Исследование возможности длительной эксплуатации труб с незначительными стресс-коррозионными повреждениями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.644.07:620.194.22

Ключевые слова:

стресс-коррозия,

коррозионное

растрескивание

под напряжением,

испытания,

трубы,

сталь.

Keywords:

stress corrosion,

stress corrosion

cracking,

testing,

pipes,

steel.

А.Б. Арабей, О.Н. Мелёхин, И.В. Ряховских, Р.И. Богданов, П.В. Абросимов, М. Штайнер, У. Маревски

Исследование возможности длительной эксплуатации труб с незначительными стресс-коррозионными повреждениями

Среди множества поверхностных повреждений магистральных газопроводов (МГ) именно коррозионное растрескивание металла труб под напряжением (КРН) является основной причиной аварий и инцидентов и, следовательно, представляет наибольшую опасность с точки зрения эксплуатационной надежности трубопровода. Установлено, что повреждения на поверхности стальных труб, образованные в результате нарушения технологии выплавки стали, производства проката, строительства или эксплуатации газопровода, как правило, служат очагами зарождения стресс-коррозии [1, 2]. При доступе среды к поврежденной поверхности труб с учетом неудовлетворительного состояния изоляционного покрытия разрушение труб значительно чаще происходит по механизму КРН.

Большинство исследователей явления КРН трубных сталей сходятся во мнении, что колонии стресс-коррозионных трещин на ранней стадии развития можно разделить на две условные группы: стадийно (ступенчато) развивающиеся и «законсервированные» повреждения. При этом доля «законсервированных» стресс-коррозионных повреждений в длительно эксплуатируемых МГ весьма высока, что подтверждается анализом данных диагностических обследований газопроводов России [3], Канады [4], Австралии [5] и Европы [6]. Кроме того, известно, что глубина большинства стресс-коррозионных повреждений (свыше 95 % от общего количества) не превышает 0,2/ (t - толщина стенки трубы), а значит, интересно исследовать влияние таких повреждений на длительную работоспособность труб с учетом прогнозируемых скоростей их развития [3, 4].

Как известно, наиболее информативным методом диагностирования линейной части МГ является внутритрубная дефектоскопия (ВТД) с применением магнитных поршней. При этом результаты проведенных испытаний указанных дефектоскопов [7] показали, что существующие приборы не всегда обеспечивают выявление трещин глубиной более 0,15-0,2t с приемлемой вероятностью. Отсюда можно сделать однозначный вывод, что большинство неглубоких (до 0,15-0,2t) стресс-коррозионных повреждений не могут быть обнаружены при проведении плановых внутритрубных обследований МГ, а следовательно, трубы с указанными повреждениями остаются в эксплуатации.

Очевидно, что стремление повысить точность магнитных поршней в части выявления повреждений КРН, меньших 0,15-0,2t, на фоне высокоамплитудных проявлений других «особенностей» металла потребует многократного увеличения трудозатрат на проведение дополнительных уточняющих обследований труб в шурфах с применением ручных средств неразрушающего контроля. Опыт Open Grid Europe позволяет констатировать возможность повышения чувствительности ультразвуковых внутритрубных дефектоскопов в водяной пробке, однако такой метод предполагает дополнительные подготовительные работы, что не всегда возможно.

Ясно, что требования к ремонту труб, поврежденных КРН, должны быть дифференцированы по степени реальной опасности в отношении надежности и целостности газопровода. К настоящему моменту рядом авторов сделаны попытки экспериментальной (по результатам гидравлических испытаний) оценки несущей способности труб, пораженных естественными (эксплуатационными) повреждениями КРН различной глубины, и их ресурса [5, 7, 8]. Наиболее последовательная методика проведения гидравлических испытаний поврежденных труб и аргументированные выводы о развитии

стресс-коррозионных трещин в условиях длительного действия циклических нагрузок представлены в работе австралийских исследователей [5]. В частности, в статье [5] отмечается начало развития трещин КРН глубиной 0,1-0,35/ после 5500 циклов нагружения поврежденных труб, что существенно превышает фактические циклические воздействия на газопровод транспортируемого газа в России и Германии. В работе [8] описано разрушение трубной плети, содержащей стресс-коррозионные повреждения 0,1/, в бездефектном участке по линии сплавления продольного сварного шва по механизму усталостного разрушения. При этом авторами не исследованы признаки развития стресс-коррозионных повреждений. В работе [9] отмечено, что трубы с повреждениями КРН глубиной до 0,4/ обладают длительным ресурсом и запасом прочности при нагрузках, не превышающих эксплуатационные, однако не приводится доказательств отсутствия развития имеющихся в составе стенда стресс-коррозионных повреждений.

Таким образом, результаты отмеченных исследований не позволяют сделать однозначный вывод о росте или консервации стресс-коррозионных повреждений, поскольку, во-первых, испытания не всегда проводились в режимах нагружения, которые отвечали реальным условиям эксплуатации [5], а во-вторых -натурные испытания фрагментов трубопроводов зачастую оказывались малоинформативными [8, 9]. Этим обусловлена актуальность расчетно-экспериментального обоснования возможности длительной эксплуатации труб

в составе МГ с неглубокими стресс-коррозионными повреждениями.

Методика эксперимента

На первом этапе работ по результатам нераз-рушающего контроля при капитальном ремонте МГ ПАО «Газпром» были отобраны четыре трубы производства МаппеБшапп, содержащие стресс-коррозионные повреждения различной глубины. По результатам дополнительных обследований труб выявлено 98 зон КРН максимальной глубиной 0,4/, из них 23 - в области продольных сварных швов.

Максимальная глубина повреждений КРН определялась с помощью ультразвукового дефектоскопа РИаБОГ ХБ с датчиком фазированной решетки Ь99ИК. Линейные размеры трещин фиксировали с использованием линейки и фотоаппаратуры после визуализации дефекта с помощью комплекта магнитопорош-кового контроля Magnaflux. Указанный комплекс приборов применялся в процессе гидравлических испытаний для контроля развития стресс-коррозионных повреждений.

До начала испытаний из каждой трубы отбирали образцы для исследования микроструктуры, химического состава (табл. 1) и механических свойств (табл. 2) стали. Для проведения лабораторных циклических испытаний вырезали образцы со стресс-коррозионными повреждениями глубиной не более 0,1/. С использованием труб 01420 мм созданы два стенда: № 1 из двух труб (/ = 18,7 мм) длиной 11 м (труба № 1) и 4 м (труба № 2); № 2 из двух

Таблица 1

Химический состав стали

Стенд Труба Массовая доля содержания элементов, %

С Мл Б1 Б Р Сг N1 Си V № Т1 Мо

№ 1 № 1 0,093 1,480 0,331 0,010 0,025 0,245 0,002 0,050 0,073 0,027 0,026 0,087

№ 2 0,103 1,593 0,284 0,010 0,022 0,134 0,000 0,014 0,023 0,005 0,025 0,068

№ 2 № 3 0,093 1,490 0,380 0,007 0,021 0,120 0,002 0,060 0,071 0,028 0,022 0,031

№ 4 0,117 1,570 0,342 0,008 0,024 0,110 0,001 0,050 0,071 0,036 0,024 0,021

Таблица 2

Механические свойства основного материала трубы, МПа

Стенд Труба Временное сопротивление Предел текучести

№1 № 1 593 499

№ 2 591 483

№2 № 3 594 497

№ 4 594 489

труб длиной 10 м (труба № 3, t = 18,7 мм) и 4 м (труба № 4, t = 16,5 мм).

Для оценки прочности труб со стресс-коррозионными повреждениями проводили расчет с использованием двухпараметрического критерия разрушения, реализованного в форме инженерного метода R6 [10-13]. Определены предельные значения длины поверхностной продольной трещины на трубе (£макс) при различных значениях t (рис. 1).

В зависимости от максимального размера повреждения, имеющегося на стенде, определено предельное расчетное давление разрушения. Для первого стенда оно составило 14,7 МПа, для второго - 12,9 МПа.

С целью определения оптимальных режимов нагружения стендов анализировались изменения рабочего давления газа на участках газопроводов, с которых были вырезаны трубы. Количество циклов нагружения для обоих стендов выбиралось таким образом, чтобы обеспечить наработку труб, эквивалентную 30 годам эксплуатации в реальных условиях. На отдельные области стенда № 2 со стресс-коррозионными повреждениями различной глубины устанавливали коррозионные ячейки, содержащие раствор NS4 (0,483 NaHCO3 + 0,122 KCl + + 0,137 CaCl2 + 0,131 MgSO4 7H2O (г/л), показатель pH = 7,0) [14]. Данный раствор используют

для моделирования воздействия грунтового электролита на поверхность трубы при проведении сравнительных испытаний.

В ходе гидравлических испытаний трубных стендов контроль состояния стресс-коррозионных повреждений осуществлялся с помощью акустико-эмиссионного комплекса A-Line 32D (рис. 2). В ходе циклических испытаний стенда № 1 имитировалось воздействие пусков-остановок компрессорного цеха на линейной части (ЛЧ) МГ: реализовано 210 циклов нагружения с изменением амплитуды внутреннего давления от 0,1 до 7,5 МПа (коэффициент асимметрии цикла R = 0,01) при частоте f = 5 104 Гц. При циклических испытаниях стенда № 2 моделировали перепады давления на исследуемом участке ЛЧ МГ, реализовано 500 циклов нагружения с изменением амплитуды внутреннего давления 5,5-7,5 МПа (R = 0,7) при f = 8 104 Гц (см. рис. 2а). Для оценки статической прочности трубных стендов производилось нагружение их внутренним давлением до фиксации предельного предразрушительно-го состояния (см. рис. 2б).

На следующем этапе по методике ПАО «Газпром» [15, 16] испытано шесть полнотолщинных образцов, содержащих стресс-коррозионные повреждения 0,5-1,5 мм. В ходе лабораторных испытаний осуществили моделирование

S18-

16-

ч

и 14

Ос

и g 12

s

I10 8

t= 16,5 мм: Д повреждения трубы

t= 18,7 мм: о повреждения трубы

Д

II

III

IV

О (DO ООО OŒCD CCS CD О О CQXD ОО (ООО О О О

V

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Длина повреждения, мм

Рис. 1. Градация опасности повреждений труб производства Маппезшапп из сталей контролируемой прокатки (Х70) диаметром 1420 мм в зависимости от толщины стенки:

1 - область аварийно-опасных повреждений для всех исследованных труб; II - область аварийно-опасных повреждений при t = 16,5 мм и потенциально опасных повреждений

при t = 18,7 мм; III - область потенциально опасных повреждений для всех исследованных труб; IV - область неопасных повреждений при t = 18,7 мм и потенциально опасных повреждений при t = 16,5 мм; V - область неопасных повреждений для всех исследованных труб

I

0

а 7

5 -4 -3 -2 -1 -0

80 100 120 140 160 180 Время, мин

стенд № 1

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Время, мин

б

стенд № 2

Рис. 2. Схематический график изменения внутреннего давления при циклических (а) и статических (б) испытаниях стендов

возможности усталостного развития стресс-коррозионных повреждений глубиной до 0,1/ в процессе эксплуатации переизолированного участка трубопровода путем циклического воздействия на образцы на воздухе (без воздействия грунтового электролита) (рис. 3). Вырезку образцов осуществляли так, чтобы трещина (группа трещин) имела продольную ориентацию относительно оси образца и располагалась в его центральной части, при этом на боковую грань образца выходили наиболее глубокие трещины. В процессе испытаний после каждой тысячи циклов нагружения выполнялись высокоточные измерения (с погрешностью ±5 мкм)

Рис. 3. Вид испытательной машины с установленным образцом

глубины стресс-коррозионных повреждений с помощью металлографического микроскопа Karl Zeiss Axiovert 25 и программного обеспечения SIAMS 700. Глубину трещин, находящихся в объеме образца, контролировали с помощью электропотенциометра Karl Deutch X-RT-900.

Исследования микроструктуры образцов, вырезанных из областей труб со стресс-коррозионными повреждениями, проводились на металлографическом микроскопе Karl Zeiss Axiovert 40MAT. Характеристики структуры (величина зерна, полосчатость) исследуемой стали определяли по методикам [17, 18], качественный и количественный составы продуктов коррозии в полости стресс-коррозионных повреждений - с помощью волнодисперсионного спектрометра INCAWave 500. Дополнительно проводили испытания на растяжение образцов, вырезанных из краевых участков полно-толщинных образцов, с применением универсальной испытательной машины Instron-1185.

Результаты испытаний

После проведения циклических испытаний вырезали образцы из областей со стресс-коррозионными повреждениями глубиной 0,3t, в том числе из областей, на которые были установлены коррозионные ячейки, для проведения металлографического анализа (рис. 4).

8

а

Металлографический анализ образцов из областей, не подвергавшихся воздействию коррозионного раствора, подтвердил отсутствие прироста повреждений КРН глубиной 0,3/ (см. рис. 4а). Противоположные результаты получены в ходе анализа образцов, вырезанных из областей с коррозионными ячейками. Прирост повреждений КРН глубиной 0,3/ в присутствии раствора N84 отмечается образованием тонких трещин-ответвлений с острыми вершинами (см. рис. 4б).

Все стресс-коррозионные повреждения, которые не подвергались воздействию коррозионного раствора, характеризовались наличием продуктов коррозии, соответствующих длительному нахождению повреждений в грунтовом электролите. При определении состава продуктов коррозии, заполняющих полость указанных повреждений КРН, установлено, что они представляют собой оксид сложного состава, включающий как элементы, присутствующие в стали, например 81 и Мп, так и другие, например №, концентрация которого составляет 0,09-0,28 % (табл. 3, рис. 5).

В ходе статических испытаний стендов развитие повреждений было зафиксировано после 2-кратного превышения статической нагрузки над проектным давлением (7,5 МПа) по появлению критически активных источников акустической эмиссии. Предельное давление составило 15,6 МПа для стенда №2 1 и 13,1 МПа для стенда № 2, что согласуется с прочностным расчетом по методу Я6 [10-13]. Анализ результатов последующих металлографических исследований показал, что рост повреждений при высокой статической нагрузке обусловлен пластической деформацией, выражающейся в визуально наблюдаемой локальной деформации структурных составляющих стали вблизи вершины трещины.

Лабораторные испытания полнотолщинных образцов продемонстрировали отсутствие прироста имевшихся повреждений КРН глубиной менее 0,1/ по усталостному механизму при достижении 10 тыс. циклов (рис. 6), что для конструкции газопровода может быть оценено как эквивалентное числу циклов растяжения-сжатия в ходе сезонных изменений температуры грунта

Рис. 4. Вид стресс-коррозионных повреждений глубиной 0,3^ после циклических испытаний без коррозионной среды (а, х100) и в присутствии модельного раствора N84 (б, х500)

Таблица 3

Состав продуктов коррозии в полости повреждения КРН, %

Спектр (номера см. на рис. 5) С О № Mg Са Мп Ее

1 7,35 35,41 0,16 0,09 0,09 0,40 1,07 55,43

2 6,09 25,21 0,09 0,17 0,12 0,44 1,44 66,44

3 7,99 40,24 0,28 0,14 0,10 0,41 0,97 49,86

4 10,67 23,51 0,23 0,25 0,41 0,31 1,09 63,53

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение стресс-коррозионного повреждения глубиной 0,3^ после циклических испытаний без воздействия коррозионной среды

и режимных колебаний давления газа более чем за 100 лет эксплуатации.

Установлено, что сталь всех вырезанных образцов имеет феррито-перлитную структуру.

Определены следующие характеристики структуры исследуемой стали (рис. 7): образец № 1 - зерно феррита № 10-11, полосчатость 2 балла; образец № 2 - зерно феррита № 10-12, полосчатость 1 балл; образец № 3 (см. рис. 7а) - структура существенно неоднородна, так как чередуются участки с зерном феррита № 7-8 и 10-11, полосчатость 2 балла. На всех образцах отмечено наличие выраженной осевой ликвации на фоне существенной полосчатости (см. рис. 7б).

До и после лабораторных циклических испытаний проводили металлографические исследования образцов со стресс-коррозионными повреждениями глубиной менее 0,1£ Исследование морфологии указанных повреждений показало, что, несмотря на небольшое раскрытие, все они имеют затупленную вершину (рис. 8).

Оценка стандартных механических свойств трубных сталей вблизи зон КРН не выявила отклонений фактических показателей от указанных в технических условиях на исследуемую трубу.

0

1000

10000

3000 5000

Количество циклов нагружения

Рис. 6. Оптический контроль трещины на металлографическом микроскопе, х1000

аб Рис. 7. Микрофотографии структуры исследуемых сталей:

а - участки неоднородности структуры в образце № 3; б - участки осевой ликвации на фоне существенной полосчатости в образце № 1, ><200

Рис. 8. Вид стресс-коррозионных повреждений глубиной менее 0,1? в исходном металле (а, образец № 2) и после лабораторных циклических испытаний (б, образец № 4), х500

***

По результатам выполненных испытаний элементов МГ не зафиксировано развития повреждений КРН глубиной до 0,^ при циклических и статических нагрузках на воздухе, т.е. без воздействия коррозионной среды. Можно предположить, что трубы с такими стресс-коррозионными повреждениями обладают запасом прочности, сопоставимым с бездефектной трубой, и могут быть оставлены в эксплуатации на период, рассчитанный с учетом максимально прогнозируемой скорости развития повреждения в условиях проектных эксплуатационных нагрузок и воздействий при исключении доступа грунтового электролита к наружной поверхности трубы.

Зафиксировано развитие стресс-коррозионных повреждений глубиной 0,3^ которое происходит при воздействии модельного грунтового

электролита N84 (рН = 7,0) и 500 циклов на-гружения с изменением амплитуды внутреннего давления от 5,5 до 7,5 МПа, что соответствует 30 годам эксплуатации МГ. Для сохранения эксплуатационной надежности трубопроводов, в составе которых имеются трубы с неглубокими стресс-коррозионными повреждениями, достаточно остановить процесс КРН. Представляется возможной консервация (остановка развития) указанных повреждений за счет предупреждения процесса локального растворения металла в их вершинах путем исключения доступа коррозионной среды к поверхности труб в процессе переизоляции МГ.

Экспериментальные результаты лабораторных и стендовых испытаний фрагментов трубопроводов с естественными стресс-коррозионными повреждениями позволяют приступить к проведению опытно-промышленных

испытаний на действующих МГ с целью подтвердить остановку развития стресс-коррозионных повреждений глубиной до 10 % толщины стенки трубы после замены антикоррозионного покрытия.

Учитывая необходимость однозначной регламентации размеров безопасных повреждений и определения условий длительной

эксплуатации МГ с КРН, необходимо продолжить широкомасштабные комплексные эксперименты. Результатом указанных испытаний должна стать математическая модель, включающая стадии зарождения, стабилизации и роста коррозионно-механических трещин с учетом их возможного взаимодействия в колониях.

Список литературы

1. Арабей А.Б. Коррозионное растрескивание под напряжением труб магистральных газопроводов: атлас / А.Б. Арабей,

З. Кношински. - М.: Наука, 2006. - 105 с.

2. Арабей А.Б. Влияние особенностей технологии производства труб на стойкость к коррозионному растрескиванию

под напряжением / А. Б. Арабей, Т.С. Есиев, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2012. - № 2 (670). -С. 52-54.

3. Алимов С. В. Концепция диагностирования и ремонта магистральных газопроводов

в регионах с высокой предрасположенностью к стресс-коррозии / С.В. Алимов, А.Б. Арабей, И. В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2015. - № 724: спецвыпуск. - С. 10-15.

4. Chen W. Transgranular crack growth in

the pipeline steels exposed to near-neutral pH soil aqueous solutions: the role of hydrogen / W. Chen, R. Kania, R. Worthingham et al. // Acta Materialia. - 2009. - V. 57. - № 20. - P. 62006214.

5. Linton V. Strategies for the repair of stress-corrosion cracked gas transmission pipelines: assessment of the potential for fatigue failure of dormant stress-corrosion cracks due to cyclic pressure service / V. Linton, E. Gamboa, M. Law // Journal of pipeline engineering. - 2007. - V. 6. -№ 4. - P. 207-217.

6. Marewski U. UK0PA/GP/009. Near neutral pH and high pH stress corrosion cracking: industry good practice guide / U. Marewski, M. Steiner. -Ambergate, Derbyshire: UK onshore pipeline operators' association, 2016.

7. Ginten M. An integrated approach to the integrity management of stress corrosion cracking

in pipelines: a case study / M. Ginten, T. Penney, I. Richardson et al. // Proc. of Rio Pipeline Conference & Exposition, September 24-26, 2013. - 2014.

8. Адаменко С.В. Ресурсные возможности труб магистральных газопроводов после продолжительной эксплуатации / С.В. Адаменко, С.В. Романцов, В.В. Зорин // Газовая промышленность. - 2012. - № 10. -C. 22-25.

9. Долгов И.А. Оценка поведения стресс-коррозионных трещин при нагружении трубы внутренним давлением / И.А. Долгов, В.А. Горчаков, С.В. Пахтусов и др. // Дефектоскопия. - 2002. - № 2. - С. 83-89.

10. R 6: Assessing the integrity of structures containing defects. - British Energy Generation Limited (BEGL), 2001. - Rev. 4.

11. BS 7910:2005. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures.

12. API 579-1/ASME FFS-1. Fitness-For-Service. -2007.

13. Р Газпром 9.4-030-2014. Методика оценки прочности технологических трубопроводов компрессорных станций со стресс-коррозионными дефектами / И.В. Ряховских, Т.С. Есиев, В. О. Маханев и др. - М.: Газпром экспо, 2015. - 58 с.

14. Parkins R.N. Transgranular stress corrosion cracking of high pressure pipelines in contact with solutions of near-neutral pH / R.N. Parkins, W.K. Blanchard, B.S. Delanty // Corrosion. -1994. - V. 50. - № 5. - P. 394-408.

15. Ряховских И.В. Совершенствование методов оценки стойкости газопроводных сталей к коррозионному растрескиванию под напряжением (стресс-коррозии) / И.В. Ряховских, Т.С. Есиев, С.А. Кохтев // Физика и химия обработки материалов. -2012. - № 4. - C. 88-93.

16. Патент РФ. Способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением / А.Б. Арабей,

И.В. Ряховских, Т.С. Есиев и др. - 2016.

17. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

18. ГОСТ 5640-68. Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты.