5.4.98. Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых трубопроводных систем газоснабжения

Основными объектами систем газораспределе­ния и газопотребления являются трубопроводы, проложенные в черте городов и населенных пунк­тов. Несмотря на то что эти газопроводы находят­ся под редуцированным давлением, они работают в весьма сложных условиях: соседствуют с подзем­ными коммуникациями множественного назначе­ния, могут пересекаться автомобильными и желез­ными дорогами и т. п. В результате возникает ин­тенсивное поле блуждающих токов, происходят колебания грунта, вызывающие циклические на- гружения.

Из года в год растет доля длительно эксплуати­руемых (более 40 лет) газопроводов. Вывод из экс­плуатации таких "старых" трубопроводов является нереальным, а продолжение дальнейшей безопас­ной эксплуатации связано с разработкой научно- технических мероприятий.

Применительно к трубопроводам системы газо­снабжения исследования по определению реаль­ного физического состояния металла труб отсутст­вуют.

Стандартные испытания пределов текучести ст_т и прочности а_в не обнаруживают снижения проч­ностных свойств. Поэтому определить закономер­ности деградации механических свойств металла газопроводов в процессе длительного нагружения возможно лишь на основе изучения тонкострук­турных изменений и использования чувствитель­ных к этим изменениям методов испытаний.

В статье приводятся конечные результаты об­ширных экспериментальных исследований изме­нения механических свойств и тонкой структуры углеродистых и низколегированных сталей, широ­ко применяемых для сооружения трубопроводов газового хозяйства. Теоретические обобщения вы­полнены на основе полученных данных экспери­ментов и использования известных положений, ранее проведенных другими авторами фундамен­тальных исследований.

Для определения снижения пластичности ме­талла был применен метод расхождения берегов концентратора напряжений [1]. С использованием этого метода установлено, что потеря пластично­сти газопроводной стали 17ГС за 36 лет эксплуа­тации составляет 8...10 %.

Изменения показателей прочности металла га­зопроводов определяли проведением длительных испытаний образцов из сталей СтЗ, Ст4, Ст20, 17ГС на специально сконструированной установ­ке рычажного типа [2]. Испытывали одновремен­но попарно два образца — деформационно-соста- ренный и отожженный. Отжиг образцов произво­дили при температурах 600...650 °С в течение 1 ч для снятия эффекта старения.

Образцы после отжига выдерживают напряжения, близкие к пределу текучести, сколь угодно долго находясь под нагрузкой, а деформационно-состаренные — разрушаются при этих напряжениях.

Результаты этих экспериментов однозначно по­казывают на деградационные изменения механи­ческих свойств металла.

Выполненные в работе исследования диффузи­онно-дислокационных процессов элекгронно-мик- роскопическими методами и обзор ранее проведен­ных теоретических и экспериментальных исследо­ваний на сталях и сплавах, особенно последних исследований на металле магистральных нефтепроводов [3], позволили сформулировать стадий­ный характер зарождения и эволюции тонкострук­турных изменений в металле газопровода.

Объектом исследований были трубы из Ст20, которые прослужили в течение 42 лет в контакте с городскими коммуникациями и подверглись циклическому нагружению.

Несущую способность образцов оценивали па­раметром истинного напряжения (5_К) как более чувствительного к структурным изменениям.

В начале (стадия I) под действием циклических нагрузок происходят усталостные процессы, затем (стадия II) происходит деформационное старение.

Электронно-микроскопические снимки показали содержание перлитных зерен в исходном состоянии металла примерно 15 %, состоящих из регулярно расположенных цементитных пластин и ферритных прослоек между ними. В процессе длительной эксплуатации произошло дробление (распад) це­ментитных пластин на отдельные фрагменты. За 42 года эксплуатации произошел распад примерно 30 % цементита.

Механизм распада цементита связан с движением дислокаций. Дислокации, которые генерировались и, находясь в движении, пересекали перлитные зерна, вызывают дробления пластинок цементита. При распаде цементита происходит освобождение части атомов углерода. При этом примерно 10 % атомов углерода уходит в тетраэдрические пустоты объемно-центрированных кубических решеток (ОЦК) феррита, а часть атомов скапливается на границах зерен, где с атомами марганца, хрома и железа образуют зародыши новых карбидных частиц. Эти процессы, с одной стороны, приводят к упроч­нению локальных областей металла труб, а с дру­гой — уменьшают силы связи между структурными составляющими металла труб, которые приводят к уменьшению значения истинного напряжения, необходимого для разрушения образцов.

Деформационное старение сопровождается в тру­бопроводных сталях блокировкой дислокации при­месными атомами, образованием зародышей но­вых карбидных частиц, уходом части атомов угле­рода в тетраэдрические пустоты ОЦК — решетки феррита и другими изменениями тонкой структуры.

Процессы усталости и деформационного старе­ния сопровождаются соответствующими структур­ными изменениями металла труб, при этом лока­лизуются дополнительные напряжения в структур­но неоднородных областях.

Образование дополнительных напряжений свя­зано с эволюцией дислокационных структур и уве­личением плотности дислокаций. Дислокацион­ная структура изменяется от сетчатой до клубковой, а в некоторых случаях образуется полосовая структура — вестник образования микротрещины в металле.

На электронно-микроскопических снимках ис­следованных сталей наблюдаются изгибные дефор­мационные контуры. Их возникновение связано с накоплением избыточной плотности дислокации одного знака [3]. Если в отожженных образцах из­гибные контуры встречались только в отдельных зернах, то после 16...19 лет эксплуатации плотность их резко возрастает. После 31 года они имеются практически в каждом зерне.

Последствия усталостных процессов и деформа­ционного старения обусловливают в дальнейшем (стадия III) протекание процессов замедленного разрушения, представляющего собой постепенное снижение прочности металла под действием дол­говременной постоянной нагрузки при нормаль­ных температурах [5].

Длительные испытания образцов из сталей 17ГС и СтЗ, прослуживших соответственно 36 и 48 лет, при напряжениях, близких к пределу текучести, показали, что образцы после отжига выдерживают эти нагрузки. Деформационно состаренные образ­цы разрушались все до единого.

При замедленном разрушении происходит даль­нейшее уменьшение значения истинных напряже­ний. Причиной замедленного разрушения являет­ся ослабление сил связей между зернами. Это слу­чается на таких границах зерен, где произошло образование зародышей новых карбидных частиц, скопление атомов кремния и других примесных элементов.

С учетом комплекса происходящих усталост­ных процессов деформационного старения и за­медленного разрушения разработана методика оп­ределения остаточного ресурса безопасной экс­плуатации газопроводов.

С тепень состаренности металла С_с определяется отношением коэффициента упрочнения Ку к ко­эффициенту деформационного старения С^

где Стц — предел прочности металла эксплуатирован­ной трубы; сг_в — предел прочности металла в ис­ходном (отожженном) состоянии.

Значения К_у зависят от времени нагружения и изменяются в пределах от 1,0 до 1,2.

Д ля определения коэффициента С_с использова­ли данные по испытанию металла труб циклическим нагружением. Значения параметра С_с определяли с помощью формулы

где И_к — число циклов к моменту разрушения ис­ходного (отожженного) образца; п — число цик­лов, которое металл набирает при эксплуатации; Ы_с — число циклов к моменту разрушения образца состаренного металла.

Остаточный ресурс определяется временем даль­нейшей безопасной эксплуатации газопроводов:

где !_э — время эксплуатации до проведения испы­тания, лет; /_и — время разрушения исходного (ото­жженного) образца, лет;

где Л^ — число циклов нагружения газопровода за 1 год. В приведенных ниже расчетах по данным практики его значение принято равным 500 цик­лам в год.

Заменив в формуле (4) значение С_д приведен­ными параметрами в формулах (1—3), получим уравнение для расчета остаточного ресурса в годах:

В качестве примера в таблице приведены ре­зультаты расчета остаточного ресурса металла га­зопровода из стали 17ГС после 20 и 35 лет экс­плуатации с использованием экспериментально определенных значений параметров, входящих в формулу (6).

Выводы

• В металле труб системы газоснабжения, ис­пытывающего действия длительных эксплуатаци­онных нагрузок, происходят стадийные тонкост­руктурные изменения, связанные с диффузионно- дислокационными процессами и приводящие к деградациям механических свойств металла, оп­ределяющих несущую способность газопроводов.

• В начале происходят усталостные процессы при циклических нагрузках, затем — деформаци­онное старение, обусловливающие в дальнейшем развитие процессов замедленного разрушения. До­полнительные напряжения, снижающие силы меж- зерных связей, создаются за счет генерации дисло­каций и эволюции дислокационной структуры (начиная от сетчатой, кончая клубковой), образо­вания изгибных контуров и роста карбидных час­тиц на границах зерен и полосах скольжения внут­ри кристалла.

• Разработана методика определения остаточ­ного ресурса газопроводов (времени последующей безопасной эксплуатации) с учетом процессов, вызывающих деградационные изменения свойств металла труб. Выполненные расчеты по этой ме­тодике показывают, что даже после длительной эксплуатации остается еще безопасный ресурс ра­ботоспособности трубопроводов системы газо­снабжения.