СТРЕСС-КОРРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛЕ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

УДК 622.692.4

К.Д. Басиев, д.т.н., профессор, Северо-Кавказский горно-металлургический институт, e-mail: [email protected]; К.М. Дзиоев, к.э.н., вице-президент ООО «Стройгазконсалтинг»

СТРЕСС-КОРРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛЕ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Анализ причин аварий на нефтегазопроводах свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине коррозионного растрескивания под напряжением на газопроводах диаметром 1220, 1420мм. Выход из строя газопровода во время эксплуатации приводит к большому материальному ущербу, загрязнению окружающей среды, человеческим жертвам, так как зона распространения разрушения может простираться на расстояния от сотен метров до нескольких километров. Поэтому обеспечения технической и экологической безопасности нефтегазопроводов является актуальной задачей.

Для создания эффективных методов защиты от стресс-коррозионного растрескивания, а также для создания новых марок трубных сталей стойких к этому виду разрушения, необходимо создание модели, позволяющей объяснить механизмы процессов протекающих в металле трубопроводов. На основании такой модели, возможно, разработать методику и научно обосновать необходимые объемы контроля металла труб и пути эффективной защиты. Объяснение механизма стресс-коррозионного растрескивания позволит решить проблему продления ресурса работы трубопроводов. Стресс-коррозионные разрушения регистрируются во многих странах мира. Особенно часто это происходит в России, Канаде, США и в странах Европейского союза.

Несмотря на интенсивные исследования этой проблемы, причины и механизмы

стресс-коррозионных повреждений трубных сталей не выяснены. Это связано с многообразием факторов, которые приводят к стресс-коррозионным повреждениям магистральных труб [1]. Известно, что стресс-коррозия возникает на тех участках, где наблюдается одновременное действие на трубопроводы следующих факторов: циклические растягивающие напряжения, металлургическая неоднородность металла трубы, агрессивная среда в околотрубном пространстве. Кроме того, большинство разрушений газопроводом диаметром 1420 мм из стали Х70 происходит в зонах, расположенных до 200 мм от продольного сварного соединения. В этой связи задачей первостепенной важности является создание принципиально новых типов образцов, позволяющих наиболее полно моделировать условия работы металла в трубах.

Разработанный образец и методика испытания позволяют исследовать в лабораторных условиях механизм и природу образования стресс-коррозионных трещин в трубных сталях с учетом всех действующих факторов в условиях, приближенных к эксплуатационным. В лабораторных условиях были получены стресс-коррозионные трещины на образцах из сталей Х46, Х70, которые свидетельствуют о сложной природе их образования и о многостадийном процессе, происходящем в течение длительного времени при контакте напряженного металла трубы с околотрубной агрессивной средой. Процесс зарождения и развития стресс-коррозионных трещин происходит с нарушением изоляционного покрытия, когда коррозионная среда входит в контакт с поверхностью металла трубы. Под отслоившимся покрытием трубо-

Рис. 1. Зарождение микротрещины: а) диффузия ионов водорода в зону максимальных напряжений, б) образование микротрещины

провода формируется коррозионная среда. В местах контакта металла трубы с коррозионной средой под изоляцией происходит подкисление среды до слабокислых и кислых, что способствует понижению поверхностной энергии и ускоряет разрушение пассивной пленки. Наиболее активными элементами грунтовых электролитов являются галоидный ион хлора С1- и адсорбированный водород.

Поверхностно-активные элементы коррозионной среды способствуют зарождению микропластических деформации в зоне дефекта, характеризующихся высоким уровнем остаточных напряжений и скоплением неметаллических включений. Процесс микропластических деформации поверхностного слоя интенсифицируется под действием водорода. Вопреки распространенному мнению о том, что в водородосодержа-щих средах происходит процесс охруп-чивания, в начальный период при малых концентрациях, водород способствует микропластическим деформациям удлинения.

Исследования [2] подтверждают, что локальные микропластические деформации поверхностного слоя происходят при напряжениях, меньших величины микропластического предела текучести. В локальных объемах происходит увеличение внутренних напряжений, а дополнительный приток атомарного водорода способствует протеканию неравномерных пластических деформаций и зарождению стресс-коррозионных трещин.

Участками локализации микропластических деформаций могут быть несовершенства кристаллической решетки, а также металлургическая неоднородность стали.

Максимальная величина микропластических деформации происходит в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоне и согласуется с тем, что большинство стресс-коррозионных повреждений газопроводов из стали Х70 происходит в сварных соединениях. В процессе коррозионного растворения металла образуется атомарный водород, который способен диффундировать через кристаллическую решетку металла в зону объемных напряжений, где со временем, достигая критических концентраций молизуется и развивает

в несовершенствах кристаллической решетки большие давления, которые являются источником зарождения микротрещин (рис. 1а). В результате микропластических деформации в локальных участках поверхностного слоя происходит дестабилизация внутреннего энергетического состояния и возрастает чувствительность к концентраторам напряжений под действием водорода. При достижении критической комбинации «водород-напряжение» перед вершиной дефекта, происходит зарождение микротрещины (Рис. 1б). На процесс образования стресс-коррозионных повреждений оказывают влияние химический ионный и микробиологический состав грунтов, их обводненность, показатель рН. Газообразные продукты реакций - ионы водорода и сероводорода - устремляются к вершине трещины, вызывая охрупчивание и предразрушение металлической матрицы перед фронтом распространения трещины. Явление водородного охрупчивания металлической матрицы под воздействием водородной и сероводородной сред позволяет подтвердить предложения профессора Мазеля А.Г. [3] о том, что, процессы стресс-коррозии во многом должны быть аналогичны явлениям сероводородного коррозионного растрескивания.

Анализ многочисленных данных фрагментов труб (рис. 2), разрушившихся вследствие КРН, показывает, что стресс-коррозионные повреждения образуют питтингоподобные дефекты на поверхности трубы. Зародившиеся стресс-коррозионные трещины характеризуются значительным превышением поверхностного размера над поперечным и ориентированы нормально к

действующим растягивающим напряжениям.

В процессе развития трещин отношение полуосей эллипса меняется в зависимости от размера начального дефекта, поэтому важной задачей исследования является изучение скорости распространения трещин в направлении глубины, поверхности и кинетики формоизменения трещины. Возрастание уровня действующих в вершине трещины напряжений является причиной того, что на дне концентратора зарождаются другие микротрещины. С целью ускорения процесса развития зародившихся стресс-коррозионных трещин используется циклическое на-гружение. В реальных трубопроводах металл работает при циклических нагрузках, связанных с суточными колебаниями рабочего давления перекачиваемого газа, вибрационными нагрузками и температурными колебаниями. Центральным узлом вибрационных колебаний являются компрессорные станции

Рис. 2. Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в стенке трубы стали Х70: 1) зона коррозионно-механического развития трещин; 2) зона роста трещин при циклическом нагружении

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ защита от коррозии \\ 31

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

Рис. 3. Кинетика развития по поверхности и толщине образца наведенных дефектов 1, 2 из стали Х-70, трубы 01420 мм, 6=18,5 мм с учетом их взаимного влияния, при циклическом нагружении втэ1=0,8вТ и действия водородсодержащей среды. 1 - толщина образца, L1, мм - размеры развивающихся трещины по поверхности, | мм - размеры развивающихся трещины по толщине

(КС), представляющие собой мощные генераторы вибрации для магистральных газопроводов.

Образцы из сталей Х46, Х70 после выдержки в коррозионной среде в течение 720 часов подвергались циклическому нагружению на испытательной машине МУП-50 с пульсатором с целью ускорения процесса развития зародившихся трещин.

Во многих случаях разрушение реализуется ростом одиночной трещины, однако имеются примеры разрушения труб при объединении системы трещин в магистральную (рис. 3). Закономерности развития несквозных трещин наименее изучены вследствие трудностей, связанных с экспериментальными исследованиями. Поэтому исследования кинетики развития

Рис. 4. Кинетика развития цепочки стресс-коррозионных трещин по поверхности и толщине сварного шва, при циклических нагрузках о=0,8оТ и воздействия водородсодержащей среды. 1,мм Ь,мм - размеры развивающихся трещин по глубине и по поверхности, 1,мм - толщина стенки трубы. 112 12 3, 134 - размеры трещины по глубине в местах соединение их по поверхности

стресс-коррозионных трещин представляют большой практический интерес (рис. 4).

Кинетика развития цепочки стресс-коррозионных трещин по поверхности и толщине сварного шва, при циклических нагрузках отах = 0,8аТ и воздействия водородсодержащей среды. ||,мм L,мм - размеры развивающихся трещин по глубине и по поверхности, ^мм - толщина стенки трубы. И12 И23, И34 - размеры трещины по глубине в местах соединение их по поверхности Основной целью экспериментальных исследований циклической трещино-стойкости системы трещин является изучение скорости распространения по поверхности и толщине, кинетики формообразования, а также взаимное влияние развивающихся трещин на геометрические параметры вновь образованных трещин, после слияния двух и большего количества стресс-коррозионных трещин. На начальном этапе скорость роста зародившихся стресс-коррозионных трещин в стали Х70 по поверхности превышает их развитие по толщине. Близко расположенные стресс-коррозионные трещины в сталях Х46 и Х70 при циклическом нагружении способствуют коалесценции изолированных трещин, образованию магистральных трещин и развитию их до критических размеров, приводящих к разрушению газопровода. Стресс-коррозионные трещины более интенсивно проявляются в сварных швах (Рис. 5).

На оснований проведенных исследований установлено,что неравномерные пластические деформации в поверхностном слое металла труб в коррозионных средах, является причиной зарождения микротрещин. Значительные по величине локальные пластические деформации в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоне, являются причиной разрушения газопроводов диаметром 1420 мм из стали Х70 в зонах, расположенных до 200 мм. от продольного сварного шва.

Установлено, что коррозионная водо-родсодержащая среда, при взаимодействии с напряженным металлом, наряду с повреждением поверхностного слоя и его охрупчивания, сопровождается

а) б)

Рис. 5. Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в сварном соединении в стали Х70: а) сварной шов с стресс-коррозионными трещинами, б) зона роста трещин при циклическом нагружении что подтверждают многочисленные наблюдения о том, что большинство разрушений газопроводов диаметром 1420 мм из стали Х70 происходит по сварному шву и околошовной зоне.

пластифицированием внутренних слоев металла и деформацией удлинения. Анализ полученных стресс-коррозионных трещин в лабораторных условиях на сталях Х46, Х70 позволяет исследовать процесс их зарождения, определить оптимальные технологии, повышающие качество трубного листового проката, и оценить опасность химического, ионного и микробиологического состава грунта.

Литература:

1. Тоут А.И. Защита трубопроводов от стресс-коррозии /«Потенциал», №3-4, 1998.

2. Сергеева Т.К. Механизм стресс-коррозионного растрескивания на МГ России. М., 1998.

3. Макаров Ю.Е. Модель коррозионного растрескивания труб в среде природного газа, содержащего сероводород. М., ВНИИЭГазпром, 1987, №2.

Ключевые слова: коррозия, низкотемпературная ползучесть, коррозионная среда, стресс-коррозия, циклические нагрузки, трещины.

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ

КОПЕЙСКИЙ ЗАВОД ИЗОЛЯЦИИ ТРУБ

НАНЕСЕНИ^ХНТИКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ (ДВУХ- И ТРЁХСЛОЙНЫХ) НА ОСНОВЕ ЭКСТРУДИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАРУЖНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛЬНЫХ ТРУБ ДИАМЕТРОМ ОТ 159 ДО 1420ММ.

ССЕНИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НАРУЖНУЮ И ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ СТАЛЬНЫХ ТРУБ ДИАМЕТРОМ ОТ 159 ДО 1420ММ. ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ И НАЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В СООТВЕТСТВИИ С ПРОЕКТОМ ИЛИ ТРЕБОВАНИЯМИ ЗАКАЗЧИКА.

1ВЛЕНИЕ ГНУТЫХ ОТВОДО! МЕТОДОМ ХОЛОДНОГО ГНУТЬЯ ИЗ СТАЛЬНЫХ ТРУБ ДИАМЕТРОМ ОТ 219 ДО 1420ММ

ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЕ ТРУБ В СОБСТВЕННОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПУТЕМ ПРОВЕДЕНИЯ:

- НЕРАЗРУШАЮЩЕГО УЗК И РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ПРОКАТА;

- СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА;

- МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ;

ГИДРОИСПЫТАНИЙ ТРУБ ДИАМЕТРОМ 720 И 1020 ММ.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТРУБ ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ: - ОЧИСТКА ОТ НАРУЖНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРУБ Б/У ГИДРОКЛИНЕРОМ;

- ВНУТРЕННЯЯ ОЧИСТКА ТРУБ Б/У;

- ВИЗУАЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ;

- МЕХАНИЧЕСКАЯ И ОГНЕВАЯ ТОРЦОВКА КОНЦОВ ТРУБ;

- РЕМОНТ КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ;

- НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ;

- ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАЙ ИЗ ТРУБЫ ДИАМЕТРОМ 159-1420 ММ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖИЛЫХ И НЕЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИИ, ДОРОЖНЫХ И ПОРТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ, А ТАКЖЕ В КАЧЕСТВЕ ОПОР ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ, КАК В ГРУНТЕ, ТАК И В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ С ПОГРУЖЕНИЕМ В ВОДУ.

ВСЯ ПРОДУКЦИЯ ООО «КОПЕЙСКИЙ ЗАВОД ИЗОЛЯЦИИ ТРУБ» СЕРТИФИЦИРОВАНА В СООТВЕТСТВИИ С ГОСТ Р ИСО 9001-2001 И СТО ГАЗПРОМ 9001-2001. ПРЕДПРИЯТИЕ ИМЕЕТ СЕРТИФИКАТ «ТРАНССЕРТ». ПРОИЗВОДСТВО НА ООО «КОПЕЙСКИЙ ЗАВОД ИЗОЛЯЦИИ ТРУБ» ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ НА ОСНОВАНИИ ТУ, СОГЛАСОВАННЫХ ОАО «ВНИИСТ» И ООО «ВНИИ! A3».

ЧЕЛЯБИНСКАЯ ОБЛ., Г. КОПЕЙСК, УЛ. МЕЧНИКОВА, 1 ТЕЛЕФОН/ФАКС: (35139) 20-981, (35139) 20-982 E-MAIL: [email protected] WWW.KZIT.RIJ