CC BY
17
УДК 620.178.746.22
Экспериментальное обоснование нового подхода к оценке степени опасности механических дефектов на магистральных газопроводах
Н.Д. Лаврентьев1*, И.В. Максютин1, С.И. Погуляев2
1 Инженерно-технический центр ООО «Газпром трансгаз Ухта», Российская Федерация, 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Сосновая, д. 4
2 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., no. Ленинский, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, зд. 15, стр. 1
* E-mail: lavrentev_nd@spg.gazprom.ru
Ключевые слова:
механическое повреждение, риска, задир,
ударная вязкость, оценка степени опасности, пластические деформации.
Тезисы. На сегодняшний день опубликовано много работ, где рассматриваются различные типы дефектов, однако только малое количество из них посвящено изучению дефектов такого типа, как механическое повреждение.
В ходе обследования металла труб в зоне дефектов типа механического повреждения установлено, что на дне дефекта практически всегда имеются трещиноподобные дефекты. Из этого следует вывод, что для оценки опасности механических повреждений на трубопроводах можно использовать методики, которые в настоящий момент применяются для оценки степени опасности трещин. Но крайне важно учитывать характерные изменения, происходящие в металле при возникновении механических дефектов, так как их появление связано с пластическими деформациями в металле, которые изменяют его трещиностойкость.
Одной из основных характеристик трещиностойкости металла является ударная вязкость. Для изучения закономерностей изменения ударной вязкости при возникновении пластических деформаций в металле проведен ряд обследований на образцах с искусственно созданной пластической деформацией и на образцах с реальными механическими повреждениями.
Для оценки работоспособности, прочности и долговечности труб с дефектами используются различные детерминированные и вероятностные подходы. Обнародованы инструкции, методики и рекомендации для оценки работоспособности и ресурса трубопроводов с различными типами дефектов. На данный момент большое количество работ посвящены изучению работоспособности труб с такими повреждениями, как коррозионная потеря металла, стресс-коррозионный дефект, трещина, вмятина, различные дефекты сварного шва. Гораздо реже встречается информация о таких механических повреждениях (МП) трубопроводов, как риска, задир и т.д.
При статистическом анализе дефектов, выявленных по результатам внут-ритрубной диагностики в период с 2018-го по 2020 г. в зоне ответственности ООО «Газпром трансгаз Ухта», установлено, что на долю МП приходятся 2 % от общего количества дефектов (рис. 1), однако согласно методике оценки их опасности [1] львиная доля выявленных МП относится к категории недопустимых дефектов без расчетной оценки в связи с ограничениями геометрических параметров рассматриваемых дефектов. Таким образом, среди общего количества недопустимых дефектов на долю МП приходится 41 % (рис. 2). Вместе с тем доля аварийных разрушений, связанных с МП, составляет не более 17 %, по данным Ростехнадзора с 2010-го по 2017 г. [2].
Все вышесказанное побуждает эксплуатирующие организации разрабатывать новые подходы, которые бы позволяли проводить оценку степени опасности МП без ограничений по геометрическим параметрам.
Анализ особенностей металла в зоне МП показал, что на дне дефектов данного типа зачастую имеются трещиноподобные дефекты, которые в основном имеют продольную ориентацию относительно оси трубопровода (рис. 3). Также в ходе фрак-тографического обследования излома при разрушении трубопровода вследствие МП выявлен ступенчатый характер и хрупкий вид излома (рис. 4). Это свидетельствует
о том, что разрушение проходило по хрупкому механизму развития трещины.
При проведении металлографического обследования выявлено, что в зоне механического повреждения зёрна металла имеют вытянутую форму, а также на дне МП присутствуют микротрещины (рис. 5). При возникновении механических дефектов в металле трубы происходят пластические деформации. Наиболее важными следствиями данного процесса являются эффекты упрочнения и охрупчивания, так как в металле возникает явление наклепа [3].
Из всего вышесказанного следует, что для оценки степени опасности МП можно использовать методики, применяемые в настоящий момент для оценки степени опасности трещин, которые являются наиболее опасным дефектом на трубопроводах при прочих равных условиях. Подобный подход к оценке степени опасности задиров и рисок описан ранее [4]. Однако следует отметить, что крайне важно при расчете МП, заменяя их на дефекты-аналоги - полуэллиптические трещины, учитывать изменение трещиностойкости металла вследствие наклепа. Одной из важнейших характеристик сопротивляемости металла разрушению является ударная вязкость.
Например, при оценке степени трещино-подобных дефектов по методике, указанной в СТО Газпром 2-2.3-173-20071, необходимо решить следующее уравнение:
(
К,
V
1С
(,
у
= 1,
шения, МПам1/2; с„,
напряжения, дейст-
коррозия - 69,6 %
аномалии кольцевых швов - 25,9 %
МП-2,0%
вмятины и гофры -0,5% трещины на швах -0,1 % трещиноподобные дефекты - 0,1 % другие типы дефектов -1,8 %
Рис. 1. Статистика выявленных дефектов на магистральных газопроводах в 2018-2020 гг.
МП-41 %
аномалии кольцевых швов -17% коррозия -16%
трещиноподобные дефекты -15% вмятины и гофры - 6 % трещины на швах - 4 % другие типы дефектов - 1 %
Рис. 2. Процентное соотношение недопустимых дефектов по результатам внутритрубной диагностики в 2018-2020 гг.
(1)
Рис. 3. Ориентированные вдоль продольной оси трубы трещины в зоне МП
где К1 - максимальное расчетное значение коэффициента интенсивности напряжений на фронте трещины, МПам1/2; К1С - нормативное или фактическое значение вязкости разру-
вующие в нетто-сечении стенки трубы с трещиной, МПа; св - временное сопротивление разрыву металла, МПа. При отсутствии данных о вязкости разрушения материала значение К1С находится по формуле
К1С =4 219,78КСУ,
Рис. 4. Характер разрушения вследствие МП
(2)
где KCV - ударная вязкость по Шарпи, Дж/см2
См. Инструкция по комплексному обследованию и диагностике магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением: СТО ГАЗПРОМ 2-2.3-173-2007: взамен ВРД 39-1.10-032-2001, ВРД 39-1.10-023-2001, ВРД 39-1.10-033-2001; дата введения 31.12.2008.
С целью установления закономерностей изменения механических свойств металла трубы при возникновении пластических деформаций обследованы 9 темплетов, вырезанных из основного металла труб различных типоразмеров. Для установления марок
Рис. 5. Структура металла в зоне МП с микротрещиной на наружной поверхности
Таблица 1
Марки стали темплетов, установленные по результатам ОЭС
Номер темплета Типоразмер трубы Марка стали Поколение стали
1 01020x16,0 09ГМБЮ III
2 01020x16,0 12ГСБ II
3 01020x14,0 17Г1С-У I
4 01020x16,0 12ГСБ II
5 01020x16,0 09ГМБЮ III
6 01020x16,0 09ГМБЮ III
7 01020x21,0 14Г2САФ I
8 01420x18,7 10Г2ФБ III
9 01420x18,7 10Г2ФБ III
Таблица 2
Усредненные результаты испытаний на ударный изгиб образцов основного металла труб
Номер темплета Марка стали Температура испытаний, °С Среднее значение КСУ, Дж/см2
1 09ГМБЮ -20 178
2 12ГСБ 93
3 17Г1С-У 27
4 12ГСБ 119
5 09ГМБЮ 160
6 09ГМБЮ 98
7 14Г2САФ 72
8 10Г2ФБ 144
9 10Г2ФБ 160
трех поколений, условно классифицированных для труб магистральных газопроводов большого диаметра [5]: низколегированных кремний-марганцевых (I поколение, выпускаются с середины 1960-х гг.; низколегированных нормализованных с карбонитридным упрочнением (II поколение, выпускаются с середины 1970-х гг.); высокопрочных микролегированных, подвергнутых контролируемой прокатке для измельчения зерна (III поколение, выпускаются с середины 1990-х гг.).
Для проведения испытаний на ударный изгиб на маятниковом копре ИО 5003-0,3 с целью нахождения ударной вязкости металла каждого темплета из них были вырезаны образцы типа 11 согласно ГОСТ 94 54-782. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Для моделирования механических повреждений сталь подвергалась деформационному старению. Для этого из каждого темпле-та вырезалось по 5 плоских заготовок типа I согласно ГОСТ 1497-843. Заготовки из темплетов № 1...№ 5 и № 7...№ 9 подвергались одноосному растяжению до достижения остаточной пластической деформации 1, 3, 5, 7, 10 %. Из темплета № 6 четыре заготовки растягивались до 10%-ной остаточной пластической деформации, после этого две из них подвергались термообработке в муфельной печи в течение 1 ч при температуре 250 °С (искусственно старились). Испытания на растяжение проводились на разрывной машине ИР 5143-200-11. Таким образом, 44 заготовки были предварительно растянуты. Одна заготовка из темпле-та № 6 деформациям не подвергалась для установления параметров недеформированного металла. На рис. 6 представлены заготовки после растяжения.
После этого деформированные заготовки передавали на механическую обработку для изготовления призматических образцов типа 11 по ГОСТ 94 54-782 для испытаний на ударный изгиб - из каждой заготовки вырезались по три образца. На машине для нанесения концентраторов нарезались У-образные концентраторы глубиной 2 мм, после этого в месте концентратора измерялась площадь поперечного
сталей каждого темплета проведена оптико-эмиссионная спектрометрия (ОЭС), результаты которой позволили установить марку стали для каждого темплета (табл. 1).
Из результатов ОЭС следует, что темпле-ты вырезаны из труб, изготовленных из сталей
См. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах: ГОСТ 9454-78. - https://docs.cntd.ru/ document/1200005045.
См. Металлы. Методы испытаний на растяжение: ГОСТ 1497-84.
внутритрубной диагностики имел недопустимый механический дефект. Образцы вырезались в зоне под реальным механическим повреждением и в бездефектной зоне. Результаты приведены в табл. 5.
Испытания на ударный изгиб показали, что значение KCV металла трубы под реальным механическим дефектом почти в 2 раза ниже значения KCV металла из бездефектной зоны,
но вблизи механического повреждения.
***
Результаты испытаний на ударный изгиб показали:
• для всех исследуемых темплетов наблюдается тенденция уменьшения ударной вязкости при увеличении пластического деформирования;
• деформационное старение стали оказывает различное влияние на трещиностойкость сталей разных поколений.
Снижение значений KCV предварительно деформированных образцов по отношению к недеформированным при линейной аппроксимации результатов испытаний для сталей разных марок получилось следующим:
• темплет № 1 (09ГМБЮ) - 30 %;
• темплет № 2 (12ГСБ) - 15 %;
• темплет № 3 (17Г1С-У) - 53 %;
• темплет № 4 (12ГСБ) - 18 %;
• темплет № 5 (09ГМБЮ) - 18 %;
Таблица 3
Результаты испытаний на ударный изгиб образцов, изготовленных из металла различных труб (темплетов) после его предварительного деформирования
е, % КСУ, Дж/см2
Номер темплета, марка стали
№ 1, 09ГМБЮ № 2, 12ГСБ № 3, 17Г1С-У № 4, 12ГСБ № 5, 09ГМБЮ № 7, 14Г2САФ № 8, 10Г2ФБ № 9, 10Г2ФБ
10 151 78 14 88 125 35 116 132
119 75 10 95 134 38 133 126
117 76 12 102 125 37 119 119
7 138 75 11 108 145 39 129 140
154 76 11 122 160 44 128 142
139 79 19 107 170 50 157 116
5 159 82 12 111 126 41 161 145
150 81 14 107 132 51 168 171
185 73 14 106 131 42 147 151
3 152 79 15 118 139 52 135 138
156 81 15 113 139 61 144 132
138 77 16 105 133 58 143 138
1 196 87 19 115 132 51 148 147
190 87 24 133 181 56 152 148
186 88 22 112 190 59 151 147
М-ГУ.........................'¡'^В
- . . » ! > « I • » и в " 14 5 16 1 !! "
^ И;—— 'Ш. И||."М^Н| 11(П11 '«Г«, ™
Рис. 6. Образцы после растяжения до различной остаточной пластической деформации
сечения каждого образца. Результаты испытаний на ударный изгиб образцов из каждого темплета при температуре минус 20 °С представлены в табл. 3. На рис. 7-10 показана тенденция изменения KCV в зависимости от степени предварительного деформирования (е). Нахождение данной зависимости для значений KCV образцов из разных темплетов заключалось в построении линейного тренда.
Результаты определения ударной вязкости по Шарпи для темплета № 6 из стали марки 09ГМБЮ, когда часть изготовленных из него образцов была растянута до остаточной деформации 10 % и при этом половина образцов подверглась термообработке, представлены в табл. 4 и на рис. 11.
Помимо девяти бездефектных темпле-тов также испытали на ударный изгиб образцы из темплета, выполненного из стали марки 13Г1С-У, который согласно результатам
2 200 ^ 190
о
О 180,
170 160' 150 140 130 120 110
0
о о О темплет № 1 О темплет № 5 "
о Ч^о о
Ь
о Чо о о
о 8 о а
о <р
У
10
8,%
Рис. 7. Ударная вязкость в зависимости от степени предварительного деформирования стали 09ГМБЮ
"а 140
О
I
о ^ 120
100
80
60
о О темплет № 2 О темплет № 4
О
8 о о 8
> 1
о
10
8,%
Рис. 8. Ударная вязкость в зависимости от степени предварительного деформирования стали 12ГСБ
80
8 60
40
20
0
о | 1
О темплет № 3 О темплет № 7
о** о ___о •«»„о р О
> __8 о
8 о О -
10
8,%
Рис. 9. Ударная вязкость в зависимости от степени предварительного деформирования сталей 17Г1С-У (темплет № 3) и 14Г2САФ (темплет № 7)
^ 190
I
8 170
150
130
110
0
О темплет № 8 О темплет № 9
о
> о о о О
>
8 о о о о
8
10
8,%
Рис. 10. Ударная вязкость в зависимости от степени предварительного деформирования стали 10Г2ФБ
Таблица 4
Результаты испытаний на ударный изгиб образцов темплета № 6
Таблица 5
Результаты испытаний на ударный изгиб образцов из темплета с механическим дефектом
8, % Термообработка КСУ Дж/см2 Зона КСУ Дж/см2
0 Нет 84 96 93 Под дефектом 20 23 15
Среднее значение: 91 Среднее значение: 19
82 82 82 Бездефектная 40 40 30
10 Нет 76 76 85 Среднее значение: 37
Среднее значение: 81
69 69 68
10 Да 74 60 66
Среднее значение: 68
0
2 100
I >" 80
60
40
20
91
недеформированный образец I 8=10% 8= 10% + термообработка
Рис. 11. Диаграмма изменения ударной
вязкости образцов темплета № 6 (марка стали 09ГМБЮ) в зависимости от степени предварительного деформирования и применения термообработки
• темплет № 7 (14Г2САФ) - 43 %;
• темплет № 8 (10Г2ФБ) - 16 %;
• темплет № 9 (10Г2ФБ) - 3 %.
Кроме того, наличие предварительной пластической деформации усугубляется термодеформационным старением, которое приводит к еще более сильному изменению трещи-ностойкости стали. Так, по результатам испытаний на ударный изгиб, значение KCV для образцов, подвергнутых термообработке, оказалось на 16 % ниже, чем для нетермообработанных.
Исходя из результатов испытаний можно констатировать, что при пластических деформациях в металле ударная вязкость современных сталей II и III поколений снижается не так существенно, как для сталей I поколения. Так, снижение ударной вязкости для сталей 17Г1С-У и 14Г2САФ в среднем составило 48 %, а для остальных рассмотренных сталей - 17 %.
При испытании образцов, вырезанных из различных зон МП, установлено, что ударная вязкость образцов находящихся в зоне МП на 49 % ниже, чем ударная вязкость образцов, вырезанных из бездефектной зоны темплета.
Немаловажным следствием снижения пластических свойств метала будет ускорение роста трещин на дне МП по механизму коррозионного растрескивания под напряжением в случае доступа к поверхности дефекта околотрубного электролита при повреждении защитного покрытия трубопроводов4.
Из всего вышесказанного следует, что новый подход к оценке работоспособности труб с МП по принципу замены присутствующих дефектов на дефекты-аналоги - полуэллиптические трещины, позволит расчетным способом оценивать степень опасности дефектов без ограничений по их геометрическим параметрам. Однако для более объективной оценки при применении такого подхода необходимо в расчетах использовать корректирующие коэффициенты для значения КСУ, так как у разных марок стали трещиностойкость снижается по-разному.
Список литературы
1. Рекомендации по оценке прочности и устойчивости эксплуатируемых МГ и трубопроводов КС / дата введения 24.11.2006. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2007. -42 с.
2. Материалы ежегодных отчетов о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору
за 2010-2017 годы // Ростехнадзор. -http://www.gosnadzor.ru/public/annual_reports/
3. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология материалов: учеб. / Г.П. Фетисов,
Ф.А. Гарифуллин. - М.: Инфра-М, 2014. -397 с. - (Высшее образование: Бакалавриат).
4. Аладинский В.В. Прочность и долговечность труб с механическими повреждениями типа «риска» / В.В. Аладинский, Р.С. Гаспарянц // Нефтегазовое дело. - 2007. - Т. 5. - № 2. -http://www. ogbus.ru/authors/Aladinskij/ Aladinskij_1.pdf
5. Яковлев А.Я. Стресс-коррозия
на магистральных газопроводах / А.Я. Яковлев, В.Н. Воронин, С.Г. Аленников и др. - Киров: Кировская областная типография, 2009. - 320 с.
См. Инструкция по прогнозированию ожидаемых скоростей развития дефектов и назначению сроков технического диагностирования технологических трубопроводов компрессорных станций: Р Газпром 2-2.3-1190-2019: дата введения 20.11.2019.
0
Experimental validation of a new concept in assessing severity of mechanical defects at trunk gas pipelines
N.D. Lavrentyev1*, LV. Maksyutin1, S.I Pogulyayev2
1 Engineering and Technical Center at the Gazprom Transgaz Ukhta, Bld Komi Republic, 169300, Russian Federation
2 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no Leninskiy urban district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: lavrentev_nd@spg.gazprom.ru
Abstract. To date, there is a huge database of publications devoted to various types of defects, however, much less works study such defects as the "mechanical damage". During the examination of the pipe metal in the area of this type of defects, it was found that there were almost always crack-like defects at the bottom of the defect. It means that to assess the risk of mechanical damage on pipelines, it is possible to use techniques that are currently used to assess the degree of crack hazard. But it is extremely important to take into account the characteristic changes that occur in the metal when mechanical defects occur, since their appearance is associated with plastic deformations in the metal that change its crack resistance.
One of the main characteristics of the crack resistance of a metal is the impact strength. To study the patterns of changes in impact strength when plastic deformations occur in metal, a number of tests were carried out both on the samples with artificially created plastic deformation and on the samples taken from a real pipe with a mechanical defect.
Keywords: mechanical damage, risk, bullying, impact strength, hazard assessment, plastic deformations. References
1. Recommendations on assessment of strength and stability of operated gas mains and pipelines of compressor stations [Rekomendatsii po otsenke prochnosti i ustoychivosti ekspluatiruyemykh MG i truboprovodov KS]. Effective as of 24 November 2006. Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2007. (Russ.).
2. Annual Reports of the Federal Environmental, Industrial and Nuclear Supervision Service of Russia. In: Rostekhnadzor [online]. http://en.gosnadzor.gov.ru/activity/annual-report/index.php?sphrase_id=17914. (Russ.).
3. FETISOV, G.P., F.A. GARIFULLIN. Materials science and engineering [Materialovedeniye i tekhnologiya materialov]: textbook. Moscow: Infra-M, 2014. (Russ.).
4. ALADINSKIY, V.V., R.S. GASPARYANTS. Strength and durability of pipes with mechanical groove-type defects [Prochnost i dolgovechnost trub s mekhanicheskimi povrezhdeniyami tipa "riska"]. Neftegazovoye Delo, 2007, vol. 5, no. 2. ISSN 2073-0128. (Russ.). Available from: http://www.ogbus.ru/ authors/Aladinskij/Aladinskij_1.pdf
5. YAKOVLEV, A.Ya., V.N. VORONIN, S.G. ALENNIKOV, et al. Stress corrosion at trunk gas pipelines [Stress-korroziya na magistralnykh gazoprovodakh]. Kirov: Kirovskaya oblastnaya tipografiya, 2009. (Russ.).
. 4, Sosnovaya street, Ukhta, . 5537, Razvilka village,
