CC BY
16
УДК622.692.4 Гол. тж. С.Ф. Савула1, канд. техн. наук;
проф. €.В. Харченко2, д-р техн. наук; астр. Р.С. Савула2
СТРУКТУРН1 ЗМ1НИ В СТАЛЯХ МАГ1СТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОД1В У ПРОЦЕС1 СТАР1ННЯ
Розглянуто структуры змiни, якi вщбуваються в сталях магiстральних газопро-водiв у процесi тривало'' експлуатацiï. Дослщжено структуру i хiмiчний склад труб-них сталей, виявлено перерозподiл атом1в вуглецю за об'емами зерен, а також дифу-зiю атомiв хiмiчних елементiв з газового середовища в сталь. Одержат результата мають практичне значення i можуть бути використаш з метою забезпечення на-дшност i прогнозування ресурсу магiстральних газопроводiв.
Ключовг слова: магiстральний газопровiд, процес тривало'' експлуатацiï, сталь, структурнi змши.
1. Вступ. Значна частина труб мапстральних газопровод1в (МГ) в Ук-ра'ш експлуатуеться тривалий час (з 60-х i бшьш раншх роюв) в умовах ди мехашчних навантажень i корозшного середовища. Протягом такого перюду в сталях труб МГ розвиваються процеси старшня, кiнетика яких залежить вiд хiмiчного складу, структурних параметрiв матерiалу, температури експлуата-цп, рiвня напружень у стiнцi труби, хiмiчного складу транспортованого газу. Тому забезпечення надшносп i прогнозування техшчного стану труб МГ мае надзвичайно велике практичне значення. Особливо важливим науково-прак-тичним завданням е всебiчне вивчення структурних змш, що вщбуваються в сталях у процеш тривало' експлуатацп МГ [1-4]. Аналiз та висвилення особ-ливостей таких змш здшснено у цiй працi.
2. Структурш аспекти процесу стар1ння i його моделг Як вiдомо [3], старшня - це фундаментальне явище, пов'язане з переходом структури металiв i сплавiв з нерiвноважного в бшьш рiвноважний стан в умовах дос-татньо' дифузiйноï рухливостi атомiв, воно вiдбуваеться внаслiдок дiï другого закону термодинамжи. Процеси старшня матерiалiв супроводжуються змь ною 'хшх механiчних, фiзичних i хiмiчних властивостей.
У трубних сталях, особливо в сталях контрольовано' прокатки, внасль док перенасичення Граток a-залiза вуглецем, утворюеться нерiвноважна фе-ритова структура. Це забезпечуе високу мiцнiсть сталей у сташ поставки, але надлишковий вуглець з часом виходить iз Граток до 'хшх дефектiв. Якщо перенасичення вуглецем е порiвняно невеликим, то весь вуглець може осюти на дислокащях. У випадку значного перенасичення дислокацп не можуть погли-нути весь вуглець i вш виходить на межi зерен. На рис. 1 показано типове ви-дшення карбiдiв на межах зерен фериту.
Щд час дослiджень структури i хiмiчного складу трубно' сталi 17 ГС експлуатованого з 60-х рр. мапстрального газопроводу " Дашава - Мшськ" Бу 800 мм на дшянщ Комарнiвського ЛВУ МГ ми виявили перерозподш атомiв вуглецю по об'емах зерен (рис. 2).
1 Фшя управтння мапстральних газопроводов "Льв1втрансгаз";
2 НУ "Льв1вська поттехшка"
Рис. 1. Типове видтення карбШв на межах зерен фериту: атомно-силова мжроскопш (а, б); просвiчувальна електронна мжроскопш (в, г)
3 К 1
25 нт
25 |.т ' л' " У -<25 ут
Рис. 2. Перерозподт атомiв хiмiчних елементш за об'емом зерна трубноТ сmалi тсля тривалоТ експлуатаци
Визначеш спектри випромшювання атомiв, типовий приклад яких подано на рис. 3, свщчать про дифузто атомiв хiмiчних елементiв iз середови-
ща, в якому експлуатують труби, у трубну сталь. BMicT хiмiчних елементiв в окремих об'емах сталi проiлюстровано на прикладах, наведених у табл. 1.
hull scale counts: 1НН8 Base(1J_pt3 Cursor: 4.500 keV
Л22 Counts
keV
Рис. 3. Спектр випромтювання amoMie
Табл. 1. Приклади визначення вмкту хiмiчних елементгв у вибраних об'емах cmoni
Об'ем 1 Об'ем 2 Об'ем 3 Об'ем 4
Ele- Wt., Atom., Ele- Wt., Atom., Ele- Wt., Atom., Ele- Wt., Atom.,
ment % % ment % % ment % % ment % %
C K 8,01 15,72 C K 3,18 8,49 C K 1,90 4,84 C K 8,94 17,55
O K 42,67 62,86 O K 24,89 49,84 O K 29,86 57,02 O K 41,12 60,63
Al K 0,06 0,05 Si K 0,14 0,16 Na K 0,43 0,57 Na K 0,55 0,57
Si K 0,36 0,30 S K 0,75 0,75 Si K 0,22 0,24 Al K 0,05 0,04
S K 1,22 0,89 Mn K 1,05 0,61 S K 0,84 0,80 Si K 0,22 0,19
Cl K 0,12 0,08 Fe K 69,99 40,15 Mn K 0,99 0,55 S K 0,76 0,56
Mn K 0,48 0,21 - - - Fe K 65,77 35,98 Cl K 0,09 0,06
Fe K 47,09 19,88 - - - - - - Mn K 0,62 0,26
- - - - - - - - - Fe K 47,66 20,13
Перерозподш атомiв вуглецю, а та-кож дифузiя хiмiчних елементiв Ыа, А1, 81, 8, С1, Мп свiдчать про розвиток процешв старiння трубно! сталь Це тдтверджуеться загальним виглядом мжроструктури повер-хнi матерiалу експлуатованих труб (рис. 4), для яких проводили анатз вмюту i розподь лу елеменпв.
Початкова стадiя процесу старшня матерiалу полягае в осiданнi зайвих атомiв вуглецю (i азоту) на дислокащях, згiдно з класичною моделлю Котрелла. Ця модель добре працюе за умови малих перенасичень. Однак, коли концентращя вуглецю перевищуе 3*10-4 %, всi вакантш мiсця бiля дисло-кацiй е зайнятими [2]. Якщо рiвень перенасичення е високим (концентращя е близькою до 3*10-2 %), то надлишковий вуглець може виходити не лише в об-ластi дислокацiй, а й на межi зерен. Тодi для повного опису процесу старшня моделi Котрелла не достатньо [5]. Якщо котреллiвське старiння розглядати як нульовий етап, то подальший процес можна вважати двоетапним:
Рис. 4. Макроструктура noeepxui cmajii труби
• перший етап: дифузiя атомiв вуглецю до границь зерен;
• другий етап: утворення й рiст часточок карбвдв на границях зерен.
3. Оцшки характерного часу стар1ння. Для оцшки характерного часу протжання першого етапу (етапу дифузп атом1в вуглецю до границь зерен) будемо використовувати найпроспшу формулу, що дае змогу описати взаемозалежнють м1ж часом дифузшного процесу Т1 1 ефективним коефь щентом дифузп Беф:
Т =Ь2 / Беф,
де: Ь - характерний дифузшний шлях, що повинш пройти атоми вуглецю, до-р1внюе приблизно половиш розм1ру зерна (L~d.IT), Дэф = Ду + арДс + (ё/д) Дь, де Ду, Д, Дь - коефщенти дифузп в обсяз1 зерна, по ядрах дислокацш 1 по межах зерен, а - ширина ядра дислокаци, р - густина дислокацш, ё - ширина границ зерна. Як видно з формули, ключовими структурними параметрами, необхщними для оцшки часу протжання першого етапу старшня, е густина дислокацш 1 величина зерна. Шдставляючи в цю формулу характерш значен-ня параметр1в, що наведеш в табл. 2, одержимо значення т\. Для сталей кон-трольовано! прокатки т1 = 24 роки.
Табл. 2. Характерш значення параметры! трубноЧ стаж
Умовне позначення Параметр Характерне значення
Дь=Д „оехр (-ОЛТ) Коефiцiент об'емно! дифузй вуглецю в rратцi а-зашза 5,5-10-17 см21с ( Ткшн )
Ди0 Передекспоненщальний множник коефщента об'емно! дифузй 10-2 см21с
о» Енерг1я активацi! об'емно! дифузп 5,5 кТт
Дс=Дь Коефщенти дифузп вуглецю по ядрах дислокацш i по межах зерен вдаовдао 2,5-10-12 см21с
Дс0, ДЬ0 Передекспоненцiальнi множники коефiцiентiв дифузп по ядрах дислокацш i по межах зерен ввдповдао 0,4 Дво
Осе Оь Енерг1я активацi! дифузп по ядрах дислокацш i по межах зерен вщповвдно 0,6 Ои
р Густина граткових дислокацш 1010 см-2 (для сталей КП'
а Ефективний перерiз ядра дислокаци 610-15 см2
ё Ширина границ зерна 510-8 см
Розмiр зерна 10 мкм (для сталей КП)
Для розрахунку характерного часу дифузшного утворення й росту часточок карбдав на межах зерен (другий етап старшня) можна використати класичш модель Залежнють об'емно! частки карбдав, що видшяються, вщ часу виражаеться р1внянням Аврами:
/у = /У0
1 - ехр {-(Г 1тт )"}
де: /у0 - максимальна об'емна частка часточок, що видшяються; п - показник, що характеризуе мехашзм росту. Характерний час видшення часточок т2 виз-начаеться за формулою
Т2 = т0 ехр (&кТ),
де: т0 - передекспоненцiальний множник; Q - енерпя активацп дифузiйного процесу, що контролюе зародження й рiст часточок.
Припускаючи, що видiлення карбiдiв вщбуваеться поблизу меж зерен, використаемо таю значення параметрiв: и=1,5, т0=Х2/(АС)1/3Оу0, Q=Qv'; X. Роз-мiр обласп, з яко1 частка "збирае" атоми вуглецю, можна приблизно оцiнити за формулою X = р_1/2, а стушнь перенасичення фериту вуглецем АС стано-вить 3-10-2 %. Тодi т2 ~ 1 год.
Наведенi оцшки показують, що вуглець досить довго рухаеться до меж зерен (цей час можна назвати "шкубацшним перюдом"), а поим порiв-няно швидко утворюе карбiди на цих межах. Наведет результата е наближе-ними, але в загалом розглянута схема буде "працювати" для всiх тишв сталей, специфiку яких повинш враховувати бiльш точнi розрахунки. Зазначи-мо, що чим дрiбнiше зерно, тим швидше вiдбуваеться процес старшня. Час старiння експоненцiально залежить вщ температури експлуатацп. За наявнос-т робочих напружень вiн може бути в 2-3 рази меншим, шж за 1х вiдсутностi. Отже, для прогнозування ресурсу мапстральних газопроводiв необхвдно враховувати як технологiю виготовлення труб, так i умови експлуатацп.
4. Вплив основних чинниюв на кшетику процесу стар1ння. Розгля-немо, як впливають на процес старшня найбшьш iстотнi чинники - розмiр зерна, температура експлуатацп й напруження у стшщ труби (табл. 3).
Табл. 3. Вплив розмiру зерна, температури експлуатацп й зовшшшх напружень на характерный час процесу старшня
Розм1р зерна т(й)~(й/2)2
Температура т(Т)~ехр ЩкТ)
Напруження г1(ст)~ехр (-аП/кТ)
й, мкм
Т оС
а, МПа
10
10
0
т1
15
2,25 т1
20
т1/3
245 (р=5,4 МПа, 01420x16 мм)
т/2,5
20
4 Т1
40
т1/30
245 (р=7,4 МПа, 01420x16 мм)
т/3,5
т
т
т
Примака: час дифузшного процесу
1з квадратично1 залежносп т1 вiд розмiру зерна випливае, що чим дрiб-нiше зерно, тим швидше вщбуваеться процес старшня. Якщо для сталей гаря-чого прокатування, нормалiзованих сталей i сталей контрольованого прока-тування прийняти розмiр зерна 20, 15 й 10 мкм, вщповщно, то характерний час старшня для сталей контрольованого прокатування виявляеться в 4 рази меншим, шж для сталей гарячого прокатування i в 2,25 раза меншим, шж для нормалiзованих сталей.
Час старшня експоненщально залежить вiд температури експлуатацп. Якщо трубу експлуатують за шдвищено! температури (наприклад, поблизу компресорно! станцп), то процес старiння в нш буде протiкати помiтно швидше. З табл. 3 видно, що шдвищення температури експлуатацп вщ 20 до 40 °С призводить до зменшення характерного часу старшня у 10 разiв.
Оцiнка впливу напружень на час старшня е досить складною, у цш пращ 1! виконують на основi спрощено! моделi. 1з наведено! табл. 3 випливае,
Нацюнальний лiсотeхнiчний ymBepcrn^ Укpaïни
щo xapaктеpний чac cтapiння зa poбoчиx нaпpyжень мoже 6ути в 2-3 paзи меншим, нiж зa ïx в^ут^ст!
Пiдвoдячи пiдcyмки пpoведенoгo aнaлiзy кшетики пpoцеcy cтapiння, ще paз нaгoлocимo: xapaктеpний чac cтapiння тру6 мaгicтpaльниx raзoпpoвo-дiв зaлежить вiд теxнoлoгiï вигoтoвлення, якa визнaчae кoнцентpaцiю вуглецю у твеpдoмy poзчинi (стутнь пеpенacичення), poзмip зеpнa d, вмют легу-ючиx елементiв, щo пеpешкoджaють pyxy вуглецю, i гycтинy диcлoкaцiй, a тaкoж вiд yмoв екcплyaтaцiï - темпеpaтypи й piвня меxaнiчниx нaпpyжень.
У тaбл. 4 yзaгaльненo вплив ocнoвниx cтpyктypниx чинникiв m штен-cивнicть пpoцеcy cтapiння. Дo нaйвaжливiшиx чинникiв вiднеcенo poзмip зер-нa, гycтинy диcлoкaцiй i piвень пеpенacичення твеpдoгo poзчинy вуглецем.
Haгoлocимo пiдкpеcлити, щo нaведенi пopiвняльнi xapaктеpиcтики мa-ють якicний xapaктеp, для ïx кiлькicнoï oцiнки i ^a^m^ra зacтocyвaння не-oбxiдним e пpoведення дoдaткoвиx шиpoкoмacштaбниx дocлiджень, cпpямo-вaниx нa пpoгнoзyвaння зaлишкoвoгo pеcypcy мaгicтpaльниx гaзoпpoвoдiв.
Табл. 4. Вплив типу прокатування на ктетику процесу старшня
Чинники, щo впливaють na poзвитoк cтapiння Тип пpoкaтyвaння
гapяче пpoкaтyвaння нopмaпiзaцiя кoнтpoльoвaне пpoкaгyвaння
Рoзмip зеpнa великий cеpеднiй мaлий
Густит диcлoкaцiй cеpедня cеpедня великa
Рiвень пеpенacичення твеpдoгo poзчинy вуглецем cеpеднiй низький виcoкий
Сxильнicть дo CTapinrn мaлa мaлa великa
4ac cтapiння великий cеpеднiй мaлий
Рoль npo^cy cтapiння мaлa cеpедня великa
Як видго з тaбл. 4, нaйменшa iнтенcивнicть cтapiння xapaктеpнa для cтaлей гapячoгo пpoкaтyвaння (великий poзмip зеpнa, cеpедня гycтинa диcлo-гацт, cеpеднiй piвень пеpенacичення), a нaйбiльшa iнтенcивнicть cтapiння xapaктеpнa для сталей кoнтpoльoвaнoï пpoкaтки (мaлий poзмip зерта, великa щiльнicть диcлoкaцiй i вишкий piвень пеpенacичення).
У тaбл. 4 вдауташ oпиc теpмiчнo пoкpaщyвaниx cтaлей з oглядy не те, щo для ïx aнaлiзy в лiтеpaтypi немae дocтaтньoï iнфopмaцiï. Винятoк cтaнoв-лять теpмiчнo пoкpaщyвaнi cтaлi cпipaльнoшoвниx труб виpoбництвa 70-x -пoчaткy 80-x poкiв XX cт. Дocлiдження циx cтaлей пoкaзaли, щo вoни, вшат-дoк невipнo oбpaнoï темпеpaтypи вiдпycкy були "зicтapенi" ще та зaвoдi: у вcix дocлiджениx зpaзкax нa гpaницяx зерен бyлo виявлего кapбiди, щo видь лилиcя в npo^ci зaвoдcькoгo теpмooбpoблення.
Висновки. Як ^газую^ь pезyльтaти дocлiджень, в cтaляx труб мaгic-тpaльниx гaзoпpoвoдiв poзвивaютьcя пpoцеcи cтapiння. Оcoбливo iнтенcивнo вoни пpoxoдять в cтaляx, вигoтoвлениx зa теxнoлoгieю кoнтpoльoвaнoï ^o-кaтки. Юнети^ пpoцеcy cтapiння зaлежить вiд cтpyктypниx пapaметpiв мaте-piaлy, темпеpaтypи екcплyaтaцiï й piвня нaпpyжень у стшщ труби.
Ha xapaктеpний чac CTaprn^ cтaлi icтoтнo впливae теxнoлoгiя виш-тoвлення труб, якoю визнaчaютьcя кoнцентpaцiя вуглецю у твеpдoмy poзчинi (стутнь перет^чен^), poзмip зеpнa d, вмют легyючиx елементiв, якi пе-
166
Збipник нayково-тeхнiчних пpaць
решкоджають pyxoBi вуглецю, i щiльнiсть дислокацш, а також умови експлу-атацп, а саме, температура експлуатацп й piBeHb меxанiчниx напружень.
Л1тература
1. Чувильдеев В.Н. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей магистральных газопроводов // Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов : сб. трудов науч.-практ. семинара / под общ. ред. Б.В. Будзуляка, А.Д. Седых. - Нижний Новгород : Изд-во "Университетская книга", 2006. - 234 с.
2. Гольдштейн М.И. Металлофизика высокопрочных сплавов / М.И. Гольдштейн, В.С. Литвинов, Б.М. Бронфин. - М. : Изд-во "Металлургия", 1986. - 235 с.
3. Скаков Ю.А. Старение металлических сплавов / Ю.А. Скаков // В сб.: Металловедение : матер. симпозиума. - М. : Изд-во "Металлургия", 1971. - С. 234-239.
4. Бабич В.К. Деформационное старение стали / В.К. Бабич, Ю.П. Гуль, И.Е. Должен-ков. - М. : Изд-во "Металлургия", 1972. - 322 с.
5. Фридель Ж. Дислокации : пер. с англ. / под ред. А.Л. Ройтбурга. - М. : Изд-во "Мир", 1967. - 326 с.
Савула С.Ф., Харченко Е.В., Савула Р.С. Струкрурные изменения в сталях магистральных трубопроводов в процессе старения
Рассмотрены структурные изменения, происходящие в сталях магистральных газопроводов в процессе длительной эксплуатации. Исследованы структура и химический состав трубных сталей, обнаружены перераспределение атомов углерода по объёмам зёрен, а также диффузия атомов химических элементов из газовой среды в сталь. Полученные результаты имеют практическое значение и могут быть использованы с целью обеспечения надёжностии прогнозирования ресурса магистральных газопроводов.
Ключевые слова: магистральный газопровод, процесс длительной эксплуатации, сталь, структурные изменения.
Savula S.F., Kharchenko Ye.V., Savula R.S. Structural changes, which takes place in steels magistral gases during lasting exploitation.
In this work considers structural changes, which takes place in steels magistral gases during lasting exploitation. Structure and chemical contains tubular steels were examined, as a results were found distribution atoms of carbonate into volumes of grains, also diffusion atoms of chemical elements from gas surroundings to steel. The results have practical meaning and could be explored with aim to provide reliability and to prognosis the source of magistral gages.
Keywords: gas pipeline, the process of long-term operation, steel, structural changes.
УДК 630*81 Доц. Т.В. Юськевич, канд. с.-г. наук - НЛТУ Украши, м. Льв1в УСИХАННЯ ДЕРЕВИНИ 1НТРОДУКОВАНИХ ВИД1В СОСНИ
Наведено радiальне, тангентальне та об'емне усихання деревини штродукова-них видiв роду Сосна (сосни Банкса, сосни Веймута, сосни жорстко!, сосни чорно!), як зростають у люових насадженнях Захщного регюну Украши.
Ключовг слова: штродуковаш види сосни, усихання, радiальне усихання, тангентальне усихання, об'емне усихання.
У зрубанш деревиш, що перебувае на вщкритому повг^ або у примь щенш, волопсть зменшуеться. Такий процес мае назву висихання деревини. При цьому волога випаровуеться з поверхш деревини i перемiщуеться зсере-дини до поверхш. У процеш висихання деревини, внаслщок зниженш воло-гост нижче рiвня насичення клггинних стшок вщбуваеться усушка. Вона
