CC BY
27
К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИИ
УДК 620.194:004.94
Моделирование коррозионно-механического разрушения трубной стали
СА Жедулов1*, А.Б. Арабей1, И.В. Ряховских1
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., no. Ленинский, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, зд. 15, стр. 1 * E-mail: S_Zhedulov@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. В настоящей статье исследована взаимосвязь переменных нагрузок, имитирующих работу магистральных газопроводов (МГ) на протяжении 30 лет, с развитием трещин различной глубины в трубах, изготовленных из малоуглеродистой стали Х70. Для изучения динамики развития трещин в модельных металлических образцах труб из стали Х70 со стресс-коррозионными (КРН) трещинами и искусственными дефектами (пропилами) проведены испытания на 4-точечный изгиб по методике ПАО «Газпром». Представлены результаты испытаний стальных образцов с трещинами КРН и пропилами различной глубины. Методами металлографии выполнено исследование морфологии растрескивания материала труб с учетом структуры материала. Металлографические исследования трещин свидетельствуют, что без воздействия электролита признаки развития трещин глубиной до 40 % от толщины стенки трубы отсутствуют.
Результаты исследований могут быть полезны для разработки современных малозатратных технологий ремонта, основанных на переизоляции и локальном усилении труб, а также формирования требований к средствам неразрушающего контроля трубопроводов.
В настоящее время актуальной задачей длительной эксплуатации большого числа стальных конструкций и деталей, испытывающих на себе различные механические нагрузки и воздействия в сочетании с активной средой, является предотвращение коррозионного растрескивания под напряжением (КРН, англ. stress corrosion cracking). В нашей стране указанное явление коррозионно-механического разрушения, называемое также стресс-коррозией, наиболее характерно для газопроводов со сроками эксплуатации 20 лет и более [1-10].
В газовой промышленности процесс реализуется на трубах большого диаметра 1020.. .1420 мм, выполненных из отечественных малоуглеродистых сталей контролируемой прокатки класса прочности К60 или из их зарубежных аналогов категории прочности Х70. Большинством исследователей признано, что повреждения КРН глубиной до 20 % от толщины стенки трубы (это примерно 95 % от общего количества выявляемых дефектов КРН) не развиваются при переменных и статических нагрузках, соответствующих нормативам при эксплуатации магистральных газопроводов (МГ), без воздействия грунтового электролита [11-15]. При этом закономерности роста и развития таких трещин из эксплуатационных дефектов КРН даже на моделях - искусственных концентраторах напряжений - в условиях переменных нагрузок без электролита остаются не изученными.
В рамках развития концепции безопасной эксплуатации МГ с малыми дефектами КРН без доступа электролита становится актуальным изучение возможного риска развития таких дефектов в результате воздействия эксплуатационных переменных нагрузок. В этой связи стоит задача определения пороговых значений нагрузок и размеров трещин, при которых возможен их рост в материале газопроводных труб в условиях отсутствия электрохимической составляющей процесса КРН. Исследования следует выполнять при нагрузках, моделирующих переменные растягивающие
Ключевые слова:
трубная сталь,
коррозионное
растрескивание
под напряжением,
переменная
нагрузка,
трещина,
напряженно-
деформированное
состояние,
переизоляция.
кольцевые напряжения, обусловленные изменением внутреннего давления газа за 30 лет эксплуатации МГ.
В вышеозначенных целях методом 4-точечного чистого изгиба в рабочей части модельных образцов исследовался процесс зарождения и развития трещин из дефектов КРН и пропилов.
Объекты и методы исследований
Трубная сталь. Образцы для проведения исследования вырезались из трубы диаметром 1420 мм при толщине стенки 16,5 мм, произведенной (ТУ 56-72/73) компанией Mannesmann из стали категории прочности Х70 и эксплуатировавшийся в составе МГ в течение 33 лет. Всего изготовили шесть модельных образцов, два из которых имели трещины КРН, три -пропилы, нанесенные на внешнюю поверхность с помощью гравировочного инструмента Dremel 3000-5/75, один образец использовался как тарировочный. Параметры дефектов приведены в табл. 1.
Модельные образцы (рис. 1) не выпрямлялись и не обрабатывались по толщине для
сохранения исходного состояния и кривизны поверхности трубы. Боковая поверхность образцов с ранее образованными дефектами КРН и в местах пропилов перед испытаниями была подготовлена шлифовкой и полировкой до зеркального состояния для контроля развития трещин.
Испытания на 4-точечный изгиб. Схема нагрузки образцов в процессе испытания формировалась на основании данных из журнала регистрации режимов эксплуатации. За основу расчета принят спектр колебаний давления за 1 год (рис. 2) на участке с 1594-го по 1700-й километр МГ Уренгой - Новопсков, в составе которого эксплуатировалась исследуемая труба.
По результатам анализа спектра колебаний давления на МГ установлено, что в течение 1 года материал трубы испытывает следующее количество циклов нагружения относительно среднеарифметического значения давления Рсред = 6,45 МПа:
• 3 отнулевых, связанных с плановыми или внеплановыми отключениями участка МГ, например, для выполнения ремонтных работ (рис. 3);
Таблица 1
Параметры модельных образцов с дефектами для испытаний переменными нагрузками
№ образца Размеры образца, мм Размеры дефекта, мм Тип дефекта
1а 305x62x16,5 11,6x0,19x8,27 КРН
1б 11,6x0,19x7,71
2 332x65x16,6 12,7x0,07x5,64
3 326x58,5x16,5 25,4x0,7x4,95 Искусственный пропил
4 331x62x16,5 26x0,7x6,6
5 330x66x16,5 25,6x0,7x8,2
Примечание: размеры образца (обр) и дефекта (деф) указаны в формате 1^-Ь^-а, где ^ - длина, Ьг - ширина, аг - толщина (для образца) либо глубина (для дефекта), г = {обр; деф}.
Рис. 1. Геометрия (а - схема; б - внешний вид) модельного образца после технологической обработки: Я - радиус кривизны образца
^ 7,1
1000
2000
3000
4000
5000 Время, ч
Рис. 2. Спектры колебания давления на участке с 1594-го по 1700-й км МГ Уренгой - Новопсков
^ 7
I 6
и -
Д 5
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Время, ч
Рис. 3. Общий вид спектра колебаний давления участка МГ, по данным ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
• 40 пульсационных (см. рис. 2) с амплитудой в диапазоне 3.. .15 % от значения рабочего давления Рра6.
Учитывая случайный характер выбора изучаемого периода эксплуатации, можно считать, что общее число циклов нагружения за весь срок эксплуатации газопровода -30 лет - близко к 1300. Предел выносливости малоуглеродистых сталей составляет не менее 105 циклов [16]. Таким образом, можно исключить усталость из круга причин появления трещин на исследуемой трубе и быть уверенными в их стресс-коррозионном происхождении.
Испытания модельных образцов осуществлялись на электромеханической машине 1ш^оп-5882 с оснасткой для 4-точечного чистого изгиба (рис. 4), позволяющей создавать у рабочей поверхности трубы напряженное-деформированное состояние (НДС), подобное эксплуатационному в материале труб.
Планом лабораторных испытаний предполагалось определение времени образования и скорости роста новых трещин из искусственно нанесенных концентраторов (пропилов) при профиле переменной нагрузки, эквивалентном эксплуатационному: начало и конец по одному циклу вариации давления от 0,1с02 до 0,7с02
0
4
1
0
Рис. 4. Общий вид приспособления для испытания модельных образцов на чистый изгиб:
1 - нижняя опора; 2 - верхняя опора; 3 - нижний опорный ролик; 4 - образец; 5 - верхний опорный ролик; а1 - расстояние от опоры до точки приложения усилия; 11,12 - расстояния между нижними опорами и между верхними опорами соответственно
I этап
II этап
3 0,9 о
° 0,8
£
я
¡шшшшшшшт
шшшшшшшшщ
1290 циклов 1290 циклов
1
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
л а ю о а х а
а &
X
Рис. 5. Схематичный график двух этапов испытаний модельных образцов на 4-точечный чистый изгиб с разными профилями нагрузок
и 1290 циклов вариации давления от 0,6с„ 2 до 0,7с„ 2, где предел текучести с02 = 440 МПа (рис. 5). На образцах с дефектами КРН изучалась кинетика развития трещин.
Для наблюдения за процессом роста трещины во время испытаний использовали аппаратный оптический комплекс VIC-3D, отслеживающий с использованием видеокамер высокого разрешения в режиме реального времени изменение положения реперных точек из специальной краски, нанесенной на боковую поверхность образца в зоне трещины. Смещение реперных точек регистрировалось и передавалось на компьютер, где в процессе программной обработки выполнялся расчет показателей деформаций и напряжений. Кроме этого, после каждого этапа испытаний с помощью микроскопа проводился оптический контроль отшлифованных зон с трещинами и пропилами.
Численная оценка НДС материала в процессе испытаний выполнялась на основе показаний датчиков нагрузки, установленных на испытательной машине 1шЦюп-5882. Для этого рассчитывали коэффициент интенсивности напряжений (К) в вершине естественной трещины с использованием выражения [17], модифицированного для схемы 4-точечного изгиба:
к _ Ъ¥аь
2,9
деф
V о6р У
1
^ 2
- 4,6
деф
V о6р У
з ^ 2
( .
+ 21,8
5 ^ 2
деф
V о6р
(.
- 37,6
деф
V о6р У
7 ^ 2
с.
+ 38,7
А 2
V о6р У
(1)
где ^ - нагрузка, прикладываемая к образцу; /деф - длина образца.
Для образцов с пропилом К, рассчитан по формуле:
Ki =
(2)
где
Ф = j
я/2 ( 12 - а2
1 - деф , деф sin29 l
деф
d<p; с - напряже-
ние, прикладываемое к образцу; ф - угол между осью растягивающих напряжений и направлением трещины [18].
Металлографический анализ. Микрошлифы из дефектных и бездефектных образцов исследовались на микроскопе МЕТАМ РВ-21-1 для установления характера распространения и фиксирования параметров трещин.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Характеристики исследуемой стали. Химический состав исследуемой трубной стали (табл. 2), определенный методом спектрального анализа на эмиссионном спектрометре Spectro Lab S, соответствует требованиям ТУ 56-72/73, по которым была изготовлена исследуемая труба.
Моделирование НДС. С целью оценки характера НДС, приобретаемого образцом в процессе испытаний, осуществлено предварительное моделирование нагружения образцов (см. рис. 1) в программном комплексе ANSYS, воспроизводящем на рабочей поверхности образца уровень напряжений, соответствующий кольцевым напряжениям вследствие эксплуатационного давления в газопроводе. Результаты моделирования (рис. 6) иллюстрируют равномерное и близкое к НДС эксплуатируемой трубы распределение напряжений в исследуемом участке образца, где планировали делать пропил.
Испытания образцов с трещинами КРН. Проведены три этапа испытаний модельных образцов № 1, № 2 с дефектами КРН согласно схеме на рис. 7. По итогам испытаний
Рис. 6. Моделирование в программном комплексе ANSYS напряженного состояния в образце при усилии на опорах 19,7 кН
получены данные о перемещении (И) нагружающей траверсы испытательной машины. Они были нормированы относительно нулевого цикла по формуле
ДИнорм =
к™- И? ДИ„
(3)
где ДИ,норм - относительное перемещение захватов испытательной машины за 1-й цикл; ДИ™ и И,кон - координаты начального и конечного положений нагружающей траверсы соответственно при минимальном и максимальном напряжении в 1-м цикле; ДИ0 - разница в положениях нагружающей траверсы в нулевом цикле. Графическое представление полученных нормированных значений (см. рис. 7) позволило определить момент страгивания и начала роста трещины.
Развитие (страгивание) трещины на образце № 1, зафиксированное на 3-й ступени после 1400 циклов, привело к изменению прочностных характеристик конструкции, в результате чего уменьшилось сопротивление 4-точечному изгибу, что на графике (см. рис. 7) выразилось в появлении точки перегиба.
Визуально-измерительный контроль, использованный в процессе циклических испытаний, позволил непрерывно следить за перемещением точек на боковой поверхности образца № 1 (рис. 8). Показны области с разной
Таблица 2
Химический состав исследуемой трубной стали
Массовая Элемент
доля, % C Si Mn P S Cr Мо Ni V Nb
Spectro Lab S 0,17 0,32 1,66 0,023 0,006 0,01 < 0,003 0,009 < 0,001 0,043
ТУ 56-72/73 < 0,19 < 0,50 < 1,65 < 0,030 < 0,025 < 0,10 - < 0,10 - -
(0,1...0,9)О0,2
(0,1...0,8)О0,2
(0,1...0,7)О0,2
0 1000 2000 3000 4000 5000
Мед.
Рис. 7. Графическое представление зависимости относительного перемещения захватов испытательной машины Ай™рм от количества циклов N при испытаниях
модельного образца № 1
Рис. 8. Деформация по осям 2 (а) и У (б) после 1000 циклов с нагрузкой 19,7 кН (а) и 22,7 кН (б)
степенью нагружения. Для регистрации картины деформаций (2D) использовалась цифровая камера. Затем изображения обрабатывались с субпиксельной точностью с помощью алгоритмов количественной корреляции изображений. Для каждой точки (пикселя) изображения объекта вычислялись перемещения и соответствующие компоненты деформации, которые затем отражали в программе степень деформации материала в заданной точке цветом: красным - области с высокой степенью деформации; зеленым - области, деформация которых составляет половину максимального
значения деформаций в материале; фиолетовым - области без деформаций.
Перед проведением испытаний поверхность объекта покрывалась специальной краской и представляла собой структуру, содержащую случайное распределение объектов различной формы (черных точек), нанесенных на основание контрастного к ним цвета - белого фона. Видно (см. рис. 8), что по оси 1 в образце присутствовали значительные деформации. Соответственно, можно заключить, что максимальная деформация по оси У локализована в области наибольшей концентрации
напряжений, а именно в вершине трещины. К тому же область без деформации находится прямо над вершиной трещины (см. фиолетый цвет на рис. 8).
Фиксирование прироста трещины в глубину в процессе испытаний осуществлялось путем постоянного контроля боковой поверхности образца с помощью оптического микроскопа. Исходная трещина в образце № 1 распространялась перпендикулярно поверхности трубы (рис. 9) на глубину 7 мм (40 % от толщины стенки трубы). Затем, меняя направление развития под углом 90°, она расщеплялась на 2 ветви, достигая 8,27 мм глубины (50 % от толщины стенки трубы).
Микроскопический анализ поверхности образца № 1 показал отсутствие признаков прироста трещины после 2-й ступени нагруже-ния, однако на 3-й ступени (размах напряжений в цикле - 44...396 МПа) произошло приращение правой и левой ветвей трещины соответственно на 1,5 и 1,7 мм в глубину под углом около 45°.
В процессе дальнейшего испытания образца № 1 зафиксировано продолжение развития трещин. Отметим что, трещина КРН преимущественно росла в глубину под углом 45° относительно поверхности трубы. Наблюдаемый на шлифе и в изломе (рис. 10, 11) характер распространения трещины, вероятно, связан со специфическими особенностями осевой зоны стенки трубы, имеющей, как правило, структурную неоднородность, унаследованную от ликвационной осевой зоны прокатной заготовки (сляба, слитка), возможно, свойственными только месту, в котором располагается изучаемая трещина.
Страгивание трещины на образце № 2 произошло после 11200 циклов при максимальном напряжении в цикле 484 МПа. В образце № 2 за первые 10000 циклов страгива-ния трещины не произошло, после этого наг-ружение образца проводили в более жестком режиме циклами с разной амплитудой. Однако это также не спровоцировало существенного роста дефекта. В результате после 11750 циклов трещина подросла в глубину почти на 3 % от своей длины. В сравнении с трещиной в образце № 1, глубина которой изначально была больше (8,27 мм), дефект в образце № 2 выдержал 17450 циклов, остановившись на глубине 6,05 мм, а глубина трещины в образце № 1 достигла 9,22 мм.
Рис. 9. Общий вид трещины и вершины ее ответвлений перед испытаниями
Рис. 10. Трансформация вершины естественной КРН-трещины в образце № 1 на разных этапах испытаний: а - трещина в исходном состоянии; б - после 2000 циклов; в - после 4000 циклов
Рис. 11. Излом образца № 1
Таблица 3
Сводные результаты испытаний модельных образцов с трещиной КРН
№ образца Напряжение страгивания трещин на III ступени испытаний, МПа Ступень Число циклов до страгивания трещины Общее количество циклов Прирост трещины, мм Общая глубина трещины, мм Примечание
1а 396 IV 3600 4000 1,784 10,05 Левая ветвь
1б 396 IV 3600 4000 1,51 9,22 Правая ветвь
2 484 VI 11750 17450 0,32 6,05 Основная трещина
Совокупность полученных данных при испытании образцов представлена в табл. 3. Видно, что чем глубже трещина, тем меньшая нагрузка (напряжение) требуется для ее страги-вания, а также и меньшее количество циклов для достижения трещиной критических размеров, при которых происходит разрушение образца. Полученные результаты ожидаемы и не противоречат принятой авторами концепции основных закономерностей развития дефектов КРН в стальных МГ. Однако данных, полученных на единичных образцах, не достаточно для обобщающих выводов о характере распространения трещин КРН. Выводы нуждаются в более весомой статистической базе.
Искусственные пропилы
Образец № 3 с искусственным пропилом глубиной 30 % от толщины стенки трубы испы-тывался в 5 этапов. На каждом из этапов без зарождения трещины из пропила максимальная нагрузка в цикле увеличивалась на 0,1с02. Однако, несмотря на увеличение растягивающих напряжений в области расположения дефекта, зарождения трещин не наблюдалось. Образование трещины из пропила глубиной 40 % от толщины стенки произошло после 3500 циклов на IV ступени нагружения при максимальном напряжении в цикле 484 МПа
Рис. 12. Внешний вид пропила (верх) глубиной 30 % от толщины стенки модельного образца № 3: а - исходный вид; б - вид после 14100 циклов нагружения
(1,1с02). Образование трещины из пропила глубиной 50 % от толщины стенки произошло после 3100 циклов и при максимальном напряжении 396 МПа (0,9с0>2). В процессе испытания модельных образцов с искусственными пропилами образование и дальнейшее развитие трещин контролировали с помощью оптического микроскопа.
Фотографии шлифов с пропилами разной глубины и трещин, образовавшихся на них в ходе циклических воздействий, представлены на рис. 12-14.
На рис. 13 показан рост трещин из пропила глубиной 40 % от толщины стенки трубы. Длина искусственного дефекта увеличивалась неравномерно, наблюдался ее резкий прирост после 8400 циклов. Очевидно, этому способствовали накопленные перед вершиной трещины микродефекты (вакансии, поры, комплексы дислокаций), уменьшающие прочностные характеристики металла в данной области [18-20].
Данные, полученные после испытаний модельных образцов № 4 и № 5 с искусственными дефектами - пропилами, из которых произошел рост трещины, представлены в табл. 4.
Прирост трещин из пропила глубиной 50 % от толщины стенки трубы после каждого этапа испытаний представлен на рис. 14. Траектория развития трещины разветвлений не имеет, она прямолинейна и ортогональна по отношению к поверхности трубы, что, возможно, указывает на усталостные причины разрушения материала.
Результаты испытаний трех образцов с искусственными дефектами (см. табл. 4) демонстрируют, что зарождение трещины в условиях проводимых испытаний было возможно только на образцах № 4 и 5, где глубина пропила составляла 40 % и более от толщины стенки трубы. Динамика роста не имела четко выраженных
Рис. 13. Внешний вид пропила (низ) глубиной 40 % от толщины стенки модельного образца № 4: пропил в исходном состоянии (а), а также по завершении 4000 (б), 8400 (в)
и 11400 (г) циклов нагружения
200мкм ТГ^й"^ ч ■/■■■■■ м \
1111 ¡§¡¡3 йй
', * ■ - - ^
йЩЙЩр
Щк
Рис. 14. Внешний вид пропила (верх) глубиной 50 % от толщины стенки модельного образца № 5: пропил в исходном состоянии (а) , а также по завершении 7000 (б) и 14400 (в)
циклов нагружения
Таблица 4
Сводная таблица результатов модельных испытаний образцов с пропилами
№ образца Напряжение страгивания трещин на IV ступени, МПа Ступень Число циклов до страгивания трещины Общее количество циклов Прирост трещины, мм Общая глубина трещины, мм Примечание
4 396 IV 3500 11400 1,51 0,98 Правая ветвь
5 396 IV 3100 14400 0,32 1,25 Основная трещина
закономерностей, подчиняющихся какой-либо строгой зависимости.
Влияние переменной нагрузки на скорость развития трещин в модельных образцах из стали Х70 с дефектами КРН и пропилами. Рассчитаны скорости роста трещин (V), средние за время опыта значения коэффициента
интенсивности напряжений в вершине трещины (К), его максимальные значения (Ктах) и его изменения (ДК) при постоянной амплитуде цикла (табл. 5).
Скорость роста трещин из пропилов при «пакетном» режиме циклического нагружения снижалась на 46 %. Стоит отметить,
Таблица 5
Значения АК, Ктах, V в исследуемой стали Х70 на воздухе (без воздействия коррозионной среды)
№ образца Ступень нагружения V, мм/цикл Кта,, Н-м-1,5 ДК, Нм-15 V средняя' мм/цикл
1а IV 4,45-10~3 77 69,3 4,110-3
1б IV 3,78 10-3 69,5 62,55
2 VI 5Д4-10"4 56,25 50,63 4,3-Ю-4
4 IV 5,810-4 49,72 44,75 4,88-Ю-4
5 IV 6,63 10"4 45,48 40,93 5,56-Ю-4
что указанный режим пакетного циклического нагружения более приближен к реальным условиям эксплуатации МГ, чем испытания с постоянной амплитудой цикла, но при этом в реальных условиях эксплуатации могут быть задействованы другие факторы, влияющие на скорость развития трещины. Так, в реальных условиях частота цикла на несколько порядков ниже, чем в эксперименте: 1,36 10-6 и 1 Гц соответственно.
За временной промежуток в условиях эксплуатации между циклами в металле могут проходить процессы релаксации, снижающие уровень накопления микроповреждений. Кроме того, существует вероятность затупления вершины трещины под длительным действием электрохимических процессов. Перечисленные факторы способны повышать трещиностой-кость стали, но они не учитывались на данном этапе исследований. Эти вопросы требуют более детального рассмотрения при изучении процессов релаксации напряжений в области трещин, учитывающего особенности металла труб, распределение остаточных напряжений, электрохимической коррозии в вершине трещины и т.д. Вместе с тем отмеченные моменты указывают на возможность большей консервативности лабораторных условий (и результатов) исследования влияния переменных нагрузок на развитие трещин в образцах относительно условий эксплуатации стальных труб в составе действующих МГ. Это минимизирует риски ошибок при использовании лабораторных результатов для принятия решений в области обеспечения эксплуатационной надежности трубопроводов с дефектами КРН.
В целом необходимо отметить противоречивость полученных данных, связанную с многофакторностью эксперимента, в том числе: различными типами дефектов, неоднородными режимами нагружения и малой выборкой
образцов. В то же время, важным результатом работы следует признать экспериментальное подтверждение в качестве условия начала роста трещин без контакта с грунтовым электролитом необходимость накопления весьма значительного количества циклов изменения рабочего давления, эквивалентного сотне лет эксплуатации газопроводов при самых консервативных оценках.
***
Таким образом, в результате проведенных исследований модельных образцов труб МГ можно сделать следующие выводы.
1) страгивание трещин КРН или образование трещин из пропилов глубиной не более 40 % при испытаниях на воздухе наблюдается только при количестве циклов нагружения более 3500 и повышенном уровне напряжений, близком к пределу текучести стали;
2) характер распростанения реальных трещин КРН и трещин, образовавшихся из концентраторов-пропилов, противоречив и должен быть изучен на значительной выборке образцов при менее многофакторном эксперименте. Но вместе с тем выявлена закономерная тенденция: с увеличением глубины трещины скорость ее роста увеличивается;
3) переменный режим нагружения образцов при различных амплитудах циклов нагру-жения, соответствующий режиму эксплуатации выбранного участка газопровода, приводил к снижению средней скорости роста трещины за цикл;
4) металлографические исследования выявили различия в траектории распространения трещины КРН на начальном этапе их роста: трещины стремились к ветвлению под углом около 45°. Вместе с тем трещины, образовавшиеся из надрезов, на макроуровне росли в радиальном направлении перпендикулярно
поверхности трубы. Данное обстоятельство, вероятно, и внесло вклад в противоречивость оценки скоростей роста трещин.
Выполненные исследования модельных образцов показали, что на трубах, изготовленных из сталей категории прочности Х70, непротяженные трещины глубиной до 40 % от толщины стенки трубы без доступа околотрубного электролита не способны к росту в течение значительного числа циклов нагружения,
эквивалентного накоплению реальных циклов колебаний рабочего давления газопровода за период эксплуатации не менее 100 лет. Следовательно, участки трубопровода, содержащие зоны трещин глубиной до 40 % от толщины стенки трубы, не начавших объединение в магистральные трещины, могут безопасно эксплуатироваться после ремонта, исключающего электрохимическую составляющую роста трещин КРН.
Список литературы
1. Cheng Y.F. Stress corrosion of pipeline / Y.F. Cheng. - Hoboken: John Wiley & Sons Publishing, 2013. - 257 с.
2. Малкин А.И. Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов / А.И. Малкин, А.И. Маршаков, В.Э. Игнатенко и др. // Коррозия: материалы, защита. - 2009. - № 10. - C. 1-15.
3. Ряховских И.В. Комплексная методика исследования коррозионно-механических свойств малоуглеродистых низколегированных трубных сталей и оценка их стойкости против КРН: дис. ... канд. тех. наук: 01.04.07 /
И.В. Ряховских. - М., 2013. - 155 с.
4. Public inquiry concerning stress corrosion cracking on Canadian oil and gas pipeline steels: Rep. NEB, MH-2-95. - 1996. - 147 с.
5. Антонов В.Г. Исследование условий и причин коррозионного растрескивания труб магистральных газопроводов / В.Г. Антонов, А.В. Балдин, З.Т. Галиуллин и др. -
М.: ВНИИЭгазпром, 1991. - 43 с.
6. Канайкин В.А. Разрушение труб магистральных газопроводов / В.А. Канайкин, А.Ф. Матвиенко. - Екатеринбург, 1997. - 102 с.
7. Богданов Р.И. Закономерности коррозионного растрескивания под напряжением трубной стали X70 в грунтовых электролитах с pH близким к нейтральному: дис. ... канд. хим. наук: 05.17.03/ Р.И. Богданов. - М., 2012. -196 с.
8. Chen W. An overview of near-neutral pH stress corrosion cracking in pipelines and mitigation strategies for its initiation and growth / W. Chen // Corrosion. - 2016. - T. 72. - № 7. - С. 962-977.
9. Овчинников И.И. Напряженно-деформированное состояние и долговечность толстостенного трубопровода в условиях воздействия неоднородного теплового поля
и водородной коррозии / И.И. Овчинников // Строительная механика и расчет сооружений. -2012. - № 4. - С. 16-20.
10. Игнатенко В.Э. Влияние катодной поляризации на скорость коррозионного растрескивания трубных сталей / В.Э. Игнатенко,
A.И. Маршаков, В.А. Маричев и др. // Защита металлов. - 2000. - Т. 36. - № 2. - C. 132-139.
11. Игнатенко В.Э. Применение метода SSRT для оценки влияния состава коррозионной среды на склонность трубной стали Х70
к растрескиванию под напряжением /
B.Э. Игнатенко, Ю.И. Кузнецов, А.Б. Арабей и др. // Коррозия: материалы, защита. - 2011. -№ 9. - С. 16-28.
12. Lu J.B.T. Crack growth model for pipelines exposed to concentrated carbonate-bicarbonate solution with high pH / J.B.T. Lu, F. Song,
M. Gao, et al. // Corrosion Science. - 2010. -Т. 52. - С. 4064-4072.
13. Arafin M.A. A new understanding of intergranular stress corrosion cracking resistance of pipeline steel through grain boundary character and crystallographic texture studies / M.A. Arafin, J.A. Szpunar // Corrosion Science. - 2009. -
Т. 51. - С. 119-128.
14. Малкин А.И. Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов. Ч. II: Кинетические закономерности и влияние условий эксплуатации на КРН трубных сталей в водных средах / А.И. Малкин, А.И. Маршаков,
В.Э. Игнатенко и др. // Коррозия: материалы, защита. - 2010. - № 2. - С. 1-13.
15. Малкин А.И. Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов. Ч. I: Современные представления о механизмах коррозионного растрескивания сталей в водных средах / А.И. Малкин, А.И. Маршаков, В.Э. Игнатенко и др. // Коррозия: материалы, защита. - 2009. -№ 10. - С. 1-16.
16. Дарков А.В. Сопротивление материалов / А.В. Дарков, Г.С. Шпиро. - М.: Высшая школа, 1989. - 624с.: ил.
17. Yu M. Corrosion fatigue crack growth behavior of pipeline steel under underload-type variable amplitude loading schemes / M. Yu, X. Xing, H. Zhang, et al. // Acta Materialia. - 2015. -
Т. 96. - С. 159-169.
18. Ряховских И.В. Совершенствование методов оценки склонности 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. - С. 88-93.
19. Штремель М.А. Разрушение /
М.А. Штремель. - М.: Наука, 2014. - Т. 1. -788 с.
20. Калин Б.А. Физическое материаловедение: учеб. / Б.А. Калин. - М., 2008. - 523 с.
Modelling stress-corrosion fracture of pipe steel
S.A. Zhedulov1*, A.B. Arabey1, LV. Ryakhovskikh1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy urban district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: S_Zhedulov@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. This article examines the interrelation between the alternate loads simulating functioning of trunk gas pipelines during 30 years and the growth of cracks with diverse depths in the pipes manufactured from the low-carbon steel X70. To study dynamics of crack growth in the model samples of metallic X70 pipes having the stress-corrosion cracks and the artificial defects (namely, the grooves), the four-point bending tests were carried out according to the Gazprom's procedure. Authors present the results of testing the steel samples with cracks and grooves of different depths. The metallographic methods were applied for studying morphology of metal cracking with respect to the structure of a material. These tests showed that in case of non-exposition of an electrolytic conductor there were no any signs of the crack growth if its depth was inferior to 40% of the pipe wall thickness.
The results of the described studies could be useful for initiating original and cheap repair techniques based on resealing and local strengthening of pipes, and for formulating requirements for means of pipeline nondestructive testing.
Keywords: pipe steel, stress-corrosion cracking, alternate load, crack, stress-strain behavior, resealing. References
1. CHENG, Y.F. Stress corrosion of pipeline. Hoboken: John Wiley & Sons Publishing, 2013.
2. MALKIN, A.I., A.I. MARSHAKOV, V.E. IGNATENKO, et al. Processes of corrosion cracks origination and growth at steel of trunk pipelines [Protsessy zarozhdenuya i rosta korrozionnykh treshchin na stali magistralnykh truboprovodov]. Korroziya: Materialy, Zashchita, no. 2009, no. 10, pp. 1-15. ISSN 1813-7016. (Russ.).
3. RYAKHOVSKIKH, I.V. Complex technique for studying corrosive-mechanical properties of low-carbon, low-alloyed pipe steels and estimation of their resistance to stress-corrosion cracking [Kompleksnaya metodika issledovaniya korrozionno-mekhanicheskikh svoystv malouglerodistykh nizkolegirovannykh trubnykh staley i otsenka ikh stoykosti protiv KRN]: candidate thesis (engineering). National Research Physical Institute MEPHI. Moscow, 2013. (Russ.).
4. Public inquiry concerning stress corrosion cracking on Canadian oil and gas pipeline steels: Rep. NEB, MH-2-95. 1996.
5. ANTONOV, V.G., A.V. BALDIN, Z.T. GALLIULIN, et al. Studying conditions and reasons for corrosion cracking of pipes integrated into trunk gas pipelines [Issledovaniye usloviy i prichin korrozionnogo rastreskivaniya trub magistralnykh gazoprovodov]. Moscow: VNIIEgazprom, 1991. (Russ.).
6. KANAYKIN, V.A., A.F. MATVIYENKO. Degradation of pipes within trunk gas pipelines [Razrusheniye trub magistralnykh gazoprovodov]. Yekaterinburg, 1997. (Russ.).
7. BOGDANOV, R.I. Consistent patterns for corrosion cracking of X70 pipe steel within ground-based electrolytes with near-neutral pH [Zakonomernosti korrozionnogo rastreskivaniya pod napryazheniyem trubnoy stali X70 v gruntovykh elektrolitakh s pH blizkim k neytralnomy]. Candidate thesis (chemistry). Moscow, 2012. (Russ.).
8. CHEN, W. An overview of near-neutral pH stress corrosion cracking in pipelines and mitigation strategies for its initiation and growth. Corrosion, 2016, vol. 72, no. 7, pp. 962-977. ISSN 0010-9312.
9. OVCHINNIKOV, I.I. Stress-strain behavior and durability of a heavy-walled pipeline subject to exposition of heterogeneous thermal field and hydrogen corrosion [Napryazhenno-deformirovannoye sostoyaniye i dolgovechnost tolstostennogo truboprovoda v usloviyakh vozdeystviya neodnorodnogo teplovogo polya i vodorodnoy korrozzii]. Stroitelnaya Mekhanika i Raschet Sooruzheniy, 2012, no. 4, pp. 16-20. ISSN 0039-2383. (Russ.).
10. IGNATENKO, V.E., A.I. MARSHAKOV, V.A. MARICHEV, et al. Effect of cathodic polarization on tempo of corrosion cracking of pipe steels [Vliyaniye katodnoy polyarizatsii na skorost korrozionnogo rastreskivaniya trubnykh staley]. ZashchitaMetallov, 2000, vol. 36, no. 2, pp. 132-139. ISSN 0044-1856. (Russ.).
11. IGNATENKO, V.E., Yu.I. KUZNETSOV, A.B. ARABEY, et al. Application of SSRT method to assess impact of corrosive medium composition to X70 pipe steel liability to stress cracking [Primeneniye metoda SSRT dlya otsenki vliyaniya sostava korrozionnoy sredy na sklonnost trubnoy stali X70 k rastreskivaniyu pod napryazheniyem]. Korroziya: Materialy, Zashchita, 2011, no. 9, pp. 16-28. ISSN 1813-7016. (Russ.).
12. LU, J.B.T., F. SONG, M. GAO, et al. Crack growth model for pipelines exposed to concentrated carbonate-bicarbonate solution with high pH. Corrosion Science, 2010, vol. 52, pp. 4064-4072. ISSN 0010-938X.
13. ARAFIN, M.A., J.A. SZPUNAR. A new understanding of intergranular stress corrosion cracking resistance of pipeline steel through grain boundary character and crystallographic texture studies. Corrosion Science, 2009, vol. 51, pp. 119-128. ISSN 0010-938X.
14. MALKIN, A.I., A.I. MARSHAKOV, V.E. IGNATENKO, et al. Processes of corrosion cracks origination and growth at steel of trunk pipelines [Protsessy zarozhdenuya i rosta korrozionnykh treshchin na stali magistralnykh truboprovodov]. Pt. II: Kinetic laws and impact of operation conditions to stress-corrosion cracking of pipe steels in aqueous media [Kineticheskiye zakonomernosti i vliyaniye usloviy ekspluatatsii na KRN trubnykh stale v vodnykh sredakh]. Korroziya: Materialy, Zashchita, 2010, no. 2, pp. 1-13. ISSN 1813-7016. (Russ.).
15. MALKIN, A.I., A.I. MARSHAKOV, V.E. IGNATENKO, et al. Processes of corrosion cracks origination and growth at steel of trunk pipelines [Protsessy zarozhdenuya i rosta korrozionnykh treshchin na stali magistralnykh truboprovodov]. Pt. I: Modern vision of mechanisms immanent to steel corrosion cracking in aqueous media [Sovremennyye predstavleniya o mekhanizmakh korrozionnogo rastreskivaniya staley v vodnykh sredakh]. Korroziya: Materialy, Zashchita, 2009, no. 10, pp. 1-16. ISSN 1813-7016. (Russ.).
16. DARKOV, A.V., G.S. SHAPIRO. Strength of materials [Soprotivleniye materialov]. Moscow: Vysshaya shkola, 1989. (Russ.).
17. YU, M., X. XING, H. ZHANG, et al. Corrosion fatigue crack growth behavior of pipeline steel under underload-type variable amplitude loading schemes. ActaMaterialia, 2015, vol. 96, pp. 159-169. ISSN 1359-6454.
18. RYAKHOVSKIKH, I.V., T.S. YESIYEV, S.A. KOKHTEV. Perfecting methods of assessment gas-pipe steels liability to stress-corrosion cracking (stress corrosion) [Sovershenstvovaniye metodov otsenki sklonnosti gazoprovodnykh staley k korrozionnomy rastreskivaniyu pod napryazheniyem (stress-korrozii)]. Fizika i Khimiya ObrabotkiMaterialov, 2012, no. 4, pp. 88-93. ISSN 0015-3214. (Russ.).
19. SHTREMEL, M.A. Destruction [Razrusheniye]. Moscow: Nauka, 2014, vol. 1. (Russ.).
20. KALIN, B.A. Material physics [Fizicheskoye materialovedeniye]. Moscow, 2008. (Russ.).
