Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка влияния напряженного состояния подземных газопроводов на их стойкость к коррозионному растрескиванию

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Оценка влияния напряженного состояния подземных газопроводов на их стойкость к коррозионному растрескиванию"

На правах рукописи

А //

ЛЯПИЧЕВ Дмитрий Михайлович

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НА ИХ СТОЙКОСТЬ К КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ

Специальность 25.00.19 — «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

2 8 ОКТ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015 005564051

005564051

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лопатин Алексей Сергеевич

Официальные оппоненты:

Васин Евгений Степанович,

доктор технических наук, АО «Газпром промгаз», НТЦ «Магистральный транспорт газа», заместитель директора центра

Якубович Владимир Александрович,

кандидат технических наук,

ООО «Газпром ПХГ», Инженерно-технический центр, заместитель начальника лаборатории

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана», г. Москва

Защита диссертации состоится 24 ноября 2015 г. в 15.00 часов, в ауд. 502 на заседании диссертационного совета Д 212.200.06 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» по адресу: 119991, г.Москва, Ленинский проспект, д. 65 корпус 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» и на сайте http://wwvv.gubkin.ru/.

Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http://www.gubkin.ru/ и направлены на размещение в сети Интернет на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу http://www.vak2.ed.gov.ru/.

Автореферат разослан « ¡Л/ » ¿^¿^Л 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

На протяжении последних десятилетий коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) является одной из основных причин аварийных отказов линейной части магистральных газопроводов Единой системы газоснабжения Российской Федерации. В 2004 году дефекты КРН впервые были обнаружены на технологических трубопроводах компрессорных станций (КС), а в 2010 году на КС «Таежная» магистрального газопровода «Ямбург - Западная граница» произошел первый аварийный отказ технологических трубопроводов КС по причине КРН.

Большое количество дефектов КРН, выявляемых на линейной части магистральных газопроводов и технологических трубопроводах КС, свидетельствует о значительной актуальности задачи предотвращения аварийных отказов по причине развития данных дефектов.

Учитывая, что аварийные отказы газопроводов характеризуются повышенным риском поражения персонала и дорогостоящего оборудования, обеспечение их безаварийной работы в условиях протекания процесса КРН видится одной из наиболее актуальных задач трубопроводного транспорта.

Общепризнано, что на возможность зарождения и скорость последующего развития дефектов КРН влияет множество факторов, одним из которых является напряженное состояние металла газопроводов. Тем не менее, несмотря на значительное количество исследований, посвященных проблеме КРН, влияние данного фактора к настоящему моменту малоизучено.

Степень разработанности темы исследования

Большинство исследований влияния напряженного состояния на стойкость металла газопроводов к КРН ограничиваются оценкой коррозионно-мсханических характеристик металла в одноосном напряженном состоянии, нехарактерном для металла подземных газопроводов.

Немногочисленные исследования процесса КРН металла, находящегося в

двухосном напряженном состоянии, как правило, ограничиваются экспериментальным исследованием коррозионно-механических характеристик металла при одном постоянном значении отношения первого главного напряжения 07 ко второму о> ((Т//я-2=сош7/) и их сравнением с соответствующими характеристиками при одноосном напряженном состоянии. Выводом таких исследований чаще всего является только констатация факта влияния второго главного напряжения без количественной оценки степени его влияния.

Наименее изученным является влияние напряженного состояния, характерного для металла газопроводов при эксплуатации на стойкость к КРН труб, изготовленных из современных сталей классов прочности К65 и выше.

Цели и задачи работы

Целью работы являлось совершенствование подходов к обеспечению безаварийной эксплуатации газопроводов путем развития методов оценки влияния их напряженного состояния на стойкость металла к коррозионному растрескиванию, а также получения экспериментальных данных о влиянии напряженного состояния подземных газопроводов на стойкость к коррозионному растрескиванию металла труб класса прочности К65.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований в области оценки напряженно-деформированного состояния подземных участков газопроводов и его влияния на стойкость металла к коррозионному растрескиванию.

2) Разработка критериев оценки системы «окружающая среда - металл газопровода - транспортируемый газ» для определения возможности протекания процесса КРН, а также определение параметров оценки влияния напряженного состояния газопроводов на стойкость металла труб к коррозионному растрескиванию.

3) Разработка экспериментальной методики оценки влияния двухосного напряженного состояния на стойкость металла труб к коррозионному растрескиванию.

4) Разработка методики ранжирования участков газопроводов по степени влияния напряженного состояния на возможность протекания процесса коррозионного растрескивания.

5) Экспериментальная оценка стойкости к зарождению дефектов КРН металла труб из стали класса прочности К65 в зоне технологического концентратора напряжений при отношении номинальных главных напряжений 0,1<сг/<т;<0,3.

Научная новизна

1) Показано, что при отношении главных напряжений а/<т <0 увеличение 1сг I способствует протеканию локального анодного растворения в вершине дефекта КРН, а при а/а>0 увеличение величины о2снижает стойкость металла в вершине дефекта КРН к водородной хрупкости.

2) Установлено, что при изгибе широких образцов, вырезанных поперек оси трубы, реализуется двухосное напряженное состояние с различным отношением главных напряжений а/а^ зависящим от соотношения ширины к толщине образцов, а также от коэффициента Пуассона испытываемого материала.

3) Показано, что при изгибе образцов с отношением ширины к толщине ЬА>10 максимальное достигаемое отношение главных напряжений гг/а/ = //, что соответствует отношению о /ореализуемому в металле прямолинейного трубопровода, нагруженного внутренним давлением и жестко защемленного в грунте.

4) При испытании металла труб класса прочности К65 на стойкость к зарождению дефектов коррозионного растрескивания в сложном напряженном состоянии, выявлено, что при увеличении отношения номинальных главных напряжений а1 от 0,1 до // протяженность инкубационного периода процесса КРН в околонейтральных средах может сокращаться на величину до 30%.

Теоретическая и практическая значимость работы

На основании теоретических и экспериментальных исследований предложен многопараметрический критерий оценки стойкости металла газопроводов к КРН и определен входящий в него параметр, характеризующий влияние напряженного состояния на возможность перехода трубопроводов в предельное состояние — зарождение и развитие трещин коррозионно-механической природы.

Предложена методика определения потенциально опасных в отношении КРН участков технологических трубопроводов КС, учитывающая влияние напряженного состояния на стойкость металла к зарождению и развитию дефектов КРН.

Результаты работы внедрены в систему диагностического обслуживания объектов компрессорных станций магистральных газопроводов, реализуемую ОАО «Оргэнергогаз», а также использованы при разработке стандарта организации ООО «Газпром трансгаз Югорск» по защите технологических трубопроводов от коррозионного растрескивания под напряжением.

Методология и методы исследования

Использовался комплексный метод, включающий численный анализ напряженно-деформированного состояния металла труб газопроводов методом конечных элементов, экспериментальные исследования коррозионно-механических характеристик трубной стали К65 в различном напряженном состоянии.

Положения, выносимые на защиту

1) Метод многопараметрической оценки системы «окружающая среда -металл газопровода — транспортируемый газ» при определении возможности протекания процесса КРН.

2) Теоретическое обоснование характера влияния второго главного напряжения а2 на протекание процесса коррозионного растрескивания металла труб газопроводов при оУо#0.

3) Результаты расчетной оценки напряженного состояния лабораторных образцов, моделирующих двухосное напряженное состояние металла труб подземных газопроводов.

4) Методика модельных ускоренных лабораторных исследований стойкости к коррозионному растрескиванию металла труб в напряженном состоянии с отношением сг/ст, в интервале [0; ///, где/; - коэффициент Пуассона металла образцов.

5) Результаты экспериментальной оценки стойкости к зарождению дефектов КРН образцов стали класса прочности К65 с концентратором напряжений при отношении номинальных главных напряжений 0,1<оУ<7/<0,3.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных положений обоснована и подтверждена использованием современных методов и средств исследований. Обработка расчетных и экспериментальных данных осуществлялась общепризнанными методами регрессионного анализа.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

1. Ежегодных международных молодежных научных конференциях «Нефть и газ», Москва, 2010, 2012, 2013, 2014.

2. 1Х-Й, Х-й всероссийских конференциях молодых ученых специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)», Москва, 2011, 2013.

3. 1-й Российской научно-практической конференции «Актуальные вопросы нефтегазового строительства», Москва, 2012.

4. Круглых столах «Трубопроводный транспорт углеводородов» Российских выставок с международным участием «Трубопроводные системы», Москва, 2012, 2014.

5. У-й Международной научно-технической конференции и выставке «Газотранспортные системы: Настоящее и будущее (СТ5-2013), Москва, 2013.

6. ХХ-й Международной деловой встрече «Диагностика», Бечичи, Республика Черногория, 2013.

7. 31-м, 32-м и 33-м тематических семинарах «Диагностика трубопроводов и оборудования компрессорных станций», Небуг, 2012, 2013; Светлогорск, 2014.

8. Х-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2014.

9. Заседании НТС ОАО «Оргэнергогаз», Видное, 2015.

10. Расширенном заседании кафедры «Термодинамика и тепловые двигатели» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва, 2015.

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 5 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (103 наименования, в том числе - 22 на иностранных языках), 73 рисунков и 4 таблиц. Общий объём диссертации - 146 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выполненной работы, определены цели и задачи исследования.

В первой главе приводится анализ существующих представлений о процессе КРН металла газопроводов и обосновывается необходимость учета КРН как причины перехода газопроводов в предельное состояние.

Показано, что несмотря на то, что процесс КРН труб газопроводов изучается ведущими отечественными (ВНИИСТ, Газпром ВНИИГАЗ, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина и др.) и зарубежными (California Institute of Technology, Institute of Métal Research, National Association of Corrosion Engineers, University of Alberta и др.) научными организациями на протяжении нескольких десятилетий, до сих пор отсутствует единый подход к теоретическому описанию этого процесса.

Большинство исследователей сходятся только в том, что КРН металла труб обусловлено совместным влиянием факторов, которые условно можно разделить три группы:

- определяемые условиями взаимодействия металла с коррозионно-активными средами;

- обусловленные коррозионно-механическими свойствами металла;

- определяемые условиями механического нагружения.

Исследованию влияния факторов всех выделенных групп посвящено

множество научных работ, среди которых необходимо выделить работы Y.F. Cheng, R.N. Parkins, G.G. Uhlig, А.И. Арчакова, Р.И. Богданова, А.Г. Гареева, Э.М. Гутмана, Е.Е. Зорина, М.А. Конаковой, С.А. Лубенского, А.И. Маршакова, H.A. Махутова, Е.М. Морозова, В.В. Притулы, И.В. Ряховских, Т.К. Сергеевой, О.И. Стеклова, Г.П. Черпанова, М.В. Чучкалова и др.

Однако почти все исследования по оценке влияния факторов, определяемых условиями механического нагружения, сводятся к оценке коррозионно-механических характеристик металла в одноосном напряженном состоянии (сjrfO; ст2=0; а3=0), несмотря на то, что для газопроводов характерным является плоское напряженное состояние (<т,Ф0; о2ф(>; а3=0) с различным отношением оУсг/. Для упруго изогнутого бездефектного прямолинейного участка подземного газопровода, жестко защемленного в грунте, нагруженного внутренним давлением и температурным воздействием отношение главных напряжений с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть определено по формуле:

где

— кольцевые напряжения, Па; <т — продольные напряжения, Па; р - внутреннее давление, Па; Б - внутренний диаметр, м; Д/ - температурный

CT

er

(1)

перепад, принимаемый при расчете положительным, градусы; 3 - толщина стенки трубы, м; а - коэффициент линейного расширения металла трубы, градусы

В большинстве случаев <упр < ащ, то есть кольцевое напряжение является первым главным напряжением (<т, =сгщ), а продольное - вторым (а, =сг„,,).

Несмотря на то, что рядом теоретических и экспериментальных работ в области механики разрушения было показано, что в условиях плоского напряженного состояния продолжительность этапа зарождения коррозионно-механических трещин может сокращаться более чем в два раза, исследования процесса КРН металла, находящегося в двухосном напряженном состоянии, как правило, ограничиваются экспериментальной оценкой коррозионно-механических характеристик металла при одном значении отношения главных напряжений сг/сг, и их качественным анализом. Выводом таких исследований чаще всего является только констатация факта влияния второго главного напряжения без количественной оценки степени его влияния.

На основании проведенного анализа проблемной области была поставлена цель исследований и определены задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе обосновывается необходимость применения многопараметрического критерия для оценки стойкости металла газопроводов к КРН и приводятся результаты теоретических исследований по выбору параметров, входящих в предложенный критерий.

Так как изменение степени воздействия факторов каждой из трех указанных выше групп может изменить стойкость металла газопровода к КРН, предлагается использование многопараметрического критерия, включающего три следующих интегральных параметра:

Кц — параметр оценки влияния факторов, определяемых условиями механического нагружения;

Км — параметр оценки влияния факторов, обусловленных коррозионно-механическими свойствами металла;

Кс - параметр оценки влияния факторов, определяемых условиями взаимодействия металла с коррозионно-активными средами.

В пространстве выбранных параметров состояние локального объема металла будет однозначно характеризоваться точкой М с координатами (кА1, ки кс), где км, кц кс - значения интегральных параметров, характеризующие влияние каждой из соответствующих групп на рассматриваемый объем металла.

Предлагаемый подход к оценке стойкости металла газопроводов к КРН рассматривается на примере ускоренных лабораторных коррозионных исследований гладких образцов металла труб, когда кц, км - переменны во времени, а ксв макромасштабе можно считать постоянной величиной. Принято, что металл образцов в процессе исследований находится в линейном напряженном состоянии (с ¡>0, сг2=^з=0), что соответствует наиболее распространенным лабораторным методикам. С учетом данного допущения напряженное состояние гладкого образца однозначно характеризуется уровнем 07 и, как следствие, кц= а/.

Зарождение и развитие трещин коррозионно-механичсской природы является стохастическим процессом, однако очевидно, что при увеличении <т; от нуля до истинного предела прочности металла вероятность разрушения (или зарождения трещин) в присутствии коррозионной среды возрастает от 0 до 1.

Задаваясь требуемым уровнем вероятности зарождения (развития) дефектов КРН (Р0), можно определить такое значение к/до параметра Кц, (рис. 1 ,а), ниже которого Р<Ро-

Если у рассматриваемого объема металла произойдет изменение коррозионно-механических характеристик, то изменится и функция Р=/(к„) и заданному уровню вероятности Р0 будет соответствовать уже другое значение параметра Кц - кц0' (рис. 1 ,б).

Так как изменение влияния факторов, определяемых свойствами материала, характеризуется изменением параметра Км, каждому значению км

будет соответствовать пороговое значение ки, при котором вероятность зарождения (развития) дефектов КРН равна заданному уровню Р„.

и А",

а б

Рисунок 1 — Характерная зависимость вероятности зарождения (развития) дефекта КРН от величины кц (кривая 1 - исходное состояние, 2 - состояние, характеризуемое изменением км относительно исходного уровня)

Таким образом, в двумерном пространстве параметров Км и Кц может быть построена предельная кривая, являющаяся геометрическим местом точек, характеризующих те состояния системы «транспортируемый продукт-материал трубопровода - окружающая среда», при которых вероятность зарождения (развития) дефектов КРН равна заданному уровню /о (рис.2,а).

Ю

'4

А М;/>

«й

К

Рисунок 2 - Предельная кривая в пространстве параметров Км и Кц (а) и предельная поверхность в пространстве факторов Км, Кн, Кс (б)

Рассмотрим два различных состояния металла, характеризуемые изображенными на рис. 2,а точками М^к^к,) и М2(к„ V к„')

Точка М,(к„;кн), лежащая ниже предельной кривой, характеризует такое состояние металла, при котором вероятность зарождения (развития) дефекта КРН ниже заданного уровня Р0, а точка М2{км;кн), лежащая выше кривой, характеризует состояние металла, при котором вероятность зарождения (развития) дефекта КРН выше заданного уровня Р0.

Таким образом, определив значения показателей км и кц характеризующие состояние локального объема металла, и зная предельную кривую для данного металла, можно определить его стойкость к зарождению (развитию) дефектов КРН.

Вместе с тем, данное утверждение справедливо только для случая, когда кс=сот1, в противном случае, необходим анализ всех трех показателей, и сопоставление их значений с предельной поверхностью (рис.2,б).

Таким образом, предлагаемый многопараметрический критерий может быть записан в следующем виде:

Г(А'а„А'„,Л'г)=0 (2)

Тем не менее, если для рассмотренного случая - коррозионных испытаний гладких образцов в условиях одноосного растяжения в качестве показателя Кц было принято значение первого главного напряжения пи однозначно характеризующее напряженное состояние металла, то для случая сложного напряженного состояния, характерного для подземных магистральных газопроводов, выбор данного параметра требует отдельного решения.

Как правило, в качестве критериев оценки влияния напряженного состояния на протекание процесса КРН в одноосном напряженном состоянии используются величины первого главного напряжения сг/ (для гладких образцов) и коэффициента интенсивности напряжений К/ (для образцов с трещиной), при этом считается, что процесс КРН не протекает, если

выполняются неравенства:

где

Ол'«' и К$сс - определенные экспериментально предельные значения растягивающего напряжения и коэффициента интенсивности напряжений соответственно, ниже которых не происходит зарождения дефектов КРН.

Для бездефектного газопровода, металл труб которого находится в сложном напряженном состоянии, применение в качестве критерия а, некорректно, так как без дополнительных преобразований нельзя сравнить скалярную величину о,сс. с тензором напряжений Т„.

Для трубопроводов с трещиноподобными дефектами, применение в качестве критерия ЛГ/ также некорректно, так как этот параметр не характеризует несингулярную составляющую поля напряжений вблизи трещины нормального отрыва (входит только в первое слагаемое):

от, - компоненты тензора напряжений, Па; К[ - коэффициент интенсивности напряжений, Н/м3/2; г и 0 - координаты рассматриваемой точки в полярной системе координат, ]',, - безразмерная функция угла в; Т - Т-напряжения, характеризующие несингулярную составляющую поля напряжений, Па. ди - символ Кронекера. То есть, при наличии напряжений, параллельных берегам трещины, /Г/ не является величиной, однозначно характеризующей поле напряжений.

Так как переход дефекта КРН от зарождения к развитию является условным событием, определяемым разрешающей способностью используемого метода контроля, в работе предложено использование принципа «фиктивной трещины» и проведен анализ влияния двухосного поля напряжений на состояние металла в вершине фиктивной трещины.

■Ллг '

(4)

где

Для этого была проведена серия расчетов с применением метода конечных элементов. Моделировалось двухосное растяжение пластины размерами Н=0,2 м; В=0,2 м, с центральной сквозной трещиной длиной 1=0,01 м (рис.3) в условиях плоской деформации. Пластина нагружалась распределенным усилием р/=300МПа и переменным усилием /ъ, изменяемым от -ЗООМПа (сжатие) до 300 МПа (растяжение) с шагом 30 А-Ша. Использовалась мультилинейная аппроксимация кривой деформирования, базовые характеристики металла принимались следующими: модуль Юнга Е=2,0610" Па, коэффициент Пуассона р=0,3, а(12=550МПа, а„=650МПа, ц/=50%.

НИ?Ш1

п 1-

—-

1ШШ1Ш

Рисунок 3 — Размеры, схема нагружения и конечно-элементная модель

Исходя из того, что развитие дефектов КРН в средах, близких к нейтральным может происходить как по причине локального анодного растворения вершины трещины, так и за счет водородной хрупкости, для оценки сложного напряженного состояния в окрестности вершины трещины использовались следующие критерии:

1) Для оценки возможного изменения относительного электрохимического потенциала металла при его деформировании - величина эквивалентного напряжения по теории прочности Губера-Мизеса-Генки:

IV \ 1

\/2

Л/О7! - а1 )2 + (°"2 " СТ3 )2 + " У

(5)

2) Для оценки влияния напряженного состояния на возможность развития трещины по механизму водородной хрупкости - величина среднего гидростатического напряжения:

^, = "1+ет32+аз • (6)

В результате проведенных расчетов было выявлено, что влияние второго главного напряжения на значения выбранных критериев в вершине трещины неоднозначно (рис.4).

При fj2/a¡<0 увеличение \ет2\ приводит к росту величины сг'^ и, как следствие, приводит к увеличению разности относительных электрохимических потенциалов в вершине трещины и на нснагруженном металле, что, в свою очередь, способствует ускорению локального анодного растворения в вершине трещины.

При a2/a¡>0 увеличение а2 приводит к росту as, и, как следствие, способствует диффузии водорода в область вершины трещины, что приводит к снижению стойкости металла к водородной хрупкости.

«i ш пт

Mita

• it>». р, ♦ S.4-I0*

Ж

аи =3,17-10s-—+S.12-10* А

а'

•rtj

ju ! р,

Рисунок 4 - Изменение значений критериев (5) и (6) в вершине трещины при изменении отношения р2/р\

Результаты проведенных теоретических исследований свидетельствуют о необходимости учета влияния второго главного напряжения, что невозможно при использовании общепризнанных критериев, входящих в систему (3).

Для устранения выявленного недостатка классических критериев предлагается использование подхода, основанного на замене сложного

напряженного состояния эквивалентным ему простым и последующем сравнении этого состояния с результатами лабораторных исследований при одноосном напряженном состоянии.

С учетом условности перехода от зарождения к развитию дефекта КРН критерий эквивалентности был сформулирован следующим образом: два различных напряженных состояния металла труб следует считать эквивалентными, если вероятность развития дефекта КРН заданных размеров в этих состояниях одинакова.

На основании проведенного исследования предложены следующие параметры для оценки влияния двухосного напряженного состояния на стойкость металла труб к КРН:

кп = к., — + сг" при ведуи/ам механизме—локальном анодном растворении;

• _ с?)

к а = к ц —- + с,при вед\ще.м механизме— водородной хрупкости. а\

где

кл к в — коэффициенты, зависящие от свойств материала, а также от заданных геометрических размеров трещины; сг/ — величины критериев оценки НДС в окрестности фронта фиктивной трещины, определенные по формулам (5) и (6) при одноосном нагружении.

В главе 3 представлена разработанная методика ускоренных лабораторных исследований коррозионно-механических характеристик металла труб при двухосном напряженном состоянии с отношением главных напряжении ¿ь/я"/£(0,у/] в рабочей части образцов.

При проведении модельных испытаний в разработанной методике предложено использование малоциклового нагружения с асимметрией цикла а= 0,8^0,9, где <т„„„ , атах - минимальное и максимальное напряжение за один цикл нагружения.

На основании результатов анализа области применения известных методов механических испытаний металла в двухосном напряженном состоянии для модельных коррозионных исследований металла труб было

17

предложено использование изгиба широких полнотолщинных образцов, вырезанных поперёк оси трубы (рис.5).

Для оценки возможности реализации двухосного напряженного состояния при нагружении изгибом образцов выбранной формы проводилась серия расчетов методом конечных элементов. Решалась трехмерная задача в упругой постановке. Упругие характеристики металла принимались следующими: модуль Юнга принимался равным Е=2,05-10" МПа, коэффициент Пуассона ¡.1=0,3. Для моделирования применялись 8-узловые трехмерные конечные элементы.

Результаты моделирования показали, что нагружение образцов по схемам трехточечного и четырехточечного изгиба позволяет реализовать в рабочей части образца на внешней поверхности двухосное напряженное состояние.

Рисунок 5 — Схема вырезки и нагружения образцов

На рис. 6 представлены графики, показывающие полученное расчетом распределение отношения главных напряжений на внешней поверхности образцов вдоль центральной линии образца, параллельной оси трубы.

5к . . .....

Рисунок 6 - Распределение отношения главных напряжений а2/а1 по ширине образцов, имеющих различное отношение ширины к толщине А=Ь/1

0,3

Ь 0-2 0,1

Как видно из представленных графиков, максимальное отношение главных напряжений реализуется в центральной части образца и достигает значения, близкого к коэффициенту Пуассона.

На основании результатов расчетной оценки напряженного состояния рабочей части образцов были получены зависимости отношения сгусг/ от отношения ширины к толщине образцов л=М, представленные на рис. 7.

4 6 8 10 12 14

л

- Графики зависимости отношения о?/а1 от отношения ширины к толщине образцов л=М

Рисунок 7

Для оценки возможного влияния контактных напряжений на напряженное состояние внешней поверхности образца при трехточечном изгибе проводилась серия расчетов методом конечных элементов.

Решалась плоская контактная задача в упруго-пластической постановке при плоской деформации (рис.8). Модель материала образцов принималась мультилинейной с изотропным упрочнением. Базовые характеристики металла принимались следующими: модуль Юнга Е=2,0б-10" Па, коэффициент Пуассона /.1=0,3, а0,2=550МПа, а,,=650 МПа, ц)=50%.

Рисунок 9 - Распределение эквивалентного напряжения по теории Губера-Мизеса-Генки по толщине образца в центральной части (а ~ образец толщиной 6 мм, б - образец толщиной 32 мм) В главе 4 приводятся результаты экспериментальной оценки влияния

Рисунок 8 - Конечно-элементные модели образцов для решения контактной задачи при трехточечном и четырехточечном изгибе

Результаты расчета показали отсутствие значимого влияния контактных напряжений на напряженное состояние внешней поверхности образца при трехточечном изгибе (рис.9). Однако расчетным путем было выявлено, что при испытании образцов толщиной свыше 24 мм вследствие локальной пластической деформации металла образцов в зоне их контакта с лабораторной оснасткой в их рабочей части может не достигаться уровень напряжений сг/, характерный для металла труб магистральных газопроводов.

!»- О,№5 6

I

I ми

ё № |

§ 5,025 1

Й 0,0}

второго главного напряжения на коррозионную стойкость металла труб класса прочности К65 и описывается предложенная методика ранжирования участков трубопроводов по параметру км.

Объектом экспериментального исследования являлась трубная сталь класса прочности К65, цель исследования - оценить стойкость к КРН данной стали в двухосном напряженном состоянии при различном отношении главных напряжений.

На основании результатов теоретических исследований было принято решение о проведении однофакторного эксперимента. В качестве фактора X, ' было принято отношение главных напряжений сг/сг,, при этом функцией отклика Y являлась продолжительность инкубационного периода, измеряемая в циклах нагружения.

Отношение главных напряжений <7/07 при выбранном методе испытаний имеет область определения [0; ц], однако учитывая значительное количество экспериментальных данных при сь/а, =0, область определения фактора была ограничена до [0,1; 0,3].

Из прямошовной трубы условным диаметром Ду 1400, изготовленной из стали класса прочности К65, были вырезаны образцы с 1=290 мм, и тремя различными отношениями ширины образца к его толщине: b/t=4, b/t—5,5, b/t=10 (по три образца с одним отношением), подобранными таким образом, что бы максимальное отношение сгУсг/ для бездефектных образцов составляло | соответственно 0,1; 0,2; 0,3. На внешней поверхности образцов были механически нанесены концентраторы напряжений.

Во всех экспериментах нагружение по схеме трехточечного изгиба до момента зарождения трещин осуществлялось при следующих параметрах нагружения: асимметрия цикла R=0,9; максимальное напряжение в цикле 01брутто=О,7-Оо,ъ мягкое нагружение; синусоидальная форма цикла; частота нагружения v=2 Гц; начальная температура образцов 25 °С. Испытания осуществлялись на стенде (рис. 10), смонтированном на базе испытательной машины ZDM-lOOPu (Германия). Момент зарождения трещины определялся по

изменению тренда электрохимического потенциала.

Электрод сравнения

Ячейка со средой

Втьтметр Помпа Релереуар со средой

Нагртатея тип •теметт

а б

Рисунок 10 - Испытательный стенд (а -схема, б - фотография). Количество опытов при одном уровне фактора X,, было приято равным трем, уровень варьирования фактора Х1 - а2/о¡=0,1. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 11.

Методом наименьших квадратов было определено уравнение аппроксимации:

N=-222833,33 а/а,-+229633,33 (8)

Анализ выбранной математической модели по критерию Фишера подтвердил адекватность принятой линейной математической модели.

пот

•1 1 гютю

1 гоаш

3- Г 19()№0

а 3«

1 1 ¡шма

у

1 ?»ш

3

< 8 тт

¡тт

№ 0,1 «и 0,4

Отношение глатих напряжен*» 0(

Рисунок 11 - Экспериментальная зависимость продолжительности инкубационного периода от отношения сг/07

Результаты лабораторных исследований показали, что при испытании металла труб класса прочности К65 на стойкость к зарождению дефектов коррозионного растрескивания от концентраторов напряжений, находящихся в двухосном поле напряжений, увеличение отношения номинальных главных напряжений яУгг, от 0,1 до // влияет на протяженность инкубационного периода процесса КРН и может вызывать сокращение его протяженности на величину до 30%.

Во второй части четвертой главы описывается разработанная методика определения участков, потенциально опасных в отношении КРН. Предложенная методика основана на изложенном в главе 2 подходе к оценке возможности перехода газопроводов в предельное состояние — развитие трещин коррозионно-механической природы.

При использовании этого подхода для отнесения участка газопровода к классу потенциально опасных следует анализировать расположение точки, характеризующей фактическое состояние рассматриваемого участка, относительно предельной поверхности в пространстве параметров Кц, Км, Кс. Если эта точка принадлежит предельной поверхности или лежит выше нее, то участок газопровода является потенциально опасным в отношении КРН.

Для ранжирования участков по степени опасности предлагается применять следующий прием: в пространстве параметров Кц, Км, Кс для всех точек, характеризующих состояние отдельных участков газопровода, следует определить кратчайшее расстояние до предельной поверхности (для точек, лежащих ниже предельной поверхности, эти расстояния следует принять отрицательными), и провести ранжирование участков по данному параметру. Участок, для которого расстояние от точки, характеризующей состояние, до предельной поверхности будет максимальным, является наиболее опасным.

При этом для ранжирования участков по степени влияния напряженного состояния необходимо оценивать проекции на ось ОКцкратчайшего расстояния от точек, характеризующих техническое состояние отдельных участков газопроводов до предельной поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) При напряженном состоянии металла труб газопроводов с отношением главных напряжений а2/а¡<0 увеличение \а2\ способствует протеканию локального анодного растворения по фронту зарождающегося дефекта КРН, при а2/а{>0 увеличение а2 снижает стойкость металла в зоне дефекта к водородной хрупкости.

2) При изгибе широких образцов, вырезанных поперек оси трубы, реализуется схема изгиба, близкая к цилиндрическому, что позволяет реализовать в рабочей части образцов характерное для металла газопроводов двухосное напряженное состояние с различным отношением главных напряжений ст/ст/.

3) Изгиб образцов позволяет достигнуть двухосного напряженного состояния с максимальным отношением главных напряжений <тусг/ ~ //, увеличение отношения ширины стальных образцов к толщине свыше Ы\= 10 не приводит к увеличению отношения ст/а/, при этом, вследствие локальной пластической деформации металла образцов в зоне контакта с лабораторной оснасткой, изгиб полнотолщинных образцов целесообразно выполнять для труб толщиной менее 24 мм.

4) При увеличении отношения номинальных главных напряжений аУст/ от О,1 до // протяженность инкубационного периода процесса КРН в околонейтральных средах на сталях класса прочности К65 сокращается на величину до 30%.

Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Зорин, Е.Е., Романов, А.П., Зорин, Н.Е., Ляпичев Д.М. Исследование роста трещиноподобных дефектов потенциометрическим методом / Е.Е. Зорин, А.П. Романов, Н.Е. Зорин, Д.М. Ляпичев // Наука и техника в газовой промышленности. - 2012. - №3. - С.67-69.

2. Ангалев, A.M., Бутусов, Д.С., Егоров, С.И., Ляпичев, Д.М. Основные факторы риска аварии от дефектов коррозионного растрескивания под напряжением / A.M. Ангалев, Д.С. Бутусов, С.И. Егоров, Д.М. Ляпичев // Газовая промышленность. - 2014. - №2. - С.34-38.

3. Ляпичев, Д.М., Романов, А.П., Пелих, Э.А., Каменский, C.B. Экспериментальная оценка влияния вида нагружения на стойкость металла труб газопроводов к коррозионному растрескиванию под напряжением / Д.М. Ляпичев, А.П. Романов, Э.А. Пелих, C.B. Каменский C.B. // Наука и техника в газовой промышленности. -2014. - №4.-С.84-91.

4. Ляпичев, Д.М. Комплексный подход к прогнозированию коррозионного растрескивания под напряжением газопроводов / Д.М. Ляпичев // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2014. - №5-6. - С.7-9.

5. Житомирский, Б.Л., Дубинский, В.Г., Ляпичев, Д.М., Бабаков, A.B., Пахомов, В.П., Чучкалов, М.В. Новые технологии испытаний газопроводов после капитального ремонта / Б.Л. Житомирский, В.Г. Дубинский, Д.М. Ляпичев, A.B. Бабаков, В.П. Пахомов, М.В. Чучкалов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2015. — №1. - С.50-54.

В других изданиях:

6. Ляпичев, Д.М. Особенности развития дефектов коррозионного растрескивания под напряжением газопроводов в поле двухосных напряжений / Д.М. Ляпичев // Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт: Научно-технический сборник. - 2010. - №4. - С.63-67.

7. Ляпичев, Д.М., Зорин, Е.Е. Обеспечение стойкости к коррозионному растрескиванию монтажных и заводских соединений на этапе разработки технологий сварки // Ляпичев Д.М., Зорин Е.Е. / Журнал нефтегазового строительства, 2012, №1, С.40-42.

Подписано в печать 06.10.2015 Формат 60X90/16

Бумага офсетная Усл. п.л. 1.4

Тираж 100 экз. Заказ № 382

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8 (499) 507-82-12