабочего давления, протяженность наблюдающихся вязких разрушений существенно возросла. Длина вязкого разрушения на современных мощных газопроводах составляет порядка 300−400 метров. Однако известны случаи, когда протяженность вязкого разрушения достигала 900 метров. При этом скорость распространения вязкой трещины колеблется в диапазоне 200−300 м/с. Изучение процесса распространения вязкого разрушения газопроводов является актуальной проблемой общегосударственного значения, решение которой позволит существенно снизить экономические затраты на ремонт и эксплуатацию газопроводов и повысить стабильность поставки газа потребителю.

Особую сложность и наибольшую практическую ценность представляют данные о природе и механизме торможения протяженных вязких разрывов. Физическая сущность протяженных вязких разрывов сводится к следующему. При разрыве трубопровода сжатый газ устремляется в образовавшуюся несплошность (трещину), стремится развернуть трубу в лист и, действуя на ее борта, разгоняет разрушение до высоких скоростей. Одновременно вследствие декомпрессии газа из трубопровода по мере распространения разрушения происходит снижение давления, действующего на борта труб в вершине перемещающейся трещины. Действие этих двух факторов и свойства металла труб определяют характер и масштабы разрушения. Особенностью вязкого разрушения газопроводов является образование широкой зоны пластически деформированного материала вдоль кромки разрыва. Следовательно, распространению скоростного протяженного вязкого разрушения в трубе сопротивляется большой объем металла, работающего в упругопластической области.

Предметом исследования данной работы являются протяженные вязкие разрушения труб, которые представляют наибольшую опасность жизни и здоровью людей и приносят наибольший ущерб при эксплуатации газопроводов. Проанализируем существующие технологии производства и требования к качеству материалов газопроводов.

4. Обзор требований к качеству материала труб для газопроводов

4.1 Применяемые марки трубных сталей и технологии их производства

4.1.1 Первое поколение трубных сталей

До начала 1960;х годов высокопрочный лист категории прочности Х52(К52) в основном получали путем нормализации относительно высокоуглеродистых сталей, и высокопрочными считались стали на уровне категории прочности Х52. Позже в большинстве стран Запада и Дальнего Востока от такого способа термообработки отказались, в СССР его продолжали использовать до середины 1990;х годов.

Низколегированные стали, относящиеся к первому поколению сталей для газопроводных труб большого диаметра, содержали в качестве основных легирующих элементов марганец и кремний, образующие с железом твердые растворы замещения. На низколегированных сталях этого типа был получен уровень прочности 500−520 МПа в сочетании с удовлетворительной пластичностью. Температура их эксплуатации составляет (0…-5)°С. Этим требованиям отвечает сталь 17ГС, предназначавшаяся для менее ответственных труб диаметром 530…820 мм и используемая в горячекатаном состоянии.

Сталь откорректированного состава (с увеличенным содержанием марганца до 1,15…1,55%) получила наименование 17Г1С. Исследования показали, что нормализованная сталь 17Г1С характеризуется более высоким сопротивлением образованию трещин и надрывов при жесткой пластической деформации, обладает низким температурным порогом хладноломкости, а также достаточно однородными механическими свойствами при статическом растяжении вдоль и поперек оси прокатки листа. После холодной деформации и старения ударная вязкость стали 17Г1С снижается, однако она остается все же на достаточно высоком уровне. Результаты широкого промышленного применения этой стали показали, что изготовление ее не вызывает технологических затруднений, а свойства листовой стали и готовых труб из нее достаточно стабильные. В связи с этим сталь 17Г1С долгие годы являлась основной для изготовления труб диаметром 1020 и 1220 мм.

В связи с необходимостью дальнейшего повышения вязких свойств стали 17Г1С были введены ограничения на содержание в ней серы и фосфора: не более 0,020 и 0,025% соответственно. Такая сталь получила название 17Г1С-У. Изменение содержания примесей позволило заметно повысить ударную вязкость. Газопроводные трубы стали изготовлять из стали 17Г1С и затем 17Г1С-У, что позволило значительно повысить их работоспособность и сократить число аварий на газои нефтепроводах, связанных с качеством основного металла.

Разновидностью стали 17ГС является сталь 12Г2С, разработанная для изготовления горячекатаных газопроводных труб диаметром 530, 720 и 1020 мм (взамен стали 14ГС). Сталь 14ГС не всегда обеспечивала стабильность механических и технологических характеристик. В стали 12Г2С повышено содержание марганца и кремния по сравнению со сталью 14ГС.

Рассмотренные стали с твердорастворным упрочнением можно отнести к первому поколению отечественных сталей для газои нефтепроводных труб большого диаметра. В зарубежных стандартах им соответствуют стали класса Х52 по API 5LX, содержащие углерода 0,20%, марганца до 1,35% с добавками ванадия 0,04…0,08% или ниобия до 0,04%. Сталь изготовлялась в основном нормализацией. Процесс нормализации обеспечивал гомогенность феррито-перлитной микроструктуры, а так как эти стали обычно имели минимальное содержание алюминия (около 0,020%), то достигалось некоторое измельчение зерна в готовом прокате по сравнению с горячекатаным. Эти стали упрочнялись в основном вследствие упрочнения перлитом.

4.1.2 Второе поколение трубных сталей

Накопленный опыт производства и применения сталей для газопроводных труб показал, что дальнейшее повышение их прочностных свойств с одновременным улучшением сопротивления разрушению только за счет увеличения содержания углерода и элементов, образующих твердые растворы замещения, не представляется возможным из-за резкого ухудшения вязкости, хладостойкости и свариваемости. Более высокие значения характеристик прочности и вязкости без снижения свариваемости оказалось возможным получить за счет карбидного или карбонитридного упрочнения, введением микролегирующих добавок ванадия, ниобия и азота. В результате реализации этих приемов в 1960;1970;е годы были разработаны низколегированные стали второго поколения для труб большого диаметра с временным сопротивлением, равным 540…600 МПа.

Концепции применения горячекатаного листа из микролегированной стали появились в конце 60-х годов, когда низкоуглеродистые высокопрочные низколегированные стали были впервые применены в системе трубопроводов на Великих Озерах (США).

На базе стали 17Г1С для спиралешовных труб была разработана сталь 17Г2СФ, содержащая 0,05% ванадия и 0,01…0,03% титана. Сталь 17Г2СФ характеризуется мелкозернистым строением — балл зерна 8…9. Она обладает хорошей технологичностью в трубном переделе (формовка, сварка по обычной технологии). Для более ответственного назначения разработана сталь 08Г2СФБ с временным сопротивлением 540 МПа. Для прямошовных труб разработана сталь 14Г2СФБ, содержащая до 0,04% ниобия. Уровень временного сопротивления у этой стали после нормализации составлял 550 МПа в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и хладостойкостью.

Особенно эффективным явилось повышение прочности за счет карбонитридного упрочнения. Трубные стали с карбонитридами ванадия (типа 17Г2АФ, 17Г2САФ, 14ГАФ-У, 15Г2АФЮ и др.) имеют различное содержание углерода, кремния, алюминия. В качестве обязательных микролегирующих элементов они содержат ванадий (0,05…0,12%) и азот (0,015…0,025%). Стали с карбонитридным упрочнением характеризуются повышенной мелкозернистостью и более развитой субзеренной структурой феррита, чем стали без карбонитридообразующих элементов. Важным качеством сталей с карбонитридным упрочнением является сохранение пластичности, вязкости и свариваемости на уровне сталей с твердорастворным упрочнением. Эти стали толщиной до 18−19 мм изготовлялись по технологии контролируемой прокатки с охлаждением на воздухе, причем полосчатая феррито-перлитная структура была типична для сталей после контролируемой прокатки, она вызывает анизотропию механических свойств вдоль и поперек направления прокатки, способствует развитию коррозионно-механических повреждений.

4.1.3 Третье поколение трубных сталей

В дальнейшем технические требования, предъявляемые к трубам, были существенно ужесточены и расширены: основными показателями были определены критерии, оценивающие сопротивление хрупкому и вязкому разрушениям — ударная вязкость на образцах с острым надрезом при -15°С должна составлять не менее 80 Дж/см2, доля волокнистой составляющей в изломе образцов DWTT — не менее 80%. Для решения новых задач потребовались и новые подходы к решению проблемы:

— минимизация количества неметаллических включений (оксидов и сульфидов) в стали путем проведения десульфурации передельного чугуна и ковшевой обработки металла, снизив содержание серы до 0,004−0,006%;

— использование измельчения зерна как основного механизма упрочнения в сочетании с дисперсионным и дислокационным упрочнением вместо упрочнения путем увеличения содержания углерода.

На практике получение мелкого зерна достигалось контролируемой прокаткой сталей, микролегированной карбонитридообразующими элементами — ванадием и титаном и наиболее сильно воздействующим на процессы торможения рекристаллизации ниобием. Многостадийный процесс контролируемой прокатки включает стадии нагрева, обжатия в широком диапазоне температур преимущественной области с последующим ускоренным охлаждением (контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением) и проводится с целью формирования мелкозернистой структуры с развитой субструктурой.

Эти стали относятся к третьему поколению конструкционных сталей для газопроводных труб большого диаметра.

Замена горячей прокатки с последующей нормализацией и контролируемой прокатки с охлаждением на воздухе контролируемой прокаткой с ускоренным охлаждением и понимание концепции технологии микролегирования способствовали созданию более прогрессивных марок сталей, что послужило основанием для всех последующих научных разработок. В сталях, полученных с применением контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, прежде всего, улучшены все показатели, характеризующие вязкость и пластичность, а именно: способность к пластической деформации в холодном состоянии при статическом и динамическом нагружении; ударная вязкость в области вязкого и смешанного разрушения; переходная температура хрупкого разрушения; свариваемость. Эти стали отвечали требованиям к сталям для газопроводных труб категории прочности Х65… Х70.

Сопротивление распространению вязких трещин в газопроводах является наиболее важным свойством, определяющим возможности применения особо прочных трубных сталей при высоких эксплуатационных давлениях. На протяжении последних десятилетий достигнуто понимание, что существующие методы оценки требуемой вязкости трубных сталей текущего производства достаточно надежны, однако их применимость для высокопрочных материалов нового поколения требует дополнительного анализа. К настоящему времени предпринято немало усилий для изучения особенностей поведения особо прочных сталей при высоком давлении и разработки более корректных методов оценок минимально необходимой вязкости. Тем не менее, новые методы находятся на стадиях достаточно далеких от завершения и принятия инженерным сообществом. В качестве промежуточного решения многие исследователи предлагают экспериментально найденные корректировки или уточнения для вновь разрабатываемых групп прочности трубных сталей. Такой подход не затрагивает коренным образом фундаментальные вопросы, связанные с остановкой протяженного вязкого разрушения, но дают определенные возможности для анализа и принятия предварительных инженерных решений.

4.1.4 Современные и перспективные трубные стали

Для современных штрипсовых марок стали, разработанных ЦНИИКМ «Прометей» и ОАО «Северсталь» в рамках государственного инновационного проекта «Магистраль», содержание серы и фосфора ограничено на достаточно низком уровне (таблица 4.1), содержание легирующих и микролегирующих элементов нормируется в узких пределах, дополнительно предъявляются требования по баллу неметаллических включений, размеру зерна, полосчатости структуры.

Таблица 4.1 Содержание серы и фосфора в стали категорий прочности от К60 до Х100 по проекту «Магистраль»

Присутствие в стали вредных примесей, таких как сера и фосфор, вызывает целый спектр явлений ухудшающих металлургическое качество стали, снижающих ее пластичность и вязкость, поэтому эффективное их удаление является первоочередной задачей внепечной обработки металла.

В отличие от десульфурации, удаление фосфора из металла до требуемых значений в условиях конвертерной плавки не представляет особых трудностей, поскольку фосфор активно окисляется и удаляется в шлак.

Обеспечение требуемого низкого содержания серы представляет собой сложный многофакторный процесс и достигается целым комплексом мероприятий, включая использование десульфурированного чугуна, глубокое раскисление металла, формирование высокоосновного шлака в сочетании с обработкой кальцийсодержащими материалами.

Применение десульфурированного чугуна является важным технологическим параметром для обеспечения низкой массовой доли серы в готовом металле.

Опыт ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», полученный при разработке и освоении производства судостроительных сталей, позволяет установить предельные значения серы в чугуне, обеспечивающие в процессе операций внепечной обработки получение требуемой массовой доли серы в готовом металле.

Другим негативным фактором, оказывающим влияние на металлургическое качество штрипсовых сталей, является содержание азота, с присутствием которого связано такое явление, как хладноломкость. Также азот ухудшает и некоторые другие свойства стали: понижает пластичность, снижает сопротивляемость коррозии под напряжением и магнитную проницаемость, увеличивает электросопротивление и способность к закалке.

В связи с этим, в готовом прокате штрипсовых марок стали к содержанию азота предъявляются достаточно жесткие требования (не более 0,007%). Для обеспечения такого низкого содержания азота в качестве дутья конвертора должен использоваться кислород с содержанием азота не более 0,10%, с расчетом получения на выпуске из конвертора не более 0,004% азота, предупреждая возможное увеличение его содержания в процессе внепечной обработки и разливки стали.

Для обеспечения высокого металлургического качества выплавляемой стали и в частности, для модифицирования неблагоприятных включений сульфида марганца MnS, присутствие которых существенно снижает пластичность стали.

Влияние химической неоднородности на механические характеристики, в частности, на снижение характеристик прочности и на расщепления в процессе разрушения обнаружено различными авторами.

При испытаниях на статический и динамический изгиб образцов натурной толщины из листовой стали, изготовленной с применением технологии термомеханической обработки (ТМО), на вязкой поверхности разрушения часто образуются протяженные расщепления. Подобные расщепления могут появляться на поверхности изломов цилиндрических образцов, испытанных на одноосное растяжение, и в малоразмерных образцах с острым надрезом, испытанных на ударный изгиб. Это явление, наряду с появлением участков хрупкого разрушения, вызывает опасение при использовании технологии ТМО, поскольку известно, что после контролируемой прокатки в листах марганцевой стали, как правило, формируется неравномерная полосчатая структура, способствующая коррозионному разрушению.

В работах высказывается предположение, что появление расщеплений в изломах вызвано анизотропией механических характеристик всех составляющих структуры, сформированной в стали при контролируемой прокатке. Показано, что в ферритно-перлитной стали, прокатка которой завершается в двухфазной области, расщепления, перпендикулярные поверхности разрушения, образуются за счет формирования феррита определенной ориентации.

Дендритная (химическая) неоднородность, при которой наследуется переменное содержание углерода и легирующих элементов в осях и межосных областях дендритов, также может приводить к образованию полосчатой структуры, вытянутой в направлении прокатки. Такая неоднородность структуры может сохраняться и после термической обработки.

Существенно влияют на свойства стали неметаллические включения, причем влияние на свойства оказывает не только объёмная доля включений, но и их распределение, морфология и размеры, определяемые технологией производства стали.

4.2 Требования к качеству трубных сталей

Рассмотрим требования, предъявляемые к характеристикам сопротивления материала труб хрупким и вязким разрушениям, оставив за пределами рассмотрения требования к характеристикам прочности и пластичности при растяжении и сопротивление материала труб коррозионным разрушениям.

Фактически, анализ первых протяженных разрушений, имевших место в США, явился отправной точкой в формировании требований к трубным сталям, методам их испытаний и в соответствующей эволюции технологий производства. Традиционно предотвращение возможности протяженных разрушений обеспечивалось выбором материала труб, гарантирующим вязкое поведение в заданном температурном интервале и способность останавливать протяженное разрушение в случае его инициирования. В табл. 4.2 приведены моменты, определившие направления эволюции сталей для газопроводов, с учетом явления протяженного разрушения. После открытия в 1943 г. явления хрупко-вязкого перехода в углеродистых сталях требования к величине ударной вязкости было применено к ряду свариваемых сталей, включая трубопроводные. Позднее для определения температуры хрупко-вязкого перехода DBTT (Ductile-to-Brittle Transition Temperature) и обеспечения гарантированного вязкого поведения в полноразмерном сечении институтом Бателли была разработана и введена в промышленную практику методика испытания падающим грузом (HnO-DWTT (Drop Weight Tear Test), которая по условиям, прежде всего, по скорости распространения, напряженному и деформированному состоянию были максимально приближена к условиям разрушения газопровода, что позволяло точнее определять характер поведения стали, чем при испытаниях на ударную вязкость.

Табл. 4.2 Моменты истории, определившие направления разработки высокопрочных сталей

4.2.1 Требования к работе удара образцов Шарпи

На основе анализа вязких разрушений газопроводов конце 60-х были сформированы подходы, основанные на величине энергии разрушения стандартных ударных образцов с острым надрезом по Шарпи. Они получили признание в результате практического применения при проектировании, строительстве и эксплуатации газопроводов, построенных на протяжении 30−40 лет. Прямой перенос методологии на новые особо высокопрочные трубы не дал положительных результатов, что подтверждено рядом полноразмерных испытаний групп прочности Х100 и Х120 [14,15].

Наиболее признанная и широко используемая в различных интерпретациях модель института Бателли была разработана на основе натурных экспериментов на рубеже 60−70- х годов 20-го века с трубами групп прочности Х52-Х65 с относительно невысокой ударной вязкостью и впервые опубликована в 1976 г. Этот, так называемый, подход «двух кривых» (Batelle Two Curves — ВТС) в настоящее время широко используется для определения уровня ударной вязкости, необходимого для предотвращения протяженного разрушения.

Для определения в соответствии с методом BTC требуемой для остановки трещины ударной вязкости сопоставляются зависимости «давление-скорость декомпрессии» и «давление — скорость распространение трещины», построенные эмпирическим путем. [16,17].

На базе метода ВТС были разработаны ряд подходов, позволяющих в зависимости от значений основных параметров газопровода (давления, диаметра, толщины стенки, группы прочности) рассчитывать (оценивать) минимальные значения вязкости по Шарпи, обеспечивающие остановку вязкой трещины. Широкое признание и отражение в последних международных стандартах (ISO 3183:2007) получили (табл.4.3) близкие к ВТС расчетные (оценочные) методы:

1 — По величине ударной вязкости, рассчитанной по формуле Американского института стали и чугуна (AISI);

2 — По величине ударной вязкости, исходя из упрощенной формулы института Бателли;

3 — По величине ударной вязкости на основании подходов Европейской группы по исследованию трубопроводов (EPGR).

Следует отметить, что значения, рассчитанные по данным методикам, соответствуют уровню вязкости, при котором не менее 50% труб в партии способны противостоять распространению трещины и высока вероятность остановки магистральной трещины в пределах значительного числа труб. Повышение фактической вязкости по сравнению с расчетной обеспечивает рост вероятности остановки в пределах фиксированного числа труб.

По результатам многочисленных экспериментов стало очевидно, что расчетные методы дают надежную оценку лишь для определенного класса труб и параметров их нагружения. Условной границей принято считать расчетное значение энергии разрушения 100 Дж, выше которого разброс поля допустимых и недопустимых значений существенно расширяется. Таким образом, относительно надежное вероятностное предсказание поведения материала труб большого диаметра для газопроводов высокого давления ограничено давлениями, марками прочности и не может быть распространено на перспективные трубы для проектов нового поколения без дополнительных исследований и корректировок.

Последнее в полной мере соответствует проекту нового газопровода Бованенково — Ухта, использующего трубы новой категории Х80, рассчитанные на давление 11,8 МПа. Ключевым вопросом в этом аспекте является проведение комплексных исследований, позволяющих определить совокупность свойств металла труб, минимально необходимых для обеспечения гарантии остановки вязких трещин в условиях эксплуатации проекта Бованенково — Ухта, отличающихся низкими температурами и высоким рабочим давлением.

4.2.2 Требования к материалам труб, основанные на ИПГ (DWTT) испытаниях

Как говорилось выше, испытания падающим грузом полнотолщинных поперечных образцов из труб были предложены в 60-х годах прошлого века, они также как испытания образцов Шарпи являются сдаточными заводскими испытаниями и нормируются спецификациями на штрипсы и трубы. Современными требованиями нормируется не менее 85% волокнистой составляющей в изломе образцов при температуре испытания -20°С. Для трубных горячекатаных сталей нормальной прочности применение этого вида испытаний не вызывает затруднений. Разрушение образца происходит с образованием классического излома с кристаллическими участками, ориентированными перпендикулярно поверхности образца, и участками вязкого излома на так называемых «губах среза». Для современных же сталей, полученных с применением контролируемой прокатки, при разрушении трубных сталей наблюдаются расщепления материала. В связи с этим, а также с высокой вязкостью материала, не удается при рабочих (не ниже -20°С) получить хрупкое разрушение под надрезом, что делает испытание некорректным. Кроме того, существуют проблемы, связанные с неоднозначностью оценки доли хрупкой и волокнистой составляющих в изломе образца при наличии в изломе расщеплений. Существует тенденция перехода к инструментированным испытаниям с измерением энергоемкости разрушения образцов ИПГ.

Подход к оценке требуемой минимальной вязкости, основанный на испытаниях падающим грузом (ИПГ или, что-то же самое, что DWTT) с замером удельной энергоемкости был предложен в работах Папка и Вилковского [15,16]. Такой подход, по мнению разработчиков, позволяет преодолеть проблему нарушения линейной корреляции между вязкостью по Шарпи и при ИПГ в «современных» сталях с высокой вязкостью. Близкий метод был разработан и применялся в СССР во ВНИИСТе, где было получено известное уравнение [10], связывающее диаметр (D), давление (p_p) и скорость разрушения (v) с полной энергоемкостью разрушения образца в кДж при испытаниях падающим грузом:

(1)

Проведенный анализ результатов испытаний современных трубных сталей различных групп прочности и сопоставление данных «остановка-развитие трещины — фактический уровень вязкости» позволил Вилковскому с соавторами на основе статистического анализа предложить ряд поправочных множителей, приведенных на рис. 4.2. Предложенный критерий по величине удельной энергии при ИПГ позволяет избежать необходимость введения каких-либо поправочных множителей, учитывающих повышение группы прочности. В то же время для сталей группы XI00 требуются значительные поправочные коэффициенты.

Рис. 4.1 Соотношение расчетных по методу ВТС значений энергии по Шарпи, необходимой для остановки трещины и измеренная вязкость труб, соответствующая распространению и остановке трещин при испытаниях с давлением газа более 10,3 МПа (C-FER Technologies, Канада).

Рис. 4.2 Сопоставление поправок к требованию по минимуму к вязкости для различных групп прочности (ЕМС², США) [18]

4.3 Требования к вязкости материалов труб на основе линейной и нелинейной механики разрушения

4.3.1 Линейная механика разрушения

При расчете конструкций с использованием в качестве параметров материала предела текучести или предела прочности предполагают применение материала с повышенной прочностью при одноосном нагружении. Однако практика показывает, что хрупкое разрушение твердого тела происходит при сравнительно малых пластических деформациях, поэтому удельная работа, совершаемая при пластическом течении материала, близка к нулю: такое разрушение характеризуется нестабильным распространением трещины в конструкции, то есть, если трещина начала расти, то система напряжений способствует ее ускоренному росту.

Существует много факторов, при воздействии которых твердые среды, подвергающиеся деформации и показывающие высокие деформационные свойства при обычном статическом нагружении, разрушается хрупко. Одним из важнейших среди них является неравномерность механических свойств в объеме материала, обусловленная технологическими особенностями изготовления изделия.

Хрупкое разрушение рассматривается как процесс преобразования накопленной упругой энергии деформируемого тела. Процесс разрушения состоит из двух стадий: зарождения и роста трещины. Условие полного разрушения включает условие распространения этой зародившейся трещины на соседний элемент. Микротрещина должна преодолеть границу зерна материала, а потому для начала разрушения необходимы гораздо большие напряжения, чем для его распространения. Существует номинальное напряжение, которое следует преодолеть, чтобы разрушение началось.

Начало разрушения конструкций обусловлено высокими локальными напряжениями и деформациями в местах концентрации напряжений. Необходимые расчетные зависимости для количественного описания напряженно-деформированного состояния в окрестности различных разрезов получены для статических задач линейной теории упругости в случае малых деформаций.

Процесс идет до полного разрушения, поскольку по мере развития трещины для ее роста необходимо все меньшее напряжение. Таким образом, концентрация напряжений является источником хрупкого разрушения тела при его деформировании.

Наличие трещины в теле существенно изменяет его напряженно-деформированное состояние и усложняет математическое описание. Именно математические трудности ограничивают возможности решения задач о равновесии идеально упругого тела с трещинами в основном плоскими задачами. Трещины принято имитировать идеальными бесконечно тонкими разрезами.

Механика разрушения рассматривает три типа трещин (рис. 4.3):

I — трещина нормального отрыва, здесь происходит растяжение плоскости с трещиной (а); этому типу задач соответствует клиновая дислокация;

II — трещина поперечного сдвига, здесь происходит разрез в поле сдвига (б); этому типу задач соответствует краевая дислокация;

III — трещина продольного сдвига, здесь происходит продольный сдвиг пространства с разрезом (в); этому типу задач соответствует винтовая дислокация.

Рис. 4.3 Виды трещин при разрушении Наибольший практический интерес представляют трещины нормального отрыва (тип I).

В механике разрушения наиболее важным параметром, характеризует интенсивность поля напряжений перед трещиной и учитывающим как геометрию трещины (ее тип и длину), так и вклад сил, приложенный к телу с трещиной, являются коэффициенты интенсивности напряжений. Они лежат в основе применения принципов линейной механики разрушения при расчетах на прочность и долговечность элементов конструкций.

Трещины Гриффитса

Критерии оценки предельного состояния трещин основаны на модели идеального хрупкого тела. Хрупким называют тело, разрушение которого происходит вследствие развития трещин. Местное разрушение в вершине трещины может перейти в самопроизвольное при выполнении определенного условия, сформулированного английским инженером и ученым А. Гриффитсом.

Гриффитс из энергетических соображений вывел следующее условие хрупкого разрушения для самопроизвольного распространения одиночной трещины в линейно упругом теле: разрушение произойдет, когда при обыкновенно малом удлинении трещины будет выделяться больше упругой энергии, чем это требуется для удельной энергии образования новых поверхностей трещины.

Таким образом, поверхностная энергия должна быть меньше освобождающейся упругой энергии, что возможно при достижении трещиной критической длины. Преимущество подхода Гриффитса состоит в том, что искомое соотношение получается без детального анализа процесса, из уравнения баланса энергии, составленного для нагруженной пластины с трещиной, поэтому применимость теории связана с существованием простого, независимого от пути нагружения, механизма разрушения и с отсутствием барьеров для распространения трещины.

Теория Гриффитса объясняет катастрофический характер хрупкого разрушения, огромные ускорения при движении трещин, невозможность остановить процесс роста трещины, если он уже прошел критическую точку. Были указаны те предельные размеры трещин, при которых материал еще сохраняет несущую способность при заданном напряжении. О правильности теории Гриффитса свидетельствуют его собственные эксперименты со стеклянными образцами и опыты других исследователей с различными хрупкими материалами, которые разрушаются, фактически, в упругой области.

Однако на применение соотношения Гриффитса накладывается ряд ограничений, поэтому оно не всегда пригодно для практического использования

4.3.2 Нелинейная механика разрушения

Для многих материалов не выполняется условие малости пластической области около острия трещины в деформированном теле. К числу таких материалов также относятся углеродистые и легированные стали. Их разрушению предшествует пластическое деформирование значительного объема материала в окрестности острия трещины. Подходы линейной механики разрушения становятся не применимыми, и используется нелинейная механика разрушения (НЛМР).

Одним из возможных подходов НЛМР является использование так называемого J-интеграла — энергетического контурного интеграла. В соответствии с этим подходом количество энергии, которую отдает тело при увеличении трещины на единицу длины, однозначно характеризует состояние тела с трещиной. Метод J-интеграла одновременно и независимо друг от друга предложен Г. П. Черепановым и Дж. Райсом.

Математическое выражение J-интеграла имеет вид:

_, (2)

где W — плотность энергии деформирования, то есть величина энергии на единицу объема; — поверхностная сила; — вектор перемещений; Г — область интегрирования.

J-интеграл можно трактовать как интенсивность высвобождения потенциальной энергии тела в процессе изменения длины надреза или трещины:

(3)

При выполнении определенных условий J-интеграл не зависит от контура интегрирования. Независимость J-интеграла от пути имеет важное значение для обоснованного его применения в качестве меры разрушения. С помощью J-интеграла можно вычислить напряжения и деформации в вершине трещины. Соответствующие формулы приводятся в различных литературных источниках.

Существуют различные методы вычисления текущих значений J-интеграла, например метод конечных элементов.

В соответствии с традиционной схемой применения МКЭ рассматриваемое тело с трещиной разбивают на конечные элементы и задают необходимые константы материала. Постепенно увеличивая нагрузку и удовлетворяя заданным граничным условиям, решают соответствующую упруго-пластическую задачу. На каждом шаге в необходимых точках вычисляются разные величины — перемещения, напряжения, деформации, энергия деформирования и др. С помощью этих величин разными способами вычисляется J-интеграл.

Другим параметром нелинейной механики разрушения, который является основным параметром, характеризующим сопротивление материала инициации хрупкого разрушения, является раскрытие вершины трещины CTOD. Испытания на CTOD являются достаточно трудоемкими, поэтому не являются сдаточными заводскими, но нормируются, например, Норвежским Веритасом для подводных трубопроводов при сертификационных испытаниях продукции и одобрении производства. Также, как и при испытаниях ИПГ образцов, при испытании CTOD современных вязких сталей, полученных с применением технологии контролируемой прокатки, имеются проблемы с оценкой значимости расщеплений.