СЛОИСТЫЕ ТРЕЩИНЫ В ТРУБОПРОВОДАХ: ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 622.692.4.004

СЛОИСТЫЕ ТРЕЩИНЫ В ТРУБОПРОВОДАХ: ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

М.А. Мутаев

Дагестанский государственный технический университет

Аннотация

Слоистые трещины являются одними из трудно выявляемых и скрытных дефектов металлических трубопроводов и это требует принятие эффективных мер их оценки, начиная с их классификационного анализа и уменьшения риска их появления как при реализации технологии производства металлических трубопроводов, так и при при анализе их состояния в процессе эксплуатации.

Ключевые слова:

Трещина, надежность, слой, трубопровод, метод, развитие, длина, оценка, неисправность. История статьи:

Дата поступления в редакцию 19.12.19 Дата принятия к печати 21.12.19

Проблема обеспечения надежности сложных технических систем является задачей актуальной вследствие того, что при низкой надежности могут случиться катастрофы и аварии, которые могут привести к человеческим жертвам, большим экологическим катаклизмам и значительному материальному ущербу. Это требует реализации комплекса мероприятий по поддержанию требуемого уровня надежности оборудования при его эксплуатации в различных режимах и условиях. К ним относятся моделирование принципов функционирования оборудования и его возможных состояний на этапе проектирования, моделирование состояния оборудования на основе данных в процессе его эксплуатации и прогноз поведения оборудования, его существенных параметров с целью предотвращения внезапных или постепенных отказов, нарушения режима функционирования или сбоев в работе.

При этом важным этапом в перечисленных мероприятиях является этап классификации возможных дефектов в оборудовании, их видов и количества, которые могут возникнут на всей длительности жизненного цикла элементов оборудования и всего оборудования в целом. Целью настоящего исследования является анализ имеющих место на практике слоистых трещин в трубопроводных системах в процессе производства и эксплуатацияи, а также и последующая классификация их видов и причин возникновения. Для классификации слоистых трещин, возникающих в трубопроводных системах, производимых для использования при перекачке углеводородов предлагается комплексный подход, начиная с алгоритма диагностирования, анализа процесса металлургического производства и технологии изготовления металлических трубопроводов. При этом акцент делается на то, чтобы представить слоистые трещины одним из скрытых дефектов трубопроводов, которые часто приводят к возникновению внезапных отказов в анализируемом объекте. Также необходимо проанализировать результаты металлографических исследований, особенности технологий изготовления металлических трубопроводов и на основе этого составляется классификационная схема видов слоистых трещин, характера их развития и их влияния на структуру металла и в конечном

1Л X

I-<

х

ГС

о со о

й к

0 Я1 >1

5?

1 £

3 * и 5 а 5 Н к

2 |

£ «

и и * ?

М ^ 1

Й 13

У

. т

< 5 2 &

итоге на прочность металлических трубопроводов.В особенности это актуально для сложного технического оборудования или деталей, включающие в себя детали, состоящие из физических сред с разными теплофизическими параметрами, детали, имеющие слоистую структуру и работающие в различных температурных условиях и при различной механической нагрузке. К одним из таких дефектов, требующих пристального внимания разработчиков и специалистов по эксплуатации технических систем являются дефекты типа трещин, которые могут находиться в деталях до начала эксплуатации и развиться в ней в дальнейшем или появиться в процессе эксплуатации. Вследствие этого важным является разработка математического описания и математическое моделирование трещин с целью прогноза их появления в материале, их поведения в процессе изменения механических нагрузок и температурных условий. В работе для анализа использован обширный материал, представленный в /1/.

Слоистые дефекты могут возникнуть при производстве, эксплуатации и ремонте (обслуживании) трубопроводов. Они являются скрытыми дефектам трубопроводов и их выявление на всех этапах жизненного цикла повышает надежность трубопроводов, позволяет получать полную информацию об их состоянии/1/.

При разработке диагностического обеспечения и создании системы тестового или функционального диагностирования для выявления слоистых трещин необходимо:

— изучить объект диагностирования (его назначение, конструкцию, параметры, материал и т.д.);

— указать типы наиболее вероятных дефектов, условия и признаки их проявления, для малоизученных объектов требуется физическое моделирование дефектов;

— выбрать известную или построить новую математическую модель объекта и соответствующие ей модели возможных дефектов;

— выбрать метод и составить алгоритм диагностирования, анализируя модели объекта;

— оценить качество полученного алгоритма: основные характеристики — полнота обнаружения возможных дефектов, глубина поиска. Если указанные характеристики не соответствуют требуемым, то либо проводят доработку алгоритма, либо разрабатывают новый, применяя другие методы диагностирования либо улучшают контролепригодность объекта;

— выбрать или разработать новые технические средства диагностирования, которые реализуют данный алгоритм диагностирования;

— оценить характеристики выбранных или разработанных средств диагностирования (достоверность, безотказность и т.д.), если ка- кие-либо характеристики не соответствуют требуемым, то либо проводят доработку ТСД, либо выбирают или разрабатывают другие, не меняя алгоритм;

— исследовать систему диагностирования (в том числе экспериментально).

Схема алгоритма, используемого при разработке системы диагностирования, приведена на рис. 1.

Для изготовления трубопроводных систем и объектов нефтегазового производства (ТСОНП) применяют качественные высококачественные стали. Однако, даже при строгом соблюдении технологии производства на металлургических предприятиях и при достаточно высоком уровне технологической дисциплины случаи брака продолжают иметь место. Так, около 5 % повреждений на опасных производственных объектах происходит из-за наличия в металле дефектов металлургического либо технологического характера. На стадии изготовления на металлургических и технологических производствах в металлах трубопроводов могут возникнуть дефекты, приводящие к сложным трещинам, Данного типа дефекты подразделяются на внутренние дефекты, дефекты поверхности и технологические дефекты изготовления.

Рис. 1

К распространенным дефектам ТСОНП относятся межкристаллитные трещины, прослойки и сколы. Они представляют собой тонкие нарушения сплошности, образующиеся по границам кристаллов при низкой прочности этих границ вследствие усадочных, термических и структурных напряжений.

Пониженная прочность границ кристаллов зачастую связана с присутствием на них прослоек неметаллической фазы и ликватов. Располагаются межкристаллитные трещины и прослойки преимущественно в осевой зоне слитка. В результате деформации с большой степенью обжатия межкристаллитные трещины при небольшом их развитии могут завариваться частично или полностью.

1Л I

I-<

я

х

ГС

о со о

й к

0 я >1

5? £ й

1 £

3 * и 5 а 5 Н к

2 |

£ « и и

* 9

^ I

Й 13

У

. т

< 5 ![ ^

В деформированном металле не полностью заварившиеся трещины имеют линейный или паукообразный вид. Незаварившиеся межкристаллические трещины имеют вид изломов (рис. 2.).

Рис. 2

Так называемые, ликвации представляют собой неоднородность сталей и сплавов по составу, образующуюся при их затвердевании. Различают дендритную и зональную ликвации. Дендритная ликвация — неоднородность по составу осей и межосных участков в объеме дендрита, зональная — по составу различных зон слитка.

Рис. 3

После продолжительного отжига не всегда происходит полное выравнивание состава и в микроструктуре деформированной стали сохраняются структурная полосчатость и карбидная ликвация.

На рис. 3. приведена структурная полосчатость стали ШХ15. Оценка степени карбидной ликвации и структурной полосчатости стали ШХ15 проводят по ГОСТ 801.

В качестве дефекта рассматривается также ликвационный квадрат. Этот дефект, выявляется в поперечных макрошлифах деформированного металла, представляет собой структурную неоднородность в виде различно травящихся зон, контуры которых повторяют форму слитка. Располагается за зоной столбчатых кристаллов. Может иметь довольно большую ширину (рис. 4.).

Рис. 4

Степень развития ликвационного квадрата оценивается по шкалам ГОСТ 10243. Причина образования ликвационного квадрата — зональная ликвация в сочетании с дендритной.

Дефекты в виде внутренних трещин и разрывов от деформации образуются при деформации вследствие высоких напряжений и малой пластичности металла. Располагается преимущественно в центральной зоне слитка. Внутренние надрывы от деформации могут различаться по внешнему виду в зависимости от условий деформирования. Тяжелые нагрузки на труднодеформируемые стали могут приводить к образованию разрывов в виде ковочного креста или разветвленных разрывов, расходящихся от центра (рис. 5.).

Рис. 5

Дефекты в виде кристаллизационных трещин это извилистый окисленный разрыв металла, более широкий у поверхности и сужающийся вглубь, образовавшийся в период кристаллизации металла вследствие приложения растягивающих напряжений, превышающих прочность наружных слоев слитка (рис6)..

Рис. 6

Раскатанные горячие трещины представляют собой разрывы металла, ориентированные вдоль оси проката, под углом к ней или перпендикулярно в зависимости от ориентации и формы исходного дефекта слитка (рис. 7).

Рис. 7

1Л I

I-<

Я

х

ГС

о со о

й к

0 я >1

5? £ й

1 £ и *

и 5 а 5 Н к

2 |

£ « и и

* 9

^ I

Й 13

3 -У

. т

< 5 2 ^

Такие дефекты как трещины напряжения представляют собой направленную вглубь металла, часто под прямым углом к поверхности трещину, формирующуюся вследствие объемных напряжений, связанных со структурными превращениями или с нагревом и охлаждением металла. Трещины напряжения образуются в слитках и в деформированном металле при его обработке: при охлаждении стали, при котором произошло мартенситное превращение (рис. 8, 9);

Рис. 8 Рис. 9

— при вылеживании стали с мартенситной структурой;

— при медленном нагреве наклепанных дисперсионно-твердеющих сплавов (рис. 10);

— при нагреве или охлаждении высокохромистых сталей ферритного класса, склонных к выделению сигма-фазы;

— при быстром нагреве сталей с высокой твердостью и малой пластичностью.

Рис. 10

Наиболее распространены закалочные трещины с образованием мартенситной структуры. Характерные признаки трещин напряжения на не- травленных шлифах: расположение трещины под прямым углом к поверхности, извилистый характер, малая ширина, наличие мелких ответвлений, иногда раздвоенный конец (рис. 11, 12).

Рис. 11 Рис.12

В металлах могут возникнуть также так называемы травильные трещины, которые часто имеют слоистую структуру. Они представляют собой разрывы, образовавшиеся при травлении металла с внутренними напряжениями, вызванными структурными превращениями или деформацией; могут быть глубо-

кими или мелкими. Травильные трещины иногда формируют поверхностную сетку, подобную сетке шлифовочных трещин, но значительно более грубую (рис. 13). Причина образования травильных трещин — насыщение напряженного металла водородом, выделяющимся при травлении.

Рис. 13

Дефект типа закат представляет собой прикатанный прямолинейный продольный выступ с одной стороны проката или с двух диаметрально противоположных его сторон (рис. 14).

Технологические дефекты изготовления труб и сварных соединений являются следствием нарушений технологии и недостаточного контроля во время монтажа. Развитие этих дефектов в процессе эксплуатации приводит к разрушениям труб или сварных соединений.

При повреждениях поверхностей нагрева труб наблюдались в основном три вида дефектов металла: технологические трещины, риски и расслоения металла.

Протяженность отдельных трещин по длине трубы невелика (30-50 мм). Наряду с основной трещиной, послужившей причиной повреждения, в ряде случаев обнаруживались и другие, менее развитые (рис. 16.).

При коррозионной усталости разрушение происходит при любой приложенной нагрузке и при достаточно большом числе циклов.

X

ГС

^

о

со

о

а с к

о *о > а н т га ¡е * ■е и

I и го

¡3 ¡2

ш а

н (К

(и

н и I и со

о

О I

^ X

и

I

т Ш т о

* ш

Ь

^ I

Т

<

а

с

Чаще всего коррозионно-усталостные трещины транскристаллитны (рис. 17).

Рис. 17

Они нередко ветвятся, и вблизи магистральной трещины на поверхности металла наблюдается несколько мелких. При коррозионной усталости на поверхности металла могут появляться питтинги и коррозионные язвины, являющиеся очагами разрушения (но они необязательные предшественники корро-зионно-усталостного повреждения)

Механизм появления усталости на воздухе связывают с образованием локализованных плоскостей скольжения в зернах металла при знакопеременной нагрузке, в результате приложения которой на поверхности металла возникают ступени скольжения. По-видимому, адсорбция воздуха на обнажившуюся поверхность металла препятствует сращиванию плоскостей при обратном ходе нагрузки, в результате чего возникают скопления полос скольжения, которые и образуют на поверхности металла впадины и выступы, способствующие зарождению и развитию трещин.

С применением металлографических методов исследования, электронной микроскопии наблюдались следующие стадии в подготовке образования усталостной трещины:

1) появление следов сдвига в виде отдельных точек или небольших ямок сферической или конической формы;

2) выстраивание в ряды и затем слияние этих ямок в сплошные полосы или линии сдвига;

3) перерождение неустойчивых полос сдвига в устойчивые, не устраняемые дальнейшим электрополированием;

4) появление тонких трещин в структуре полос сдвига (рис.18 19).

Рис. 19

При макроскопическом развитии усталостная трещина может проходить через четыре кинетических периода: инкубационный, торможения, стационарный и заключительно ускоренный , заканчивающийся полным разрушением.

Важнейшим практическим следствием из установленного раннего начала усталостного разрушения для многих реальных условий эксплуатации является необходимость оценивать материалы не только по полному разрушению, но и по начальному, выявляемому иногда уже после 5-10 % от общего числа циклов. На большей части технических устройств, отработавших расчетный срок службы, появление и развитие трещин вызваны приложением многократных знакопеременных нагрузок при более низком уровне действующих напряжений, чем в случае однократного статического нагружения. Эти напряжения значительно ниже пределов прочности, текучести и упругости. Как уже показано, состояние поверхности, воздействие на нее напряженной среды и других факторов играют большую роль в процессе разрушения от усталости. Поверхностные дефекты — концентраторы напряжений: царапины, надрезы, резкие переходы риски и т.д. могут являться очагами зарождения разрушения и снижать усталостную прочность. В то же время высокое качество обработки поверхности, различные покрытия, химико-термическая обработка, ППД способствуют повышению предела выносливости сталей.

Коэффициент концентрации напряжений впереди полосы течения пропорционален числу скоплений в полосе, следовательно, концентрация напряжений пропорциональна ширине полосы.

В экспериментальном отношении докритический рост трещин, по-видимому, наиболее прост для регистрации (по сравнению с зарождением и лавинным ростом), поэтому учеными многих стран выполнено довольно большое количество работ по этому вопросу.

Принято, что образование микротрещин есть элементарный акт процесса разрушения. Дальнейшее поведение микротрещин такого размера значительно зависит от характера дислокационной структуры, определяющей механизм роста трещин. Зарождение хрупкого разрушения связано с развитием микротрещин, происходящим анизотропно вдоль кристаллографического направления, перпендикулярно вектору Бюргерса активной системы скольжения.

Скорость микротрещин определяется в основном ориентацией поверхности, содержащей микротрещины. В соответствии с механизмом Орована при одноосном растяжении кристалла, существовавшая ранее малая трещина, не способная к самостоятельному росту, инициируется приближающейся полосой скольжения. Когда расстояние между полосой и трещиной станет достаточно малым возникает скол. При большом числе близкорасположенных полос скольжения трещина будет удлиняться, пока не достигнет размеров, удовлетворяющих условию Гриффитса.

Модель Паркера предполагает встречу двух пачек скольжения в окрестностях поверхностей трещины. Третий механизм предполагает возможным слияние трещины, генерируемой по механизму Коттрелла, с поверхностной трещиной. Позднее было предложен механизм подрастания микротрещин, при котором подготовка материала к разрушению и пластическое течение происходят одновременно, где серия полос скольжения заблокирована границей либо каким-то барьером. Источник дислокаций, питающий полосу скольжения, заперт обратными напряжениями от скопления дислокаций.

Следующий механизм несколько сложнее. Здесь трещина питается дислокациями с плоскостей скольжения соседних зерен. Так как дислокации могут иметь разные знаки, то напряжения в вершине трещины определяются не полным числом поглощенных дислокаций одного знака, что должно вести к дислокационной скачкообразности и формированию пустот вдоль границы.

При исследовании кремнистого железа с помощью электронно-микроскопического исследования удалось установить на расстоянии в 1 мкм перед трещиной существование значительной пластической деформации, приводящей к образованию небольшой микротрещины перед основной. Последующее их объединение ведет к образованию и развитию магистральной трещины.

1Л I

I-<

Я

х

ГС

о со о

й к

0 Я1 >1

5?

1 £

3 * и 5 а 5 Н к

2 |

£ «

и и * ?

М ^ 1

Й 8 У

. т

< 5 2 &

В рамках чисто упругой задачи, когда удовлетворяется условие Гриффитса, обеспечивается хрупкий разрыв материала по прямой . На второй стадии развиваются сдвиговые явления в вершине и перед трещиной по механизму, подобному модели Паркера . Концентрации энергии деформации может быть достаточно для образования микросдвига перед остановившейся трещиной с образованием микротрещины. И, наконец, при одновременном расширении и притуплении остановившейся трещины происходит слияние основной и вторичной, при увеличении радиуса кривизны вершины — последующее общее разрушение.

На локальное напряженное состояние у вершины распространяющейся трещины влияет эволюция дислокационной структуры, связанная непосредственным образом с исходной структурой материала и условиями нагружения (уровнем напряжений, температурой, геометрией, характером приложения нагрузки и т.д.). В случае знакопеременных нагрузок при определенных амплитудах напряжения реализуются условия, отвечающие условиям плоской деформации (размер зоны пластической деформации пренебрежимо мал по сравнению с длиной трещины). При этом впереди распространяющейся трещины формируется вторичная ячеистая структура на фоне первичной, образованной в инкубационный период усталости (еще до возникновения трещины). При наличии такой структуры облегчается формирование плоских скоплений в пересекающихся системах скольжения за счет дислокаций, испускаемых субграницами вторичной ячеистой структуры, и вполне вероятен скачкообразный рост трещин путем зарождения дислокационной трещины впереди усталостной.

В случае реальных технических металлов и сплавов на механизм роста микродефектов в значительной степени влияют и чистота металла, и его микроструктура, и особенности скольжения, связанные с кристаллической структурой и величиной энергии дефекта упаковки.

Схема механизмов разрушения качественно объясняет уменьшение эффективной поверхностной энергии разрушения с увеличением длины трещины. Следовательно, торможение или ускорение развития трещины зависит от характера взаимодействия фронта трещины со структурными несовершенствами (границами зерен, включениями, двойниковыми прослойками и др.).

Первые трещины зарождаются в динамически разрушаемой малоуглеродистой стали в перлитных колониях и по границам зерен. При растяжении надрезанных образцов пластической деформации подвергаются прежде всего ферритные зерна. Эта избирательность проявляется наиболее интенсивно вблизи ложа трещины. Запаздывание деформации перлитных зерен по сравнению с феррит- ными ранее отмечалось в работе.

Неоднородность деформаций приводит к тому, что трещина в первые моменты своего роста стремится распространяться по ферриту или по межфазной границе, или по границе ферритного и перлитного зерен. По этим границам обычно происходит разворот зерен при деформации. В заэвтектоидной стали трещина преимущественно движется по цементитной сетке, но пересекает и перлитные зерна. С повышением скорости трещина в большей степени может развиваться по перлитным зернам. Зона пластической деформации в заэвтектоидных сталях значительно

Наличие микротрещины размером с диаметр одного зерна является недостаточным условием для полного разрушения. Для развития разрушения необходимо, чтобы микротрещина распространилась сквозь окружающие ее зерна и разделила образец на две части либо встретила другие растущие трещины, которые начали расти с подобных же зарождений микротрещин.

Как уже было отмечено, реальные конструкционные материалы имеют в своей структуре различные дефекты от микроскопических нарушений сплошности до макроскопических трещин. Дефекты типа трещин являются концентраторами напряжений. Чем острее вершина трещины, тем они больше.

Неустойчивость трещины выявляется при достижении К величины критического коэффициента интенсивности напряжений Кс и обычно называется вязкостью разрушения. Критерий Кс связывает величину напряжений в момент разрушения и критический размер трещины.

Приняты и существуют три типа раскрытия трещины. Соответствующие им параметры интенсивности напряжений обозначаются индексами 1, II, III. Тип I соответствует разрушению отрывом, при ус-

ловии приложения растягивающих напряжений перпендикулярно к плоскостям трещины; тип II — поперечному сдвигу относительно плоскости трещины; тип III — сдвигу поверхностей трещины в стороны, когда сдвиговые напряжения параллельны фронту трещины. Основной интерес для ученых и практиков представляет тип I — он встречается наиболее часто.

На нефтегазовом оборудовании нередки случаи разрушения сварных соединений паропроводов в процессе длительной эксплуатации.

Трещина может развиваться в зоне термического влияния на расстоянии 2,0-3,0 мм от линии сплавления по участку мелкого зерна от наружной трещины межзеренный.

Большой научный и практический интерес представляет исследование причин разрушения магистральных трубопроводов. Анализ аварийности на магистральных газопроводах в России в процессе эксплуатации показал, что основная причина их внезапных разрушений — коррозионное растрескивание стенок труб под напряжением.

На основе выполненного анализа слоистых трещин можно привести следующую классификацию (рис. 20).

Рис. 20

Таким образом, в работе получена классификация видов слоистых трещин, которая может быть использована для выбора метода диагностирования в каждом конкретном случае ,а также для принятия мер при реализации технологии изготовления металлических трубопроводов с целью уменьшения риска зарождения слоистых.

1Л I

I-<

я

х

ГС

о со о

й к

0 я >1

5? £ й

1 £ и *

и 5 а 5 Н к

2 |

£ «

и и * ?

М ^ 1

Й (3

3

У

. т

< 5 ![ ^

ЛИТЕРАТУРА.

1. Смирнов А.Н., Герике Б.Л., Муравьев В.В. Диагностирование технических устройств опасных производственных объектов.-Новосибирск: Наука, 2003. — 244 с.

2. Захаров М.Н., Лукьянов В. А. Прочность сосудов и трубопроводов с дефектами стенок в нефтегазовых производствах.- М.; ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000-216 с.

3. Лелеков В.И. Расчетные методы оценки надежности энергетической техники и систем: учебное пособие. — М.: Изд-во МГОУ, 2010. — 104 с.

4. Энциклопедия в машиностроении ХХ1. Оборудования материаловедение и металлургия.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Мутаев М.А. Слоистые трещины в трубопроводах: причины возникновения и классификация. — Системные технологии. — 2019. — № 33. — С. 85—96.

AYERED CRACKS IN PIPELINES: CAUSES AND CLASSIFICATION Mutaev M.A.

Dagestan State Technical University

Abstract.

Layered cracks are one of the most difficult to detect and concealed defects in metal pipelines, and this requires effective measures to be taken to evaluate them, starting with their classification analysis and reducing the risk of their occurrence, both when implementing metal pipe production technology and when analyzing their condition during operation.

Key words:

Crack, reliability, layer, pipeline, method, development, length, evaluation, failure. Date of receipt in edition: 19.12.19 Date of acceptance for printing: 21.12.19

УДК: 004.94; 004.02

УПРАВЛЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ НА ОСНОВЕ ПЕРКОЛЯЦИОННОЙ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

1,2 А.Г. Баламирзоев, 3 Э.З. Батманов, 1 М.А. Султанахмедов,

1 М.М. Муртузов, 1 Ш.М. Игитов

1 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Махачкалинский филиал, Махачкала

2 Дагестанский государственный педагогический университет, Махачкала

3 Дагестанский государственный технический университет, Махачкала