CC BY
30
УДК 621.644.07:[620.194.22+548]
О.А. Крымская, Ю.А. Перлович, М.Г. Исаенкова, Н.С. Морозов
Связь послойной неоднородности кристаллографической текстуры и предрасположенности к коррозионному растрескиванию под напряжением применительно к трубам магистральных газопроводов
Проблема коррозионного растрескивания труб под напряжением в последние годы Ключевые слова: стала особенно актуальной в странах, обладающих протяженной системой маги- текстура, стральных газопроводов (МГ) высокого давления. Большинство исследователей про- структура, цесса коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) сходятся во мнении, коррозионное что возникновение и развитие трещин обусловлено совместным действием трех фак- растрескивание торов: склонности материала к КРН; растягивающих напряжений, превышающих по- под напряжением, роговые значения; коррозионно-активной среды [1, 2]. Накопленные к настоящему стальные трубы, моменту факты свидетельствуют о том, что в силу совокупного влияния ряда причин, газопроводы, в том числе условий эксплуатации и технологии производства труб, часть образовав- послойная шихся трещин прекращают расти при достижении определенной глубины, в то вре- неоднородность, мя как другие продолжают рост и при слиянии в магистральную трещину приводят горячая прокатка. к аварийному разрушению газопровода [3, 4].
Несмотря на обстоятельный анализ условий и факторов, способствующих за- Keywords: рождению и развитию повреждений КРН, сегодня практически не исследована связь texture, между склонностью трубных сталей к КРН и такими его характеристиками, как тек- structure, стурные и структурные параметры, а также их неоднородность по толщине стенки stress corrosion трубы. При этом как кристаллографическая ориентация зерен, так и степень искажен- cracking, ности их решетки могут играть важную роль в процессах зарождения и роста трещин steel pipes, в трубах МГ [5, 6]. Таким образом, выявление оптимальных текстурных и структур- gas pipelines, ных параметров труб может способствовать более глубокому пониманию механизмов layerwise зарождения и развития трещин КРН, совершенствованию способов создания сталь- inhomogeneity, ных труб с благоприятно ориентированной кристаллографической структурой, повы- hot rolling. шающей стойкость к КРН.
Текстурные и структурные характеристики труб определяются параметрами технологической обработки материала. Известно, что горячая прокатка стальных листов, используемых при изготовлении труб МГ, приводит к возникновению в них послойной текстурной неоднородности [7-9]. В зависимости от технологии прокатки, принятой на конкретном заводе, характер этой неоднородности может существенно отличаться, так как определяется градиентом температуры и неоднородностью деформации по толщине листа, насыщением поверхностных слоев примесями внедрения из атмосферы и др. Даже в пределах одной технологии прокатанные листы могут иметь различный характер послойной текстурной неоднородности из-за температурных изменений по длине листа, и, кроме того, напряжения, возникающие при формовке трубы, оказывают влияние на ее текстуру. Высказано предположение, что более высокая степень текстурной неоднородности по толщине стенки трубы способна увеличивать ее стойкость к КРН, так как раскрытие трещин может тормозиться при достижении слоя с измененной текстурой из-за высокой взаимной разориентации зерен различных слоев и необходимости изменения плоскости движения трещины, что требует увеличения приложенных напряжений.
Характеристики исследованных МГ
Среднегодовые
характеристики
§ £ о й % Размеры трубы: диаметр * толщина стенки, мм эксплуатации МГ Максимальная глубина обнаруженных трещин, мм
Характеристики стали / срок эксплуатации температура газа, °С рабочее давление, МПа
1 Сталь Х70, контроли- 1020*14,0 14 5,0 204 1,0-2,0
2 руемая прокатка / более 1020*16,0 30 6,6 210 0,6-2,0
3 25 лет 1420*18,7 15 7,3 265 1,7-3,0
В работах Ю.А. Перловича с соавторами [10, 11] выявлено, что сопротивление труб из термоупрочненной стали коррозионному растрескиванию может увеличиваться с усилением текстурной компоненты {110}<001> на внешней поверхности трубы. Формирование данной компоненты обусловлено развитием процесса динамического деформационного старения (ДДС) в поверхностных слоях горячекатаных листов из ОЦК'-металлов [12, 13]. ДДС обусловлено насыщением поверхностных слоев листа примесями внедрения из атмосферы, блокирующими скольжение дислокаций при прокатке, вследствие чего изменяются механизмы деформации, а следовательно, и преимущественная ориентация зерен. Присутствие примесей внедрения приводит также к увеличению параметров решетки во внешних слоях, в результате чего возникают сжимающие напряжения за счет взаимодействия с внутренними слоями с меньшим параметром решетки. Такие напряжения препятствуют раскрытию поверхностных трещин в процессе КРН.
Далее в статье приведены результаты изучения связи текстурных особенностей со склонностью к КРН труб, изготовленных из листовой стали Х70, полученной контролируемой прокаткой, которая нашла широкое применение при производстве труб для МГ.
Образцы и методы исследования
Анализ текстурной и структурной неоднородности проводился на участках МГ, находившихся в различных условиях эксплуатации (таблица). При этом из каждого МГ было вырезано по два образца: с трещинами, зафиксированными вихретоковой дефектоскопией (ВТД), и без них. Зоны вырезки образцов
ОЦК - объемно-центрированная кубическая решетка.
соответствовали участкам труб с отслоениями изоляции, на которых грунтовый электролит имел доступ к поверхности металла. При этом образцы без повреждений вырезались на максимально близком расстоянии от поврежденных зон для соблюдения идентичности условий эксплуатации. В таблице также представлены оценочные значения тангенциальных напряжений на внешней поверхности трубы (о,).
Исследования проводились на образцах двух типов (рис. 1):
1) образцы, исследуемая поверхность которых перпендикулярна оси трубы, т.е. направлению прокатки (НП) исходного листа, (обозначены как 1НП) готовились для записи рентгеновских линий;
2) образцы размерами 15*15 мм, исследуемая поверхность которых параллельна плоскости исходного листа (обозначены как ||НП), готовились для съемки текстурных прямых полюсных фигур (ППФ) для внешних (поверхностных) и внутренних (половина толщины стенки) слоев трубы.
Для исследования текстуры внешних и внутренних слоев труб записывались по три неполные ППФ с использованием стандартных рентгеновских методов на отражение [14, 15]: {110}, {100} и {112}. Затем восстанавливались функции распределения зерен по ориентациям (ФРО) с помощью программы ЬЛБОТБХ [16]. Текстурный анализ проводился по характерным для кубических материалов трехмерным сечениям ФРО в пространстве углов Эйлера при постоянном ф2 = 45° в интерпретации Бунге [17]. Также рассчитывался так называемый индекс текстуры (/2) - величина, показывающая степень остроты туры, т.е. преобладание определенных ориентировок зерен по сравнению
НП внешний
_[НП
НП
1
Рис. 1. Схема вырезки (а) и внешний вид подготовленной для исследования поверхности образца ||НП (б)
б
а
с бестексгурным состоянием, для которого вероятность обнаружения зерен любой ориентации одинакова. Величина /2 определяется интегрированием квадрата ФРО по всему ориентацион-ному пространству: /2 = ф [/^)] dg, где/(g) -величина ФРО в конкретной точке пространства ориентаций g, характеризующегося углами Эйлера (ф1, Ф, ф2) [17].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 2 представлены фотографии внешних поверхностей трех образцов участков труб с зафиксированными повреждениями КРН.
На рис. 3 показаны характерные сечения ФРО внутренних и внешних слоев образцов исследуемых МГ. Анализ сечений ФРО исследованных образцов свидетельствует о значительной текстурной неоднородности всех труб по толщине стенки. Характер неоднородности, однако, различается в зависимости от конкретной трубы. Так, внутренние слои МГ 1 характеризуются сочетанием компонент, характерным для текстуры фазового превращения деформированного аустенита (у-фаза) [7, 9]. Это означает, что прокатку труб проводили при
температурах более низких, чем температура рекристаллизации аустенита. Основными текстурными компонентами в этом случае являются компоненты так называемых а-волокна {001-111}<110> (множество зерен, у которых кристаллографические нормали <110> параллельны НП) и у-волокна {111 }<112-110> (кристаллографические плоскости {111} параллельны плоскости прокатки (IIII)). дополнительная компонента - это {554}<225> [7]. Следовательно, большинство зерен во внутренних слоях МГ 1 ориентированы таким образом, что их кристаллографические плоскости {001-111} и {554} параллельны ПП исходного листа, а кристаллографические направления <110>, <112> и <225> параллельны НП.
В то же время в наружных слоях трубы МГ 1 возникает компонента {110}<001>, т.е. кристаллографические плоскости {110} || ПП, а направления <001> || НП. Эта компонента, как было показано, образуется в результате ДДС в а-фазе, поэтому ее появление может быть связано с охлаждением поверхностных слоев листа валками. Наличие этой компоненты может повышать устойчивость труб к КРН. Видно, что в поверхностных слоях образца
0
1
X
а и i
0 =
ж *
1 a
<D Я
m
X I I
<D
а
н
^
я m
о 10 20 30 40; 5060708090
0 10 20 30 40 50 60708090
МГ 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
МГ2
Участки МГ с дефектами КРН 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
1
X
а и i
0 =
1 a
<D Я
m
я
I I
<D
а
н
^
я m
0 10203040 -5060708090
0 10 20 30 40 50 60 708090
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
(001)[110]
(001)[010]
Ф2 = 45° (001)[110]
а-волокно
Ф
(111)[110]
>(113)[110] >(112)[110] í(223)[110]
(111)[011]
(111)[121]
(111)[112-]
(554)[225]
мгз
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
а
Ш 0
1 • • i
II с
Участки МГ без дефектов КРН 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 708090
0 10 20 30 40 50 60 7080 90
0 10 203040; 5060708090
0 10 20 30 40 50 60 70
у-волокно
(110)[110]
(110)[001]
Рис. 3. Сечения ФРО внешних (а, в) и внутренних (б, г) слоев труб с зафиксированными повреждениями КРН (а, б) и без повреждений (в, г), а также схема характерного сечения ФРО (д), на которой точками отмечены основные идеальные ориентировки, связанные с плоской
деформацией ОЦК металлов
а
б
б
3
2
в
Г
д
МГ 1 МГ 2 МГЗ
Расстояние от внешней поверхности трубы, отн. ед. Рис. 4. Распределения соотношений интенсивности рентгеновских линий 1по/12оо (а) и IшДш (б)» измеренных по толщине стенки труб различных МГ
МГ 1 без дефектов КРН преобладает компонента {110}<001> (см. рис. 3в), что может служить объяснением устойчивости данного участка трубы к КРН.
Текстура образцов МГ 2 имеет более острый характер. Внешние слои трубы так же, как и внутренние, характеризуются компонентами: {001-111 }<110>+{554}<225>, при этом текстура поверхностных слоев гораздо острее, что видно по величине /2. Текстурная неоднородность в данном случае проявляется в уменьшении остроты текстуры во внутренних слоях трубы. В трубах МГ 3 наблюдается наиболее острая текстура с таким же набором текстурных компонент, как и в случае МГ 2, однако в данной трубе острота текстуры растет в направлении от внешних слоев к внутренним.
Такие существенные отличия в текстуре труб исследованных МГ определяются прежде всего неодинаковостью толщин исходных листов и технологических режимов их производства, а также пластической деформацией в процессе формовки трубы. Видно, однако, что одна и та же труба на различных участках имеет схожую текстурную неоднородность.
Для характеристики текстурной неоднородности по толщине стенки труб использовались соотношения интенсивностей различных рентгеновских линий, записанных для образцов ±НП. Наиболее интересны величины 1110/1200 и 1цоЛц2, которые в соответствии с текстурными данными в первом случае характеризуют соотношения объемных долей а-волокна и компоненты {110}<001>, а во втором - а-волокна и суммы текстурных компонент {111 }<112> и {554}<225> вследствие их близкого расположения в ориентационном пространстве. На рис. 4 представлены такие распределения для исследованных МГ. Видно, что в случае МГ 2 и МГ 3 изменения соотношений рентгеновских линий имеют довольно резкие перегибы для участков труб без повреждений КРН (рис. 4а, см. красную кривую для МГ 2 и МГ 3). Также на рис. 4б для этих МГ можно выявить зону, равную приблизительно 0,15 толщины стенки трубы, при переходе через которую резко изменяется соотношение 1ШЛ112, причем более резкий скачок имеют участки без повреждений КРН. Данное значение сопоставимо с максимальной глубиной трещин, обнаруженных ВТД-методом на этих участках.
Образцы труб из МГ 1 не имеют таких резких переходов в распределениях рассматри-
ваемых величин, при этом, несмотря на более «мягкие» условия эксплуатации, в пределах исследованного образца обнаружено довольно большое количество повреждений КРН (см. рис. 2). Однако суммарная площадь поврежденных зон по длине трубы, обнаруженных методом ВТД, меньше, чем в остальных трубах. Можно предположить, что наличие компоненты {110}<001> во внешних слоях трубы повышает ее устойчивость к КРН. Следует также отметить, что величины 1110/1200 и 1110/1112 для МГ 1 во внешних слоях ниже, чем для остальных МГ. Это свидетельствует о том, что доля а-волокна в этих трубах ниже, при этом более низкие значения наблюдаются на участках без повреждений КРН.
Послойная текстурная неоднородность стальных труб, полученных из горячекатаных листов, обусловлена различием параметров (условий) технологической обработки внутренних и внешних слоев. Закономерности тексту-рообразования в различных слоях листов позволяют установить температуры, при которых они были прокатаны, а толщина слоев листа, характеризующихся разными текстурами, определяется используемыми режимами прокатки. Тип и степень такой текстурной неоднородности могут оказывать влияние на склонность труб к КРН. В процессе роста трещин КРН при достижении слоя с измененной текстурой их раскрытие может замедляться или останавливаться из-за высокой взаимной разориентации зерен различных слоев и необходимости изменения плоскости движения трещины, что требует дополнительных растягивающих напряжений. Поэтому с увеличением текстурной неоднородности эффекты, вызванные КРН, могут ослабляться. ***
Таким образом, выявлена значительная послойная текстурная неоднородность материала труб магистральных газопроводов, изготовленных различными производителями. Показано, что в рамках одной технологии прокатки текстура труб одного класса прочности существенно различается в зависимости от конкретных режимов прокатки.
Наличие текстурной компоненты {110}<001> во внешних слоях труб повышает их устойчивость к КРН, а высокая доля а-волокна ее понижает. По мере накопления статистических данных, подтверждающих сделанный вывод, возможна разработка практических
рекомендаций по повторному применению труб на участках МГ в регионах с высокой предрасположенностью к стресс-коррозии.
Существенное различие внутренних и внешних слоев металла труб по текстуре способст-
вует замедлению роста трещин вследствие пересечения трещиной слоев с измененной текстурой с высокой взаимной разориентацией зерен и необходимостью изменения плоскости движения трещины.
Список литературы
1. Малкин А.И. Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов. Ч. 1: Современные представления о механизмах коррозионного растрескивания сталей в водных средах / А.И. Малкин, А.И. Маршаков, А.Б. Арабей // Коррозия: материалы, защита. - 2009. - № 10. -С. 1-15.
2. Zheng M. Stress corrosion cracking in pipelines / W. Zheng, M. Elboujdaini, R.W. Revie // Stress corrosion cracking: Theory and practice /
ed. by V.S. Raja, Tetsuo Shoji. - Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited, 2011. - P. 749771.
3. Арабей А.Б. Влияние особенностей технологии производства труб на стойкость к коррозионному растрескиванию
под напряжением / А. Б. Арабей, Т.С. Есиев, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2012. - № 2 (670). -С. 52-54.
4. Алимов С. В. Концепция диагностирования и ремонта магистральных газопроводов
в регионах с высокой предрасположенностью к стресс-коррозии / С.В. Алимов, А.Б. Арабей, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2015. - № 724 (спецвыпуск). - С. 10-15.
5. Venegas V. On the influence of crystallographic texture on pitting corrosion in pipeline steels / V. Venegas, F. Caleyo, L.E. Vázquez et al. // Int. J. Electrochem. Sci. - 2015. - № 10. -
P. 3539-3552.
6. Szpunar J.A. A new understanding of intergranular stress corrosion cracking resistance of pipeline steel through grain boundary character
and crystallographic texture studies / J.A. Szpunar, M.A. Arafin // Corrosion Science. - 2009. -№ 51. - P. 119-128.
7. Jonas J.J. Transformation textures associated with steel processing / J.J. Jonas // Microstructure and Texture in Steels. - London: Springer, 2009. -
P. 3-17.
8. Raabe D. Overview on basic types of hot rolling textures of steels / D. Raabe // Steel Research. -2003. - V. 74. - № 5. - P. 327-337.
9. Engler O. A Study of through-thickness texture gradients in rolled sheets / O. Engler, M.-Y. Huh, C.N. Tome // Metallurgical and materials transactions A. - 2000. - V. 31A. - P. 2299-2314.
10. Perlovich Yu. Effect of layerwise structural inhomogeneity on stress-corrosion cracking of steel tubes / Yu. Perlovich, O. Krymskaya, M. Isaenkova et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2016. -V. 130. - № 012009, doi: 10.1088/1757-899X/130/1/012009.
11. Перлович Ю.А. Влияние по слойной текстурной неоднородности труб магистральных газопроводов на их склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением / Ю.А. Перлович,
М.Г. Исаенкова, О.А. Крымская и др. // Территория Нефтегаз. - 2015. - № 2 (31): Коррозия. - С. 28-31.
12. Perlovich Yu. Effects of dynamical deformation ageing on structure and texture of hot-rolled sheets from alloyed BCC metals / Yu. Perlovich, M. Isaenkova // Int J. Mater. Form. 3. - 2010. -№ 1. - P. 1143-1146.
13. Perlovich Yu. Development of strain hardening inhomogeneity during texture formation under rolling of BCC-metals / Yu. Perlovich // Numerical prediction of deformation processes and the behaviour of real materials: proc. 15th Riso International Symposium on Materials Science. -1994. - P. 445-450.
14. Перлович Ю.А. Современные методы экспериментального построения текстурных прямых полных полюсных фигур
по рентгеновским данным / Ю. А. Перлович, М.Г. Исаенкова, В.А. Фесенко // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2013. - T. 79. - № 7, ч. 1. - C. 25-32.
15. Isaenkova M. Modern methods of experimental construction of texture complete direct pole figures by using X-ray data / M. Isaenkova, Yu. Perlovich, V. Fesenko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2016. - V. 130. - № 012055, doi:10.1088/1757-899X/130/1/012055.
16. LaboTex v. 3.0 by LaboSoft (Krakow, Poland) // http://www. labosoft.com.pl
17. Bunge H.-J. Texture analysis in materials science / H.-J. Bunge. - London: Butterworth, 1982.
