Оценка остаточного ресурса газопроводов из стали х70 с учетом коррозионного растрескивания под напряжением

На правах рукописи

НАСИБУЛЛИНА ОКСАНА АЛЕКСЕЕВНА

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГАЗОПРОВОДОВ

ИЗ СТАЛИ Х70 С УЧЕТОМ

КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

Специальность 05.16.09 – «Материаловедение

(машиностроение в нефтегазовой отрасли)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа–2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Технология нефтяного аппаратостроения».

Научный руководитель доктор технических наук

Ризванов Риф Гарифович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович;

доктор технических наук

Аскаров Роберт Марагимович

Ведущая организация ГАНУ «Институт нефтегазовых технологий и

новых материалов», г. Уфа

Защита состоится 21 февраля 2012 года в 15-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 20 января 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Р.Г. Ризванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Нефтегазовые трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию механических напряжений и окружающей среды, что приводит к возникновению коррозионных и коррозионно-механических поражений. Наиболее опасным их видом для транспорта природного газа является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), которое зарождается на внешней катоднозащищенной поверхности трубы.

В настоящее время для повышения надежности магистральных газопроводов, подверженных КРН проводят переиспытания избыточным давлением жидкости или газа, так называемый стресс-тест, хотя его применение обосновано трудами ученых института Баттеля только для одиночных трещин. В очаге разрушения газопровода КРН приводит к образованию как одиночных трещин, так и их систем. Однако научное обоснование применимости одного из широко распространенных методов контроля КРН – переиспытание избыточным давлением (стресс-тест) для колонии трещин в настоящее время отсутствует. Также отсутствуют научно обоснованные методы оценки остаточного ресурса газопровода с такими дефектами. Поэтому исследование физико-механических характеристик металла очаговых зон с системой трещин, их взаимодействиz с окружающей средой, а также изучение процессов разрушения под действием статического и циклического нагружения являются актуальными.

Результаты работ, связанных с исследованием КРН, коррозионно-механического взаимодействия металла с окружающей средой, разрушением металла под воздействием статического и динамического нагружения, изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: И.Г. Абдуллина, Э.М. Гутмана, О.И. Стеклова, Р.М. Аскарова, А.Г. Гареева, Г.П. Черепанова, С.Г. Полякова, Р.Р. Фесслера, Ж.Ф. Кифнера, А.Р. Даффи, Р.Н. Паркинса, О.Н. Романива, Р.С. Зайнуллина, А.Г. Халимова, А.А. Шанявского, В.С. Ивановой и др.

Цель работы

Выявление закономерностей разрушения стали Х70 в очаговой зоне коррозионного растрескивания под напряжением и оценка на этой основе остаточного ресурса газопроводов.

Реализация поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:

1. Изучить физико-механические свойства и микроструктуру металла отказавших газопроводов. Установить характер развития трещин путем определения микротвердости и дислокационной структуры металла вблизи их вершин.

2. На основе определения напряженно-деформированного состояния металла внутри колонии трещин, оценить возможный характер его разрушения под действием внешних нагрузок.

3. Исследовать процессы, протекающие на границе раздела «металл – коррозионная среда», которые происходят без механического нагружения, при нагружении с постоянной скоростью деформации и циклическом нагружении.

4. Изучить характер разрушения металла трубы в области образования группы трещин при статическом и циклическом нагружении; оценить на этой основе остаточный ресурс газопровода, имеющего такой вид дефектов. Определить возможности стресс-теста для выявления дефектов металла в виде колонии трещин.

Научная новизна

1. Показано, что напряженно-деформированное состояние металла для системы трещин отличается от напряженно-деформированного состояния для одиночной трещины. При этом трещины внутри колонии не только энергетически взаимодействуют между собой, но и разгружают самую мелкую. Таким образом, механические напряжения, возникающие при проведении стресс-теста, не деформируют металл в вершине самой мелкой трещины колонии. Для таких трещин коррозионное растрескивание под напряжением будет развиваться и после переиспытаний.

2. Обнаружено, что для протекания КРН при нормальных температурах необходимо преодоление большего энергетического барьера, чем при повышенных температурах. Получены аналитические зависимости термодинамической устойчивости стали Х70 в коррозионной среде при статическом и циклическом нагружении.

3. Разработан научно обоснованный метод расчета остаточного ресурса металла трубопровода, имеющего систему трещин в очаговой зоне разрушения, позволяющий определить остаточный ресурс труб при воздействии циклических нагрузок в зависимости от глубины трещин и величины растягивающих напряжений.

Практическая значимость

Разработана методика определения остаточного ресурса газопровода в условиях циклического нагружения, имеющего как одиночные, так и множественные трещины, позволяющая прогнозировать время до его разрушения.

Особенности распределения твердости вблизи системы трещин применяются при выявлении потенциально опасных участков на предприятии ООО НПВП «Электрохимзащита». На этом же предприятии используются результаты механохимических исследований, полученные в работе, при диагностическом обследовании нефтегазовых трубопроводов.

Разработанная методика по расчету остаточного ресурса используются при проведении практических и лабораторных работ в УГНТУ при подготовке инженеров, бакалавров и магистров по следующим дисциплинам: «Механика разрушения конструкционных материалов» в рамках подготовки инженеров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств», специализации «Техника антикоррозионной защиты оборудования и сооружений»; «Теория коррозии и защиты металлов» при подготовке бакалавров по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» по профилю «Машины и аппараты химических производств»; «Разрушение конструкционных материалов в коррозионных средах» в рамках подготовки магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» по программе «Антикоррозионная защита оборудования и сооружений».

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, конкурсах, конгрессах: 62, 63-ая студенческая научная конференция, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина «Нефть и газ – 2008, -2009» (Москва, 2008, 2009); IX научно-практическая конференция молодежи «Северные МН», (УГТУ, Ухта, 2008); Международная научная конференция «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (Москва, 2009); 60, 61, 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2009, 2010, 2011); Международная молодежная научная конференция «XVII Туполевские чтения» (Казань, 2009); Всероссийский научно-практический семинар «Энергоэффективность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (Салават, 2010); XVII Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносера XXI века» (Севастополь, Украина, 2010); Международная конференция «Фундаментальные основы коррозии материалов и защиты металлов от коррозии», посвященная памяти Г.В. Акимова (Москва, 2011); Международная научно-практическая конференция «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2011); II международная научная конференция «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (Орск, 2011).

Публикации

Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (115 наименований), основных выводов и одного приложения. Работа содержит 123 страницы, включает 43 рисунка, 12 таблиц.

краткое содержание работы

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулирована цель и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных проблемам КРН магистральных газопроводов; разрушению металла очаговых зон, имеющих колонию трещин, под действием статических и циклических нагрузок в присутствии коррозионной среды; оценке остаточного ресурса.

КРН является основной причиной разрушения магистральных газопроводов и характеризуется рядом признаков. КРН возникает на прямо - и спиралешовных трубах, изготовленных из сталей ферритно-перлитного класса при работе системы катодной защиты. Величина общего защитного потенциала в месте отказа составляет от минус 0,9 до минус 2,0 В по медносульфатному электроду сравнения (МСЭ). Случаи КРН имеют место в различных грунтах. Растрескивание начинается с внешней поверхности трубы. Трещина имеет U-образную форму и ориентирована вдоль образующей трубы, которая в сечении представляет собой ветвящуюся межкристаллитную трещину, на стенках ее имеются отложения карбонатов и магнетита. КРН возникает в местах отслоений противокоррозионной изоляции, часто, вдоль нижней образующей трубы в пределах сравнительно широкого коридора. Отсутствует явная привязанность трещин к концентраторам напряжения. Перечисленные признаки отличают КРН от разрушений, вызванных водородным охрупчиванием мягких сталей, наблюдаемых, в частности, при наличии протекторной защиты металлопластовых труб, транспортирующих сероводородсодержащую среду.

В настоящее время одним из основных методов диагностики КРН является переиспытание участков магистральных газопроводов избыточным давлением жидкости или газа (стресс-тест). Однако этот метод научно обоснован и рассчитан на выявление одиночных трещин. На практике в очаговых зонах разрушения может находиться не одна трещина, а целая система, для которых научные обоснования применения переиспытаний избыточным давлением отсутствуют.

В литературе отсутствуют данные о распределении микротвердости, напряженно-деформированного состояния, термодинамической устойчивости стали вблизи колонии трещин. Также нет методики оценки остаточного ресурса.

Во второй главе приведены результаты исследований металла отказавшего газопровода Западной Сибири. Химический состав и механические свойства стали соответствовали сертификату качества и требованиям к стали группы прочности X70 по API 5L. Образец, отобранный из очаговой зоны разрушения, имел 4 глубоких трещины (рисунок 1), характерных для КРН.

Рисунок 1 – Колония трещин у поверхности образца из стали Х70

Металлографические исследования проводились с помощью микроскопа ЛОМО ЕС типа «МЕТАМ РВ – 21 -1» после травления в насыщенном спиртовом растворе пикриновой кислоты. Микроструктура стали вдали от трещин феррито-перлитная с соотношением феррит : перлит 1:1,4 (рисунок 2) с характерной для стали группы прочности Х70 строчечностью прокатки. Металл плотный без расслоений. Участки металла, имеющие отклонения микроструктуры не были обнаружены.

Рисунок 2 - Микроструктура стали Х70 вдали от трещин, 200			Рисунок 3 - Сульфидные включения в стали Х70, 100

В работах ряда авторов высказывается гипотеза о том, что КРН связано с местами сегрегаций сульфидных включений. Поэтому было определено их количество и распределение с помощью метода серных отпечатков (Бауманна). Отпечатки изучались с помощью стереоскопического микроскопа типа МБС-10. Фотография одного из таких отпечатков приведена на рисунке 3. Количество сульфидных включений соответствовало 1 – 2 баллу по ГОСТ 1778-70 (ИСО 4967-79), что является допустимым для стали Х70. Следует отметить, что их количество примерно одинаково как в вершине трещины, так и вдали от нее. Это свидетельствует о том, что они не оказывают влияния на КРН.

Для определения характера развития трещин были проведены металлографические и электронно-микроскопические исследования металла в их вершинах.

Электронно-микроскопические исследования дислокационной структуры металла вблизи вершины трещины проводились с помощью метода тонких фольг. Образцы исследовались на электронном микроскопе типа JEM-2000 (ускоряющее напряжение 160 кВ). Их результаты приведены на рисунке 4. Вблизи вершины трещины наблюдаются скопления дислокаций, свидетельствующие о высокой величине пластической деформации, что характерно для коррозионно-механического разрушения.

Рисунок 4 - Скопление дислокаций у вершины трещины ( 30000)

Результаты металлографических исследований приведены на рисунке 5. Как видно из приведенного рисунка, наблюдается ветвление трещин, что характерно для КРН.

а	б
в	г
Рисунок 5 – Микроструктура стали Х70 у четырех наиболее крупных трещин, изображенных на рисунке 1 ( 300)

Ранее проведенные в УГНТУ исследования микротвердости одиночной трещины на стали Х70 (рисунок 6) показали, что она не изменяется, кроме областей, непосредственно примыкающих к поверхности разрушения. Это является существенным отличием КРН от водородной хрупкости. Аналогичное распределение микротвердости обнаружено и для рассмотренной в работе колонии трещин (рисунок 7). Исследования проводились на микротвердомере типа ПМТ-3М с нагрузкой 100 г.

Рисунок 6 – Распределение микротвердости в очаговой зоне разрушения (одиночная трещина)		Рисунок 7 – Распределение микротвердости в очаговой зоне разрушения (колония трещин)

Как видно из приведённых графиков, микротвердость в вершине одиночной трещины выше, чем в трещинах колонии. Это, по-видимому, связано с меньшим воздействием колонии трещин на напряжено-деформированное состояние металла по сравнению с одиночной трещиной. Наблюдаемое увеличение микротвердости связано с высокой плотностью дислокаций вблизи поверхности разрушения (рисунок 5). Сравнительные расчеты, выполненные для системы из 3 трещин и для одиночной трещины (толщина стенки 17 мм, расстояние между трещинами 3 см, глубина трещин 8 мм, напряжение 395 МПа (0,7т)), показали, что для системы трещин коэффициент интенсивности напряжения составил 44 МПа·, а для одиночной трещины 69 МПа·.

Это свидетельствует о том, что одиночная трещина является более опасной по сравнению с группой. Однако в колониях, как правило, глубина трещин не одинакова. Поэтому для рассмотренного в работе случая было проведено компьютерное моделирование с помощью программного комплекса ANSYS. Использовался плоский конечный элемент PLANE 182 с четырьмя узлами, имеющими две степени свободы в каждом узле. Задача решалась в упругой постановке. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 – Напряженно-деформированное состояние металла

у вершин трещин в колонии

Видно, что в колонии трещин наблюдается их взаимодействие, что привело к перераспределению напряжения. Однако наибольшая интенсивность напряжения отмечается в вершине наиболее глубокой трещины. Это подтвердилось рассмотренными ниже разрушениями натурных образцов. Трещины внутри группы не только взаимодействуют, но и разгружают самую мелкую трещину. То есть механические напряжения, возникающие при проведении стресс-теста, не деформируют металл в вершине такой трещины и, соответственно, не влияют на стабильное развитие КРН. Для таких трещин КРН будет развиваться и после переиспытаний, что наблюдается на практике.

Для изучения процессов, происходящих на границах раздела «металл – электролит» снимались потенциодинамические поляризационные кривые на образце, вырезанном вблизи колонии трещин и помещенном в трехэлектродную электрохимическую ячейку. Ячейка подключалась к потенциостату типа IPC PRO M (рисунок 9). Исследования проводились при температурах 25 С, 40 С и 70 С. В качестве электролита был выбран раствор 1н. NaCO3 + 0,5н. NaHCO3, наиболее часто используемый при моделировании КРН. В качестве вспомогательного электрода использовалась платина, а электрода сравнения - хлорсеребряный электрод (ХСЭ). Результаты исследований приведены на рисунке 10.

Рисунок 9 – Установка для снятия поляризационных кривых			Рисунок 10 –Поляризационные кривые для стали Х70, снятые вблизи системы трещин