» » Изменение свойств металла в процессе эксплуатации
24.01.2015

Длительная эксплуатация может приводить к деградации свойств металла труб, связанной с изменением структурного состояния. В результате этого разрушение становится возможным даже при напряжениях, не превышающих максимально допустимые. Снижение сопротивления разрушению может быть связано с процессами старения металла, повышения содержания водорода, увеличения внутренних напряжений и накопления дефектов типа микротрещин, а также локального уменьшения толщины стенки трубы в результате коррозии. Анализ факторов, вызывающих преждевременное разрушение трубопроводов, показывает, что основными причинами разрушения являются концентраторы напряжений механического происхождения (царапины, надрезы, конструктивные дефекты и т.д.) и дефекты, образующиеся в результате длительного контакта металла с коррозионной средой.
Одной из наиболее важных проблем эксплуатационной надежности газопроводов является преждевременное разрушение, вызванное образованием продольных трещин в местах контакта металла труб с внешней коррозионной средой. Такой вид разрушения получил название «стресс-коррозии» или коррозионного растрескивания под напряжением (КРН). Стресскоррозионное разрушение все больше привлекает к себе внимание эксплуатационных служб трубопроводов в связи с тем, что во всем мире увеличивается количество аварий, вызванных этой причиной.
Механизм возникновения и роста стресскоррозионных трещин в настоящее время является предметом исследований, проводимых в России и за рубежом. Однако установлено, что внешний вид трещин может варьироваться от мелких изолированных трещин до больших участков (колоний), содержащих сотни трещин. Стресскоррозионные трещины, как правило, обнаруживаются в основном металле на внешней поверхности трубы и имеют продольную ориентацию (рис. 2.55, а). Большинство поврежденных этим видом дефекта труб имеют колонии трещин, расположенных на некотором расстоянии от продольных сварных швов. Хотя стресскоррозионные повреждения регистрируются и независимо от места расположения продольного сварного шва.
Изменение свойств металла в процессе эксплуатации

Следует учесть, что если аварийность по традиционным причинам (дефекты металла труб, брак строительно-монтажных работ, наружная общая коррозия и др.) достаточно хорошо изучена и пути ее снижения понятны, то явление стресскоррозионного растрескивания изучено меньше, и методы его предотвращения пока остаются малоэффективными.
Образование стресскоррозионных трещин зависит от нескольких факторов — уровня рабочего давления газа, состава коррозионной среды (уровень pH), механических свойств и структурного состояния металла труб. В том случае, когда в силу тех или иных причин возникает контакт поверхности металла с коррозионной средой, возможность появления стресскоррозионных трещин в значительной степени зависит от сопротивления металла трубы зарождению и развитию таких трещин.
Поэтому исследование влияния химического состава и уровня прочности трубных сталей на склонность к стресскоррозионному растрескиванию является важной практической задачей для выбора оптимальных технологических параметров производства, обеспечивающих повышение сопротивления стали этому виду разрушения.
Коррозионное растрескивание под напряжением протекает в условиях одновременного воздействия на металл статических или квазистатических напряжений, не превышающих предел прочности стали и коррозионной среды. Такой вид разрушения в широком смысле принято называть статической усталостью или замедленным разрушением. Фактически KPH представляет собой частный случай явления замедленного разрушения, обусловленный спецификой механизма его развития.
Явление замедленного разрушения — сложный многофакторный процесс, характерный для многих изделий из сталей разных марок и классов. Такому виду разрушения подвержены сосуды высокого давления, высокопрочные болты, предварительно напряженная арматурная проволока и др. Известно, например, что наибольшей склонностью к развитию замедленного разрушения обладают стали со структурой неотпущенного мартенсита вследствие высокого уровня остаточных микронапряжений в структуре стали, возникающих в результате особенностей мартенситного превращения. Следует отметить, что роль внутренних микронапряжений в развитии этого явления настолько велика, что стали со структурой неотпущенного мартенсита склонны к этому виду разрушения на воздухе без воздействия агрессивной среды.
До недавнего времени считалось, что стали с ферритно-перлитной структурой практически не склонны к замедленному разрушению, в том числе и к KPH. Однако практика эксплуатации газопроводных труб из сталей этого класса показала, что это не так. Низколегированные трубные стали с ферритно-перлитной и смешанной структурами подвержены этому виду разрушения.
Весьма важным фактором, от которого зависит склонность сталей к КРН, является содержание вредных примесей и неметаллических включений. Однако если роль неметаллических включений, особенно сульфидов, в развитии KPH трубных сталей исследовалась, то влияние примесей фосфора, сурьмы и др., склонных к образованию сегрегаций, тонких мономолекулярных слоев на границах зерен, требует тщательного изучения с применением современных методов.
Поскольку в условиях длительной эксплуатации, кроме напряжений, металл трубы может подвергаться воздействию коррозионной среды, то принято считать, что основной причиной разрушения в условиях контакта металла с коррозионной средой является локальная коррозия металла, приводящая к уменьшению его рабочего сечения и образованию трещины. Однако имеются основания полагать, что одним из основных факторов, способствующих трещинообразованию в условиях эксплуатации, является насыщение металла водородом. Особенно это характерно для коррозионных сред с низким pH (менее 7,5). Трещина в этом случае может образоваться в ходе выдержки при напряжении ниже предела текучести, особенно в присутствии надреза, и развиваться по межзеренному механизму. В связи с этим возникает необходимость оценки склонности стали к трещинообразованию в условиях поглощения водорода под напряжением. Следует отметить, что развитию замедленного разрушения способствуют внутренние микронапряжения, связанные с локальным наклепом металла.
Образование трещины при водородном охрупчивании обычно связывают с диффузией водорода в поле упругих напряжений в вершине надреза или трещины, что приводит к обогащению водородом этой области. При этом важно учитывать изменение структурного состояния стали в процессе нагружения, в частности, микропластическую деформацию, протекающую в поверхностных слоях металла или перед заранее созданным концентратором напряжений. При испытаниях гладких образцов образование трещины происходит в местах действия локальных микронапряжений, возникающих в результате развития микропластической деформации.
В ходе эксплуатации изделий из сталей насыщение водородом может происходить в результате развития процессов коррозии. Испытания на склонность к водородной хрупкости при насыщении металла водородом в некоторой степени имитируют процесс разрушения в реальных условиях эксплуатации при протекании электрохимических процессов коррозии. Этот вид испытаний является одним из наиболее жестких и может быть применен для наиболее ответственных деталей и изделий из сталей, работающих в условиях эксплуатации (высокие давления, коррозионные среды и т.д.).
Таким образом, для выявления склонности сталей к преждевременному хрупкому разрушению при длительном воздействии статических напряжений недостаточно проведения стандартных испытаний на ударную вязкость, а необходима оценка склонности металла к замедленному разрушению. Такую оценку обычно проводят путем испытаний образцов с надрезом при постоянном напряжении или деформации. Испытания проводят при растяжении или изгибе. По результатам испытаний оценивают время до разрушения, длительность инкубационного периода и среднюю или истинную скорость распространения трещины. Важной характеристикой склонности к замедленному разрушению является уровень порогового напряжения, нагружение ниже которого не вызывает замедленного разрушения. Пороговое напряжение при испытании гладких образцов обусловлено процессом зарождения трещины и близко по величине к напряжению начала микродеформации в стали. При водородном охрупчивании уровень порогового напряжения зависит от условий насыщения стали водородом.
В отличие от явления хладноломкости, склонность к замедленному разрушению или к KPH не может быть выявлена при испытаниях в условиях низких температур или высоких скоростей деформации. Для обнаружения склонности стали к этому виду разрушения необходимы статические или квазистатические испытания. Если скорость испытаний настолько велика, что время до разрушения меньше, чем длительность инкубационного периода зарождения трещины, то склонность к KPH не обнаруживается. Именно поэтому о склонности стали к KPH невозможно судить по результатам высокоскоростных ударных испытаний.
В работе обобщен и проанализирован огромный экспериментальный материал по KPH. Коррозионным растрескиванием под напряжением называют разрушение металлических материалов в результате одновременного длительного воздействия специфической внешней среды и статического напряжения. Специфика сред, провоцирующих КРН, заключается в том, что они не обнаруживают сильную коррозионную активность в формах общей и питтинговой коррозии.
В почти нейтральных средах (pH = 5-7,5) KPH характеризуется транскристаллитным распространением трещин (см. рис. 2.55, б), такой вид характерен для газопроводов России и Канады. Много случаев KPH при высоких значениях pH ≥ 9 зафиксировано в США, разрушение в этом случае — межзеренное.
Для зарождения и развития трещин KPH должны одновременно выполняться два условия: высокие нагрузки и определенное состояние материала трубы, а также сочетание факторов окружающей среды (отслоившееся покрытие, наличие влаги и CO2, поступление электролита, температура).
Нагрузки, действующие на трубопровод, различны по источникам, характеру, направлениям, величинам, поэтому необходимо рассматривать результирующее действие всех нагрузок на поверхности трубы:
— эксплуатационное давление перекачиваемой среды;
— нагрузки, возникшие при укладке трубопровода;
— нагрузки, обусловленные нестабильными грунтами;
— сварочные напряжения;
— остаточные напряжения, возникшие в процессе изготовления труб.
Считается, что стойкость к KPH является структурно-чувствительной характеристикой. Хотя анализ сталей, подвергшихся KPH при эксплуатации отечественных магистральных газопроводов, показывает, что стали как отечественного производства (К52-К65), так и импортные (Х56-Х70) по состоянию поставки были нормализованными или подвергнутыми термическому улучшению, а также после контролируемой прокатки, в том числе с последующим ускоренным охлаждением.
KPH наступает при весьма низких значениях макропластической деформации, однако, судя по строению изломов, особенностям микроструктуры металла вблизи вершин несквозных трещин, результатам механических испытаний металла труб, подвергнутых KPH, пластичность и вязкость металла непосредственно перед распространением трещины KPH сохраняется на достаточно высоком уровне, свойственном трубным сталям.
Основным признаком, по которому причину отказа газопровода отождествляют с KPH, является наличие на внешней поверхности труб колоний, как правило продольных трещин (см. рис. 2.55, а).
Излом стали при KPH состоит, по крайней мере, из двух зон: стабильного роста трещины и долома; анализ изломов позволяет определить характер разрушения на стадии стабильного распространения, а также путь распространения относительно элементов микроструктуры. Металлография позволяет дать информацию о характере распространения трещин. Трещины в основном распространяются в плоскости, ортогональной вектору максимальных напряжений растяжения, возникающих под действием давления газа на стенки трубы. Однако направление некоторых трещин отклоняется от нормали к оси трубы, что может быть связано с наличием дополнительной неэксплуатационной нагрузки, изменяющей ориентировку максимальных растягивающих напряжений в месте растрескивания, а также взаимодействием и объединением соседних трещин. На участках объединения трещин могут возникать признаки местной пластической деформации, которые обнаруживаются как изгиб полос перлита или местное повышение микротвердости.
К металлургическим факторам, которые могут влиять на стойкость труб к KPH, предположительно относятся: микроструктура стали; дефекты и неметаллические включения; остаточные напряжения (при формовке, сварке и т.д.).
Лабораторные методы испытаний пока не полностью отработаны, и нет полной гарантии воспроизведения процесса KPH, протекающего в трассовых условиях. Для проведения оценки склонности трубных сталей к KPH в ЦНИИчермете им. И.П. Бардина разработаны две методики испытаний в условиях изгиба:
1) испытания с низкими скоростями деформации в коррозионной среде, насыщенной водородом, и построение зависимости параметров сопротивления разрушению;
2) испытания при постоянной нагрузке в коррозионных средах.
Г.А. Филиппов, О.Н. Чевская и автор провели сопоставительные исследования склонности к KPH ряда промышленных сталей марок 17Г1С, 17Г1С-У, 13ГС, 13Г1С-У, 12ГСБ, Х65, Х70, Х80, 06ГФБАА, 10Г2ФБЮ, 09ГСФ и др., произведенных на толстолистовом и непрерывном широкополосном станах, по технологическим схемам контролируемой прокатки, контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением и закалки с отпуском. Содержание углерода в исследованных сталях составляло 0,05-0,16%, содержание серы было в пределах 0,002-0,006%.
Испытания образцов размерами 10xtx55 мм (t — толщина образца с острым надрезом) на чувствительность к KPH осуществлялись при сосредоточенном изгибе методом непрерывной деформации с низкой скоростью до разрушения. Испытания проводили на воздухе и в специальной слабокоррозионной среде (среда ВНИИГАЗ — pH = 5,1) со скоростью нагружения 0,005 см/мин с записью диаграммы «нагрузка-деформация» (пластический прогиб). По результатам испытаний оценивали влияние среды на снижение следующих характеристик исследуемых трубных сталей: разрушающего напряжения σp, предела общей текучести σот, пластического прогиба fпл и работы разрушения АΣ. Полученные данные использовали для расчета относительного снижения каждого из параметров в результате развития KPH и определяли интегральный показатель склонности к KPH по формуле
Скрн, % = (Δσр/σ0р + Δσот/σ0от + Δf/f0 + ΔAΣ/АΣ0)/4.

Явление KPH развивается во времени при постоянном приложенном напряжении (давлении в трубе) и представляет собой разновидность замедленного хрупкого разрушения сталей. Этот вид разрушения протекает в три основные стадии: зарождения трещины (или инкубационный период), стадия распространения стабильной (стресскоррозионной) трещины и «долом». На разных стадиях развития процесса KPH контролируется различными механизмами: процесс зарождения трещины — возможностью образования под нагрузкой локальных пиковых напряжений, распространение стабильной трещины — наличием ослабленных участков структуры металла с пониженной коррозионной прочностью, кинетикой охрупчивания металла водородом и др. Долом в основном зависит от исходной вязкости металла. Поэтому ранжирование трубных сталей целесообразно проводить как по сопротивлению разрушению на отдельных стадиях, так и в целом по интегральным характеристикам. Первое важно для понимания природы влияния различных факторов на сопротивление зарождению и распространению стресскоррозионной трещины и выбора оптимальных соотношений состава и структуры стали, обеспечивающих повышение сопротивления разрушению на всех стадиях KPH.
Проведены измерения работы зарождения и распространения стресскоррозионной трещины при испытаниях в коррозионной среде при низкой скорости нагружения. По сути дела, это две из трех составляющих суммарной работы разрушения в условиях KPH, ответственных за собственно развитие этого типа разрушения. Работа зарождения трещины для всех исследованных сталей в условиях стресскоррозии имеет низкую величину — от 2,9 до 7,5 Дж/см2. Это обусловлено тем, что при низкой скорости нагружения под влиянием коррозионной среды и, возможно, водорода инкубационный период зарождения трещины меньше (или равно), чем время нагружения металла до напряжения общей текучести. Другими словами, зарождение стресскоррозионной трещины происходит при нагружении в упругой области, часто ниже предела общей текучести. Поэтому величина работы зарождения стресскоррозионной трещины по существу равна работе упругой деформации. Из этого следует, что поскольку напряжение общей текучести для исследованных сталей различается не более чем в 2 раза (самое низкое значение для стали 17Г1С — 762 Н/мм2 и самое высокое для стали Х80 — 1284 Н/мм2), то и работа зарождения стресскоррозионной трещины для исследованных марок сталей изменяется в 2-2,5 раза.
Можно полагать, что поскольку процесс зарождения стресскоррозионной трещины связан с развитием в металле пластической деформации перед вершиной надреза, увеличение сопротивления образованию такой трещины требует повышения сопротивления протеканию пластической деформации, способствующей зарождению трещины. Таким образом, одним из условий повышения сопротивления зарождению трещины KPH, по-видимому, является увеличение уровня напряжения общей текучести в стали. He случайно поэтому низкие значения работы зарождения стресскоррозионной трещины наблюдаются для сталей с низкими σот, например: 17Г1СУ — 872 Н/мм2, 17Г1С — 762 Н/мм2 и др. И наоборот, высокие значения A3 отмечены для сталей с высокими значениями σот, например: Х65 — 1078 Н/мм2, Х70 — 1097 Н/мм2 и др. Однако условие повышенных значений σот является необходимым, но не достаточным. Другим условием является способность металла к релаксации микронапряжений, возникающих под нагрузкой, что зависит от подвижности дислокаций и структурного состояния стали.
Ранжирование трубных сталей по параметру сопротивления зарождению стресскоррозионной трещины позволяет сделать важный вывод о том, что для увеличения сопротивления зарождению трещины KPH необходимым условием является повышение сопротивления деформации при развитии общей текучести перед концентратором напряжений. Из исследованных это стали марок Х80, 06ГФБАА, 10Г2ФБ10, Х65, Х70.
Однако высокие показатели сопротивления зарождению трещины KPH совсем не обязательно должны свидетельствовать о лучших интегральных показателях сопротивления КРН, которое, как уже отмечалось, протекает в несколько стадий. Только сочетание оптимальных (лучше высоких) значений параметров сопротивления KPH на всех его стадиях может дать основание для заключения о высоком сопротивлении стали этому виду разрушения.
Рассмотрим далее ранжирование исследованных сталей по одному из параметров, отражающих сопротивление распространению стабильной стресскоррозионной трещины на второй стадии KPH. В отличие от параметра Aз величина Aст для исследованных сталей изменяется почти на порядок: самое низкое значение — 8 Дж/см2 отмечено для рулонной стали 13Г1С, для которой и величина Aз невелика. Наиболее высокое значение Act наблюдается для сталей 17Г1СУ, 13Г1СУ и 12ГСБ: 62-76 Дж/см2. Для этих сталей величина Aз также находится на невысоком уровне среди исследованных сталей, кроме 12ГСБ, для которой A3 находится на среднем уровне. Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод о том, что основной вклад в сопротивление KPH дает составляющая Aст. Ранжирование исследованных сталей по сумме работ Aз + Aст подтверждает этот вывод. Стали, имеющие высокое сопротивление распространению трещины, имеют и более высокие значения Aз + Aст Это стали 17Г1С, 13Г1СУ, 12ГСБ. Самые низкие значения Aз + Aт отмечены для рулонных сталей 13ГС, 09ГСФ, 10Г2ФБЮ.
Изменение свойств металла в процессе эксплуатации

На рис. 2.56 представлены данные по ранжированию исследованных трубных сталей по интегральному показателю снижения комплекса прочностных и пластических свойств при испытаниях в коррозионной среде с низкой скоростью по сравнению с испытаниями на воздухе Скрн и по абсолютной величине суммарной работы разрушения при этих же испытаниях. В качестве условных предельных критериев склонности к KPH были приняты: Скрн не более 25% и AΣ не менее 120 Дж/см2. Последнее значение было выбрано исходя из ряда, в котором располагаются все исследованные марки сталей. Условно можно выделить два основных уровня: при AΣ KPH ниже 120 Дж/см2 и выше этого уровня. Все стали, расположенные в этом ряду и имеющие показатель AΣ ≥ 120 Дж/см2, можно условно считать более стойкими к KPH.
Таким образом, из всех исследованных марок трубных сталей двум критериям одновременно удовлетворяют следующие стали: Х70, 17Г1С после закалки и отпуска, Х65, модифицированная 13Г1СУ, Х80.
Для проведения исследования тонкой структуры были выбраны типичные образцы сталей, показавшие неудовлетворительное сопротивление КРН. Микроструктура рулонной стали Х65 характеризуется субзеренной структурой полиэдрического феррита с некоторой долей перлита и бейнита. В структуре перлитных областей хорошо видны следы отпуска: на границах ферритных субзерен (зерен) присутствуют протяженные цепочки цементитных выделений, которые являются продуктом распада и полного растворения перлитных колоний.
Микроструктура стали 06ГФБА состоит из полиэдрического феррита и областей со смешанной структурой перлита и бейнита. Зерна феррита с малой плотностью дислокаций содержат очень мелкие частицы карбонитридов ванадия и ниобия. Наряду с довольно мелким зерном (4-5 мкм) в структуре присутствует большое количество крупных зерен феррита (6-8 мкм). Колонии перлита и бейнита объединены между собой в отдельные достаточно крупные области.
Листовая сталь 12ГСБ после закалки и отпуска характеризуется смешанной структурой отпущенного реечного мартенсита и полиэдрического феррита. Крупные сфероидизированные выделения цементита располагаются как по границам зерен, так и внутри зерна (по границам бывших структурных составляющих, распавшихся в результате высокого отпуска).
Микроструктура рулонной стали 10Г2ФБЮ содержит большой объем бейнитоподобных структур в высокоотпущенном состоянии, по границам ферритных зерен наблюдаются цепочки выделений цементита.
Таким образом, можно предположить, что любая выраженная структурная неоднородность и особенно наличие выделений фаз по границам зерен неблагоприятны с точки зрения сопротивления КРН.
Рентгеноструктурные исследования показали, что сопротивление KPH зависит от уровня внутренних микронапряжений, плотности дислокаций и величины параметра решетки, отражающего состояние углерода в стали. Стали с ненапряженными структурами, для которых характерно расщепление Кα-дублета, обладают более высоким сопротивлением КРН, чем стали, для которых наблюдается уширение рентгеновской линии. Повышение плотности дислокаций положительно сказывается на сопротивлении КРН. Выделение углерода из твердого раствора с образованием микронеоднородностей на границах зерен снижает сопротивление КРН. Положительным фактором может оказаться повышенная плотность дислокаций в стали, которые являются ловушками для диффузионно-подвижного водорода, участие которого в процессе KPH нельзя исключить. Повышенное сопротивление стали KPH может быть достигнуто формированием дисперсной однородной структуры, наиболее эффективным путем для этого является применение регламентированного ускоренного охлаждения после термомеханической прокатки низкоуглеродистой оптимально легированной стали. В некоторых случаях подобная структура может быть получена закалкой с последующим отпуском.
Процессы, протекающие в металле труб в ходе длительной эксплуатации, могут оказывать влияние как на стандартные механические свойства, так и на нестандартные, оцениваемые по специальным методикам. В связи с этим для оценки состояния металла труб после длительной эксплуатации необходимо исследование комплекса физико-механических характеристик, позволяющее оценить сопротивление разрушению металла в условиях, наиболее близких к условиям эксплуатации.
Таким образом, для всесторонней оценки конструктивной прочности и разработки критериев надежности металла труб необходимо проведение комплекса испытаний, учитывающих структурное состояние металла, стадии зарождения и распространения трещины, влияние коррозионной среды и водорода.
Известно, что процессы старения в железе и стали зависят от содержания атомов внедрения — углерода и азота — и от структурного состояния. По структурному состоянию современные трубные стали могут существенно отличаться от традиционных ферритно-перлитных сталей, что также может сказываться на склонности к старению.
Проведенные испытания при динамическом и статическом изгибе образцов с надрезом из труб после длительной эксплуатации показывали снижение характеристик сопротивления разрушению металла труб. Несмотря на значительный разброс значений, наблюдается существенное снижение ударной вязкости при испытании металла труб на образцах как с круглым, так и с острым надрезом. После 20-25 лет эксплуатации заметно снизилась величина ударной вязкости. С увеличением срока эксплуатации происходит постепенное смещение температурного порога хладноломкости T50 в сторону более высоких температур. После 25-35 лет эксплуатации труб T50 переходит в область плюсовых температур.
При достижении срока эксплуатации труб около 25 лет происходит резкое снижение всех величин, характеризующих сопротивляемость металла труб разрушению при статических испытаниях на изгиб образцов с острым надрезом. Пластичность уменьшается примерно в 1,5 раза. Почти в два раза снижается величина суммарной работы разрушения AΣ металла труб, причем в основном за счет уменьшения работы зарождения трещины Aз. Работа распространения трещины Ap уменьшается в меньшей степени. Следовательно, в наибольшей степени изменение структурного состояния металла труб в процессе длительной эксплуатации оказывает влияние на работу зарождения трещины.
Величина критического раскрытия трещины CTOD, отражающая предельную деформацию начала страгивания трещины, существенно снижается после 20-25 лет эксплуатации примерно в 1,5 раза. Это свидетельствует об увеличении чувствительности стали к концентраторам напряжений. Te концентраторы напряжений на поверхности трубы (царапины, задиры, вмятины и др.), которые были не очень опасны в начале эксплуатации, могут стать критическими после длительной эксплуатации из-за изменения структурного состояния металла труб.
Таким образом, в металле труб в процессе длительной эксплуатации, вероятно, происходит изменение структурного состояния, приводящее к снижению сопротивления хрупкому разрушению. Можно полагать, что это является следствием повышения сопротивления микропластической деформации и увеличения локальных микронапряжений под нагрузкой.
Изменение сопротивления разрушению металла труб может быть связано и с процессом накопления дефектов в результате воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода. Коррозионные процессы вызывают изменение состояния поверхности металла труб, приводя к образованию дефектов типа коррозионных каверн, язв, питтингов и др.
Насыщение металла водородом вызывает образование внутренних дефектов типа микротрещин в местах воздействия локальных микронапряжений. Следует отметить, что насыщение металла водородом может происходить в результате развития процессов электрохимической коррозии. В трубопроводах насыщению металла труб водородом может способствовать катодная защита.
Процесс накопления дефектов типа микротрещин и разрушение при статическом или квазистатическом нагружении ниже предельного разрушающего напряжения, в том числе ниже предела текучести стали, принято называть замедленным разрушением. KPH является основной причиной преждевременного хрупкого разрушения ответственных изделий из высокопрочных сталей, испытывающих воздействие коррозионной среды, например, затянутых болтов, напряженной арматурной проволоки и др.
Длительная эксплуатация оказывает влияние на склонность металла труб к КРН, при этом кривая зависимости времени до разрушения от уровня начального коэффициента интенсивности напряжений сдвигается в область уменьшения этого времени.
Скорость распространения стабильной трещины также зависит от срока эксплуатации, наименьшая скорость наблюдается для металла труб в исходном состоянии — (1-3)*10в-4 мм/мин. С увеличением срока эксплуатации труб скорость распространения стабильной трещины возрастает и достигает значений ~80*10в-4 мм/мин.
Для выяснения причин снижения сопротивления металла труб хрупкому разрушению при длительной эксплуатации проводят изучение микроструктуры, склонности металла к деформационному старению и температурной зависимости внутреннего трения. При исследовании труб из стали марки 17ГС с близким содержанием углерода (0,16-0,19%) и азота (0,006-0,008%) оказалось, что склонность к деформационному старению металла труб из стали марки 17ГС со временем уменьшается. При работе трубы испытывают перепады давления, температуры, динамические и статические нагрузки. Это создает условия для протекания в металле деформационного старения, приводящего к повышению сопротивления микропластической деформации и увеличению опасности появления в металле локальных пиков напряжений. Вследствие этого при эксплуатации труб уменьшается возможность релаксации локальных напряжений в вершине надреза или трещины, что приводит к повышению склонности стали к хрупкому разрушению. Накопление локальных микронапряжений и дефектов типа микротрещин подтверждается и другими физическими методами исследований.
О содержании углерода и азота в твердом растворе можно судить по результатам измерения температурной зависимости внутреннего трения (ТЗВТ). Известно, что на кривой ТЗВТ стали, содержащей углерод и азот в свободном состоянии, вблизи 40 °C наблюдается пик Сноека, обусловленный движением свободных атомов внедрения в поле напряжений. Чем больше свободных атомов углерода и азота в твердом растворе, тем выше пик Сноека.
О тенденции развития деформационного старения в процессе эксплуатации труб в трассовых условиях свидетельствует также увеличение на кривых ТЗВТ высоты максимума при 200-250 °С, однако наблюдается этот эффект только в том случае, когда металл подвергнут пластической деформации и последующему старению.
Таким образом, в процессе эксплуатации трубы испытывают перепады давления, температуры, динамические и статические нагрузки. Условия эксплуатации труб создают возможность протекания в металле деформационного старения, приводящего к повышению сопротивления движению дислокаций и увеличению опасности появления в металле локальных пиков напряжений. Вследствие этого в ходе эксплуатации труб уменьшается возможность релаксации локальных напряжений в вершине надреза или трещины, что повышает склонность стали к хрупкому разрушению.
Для оценки состояния магистральных трубопроводов недостаточно определения стандартных механических свойств. Критериями оценки надежности должны быть свойства, чувствительные к локальным структурным изменениям, например, полученные при испытании образцов с трещиной, острым надрезом, при низких температурах, а также испытании на замедленное разрушение.
Состояние металла труб зависит не только от срока эксплуатации, но и от силовых параметров, которые различны на разном удалении трубы от насосной станции. Более высокий уровень перепадов рабочего давления в трубопроводах на выходе из насосных станций, по-видимому, повышает средний уровень напряжений, действующих на стенки труб, и способствует более интенсивному протеканию процессов деформационного старения и накопления дефектов.
Проблема возникает в связи с деградацией физико-механических свойств, поэтому требуется изучение роли процессов старения и водородного охрупчивания в деградации эксплуатационных свойств и технологического ресурса сталей для магистральных газопроводов. В работе отмечается, что анализ аварийных разрушений магистральных газопроводов показывает, что наряду с действием многих факторов (коррозия, пульсация температуры и давления газа) одним из весомых является наводороживание труб. Содержание водорода в стенках аварийных труб (на участке разрушения газопровода) составляет 9-12 ppm, что в несколько раз превышает исходное содержание водорода (до 3 ppm), а также содержание водорода в запасных трубах, не бывших в эксплуатации.
Нельзя отрицать факт старения сталей магистральных газопроводов. Причем, как это отмечено выше, процесс происходит уже в ходе производства труб с покрытием. Вместе с тем имеют место неоднозначность и большой разброс мнений исследователей относительно природы и роли процесса старения и его влияния на свойства трубных сталей.
В нормативно-технической документации по строительству и эксплуатации магистральных трубопроводов возможность изменений механических свойств металла в процессе эксплуатации не рассматривается. В то же время по ряду исследований в результате многолетней эксплуатации наблюдается деградация свойств металла труб. Здесь есть некоторые противоречия в результатах: в работах указано, что прочность возрастает на 15-20%, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются на 15-50%, в работах изменений прочности и пластичности не выявлено. Деградация металла в процессе эксплуатации выявляется при динамических испытаниях при наличии острого концентратора, воздействии коррозионной среды и водорода. В работе отмечается, что надо осторожно относиться к оценкам по ударной вязкости, поскольку, во-первых, испытания проводились от разных партий и плавок, а во-вторых, результаты ударной вязкости характеризуются значительным разбросом, особенно в области вязкохрупкого перехода.
В работе предпринята попытка оценить изменение структуры трубной стали в процессе длительной эксплуатации, и на основании электронно-микроскопических исследований сделан вывод о том, что структура металла в процессе эксплуатации существенно не меняется, включая дислокационную структуру, а также неоднородное распределение дислокаций. Также не было обнаружено выделений на дислокациях в процессе эксплуатации, при изучении изломов не выявлено перехода от транскристаллитного к межзеренному разрушению.
В работе по результатам исследований металла нефтепровода после длительной эксплуатации и аварийного запаса делается вывод о том, что стандартные свойства металла не изменяются, так как напряжения в процессе эксплуатации не превышают 3/4 предела текучести металла. Если металл под действием не предусмотренных проектом нагрузок подвергается значительной пластической деформации, то его структура и свойства меняются. Рассеяние ударной вязкости объясняется тем, что температура испытания находится ниже верхнего порога хладноломкости.
В работе высказывается мнение о том, что необходимым условием развития KPH трубных сталей является образование сетки цементита по границам ферритных зерен, что возможно при высокой степени пересыщения феррита углеродом. Однако это утверждение ставится под сомнение в ряде работ.
Как утверждается в работах, суть старения трубного металла состоит в том, что избыточный углерод диффундирует в процессе эксплуатации газопроводов к границам ферритных зерен, что приводит к образованию на границах зерен феррита сетки карбидов. Согласно предлагаемой концепции, это способствует стресс-коррозионному растрескиванию сталей. Однако в работе на основании большого количества экспериментальных данных отмечается, что в почти нейтральных средах (pH = 5-7,5) KPH характеризуется транскристаллитным распространением трещин, такой вид разрушения характерен для газопроводов России и Канады.
В рамках предлагаемой модели время диффузионного массопереноса большей части избыточных атомов углерода из объема ферритных зерен на их границы в значительной мере характеризует технологический ресурс трубных сталей и составляет от 24 лет (при размере зерен около 10 мкм) до 54 и 96 лет (при размерах зерен около 15 и 20 мкм, типичных для нормализованных и горячекатаных сталей соответственно). Величина 24 года близка к данным работ, где пик стресс-коррозионных аварий приходится на 16-20 лет. Вторая (54 года) и в меньшей мере третья (96 лет) близки по величине к результатам эмпирической оценки полного ресурса, представленным в докладе. Однако, как отмечено в работе, имеются основания полагать, что оценки авторами работы времени релаксации диффузионного процесса могут быть занижены на один-два порядка, т.е. может отсутствовать удовлетворительное соответствие с зафиксированными аварийными «возрастами».
Оценки были сделаны без учета данных работ об образовании карбидоподобных сегрегаций углерода на дислокациях в железе (стали), обладающих сегрегационной емкостью на полтора-два порядка выше, чем «атмосферы» Коттрелла, и, во всяком случае, не ускоряющих, как «атмосферы» Коттрелла, объемную диффузию атомов углерода к границам зерен в железе. В работе приведен экспериментальный факт, свидетельствующий о том, что при деформационном старении стали может сегрегировать до 90 атомов углерода и азота в расчете на дислокацию атомной длины, т.е. на полтора-два порядка выше предельного содержания примеси в «атмосферах» Коттрелла. В работе получены экспериментальные данные об уменьшении (на один-два порядка) коэффициента диффузии углерода в деформированном железе по сравнению с отожженным металлом. С использованием этих данных оценки возможного времени старения могут быть увеличены в 2-5 раз.
Таким образом, принятой всеми концепции в настоящее время нет и необходимо проведение дальнейших работ по проблемам деградации (в том числе старения), водородного охрупчивания и стресскоррозионного разрушения сталей.