CC BY
55
УДК 620.18:621.643.23
ДЕГРАДАЦИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР
© А.С. Сыромятникова
Ключевые слова: магистральный газопровод; длительная эксплуатация; структура; свойства.
Показано, что при длительной эксплуатации в условиях низких климатических температур в металле труб магистрального газопровода протекают структурно-деградационные процессы, которые приводят к ухудшению его механических свойств.
Магистральные газопроводы (МГ) Республики Саха (Якутия) являются уникальными металлоемкими конструкциями, которые проложены и эксплуатируются в зоне распространения вечномерзлых грунтов. Анализ данных за время эксплуатации газопровода «СВГКМ-Мастах-Берге-Якутск» указывает на наличие положительной динамики аварийности МГ и повышения риска катастрофического разрушения МГ с увеличением срока их эксплуатации [1-2]. В работе проведено исследование физико-механических характеристик, микроструктуры и тонкой структуры металла труб МГ диаметром Б = 530 мм (сталь 09Г2С), хранившихся в полевых условиях (аварийный запас), и после длительной (около 30 лет) эксплуатации в составе действующего магистрального газопровода Мастах-Берге-Якутск.
Испытания на ударный изгиб образцов с Ц-образ-ным надрезом проводились при комнатной и пониженной температурах на инструментированном маятниковом копре. Критическая температура хрупкости оценивалась по доле вязкой составляющей излома как Т50. Характеристики сопротивления разрушению исследованных металлов приведены на рис. 1.
Сталь исследованных труб имеет ферритно-перли-тную, мелкозернистую структуру, перлит пластинчатый, с толщиной пластин 70-125 нм и расстоянием между пластинами 150-300 нм. Средний размер фер-ритных зерен исследованных металлов составляет 1,52 мкм, что соответствует минимальному стандартизованному баллу зерна - 14 по ГОСТ 5639-82. Содержание и характер размерного и объемного распределения перлита в исследованных металлах различаются: в металле трубы из аварийного запаса перлит составляет 15 %, образует обособленные колонии (рис. 2а), распределение по размерам близко к нормальному (рис. 3); в металле трубы после длительной эксплуатации содержание перлита равно 10 %, перлитные колонии мелкие (рис. 3), располагаются преимущественно на межзеренных границах (рис. 2б).
Исследование тонкой структуры металла труб методом просвечивающей электронной микроскопии показало следующее (рис. 4, 5).
В металле трубы из аварийного запаса наблюдается хаотичное, равномерное расположение дислокаций в
1746
теле ферритных зерен, клубковые сплетения дислокаций с высокой плотностью (рис. 4а).
Температурная зависимость ударной вязкости
Температура !,0
а)
Температурная зависимость отношения работы распространения Ар трещины к работе ее зарождения Аз при испытаниях на ударный изгиб, Ар / Аз
д Металл трубы из аварийного I Металл трубы после эксплуатации
Температура Т0, С
б)
^Металл трубы из резервного
Температура Т0, С
в)
Рис. 1. Температурные зависимости ударной вязкости металла труб (а), отношения работы распространения трещины А,, к работе ее зарождения Аз при ударных испытаниях (б) и определение критической температуры хрупкости Т50 (в)
Металл трубы после длительной эксплуатации
При длительной эксплуатации происходит эволюция дислокационной субструктуры стали - уменьшение скалярной плотности дислокаций и переход к формированию более упорядоченной, стабильной сетчатой структуры (рис. 4б).
а)
б)
Рис. 2. Пространственное распределение перлита в металле труб из аварийного запаса (а) и после длительной эксплуатации (б) (атомно-силовая микроскопия)
Нз ЗЯОЗСЯ
Рис. 3. Размерное распределение перлита в металле труб
Длительная эксплуатация приводит к деформации (рис. 5а) и разрушению цементитных пластин перлита, проходящей поперек пластин (рис. 5б). В исследованных металлах наблюдаются округлые выделения второй фазы. Размеры наблюдающихся в металле трубы из аварийного запаса выделений составляют 60-70 нм, в металле трубы после длительной эксплуатации - 40160 нм.
Рис. 4. Дислокационная субструктура зерен феррита металла труб из аварийного запаса (а) и после длительной эксплуатации (б)
Рис. 5. Деформация (а) и разрушение (б) перлитных колоний металла трубы после длительной эксплуатации
Таким образом, исследования на различных структурных уровнях металла трубы после хранения в полевых условиях и эксплуатации в составе МГ Республики Саха (Якутия) показали, что при длительной эксплуатации в условиях криолитозоны на нанометровом масштабном уровне протекают следующие структурно-дегра-дационные процессы: деформация и разрушение цементита в перлитных колониях, эволюция дислокационной субструктуры и образование карбидных выделений в объеме ферритных зерен. Эти процессы на микроуровне приводят к уменьшению содержания и изменению характера размерного и объемного распределения перлитных колоний, изменению микротвердости фазовых составляющих стали, на макроуровне - к деградации его механических свойств: снижению параметров сопротивления разрушению (ударной вязкости, работы зарождения трещины), к значительному понижению характеристик, отражающих сопротивление хрупкому разрушению - критической температуры хрупкости и отношения работы распространения трещины к работе ее зарождения в диапазоне климатических температур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Большаков А.М., Голиков Н.И., Сыромятникова А.С. и др. Разрушения и повреждения при длительной эксплуатации объектов нефтяной и газовой промышленности // Газовая промышленность. 2007. № 7. С. 89-91.
2. Алексеев А.А., Сыромятникова А.С., Большаков А.М., Иванов А.Р. Катастрофические разрушения трубопроводов и резервуаров с ветвлением трещины // Безопасность труда в промышленности.
2013. № 1. С. 42-44.
БЛАГОДАРНОСТИ: Часть исследований проведены на оборудовании Арктического инновационного центра Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова» (атомно-силовая микроскопия) и Центра коллективного пользования «Наноструктуры» при Институте физики полупроводников им. А.В. Ржа-нова СО РАН (просвечивающая электронная микроскопия).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
1747
Syromyatnikova A.S. DEGRADATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL CONDITION OF GAS PIPELINE METAL DURING LONG OPERATION AT LOW CLIMATIC TEMPERATURES
It is shown, that at long operation in the conditions of low climatic temperatures processes of structural degradation in the gas
pipeline metal proceed which lead to deterioration of its mechani cal properties.
Key words: main gas pipeline; long operation; structure; properties.
УДК 669.539.67
МАГНИТНОЕ ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ В ДИАМАГНИТНОМ БЕРИЛЛИИ
© Е.И. Курек, И.Г. Курек, А.В. Олейнич-Лысюк, Н.Д. Раранский
Ключевые слова: диамагнитный бериллий; отношение скоростей движения дислокаций; магнитное последействие.
Изучено изменение скоростей движения дислокаций в магнийтермическом бериллиевом конденсате в процессе магнитного последействия. Обнаружен сложный характер их изменения с температурой и временем после магнитной обработки слабым постоянным магнитным полем. Высказано предположение о том, что немонотонное поведение как температурных, так и температурно-временных зависимостей V^ / У0 в процессе старения указывает на несколько механизмов магнитного последействия в конденсате Ве, протекающих одновременно.
Открытие магнитопластического эффекта (МПЭ) в диамагнитных кристаллах привело к появлению новой ветки в физике пластичности - спиновой микромеханики. До сих пор ученые не могут точно назвать причины возникновения МПЭ в диамагнетиках, к тому же слабо изучены процессы магнитного последействия в них [1]. МПЭ проявляется в изменении твердости, ползучести, внутреннего трения и других свойств материала, поэтому в данной статье, изучая упругие и неупругие свойства диамагнитного бериллия, мы попытались исследовать особенности магнитного последействия в нем.
Поликристаллический магнийтермический берил-лиевый конденсат (МТК Ве, 99,95 % Ве) в виде параллелепипедов размером 1x1x100 мм троекратно обрабатывали слабым постоянным магнитным полем (МП) индукцией В ~ 0,005-0,04Т. Во время магнитных экспозиций и после них были сняты температурные зависимости эффективного модуля сдвига и низкочастотного (~1 Гц) внутреннего трения. По методике, описанной в [2, 3], рассчитали отношения скоростей движения дислокаций до и после магнитной обработки. На основе рассчитанных отношений скоростей построили их температурные и температурно-временные зависимости.
Анализируя температурные зависимости отношения скоростей движения дислокаций после последней магнитной экспозиции Уфу к скорости движения У0 до влияния на образец МП (Уц / У0), эмпирически установили сложный степенно-логарифмический характер УаМ
1 (Т), к которому при температурах выше ~60 °С
У0
подключается еще и экспоненциальная зависимость.
На рис. 1 представлены температурно-временные срезы Уфф / У0 МТК Ве в процессе старения при нагревании (рис. 1а) и охлаждении (рис. 1Ь)
Рис. 1. Температурно-временные срезы отношений скоростей движения дислокаций Vфf / V0 в процессе старения: а - нагревание (1 - 38 °С, 2 - 47 °С, 3 - 57 °С, 4 - 69 °С, 5 - 84 °С, 6 - 96 °С, 7 - 103 °С); Ь - охлаждение (1 - 40 °С, 2 - 48 °С, 3 - 56 °С, 4 - 67 °С, 5 - 78 °С, 6 - 90 °С, 7 - 108 °С)
1748
