CC BY
93
РОЛЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В РАЗВИТИИ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Волгина Наталья Ивановна
канд. техн. наук, доцент Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), РФ, г. Москва
E-mail: nvolgina2008@rambler. ru Конакова Марина Анатольевна канд. техн. наук, ведущий инженер ПОЭМГ ООО «Газпром трансгаз Санкт-
Петербург», РФ, г. Санкт-Петербург E-mail: MKonakova@spb. ltg.gazprom. ru Хламкова Светлана Сергеевна канд. техн. наук, доцент Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), РФ, г. Москва
E-mail: svetlanaktn@yandex. ru Шарипзянова Гюзель Харрясовна канд. техн. наук, доцент Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), РФ, г. Москва
E-mail: guzel@mtw.ru
INFLUENCE OF NONMETALLIC INCLUSIONS ON DEVELOPMENT OF STRESS CORROSION CRACKING OF THE MAIN GAS PIPELINES
Volgina Natalya
candidate of Science, associate professor, Moscow state machine-building university
(MAMI), Russia, Moscow Konakova Marina
candidate of Science, leading engineer of POEMG JSC « Gazprom transgaz Saint
Petersburg», Russia, St. Petersburg.
Chlamkova Svetlana
candidate of Science, associate professor, Moscow state machine-building university
(MAMI), Russia, Moscow Sharipzyanova Guzel
candidate of Science, associate professor, Moscow state machine-building university
(MAMI), Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Приведены результаты исследования влияния неметаллических включений на разрушения труб магистральных газопроводов. Показано, что сильная загрязненность неметаллическими включениями зафиксирована в сталях лишь вблизи очагов разрушений. Наблюдается зависимость образования дефектов в структуре металла от неметаллических включений. В местах с повышенным содержанием неметаллических включений возникают питтинги, приводящие в
Created by DocuFreezer | www.DocuFreezer.com |
дальнейшем к развитию стресс-коррозионных трещин, вызывающих в дальнейшем разрушение трубопровода.
ABSTRACT
Results of research of influence of nonmetallic inclusions on destructions of pipes of the main gas pipelines are given. It is shown that strong impurity is recorded by nonmetallic inclusions only near the centers of destructions. Dependence of formation of defects in structure of metal from nonmetallic inclusions is observed. In places with the raised content of nonmetallic inclusions there are pittings leading further to development a stress corrosion cracking causing further destruction of the pipeline.
Ключевые слова: газопровод; сталь, коррозионное растрескивание под напряжением; неметаллические включения; структура; разрушение.
Keywords: gas pipeline; steel, stress corrosion cracking; nonmetallic inclusions; structure; destruction.
Существенное влияние неметаллических включений на механические и физические свойства металлов известно уже давно, широко исследуется и в зависимости от характера этого влияния — устраняется или используется металлургами и металловедами с целью улучшения качества стали [4].
Неметаллические включения в стали образуются при выплавке, выпуске, разливке и кристаллизации. Образование эндогенных неметаллических включений — неизбежный процесс при производстве стали вследствие реакций между ее компонентами, уменьшения растворимости последних с понижением температуры, добавления в сталь раскислителей и десульфуратов. Момент и место образования включений — гомогенное зарождение в результате ликвации примесей или гетерогенное зарождение на поверхности ранее существовавших включений или на поверхности кристаллов — определяются термодинамическими и кинетическими факторами. На состав эндогенных включений влияют состав и технология производства стали (способ выплавки, раскисление, рафинирование).
Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не установлена четкая зависимость между степенью чистоты стали и ее свойствами, нет согласованности в вопросе, какая из характеристик включений наиболее опасна с точки зрения воздействия на свойства стали — химический состав, размер, количество или распределение. Противоречивость данных о влиянии включений на свойства стали можно объяснить различием видов стали, технологии ее производства и условий исследования.
Весьма актуальным является вопрос о влиянии неметаллических включений на коррозионные процессы, в частности на коррозионное растрескивание под напряжением низколегированных трубных сталей. Этот вид разрушения труб МГ является наиболее распространенным и опасным [3].
Для изучения влияния неметаллических включений на разрушения труб магистральных газопроводов (МГ) были проведены исследования металла труб, разрушившихся при авариях.
На сегодняшний день в эксплуатации находятся газопроводы, сооруженные из сталей, выполненных с применением различных способов - нормализованных (17Г1С, 17ГС, 17Г1С-У), термоупрочненных (17Г2СФ, 14Г2САФ и др.) и сталей контролируемой прокатки (Х65, Х70, 09Г2ФБ и др.).
Результаты многочисленных металлографических исследований показали, что наиболее загрязнены по неметаллическим включениям нормализованные стали 17Г1С производства Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ) и сталь производства Швеции.
Визуально-измерительный контроль разрушенных при авариях труб показал наличие на наружной поверхности глубоких и обширных коррозионных повреждений в виде пятен, язв, каверн и раковин (рисунок 1). Состояние изоляции в большинстве случаев неудовлетворительное и имеются многочисленные отслоения пленки или открытые участки в битумной изоляции. Электрохимическая защита газопроводов осуществляется посредством станций катодной защиты.
Рисунок 1. Коррозионные пятна и язвы на наружной поверхности трубы
Лабораторные исследования показали, что стали имели феррито-перлитную структуру, величина зерна № 7—8. Химический состав сталей и механические характеристики приведены в таблице.
Таблица 1.
Химический состав исследованных сталей и их эксплуатационные __характеристики_
Содержание элементов, % Эксплуатационные характеристики
Сталь С Si Mn S P толщи на стенки , мм Ов, МПа 00,2, МПа 5, % %
17Г1С 0,15 0,44 1,15 0,03— 0,02— 12,0 579— 369— 14— 58
0,22 0,62 1,55 0,082 0,03 586 410 31 64
0,15 0,4— 0,47 1,58 647— 709 432— 555 14,8 15,4
Швеция 0,18 1,68 0,03 0,02 8,5 20,0 44,1
ТУ 14-3- 0,15 0,4— 1,15 менее менее 530— 360— 20—
109-73 0,21 0,6 1,55 0,02 0,02 580 410 30
Как видно из таблицы, по основным элементам исследуемые стали соответствуют требованиям ТУ. Отклонением от нормы является повышенное (в 2—4 раза) содержание серы. Выявлено также неоднородное распределение кремния и марганца.
Химический состав может значительно влиять на склонность стали к коррозионным разрушениям. Сера, марганец, кремний в низколегированных конструкционных сталях могут не только растворяться в матрице, но и участвовать в образовании неметаллических включений. Коррозионная
стойкость сталей определяется химическим составом всегда присутствующих сульфидных включений.
Виды неметаллических включений и степень загрязненности исследуемых сталей определяли на нетравленых шлифах согласно ГОСТ 1778. Установлено, что в нормализованных сталях производства ЧТПЗ и Швеции присутствуют следующие виды неметаллических включений (рисунок 2):
• оксиды точечные, балл 3—4;
• сульфиды, балл 4—5;
• силикаты пластичные, балл 4—5;
• силикаты недеформирующиеся, балл 2—3.
$
• •
Рисунок 2. Виды неметаллических включений в стали, х 200: а — оксиды точечные; б — сульфиды; в — силикаты пластичные; г — силикаты
недеформирующиеся
Следует отметить, что сильная загрязненность неметаллическими включениями зафиксирована в сталях лишь вблизи очагов разрушений. Вдали от очагов загрязненность соответствует баллу 2—3.
Металлографическими исследованиями установлено, что наблюдается зависимость образования дефектов в структуре металла от неметаллических включений. На рисунке 3 показано растворение стали вокруг оксидов точечных, которое произошло с образованием пор и несплошностей во внутренних объемах
в
б
г
металла. Поскольку изоляция в местах аварий трубопроводов имела многочисленные повреждения, происходит взаимодействие грунтового электролита с поверхностью трубы, что способствовало протеканию химической адсорбции. Проявляется электрохимическая гетерогенность поверхности стали с неметаллическими включениями, увеличивающаяся при наличии внешних напряжений.
Включения являются катодами по отношению к металлической матрице, что приводит к электрохимическому растворению металла вокруг включений при воздействии почвенного электролита [1; 2].
а б
Рисунок 3. Растворение стали вокруг оксидов, х 200: а — точечных; б — с
образованием пор
Неметаллические включения, в частности сульфиды, также являются «ловушками» для водорода, где он скапливается с образованием пустот и несплошностей (рисунок 4).
а б
Рисунок 4. Растворение стали, х200: а — около сульфида; б — с
образованием несплошности
В трубах производства Швеции, где аварии происходили вследствие критического коррозионного утонения стенки трубы, выявлено повышенное содержание неметаллических включений вблизи наружной поверхности труб. Наиболее чувствительные места для зарождения питтингов — сульфиды и оксисульфиды. Питтинги возникают на самих сульфидах или на сульфидной оболочке, окружающей оксиды. Питтинги начинаются с зарождения узкой канавки вокруг включения, которая некоторое время сохраняет свою целостность. По мере расширения и углубления канавки происходит постепенное разрушение самого включения, его растворение и удаление из питтинга.
Выполненные исследования позволяют заключить, что при производстве трубных сталей необходимо проводить их очистку и модифицирование неметаллических включений. Обработка силикокальцием и редкоземельными металлами способствует глобуляризации сульфидных неметаллических включений и повышает сопротивление разрушению.
Действующими нормативными документами (ТУ, стандартами) на производство газопроводных труб и, собственно, сталь листовую, данные требования не регламентированы. Для гарантированной поставки высококачественных труб необходимо дооснащение листопрокатных станов диагностическими установками для выявления зон неметаллических включений с уровнем более 1—2 балла (по ГОСТ 1778).
Список литературы:
1. Конакова М.А., Волгина Н.И. Формирование коррозионных повреждений на трубах магистральных газопроводов из сталей, полученных методом контролируемой прокатки. Ремонт, восстановление, модернизация, — № 3, — 2002, — с. 23—26.
2. Королев М.И., Волгина Н.И., Салюков В.В., Колотовский А.Н., Воронин В.Н. Ремонт магистральных газопроводов, подверженных
коррозионному растрескиванию под напряжением. «Ремонт, восстановление, модернизация», — № 12, — 2004, — с. 6—10.
3. Ремизов В.В., Тухбатуллин Ф.Г., Королев М.И., Карпов С.В., Волгина Н.И., Салюков В.В. Коррозионное растрескивание труб под напряжением — основная причина аварий магистральных газопроводов. Газовая промышленность. Серия: Ремонт трубопроводов. Научно-технический сборник № 4. М.: ИРЦ Газпром, 2001, — с. 3—12.
4. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. М.: Металлургия, 1980. — 174 с.
