научная статья по теме ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ»

ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. E-mail: iqs12@yandex.ru Шабалов Иван Павлович, д-р техн. наук

Ассоциация производителей труб. Россия, Москва Статья поступила 02.10.2012 г.

Рассмотрены закономерности и механизмы разрушения трубных сталей в условиях хладноломкости, стресс-коррозии и водородной хрупкости, а также основные факторы, оказывающие влияние на разрушения этих видов. Исследовано влияние структурного состояния и режимов деформационно-термической обработки современных трубных сталей на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Ключевые слова: трубные стали; механические свойства; структура; длительная эксплуатация; хрупкое разрушение; стресс-коррозия; водородная хрупкость.

Процесс разрушения высокопрочных трубных сталей является многофакторным и зависит от условий эксплуатации трубопровода, химического состава и структурного состояния стали. С другой стороны, процесс разрушения является многостадийным и протекает, как правило, в три стадии, включающие в себя зарождение, распространение стабильной трещины до критического размера и рост магистральной трещины.

Обычно при разрушении конструкционных сталей зарождение трещины происходит по вязкому механизму, а распространение быстрой магистральной трещины по хрупкому. Однако реальные случаи разрушения трубных сталей свидетельствуют о том, что зарождение и рост докритической трещины происходят по хрупкому механизму (например, стресс-коррозионному или коррозионно-усталостному), а распространение магистральной трещины по вязкому [1-4].

Такая необычность поведения трубных сталей при разрушении требует особых видов испытаний и критериев оценки сопротивления трубных сталей разрушению.

Наибольший интерес представляет рассмотрение механизмов двух явлений - хладноломкости и замедленного разрушения, вызванного воздействием на металл коррозионной среды и водорода. Основное отличие этих двух явлений хрупкости состоит в температурно-скоростном интервале их проявления. Явление хладноломкости проявляется при высокоскоростных и низкотемпературных испытаниях, а замедленное разрушение - при низких скоростях деформации и при температурах, близких к комнатной.

В статье рассмотрены закономерности и меха-н измы разрушения трубных сталей в условиях хладноломкости, стресс-коррозии и водородной хрупкости и основные факторы, оказывающие влияние на эти виды разрушения.

Изменение сопротивления хрупкому разрушению трубных сталей при длительной эксплуатации. Современные высокопрочные трубные стали обладают высоким запасом вязкости и хладо-стойкости [5]. Критическая температура перехода трубных сталей категорий прочности Х70-Х80 находится ниже -80 °С, а иногда -100 °С. Это обеспечивается низким содержанием углерода, высокой степенью чистоты по содержанию вредных примесей (прежде всего серы) и ультрадисперсной структурой (ферритной, квазиэвтектоидной, ферритно-бейнитной, ферритно-мартенситной и др.). Достижение этих показателей стало возможным благодаря применению современных метал-

лургических технологий в области сталеплавильного и прокатного производств.

Хладостойкость характеризуется тремя основными факторами, от которых зависит склонность стали к хрупкому разрушению: конкретная структура, определяющая условия образования и уровень локальных напряжений на разных стадиях разрушения; подвижность дислокаций при низких температурах, определяющая вероятность протекания релаксации пиковых напряжений; поверхностная энергия разрушения [6].

Дисперсная структура, снижающая вероятность возникновения высоких локальных на- ^ пряжений, низкое содержание атомов внедрения ™ (углерода и азота), способствующее повышению ^ подвижности дислокаций и протеканию релаксационных процессов, а также высокая степень чи- ^ стоты современных трубных сталей обеспечива- 5 ют высокое сопротивление хладноломкости [7]. г

Однако сопротивление хрупкому разрушению трубных сталей предыдущих поколений, особенно в результате длительной эксплуатации, может существенно снижаться.

Известно, что длительная эксплуатация приводит к деградации свойств металла труб, связанной с изменением структурного состояния вследствие воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода [8, 9]. В результате этого разрушение становится возможным даже при напряжениях, не превышающих максимально допустимые. Для предотвращения преждевременного хрупкого разрушения стальных изделий, оценки остаточного ресурса при планировании капитального ремонта трубопровода необходимо исходить из реальных свойств металла. Для оценки состояния металла после длительной эксплуатации необходимо исследование комплекса физико-механических характеристик, позволяющих оценить сопротивление разрушению металла в условиях, наиболее близких к условиям эксплуатации. 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 таких труб необходимо исследование комплекса физико-механических характеристик, позволяющих оценить сопротивление разрушению металла в условиях, наиболее близких к условиям эксплуатации.

Образование трещины зависит от локальных изменений в структуре металла. Поэтому для оценки влияния длительности эксплуатации на сопротивление разрушению металла труб необходимо исследовать локальные изменения в структуре металла, такие как склонность металла к деформационному старению, сопротивление зарождению и распространению трещины, параметры трещиностойкости, замедленного хрупкого разрушения в условиях воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода. Важна и склонность стали к хрупкому разрушению при понижении температуры испытаний - хладноломкость, поскольку она зависит от процессов взаимодействия атомов примесей с дефектами кристаллического строения и является одним из критериев оценки склонности стали к хрупкому разрушению [6, 8, 9].

Другим фактором трещинообразования в условиях эксплуатации является насыщение металла водородом. Трещина при этом может возникнуть в ходе выдержки при напряжении ниже

Срок эксплуатации, годы

70 60 ^ 50 ^ 40 ^ 30 20 10

Срок эксплуатации, годы

Рис. 1. Влияние длительности эксплуатации на стандартные механические свойства стали типа 17ГС

предела текучести в результате развития замедленного разрушения [8].

Согласно полученным данным (рис. 1), прочность, предел текучести и пластичность практически не изменяются в ходе длительной эксплуатации. Пластичность металла труб (относительное удлинение и поперечное сужение) также почти не изменяется.

Таким образом, стандартные механические свойства металла труб - временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение и сужение - практически не могут служить критериями, определяющими надежность труб в процессе эксплуатации. Для выявления свойств, чувствительных к сроку эксплуатации, необходимо проведение испытаний других видов, в том числе на образцах с острым концентратором напряжений и с заранее созданной трещиной.

Испытания при динамическом и статическом изгибе образцов с надрезом из металла труб после длительной эксплуатации показали снижение характеристик сопротивления разрушению металла труб. После 20-25 лет эксплуатации ударная вязкость снизилась примерно на 15-20% [9].

С увеличением срока эксплуатации происходит постепенное смещение критической температуры вязко-хрупкого перехода Т50 в сторону более высоких температур (рис. 2). После 25-35 лет эксплуатации труб температурный порог хладноломкости переходит в область плюсовых температур.

20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20

Срок эксплуатации, годы

Рис. 2. Влияние длительности эксплуатации на критическую температуру Т50 труб из стали типа 17ГС; знак \ обозначает случаи перехода в хрупкое состояние при температуре выше +20 °С

Рис 3. Влияние длительности эксплуатации на время до разрушения при испытаниях на замедленное разрушение труб из стали типа 17ГС: 1 - исходное состояние трубы; 2 -рабочая труба; 3 - аварийная труба

Это означает, что распространение трещины в металле труб даже при положительных температурах происходит по хрупкому механизму.

При достижении срока эксплуатации труб около 25 лет происходит резкое снижение всех характеристик, определяющих сопротивляемость металла труб разрушению при статических испытаниях на изгиб образцов с острым надрезом. Значение стрелы пластического прогиба уменьшается примерно в 1,5 раза. Почти в 2 раза после 25 лет эксплуатации снижается величина суммарной работы разрушения металла труб, причем в основном в результате уменьшения работы зарождения трещины.

Величина критического раскрытия трещины снижается примерно в 1,5 раза [9]. Это свидетельствует об увеличении чувствительности стали к концентраторам напряжений: те концентраторы напряжений на поверхности трубы (царапины, задиры, вмятины и др.), которые в начале эксплуатации были не очень опасны, могут стать критическими после длительной эксплуатации из-за изменения структурного состояния металла труб.

Испытания на склонность к замедленному разрушению проводили по специально разработанной методике при одновременном воздействии напряжений, коррозионной среды и водорода. Методика имитирует процесс разрушения в реальных условиях эксплуатации при протекании процессов электрохимической коррозии и является одним из наиболее жестких методов испытаний [10].

Длительная эксплуатация оказывает влияние на склонность металла труб к замедленному разрушению, сдвигая кривую зависимости времени до разрушения Ц от уровня начального коэффициента интенсивности напряжений К в область уменьшения времени до разрушения (рис. 3).

Так, для труб из стали

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎