CC BY
68
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ
Волгина Наталья Ивановна
канд. техн. наук, доцент Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), РФ, г. Москва
E-mail: nvolgina2008@rambler. 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 THE PRODUCTION TECHNOLOGY ON DURATION OF
OPERATION OF THE PIPELINE
Volgina Natalya
candidate of Science, associate professor, Moscow state machine-building university
(MAMI), Russia, Moscow 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
Представлены результаты исследования влияния особенностей изготовления труб большого диаметра на их долговечность в процессе эксплуатации магистральных газопроводов.
ABSTRACT
Results of research of communication of metallurgical features of production of pipes of big diameter with their durability in use main газопроводов are presented.
Ключевые слова: газопровод; коррозионное растрескивание под напряжением; структура, термическая обработка.
Keywords: gas pipeline; stress corrosion cracking; stress corrosion cracking; structure, heat treatment,
Created by DocuFreezer | www.DocuFreezer.com |
В настоящее время в системе магистральных газопроводов (МГ) эксплуатируются трубы большого диаметра, отличающиеся тем, что они были изготовлены в разное время на разных заводах и по различным технологиям. Основное различие в технологии — это способы упрочнения, доведения структуры до состояния, соответствующего заданным значениям прочности и пластичности. К ним относятся нормализация, улучшение (закалка с отпуском) и контролируемая прокатка.
Изменение способов упрочнения труб соответствует той тенденции, которая наметилась за последние 40 лет: повышению рабочего давления в газопроводах и прокладки их в регионах с пониженной температурой. Направления разработки новых композиций сталей повышенной прочности и хладостойкости — это применение контролируемой прокатки и термообработки — закалки с отпуском [1].
С увеличением диаметра и рабочего давления в трубопроводе, а также снижением запаса прочности по СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы» возросла опасность отказа такой сложной конструкции [4; 5]. Поэтому возросли требования к уровню прочности, вязкости и хладостойкости. Выполнение этих требований на малоуглеродистых марках низколегированных сталей делает упрочняющую термическую обработку готовых изделий (труб) обязательной. Однако, поставка упрочненных труб не привела, на первых порах, к увеличению срока службы МГ: аварийные разрушения не сократились, а участились и стали происходить раньше (табл. 1).
С целью установления причин таких разрушений проведено исследование связи металлургических особенностей изготовления труб большого диаметра и их долговечности в составе магистральных газопроводов.
Результаты исследований показали, что по содержанию вредных примесей не все трубы соответствуют требованиям технических условий. Так, трубы из стали 17Г1С имели повышенное до 0,08% содержание серы, трубы из Франции
— до 0,11 % фосфора, в то время как трубы из Японии содержали только 0,002 % серы.
Таблица 1.
Характеристика аварийных труб
Год производства 1970 1970—1975 1975
Поколение 1 II III
Марка стали 17Г1С 17Г2СФ, 17Г2САФ Х70
Изготовитель ЧТПЗ ЧТПЗ, ВТЗ Япония, Франция, Италия
Диаметр и толщина стенки, мм 1220x12 1220x11,0 1220x10,5 1420x15,7
Способ упрочнения Нормализа ция Улучшение Контролируемая прокатка
Класс прочности К42 К55 Х70
Число аварий 16 17 23
Время до разрушения, лет 25—30 16—24 11—19
Суммарная длина труб, км 3442 1434 3660
Механические свойства исследованных аварийных труб не соответствуют данным, указанным в сертификатах на них (табл. 2), что косвенно свидетельствует об изменении свойств в процессе эксплуатации. Пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение) исследованных труб в процессе эксплуатации снижаются, а прочностные (предел текучести, предел прочности), как правило, повышаются.
В очагах разрушения труб из стали 17Г1С наблюдается неравномерная структура: ферритная составляющая, наряду с мелким зерном, оцениваемым баллом 10—11, характеризуется и значительно более крупным зерном (балл 7— 8). Улучшенные трубы из сталей 17Г2СФ и 14Г2САФ отличаются наличием в структуре отдельных участков сорбита, троостита и даже мартенсита.
В трубах контролируемой прокатки производства Франции имеются зоны с повышенным содержанием перлита и зоны чистого феррита.
Таблица 2.
Механические свойства аварийных труб _
Поколение Марка стали Способ упрочнения Предел текучести □ од, МПа1 Относитель ное удлинение Относитель ное сужение □ ,% 1
□ , % 1
I 17Г1С Нормализац ия 380 (390)2 23 (25) 52 (51)
II 17Г2СФ 14Г2САФ Улучшение 6303 (470) 5703 (430) 13 (23) 39 (56)
III Х70 Контролиру емая прокатка
Япония Франция Италия 600 (500) 420 (470) 450 (520) 10 (24) 16,5 (22) 22 (21) 58 (56) 47 (56) 22 (56)
Примечания: 1. Средние значения по 10 образцам.
2. В скобках — средние значения сертификатных данных.
3. В очагах разрушения — повышенная твердость.
Исследование характера трещин в трубах разных поколений позволило установить, что в очагах разрушения нормализованных труб, а также в трубах контролируемой прокатки имеются межкристаллитные трещины с затупленными вершинами, развившиеся по классическому механизму активного анодного растворения. На трубах второго поколения образовались ступенчатые узкие трещины с острыми вершинами, характерные для механизма коррозионного растрескивания под напряжением с водородным охрупчиванием. Помимо таких хрупких поверхностных трещин в зонах закалочных структур обнаружены внутренние ступенчатые трещины, располагающиеся посередине толщины стенки трубы. В ряде случаев такие трещины наблюдались и в трубах, изготовленных методом контролируемой прокатки.
Анализ особенностей производства труб тех партий, среди которых находились аварийные трубы, показал, что причины образования дефектов в виде трещин закладываются на предприятиях-изготовителях [2, 3, 6].
Сталь труб первого поколения загрязнена серой и фосфором, не удаленными из нее в процессе выплавки и разливки. Это привело к повышенному содержанию в стали неметаллических включений — оксидов, сульфидов и силикатов, вплоть до 5-го балла по отдельным видам включений. В стали второго поколения размеры сульфидов доходят до 3—4-го балла. В
наиболее чистой стали третьего поколения наличие неметаллических включений оценивается 1—2 баллом.
Локальная структурная неоднородность, отрицательно сказавшаяся на механических свойствах и долговечности труб, возникла в процессе отливки и термической обработки заготовок и самих труб. Надо полагать, с достаточной степенью вероятности, что в процессе непрерывной разливки и кристаллизации имело место недостаточное перемешивание жидкой ванны затвердевающей заготовки. Это привело к ликвации углерода и примесей по сечению. При прокатке листа ликвационная зона оказалась посередине толщины листа.
Неоднородность структуры нормализованной стали 17Г1С возникла вследствие определенного несогласования температуры конца прокатки и температуры нормализации. Окончание прокатки при завышенной температуре не обеспечило получения мелкого зерна из-за рекристаллизации, а пониженная температура нормализации не устранила этого дефекта структуры.
При термической обработке листа и труб второго поколения имело место неравномерное охлаждение труб со всех сторон, поэтому в структуре образовались участки мартенсита, троостита и сорбита закалки и не произошло выравнивания структуры при отпуске, возможно, вследствие недостаточной выдержки при этой операции. Особенно эти обстоятельства сказались на структуре концентрационно-неоднородной центральной зоны. Не подлежит сомнению, что именно участки мартенситоподобной структуры, тем более недостаточно отпущенной, наиболее склонны к водородному охрупчиванию в процессе КРН. Превышение фактических значений прочности по сравнению с данными сертификатов объясняется большим разбросом показателей по длине и ширине исходного листа (рулона), не обнаруженного при выборочных испытаниях листа или трубы. Такое превышение прочности при падении пластичности объясняется только наличием в структуре участков мартенситоподобной структуры.
Сравнение данных, полученных в результате исследования труб различных поколений, приведено в табл. 3.
Таблица 3.
Сравнительные данные ^ по аварийным трубам 1)_
Поколение I II III
Содержание серы и фосфора Повышенное Повышено незначительно Повышенное 2)
Твердость, МПа Порядка 1750 3) Порядка 2800 4) Порядка 2400 5)
Наибольший балл по неметаллическим включениям 4—5 3—4 1—2
Изменение механических свойств Без изменений Значительное повышение прочности при снижении пластичности Пониженная пластичность
Виды дефектов Внутреннее расслоение Внутренние трещины Расслоения и внутренние трещины
Характер трещин Широкие, с тупой вершиной Узкие, с острой вершиной, ступенчатые Широкие и узкие
Примечания: 1. Сравнение данных сертификатов и результатов
исследований.
2. Кроме труб поставки Японии.
3. Разброс значений 1600—1900 МПа.
4. Разброс значений 1600 4150 МПа.
5. Разброс значений 1600 3200 МПа.
Заключение
Приведенные выше данные, а также анализ результатов обследования дефектных труб позволяет утверждать, что концентраторы напряжений и другие аномалии, инициирующие рост стресс-коррозионных трещин, возникают, как правило, в трубах на стадии их производства.
Поэтому для снижения вероятности появления трещин в процессе эксплуатации необходимы:
• отработка процесса выплавки стали с целью снижения содержания кислорода, серы и фосфора и существенного снижения содержания неметаллических включений до уровня 1—2 баллов по всем видам;
• отработка режимов электромагнитного перемешивания и режимов охлаждения заготовок в процессе кристаллизации с целью уменьшения ликвационной зоны;
• отработка режимов закалки (в части равномерного охлаждения) и отпуска (в части температуры и необходимой выдержки) до получения равномерной однородной структуры сорбита, без участков троостита и, тем более, мартенсита, виновных в повышении прочности и падении пластичности.
Список литературы:
1. Матросов Ю.И., Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко. Сталь для магистральных газопроводов. М.: «Металлургия», 1989, — с. 288.
2. Медведев В.Н., Тухбатуллин Ф.Г., Королев М.И., Волгина Н.И., Воробьев Я.В., Иванов В.С., Урусов В.С.. Влияние технологии производства труб на их предрасположенность к коррозионному растрескиванию под напряжением. М.: ИРЦ ГАЗПРОМ, 2007, — 99 с.
3. Потапов И.Н., Коликов А.П., Данченко В.Н. и др. Технология производства труб. М.: Металлургия, 1994. — 528 а
4. 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.
5. Салюков В.В., Тухбатуллин Ф.Г., Колотовский А.Н., Митрохин М.Ю., Королев М.И., Волгина Н.И. Основные причины аварий магистральных газопроводов. //Ремонт, восстановление, модернизация. — 2002, — № 10, — с. 12—14.
6. Тухбатуллин Ф.Г., Волгина Н.И., Королев М.И., Теплинский Ю.А., Кузьбожев А.С., Бирилло И.Н. Исследование остаточных напряжений длительно эксплуатируемых трубопроводов методом разрезания. Газовая
промышленность. Серия: «Транспорт и подземное хранение газа». Научно-технический сборник, — № 5, — 2002. — С. 3—9.
