Влияние способа формовки нефтегазопроводных труб большого диаметра класса прочности К60 на процессы деформационного старения и сопротивление разрушению тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Соловьев, Дмитрий Михайлович

• Соловьев, Дмитрий Михайлович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Соловьев, Дмитрий Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Влияние длительной эксплуатации на характеристики материалов

1.1.1 Влияние длительной эксплуатации на комплекс механических свойств и сопротивление разрушению металла труб и сварных соединений

1.1.2 Влияние углерода на деформационное старение

1.1.3 Влияние водорода на сопротивление разрушению низколегированных сталей

1.1.4 Выводы по разделу 1.1

1.2 Способы производства труб большого диаметра

1.2.1 Аналитический обзор способов производства труб большого диаметра

1.2.2 Исследования остаточных напряжений в сварных трубах

1.2.3 Схемы отбора образцов труб по экстремальным сечениям профиля трубной заготовки

1.2.4 Выводы по разделу 1.2

1.3 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 Материалы и методики исследования

2.1 Материалы исследования

2.1.1 Схема отбора образцов. иО-образная формовка

2.1.2 Схема отбора образцов. Пошаговая формовка

2.1.3 Схема отбора образцов. Вальцевая формовка

2.2 Методики исследования

ГЛАВА 3 Результаты исследования

3.1 Исследование влияния пошаговой формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб

3.1.1 Микроструктура стали

3.1.2 Механические свойства

3.1.3 Склонность к деформационному старению

3.1.4 Ударная вязкость и трещиностойкость

3.1.5 Уровень остаточных микронапряжений

3.1.6 Температурная зависимость внутреннего трения

3.1.7 Выводы по разделу 3.1

3.2 Исследование влияния ИО-образной формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб

3.2.1 Микроструктура стали

3.2.2 Механические свойства

3.2.3 Склонность к деформационному старению

3.2.4 Ударная вязкость и трещиностойкость

3.2.5 Уровень остаточных микронапряжений

3.2.6 Температурная зависимость внутреннего трения

3.2.7 Выводы по разделу 3.2

3.3 Исследование влияния вальцевой формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб

3.3.1 Микроструктура стали

3.3.2 Механические свойства

3.3.3 Склонность к деформационному старению

3.3.4 Ударная вязкость и трещиностойкость

3.3.5 Уровень остаточных микронапряжений

3.3.6 Температурная зависимость внутреннего трения

3.3.7 Выводы по разделу 3.3

3.4 Сравнительный анализ влияния различных способов формовки на комплекс механических свойств и структурное состояние металла труб

3.4.1 Микроструктура стали

3.4.2 Механические свойства

3.4.3 Ударная вязкость и трещиностойкость

3.4.4 Испытания на статический изгиб

3.4.5 Склонность к деформационному старению

3.4.6 Уровень остаточных микронапряжений

3.4.7 Температурная зависимость внутреннего трения

3.4.8 Механизм влияния формовки труб на склонность к деформационному

старению

Выводы

Список литературы:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние способа формовки нефтегазопроводных труб большого диаметра класса прочности К60 на процессы деформационного старения и сопротивление разрушению»

Введение

Газовая промышленность, являясь одной из основных бюджетообразующей отраслью РФ, представляет собой огромную динамично развивающуюся структуру. Постоянно развиваются направления транспортировки и распределения газа. В настоящий момент транспортировка газа от месторождений до конечного потребителя включает в себя около 200 тысяч километров магистральных газопроводов. Так как срок эксплуатации многих газопроводов превысил проектные 30 лет, то огромное внимание уделяется как оценке технического состояния уже эксплуатирующихся газопроводов, так и контролю качества трубопровода на этапе производства самой трубы и в процессе ее монтажа [1-4].

Требования к характеристикам сталей для труб большого диаметра (ТБД) совершенствовались по мере усложнения условий строительства и их эксплуатации [5-11]. К металлу современных сталей предъявляют внушительный перечень требований, зависящий от условий строительства и эксплуатации: химический состав, временное сопротивление; предел текучести; относительное удлинение; ударная вязкость на образцах с острым и круглым надрезами; доля вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ (0\\ГГТ); стойкость к водородному растрескиванию; стойкость к сероводородному растрескиванию под напряжением; требования к структуре и параметру трещиностойкости при сварке; величина критического раскрытия трещины СТСЮ, и др. Повышение требований к трубным сталям за последние четыре десятилетия простимулировало металлургов и трубников к разработке более совершенных технологий производства сталей, которые позволяют, как производить стали высоких групп прочности и стали со специальными свойствами, так и эффективней и экономичней производить существующие виды сталей. Изменение требований к трубам большого диаметра представлено в таблице 1.

При этом необходимо отметить, что в настоящий момент, как для строительства новых магистральных газопроводов, так и для капитального ремонта существующих газопроводных сетей применяют в большинстве случаев трубы, изготовленные из стали категории прочности К60. Трубы из стали категории

прочности К65 в России применяют только при строительстве СМГ «Бованен-ково - Ухта», при этом их доля в этом проекте составляет около одной трети.

По мере роста требований к ТБД в части прочности, вязкости, хладостой-кости (таблица 1), а также необходимости производства труб с увеличенной толщиной стенки (например, для подводных трубопроводов), совершенствуются технологические схемы формовки. Так в связи с постоянным ростом требований к свойствам и сортаментной части трубные заводы за последнее десятилетие ввели в эксплуатацию четыре трубоэлектросварочных агрегата для производства труб большого диаметра со станами пошаговой и вальцевой формовки. Существующий опыт поставок труб с новых линий не позволяет делать выводы о влиянии типа формовки на потребительские свойства материала труб после длительной эксплуатации.

Таблица 1 - Динамика роста т ребований к ТБД ОАО «Газпром» [12, 13]

Характеристики трубы 1970-е гг. 1980-е гг. 2000-е гг. 2008 г.

Диаметр трубы, мм 1220 1420 1420 1420

Рабочее давление, МПа 5,4 7,4 9,8 11,8

Категория прочности К52 (Х60) К60(Х70) К60 (Х70) К60 (Х70) К65 (Х80)

Температура эксплуатации, °С 0 -20 -20 -20

Температура строительства, °С -40 -60 -60 -60

Ударная вязкость основного металла, Дж/см2 39,2 (КС V0 °с) 78,4 (КСу-20°С) 107,8 (КСУ"20°с) 250 (КС V"40 °с)

Ударная вязкость сварного соединения, Дж/см2 29,4 (кси-60°с) 39,2 (кси'-60°с) 50 (кси-60 °с) 70 (кси-60°с)

В тоже время известно, что эксплуатационная надежность труб магистральных трубопроводов зависит от однородности свойств металла по сечению трубы, которая в свою очередь определяется технологической схемой формовки, равномерностью приложения усилий при изгибе листа и др. Неоднородность свойств металла является одним из основных факторов, определяющих конструкционную прочность трубы, поскольку от нее зависит вероятность возникновения локальных напряжений и образования дефектов типа микротрещин в

ходе длительной эксплуатации. В связи с этим, важным является проведение системного сравнительного исследования влияния различных схем формовки на однородность структурного состояния и свойств по сечению трубы. Кроме того, поскольку одним из основных процессов, приводящих к деградации свойств металла, является деформационное старение, то по склонности к деформационному старению возможно прогнозировать изменение свойств металла труб, изготовленных по новым схемам формовки.

ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Влияние длительной эксплуатации на характеристики материалов

Средняя продолжительность эксплуатации магистральных газопроводов составляет 30 лет [1], что для подавляющего большинства газопроводов составляет проектный срок эксплуатации. В течение столь продолжительного периода времени в металле труб под действием механических напряжений и коррозионной среды происходят, как правило, процессы, приводящие к изменению физико-механических свойств металла (деградация свойств). Причем степень изменения этих свойств зависит не только от длительности работы трубопровода, но и от условий эксплуатации - уровня рабочего давления и разброса его колебаний. Все эти и многие другие факторы влияют на интенсивность развития деградаци-онных процессов металла труб.

1.1.1 Влияние длительной эксплуатации на комплекс механических свойств и сопротивление разрушению металла труб и сварных соединений

Анализ факторов, вызывающих преждевременное разрушение магистральных трубопроводов, показывает, что основными причинами этого являются концентраторы напряжений механического происхождения (царапины, надрезы, конструктивные дефекты и т.д.) и дефекты, образующиеся в результате длительного контакта металла с коррозионной средой. Следует учесть, что разрушение становится возможным также и в результате изменения структурного состояния металла в ходе длительной эксплуатации, приводящего к снижению сопротивления разрушению. Изменение структурного состояния может быть связано с процессами старения металла, повышения содержания водорода в металле, увеличения внутренних напряжений и накопления дефектов типа микротрещин [14 - 24].

Как известно [25, 26] старение металлов - это изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, обусловленное термодинамической неравновесностью исходного состояния и постепенным приближением структуры к равновесному состоянию в условиях достаточной диффузной

подвижности атомов. Необходимо отметить, что изменение свойств стали протекает во времени без заметного изменения микроструктуры.

В связи с этим для оценки структурного состояния металла труб после их длительной эксплуатации необходимо исследовать комплекс физико-механических характеристик, позволяющих оценить сопротивление разрушению металла в условиях, наиболее близких к условиям эксплуатации.

В частности, необходимо оценить склонность металла к деформационному старению, сопротивление зарождению и распространению трещины, параметры трещиностойкости, замедленного хрупкого разрушения в условиях воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода. Не менее важное значение имеет определение склонности стали к хрупкому разрушению при понижении температуры испытаний - хладноломкости, так как она зависит от процессов взаимодействия атомов примесей с дефектами кристаллического строения и является одним из критериев оценки склонности стали к хрупкому разрушению [27, 28].

Принято считать, что основной причиной разрушения в условиях контакта трубы с коррозионной средой является локальная коррозия металла труб, приводящая к уменьшению рабочего сечения трубы и образованию трещины. Другим фактором, способствующим трещинообразованию в условиях эксплуатации, является насыщение металла водородом. Трещина в этом случае может образовываться под действием напряжений ниже предела текучести в результате развития замедленного разрушения. Следует отметить, что к развитию замедленного разрушения приводят внутренние микронапряжения, связанные с локальным наклепом металла и фазовыми превращениями [29].

Экспериментальные данные, полученные в исследованиях [30-32], показали, что временное сопротивление, предел текучести и пластичность металла практически не изменяются в зависимости от длительности эксплуатации (рисунок 1.1). Так после 25 лет эксплуатации металл труб магистральных нефтепроводов из стали типа 17ГС имеет ов = 564+63 Н/мм2, оод = 404+43 Н/мм2, 8 = 26±3%. Механические свойства металла сварных соединений также не зави-

сят от продолжительности эксплуатации труб и практически совпадают с соответствующими характеристиками основного металла труб. При этом показатели пластичности сварных соединений несколько ниже, чем у основного металла труб.

ств,

500 н/мм2

400

300

200

♦V ♦♦ ♦ ♦ / ♦

700

600

500

годы

400

от, н/мм2

♦ ♦ ♦

50

40

30

8,«

годы

20

♦V +.4

годы

10 20 30 40 50

10 20 30 40 50

10 20 30 40 50

а б в

Рисунок 1.1- Зависимость механических свойств металла от длительной эксплуатации труб: а - временное сопротивление, б - предел текучести, в - относительное удлинение

Следовательно, если прочность, предел текучести и пластичность практически не чувствительны к структурным изменениям в металле труб в процессе эксплуатации, то для выявления свойств, которые зависят от структурных изменений, необходимы другие виды испытаний, в том числе на образцах, имеющих острые концентраторы напряжений и заранее созданные трещины.

Динамические и статические испытания на изгиб образцов с надрезом из труб после длительной эксплуатации показали снижение характеристик сопротивления разрушению металла труб (рисунок 1.2) [30, 31]. Кривые зависимости ударной вязкости и доли вязкой составляющей в изломе от температуры испытаний показали, что с увеличением длительности эксплуатации происходит постепенное смещение температуры вязко-хрупкого перехода (Т50) в сторону высоких температур, и после 25 - 35 лет эксплуатации труб температурный порог хладноломкости переходит из области отрицательных температур в область положительных (рисунок 1.3). Т.е. распространение трещин в трубах после этого срока эксплуатации даже при положительных температурах происходит как при хрупком состоянии металла.

Срок эксплуатации, годы

Рисунок 1.2 - Влияние длительности эксплуатации на работу зарождения Аз и работу распространения Ар трещины при статических испытаниях на изгиб металла труб

Рисунок 1.3 - Зависимость критической температуры перехода метала из вязкого в хрупкое состояние (Т50) от длительности эксплуатации труб

Статические испытания на изгиб образцов с острым надрезом продемонстрировали уменьшение пластичности примерно в 1,5 раза и двукратное снижение значений суммарной работы разрушения металла труб. Также происходит уменьшение работы зарождения трещины с течением времени эксплуатации, при этом интенсивность изменения значений работы распространения трещины менее заметна. Следовательно, изменение структурного состояния металла труб в процессе длительной эксплуатации в большей степени оказывает влияние на работу зарождения трещины. Значение критического раскрытия трещины, характеризующее предельную деформацию начала ее страгивания, снижается после 20 - 25 лет эксплуатации примерно в 1,5 раза [31].

Изменение характеристик, которые отражают предельную степень локальной пластической деформации перед вершиной трещины или надреза, протекающей до начала разрушения, свидетельствует об увеличении чувствительности стали к концентраторам напряжений [28]. Следовательно, 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.

Таким образом, в металле труб в процессе длительной эксплуатации происходит изменение структурного состояния, приводящее к снижению сопротивления хрупкому разрушению. Это является следствием повышения сопротивления микропластической деформации и увеличения локальных микронапряжений под нагрузкой. Чем больше сопротивление стали микропластической деформации, тем при более высокой температуре она переходит в хрупкое состояние. Можно полагать, что одной из основных причин увеличения склонности металла к хладноломкости и понижения сопротивления зарождению трещины является деформационное старение, связанное с процессами взаимодействия атомов внедрения (углерода и азота) с дислокациями [34-36].

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 к увеличению вероятности появления в металле локальных «пиков» напряжений. Вследствие этого в ходе эксплуатации труб уменьшается возможность релаксации локальных напряжений в вершине надреза или трещины, что приводит к повышению склонности стали к хрупкому разрушению.

Склонность к деформационному старению определяли по приросту предела текучести после прекращения активной деформации и нагрева при 200 °С. Для исследования были выбраны трубы 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 с увеличением срока и ужесточением силовых условий эксплуатации уменьшается (рисунок 1.4). Так, после 15-30 лет эксплуатации прирост предела текучести снижается с 91 МПа до 77 МПа.

140

120 + 100 80 + 60

40 + 20 0

Acts, Н/мм2

о

10 15 20 25

Срок эксплуатации, годы

30

Рисунок 1.4 - Влияние срока эксплуатации на склонность к деформационному старению Aas металла труб из стали типа 17ГС

Также эффект деформационного старения наблюдается после нанесения антикоррозионных покрытий на трубу [37-39], вследствие кратковременного разогрева трубы до температуры 220 - 250 °С.

Известны исследования [37] влияния искусственного старения стали XI00.

В ходе длительной эксплуатации трубопроводов происходит накопление дефектов в результате воздействия механических напряжений, коррозионной среды и водорода [38-46].

Процесс накопления дефектов типа микротрещин и разрушения при статическом или квазистатическом напряжении ниже предельного разрушающего напряжения, в том числе ниже предела текучести стали, принято называть замедленным разрушением.

Испытания на замедленное разрушение материала в условиях одновременного воздействия коррозионной среды, водорода и механических напряжений, имитирующие реальные условия эксплуатации конструкции с концентратором напряжений [30-32], показали, что замедленное разрушение протекает в три стадии, которые могут быть зафиксированы по изменению одного из свойств: электросопротивления, податливости и других. Первая стадия (инкубационный период) - зарождение трещины, вторая стадия - медленный рост стабильной трещины и третья - быстрое разрушение [32].

Длительная эксплуатация трубопровода оказывает влияние на склонность металла труб к замедленному хрупкому разрушению (ЗХР), сдвигая кривую зависимости времени до разрушения от уровня начального коэффициента интенсивности напряжений в область уменьшения времени до разрушения (рисунок 1.5). Скорость распространения стабильной трещины также зависит от длительности эксплуатации труб. Наименьшая скорость распространения стабильной трещины для металла труб в исходном состоянии. С увеличением срока эксплуатации труб эта скорость возрастает.

s

ЭЕ

1000

0 I-0

10

20

30

40

50

Срок эксплуатации, годы

Рисунок 1.5 - Влияние длительности и условий эксплуатации на склонность к

Склонность к деформационному старению стали зависит от содержания в твердом растворе атомов внедрения в несвязанном с дислокациями состоянии. Для изучения механизма процесса старения металла труб при длительной эксплуатации применяли метод измерения внутреннего трения, как наиболее чувствительный к локальным изменениям структурного состояния стали. 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 - 60 °С наблюдается максимум Снука, обусловленный движением свободных атомов внедрения в поле напряжений. Чем больше свободных атомов углерода и азота в твердом растворе, тем выше максимум Снука. При этом в интервале 180 - 240 °С наблюдается пик Кестера, обусловленный миграцией атомов внедрения в область дислокаций, высота которого зависит от плотности подвижных дислокаций и уровня локальных внутренних микронапряжений [30, 34].

После эксплуатации в течение 30 лет на кривой ТЗВТ образцов труб из стали 17ГС происходит уменьшение высоты пика Снука и увеличение высоты пика Кестера при 200 - 250 °С, который наблюдается только в том случае, когда

ЗХР

металл подвергнут пластической деформации и последующему старению (рисунок 1.6).

т,°с

а

т,°с

б

Рисунок 1.6- Температурная зависимость внутреннего трения металла труб из стали 17ГС аварийного запаса (а) и после длительной эксплуатации в течение 30 лет (б)

Анализ содержания водорода подтвердил предположение о наводорожива-нии металла труб в процессе длительной эксплуатации. Среднее содержание водорода в металле труб текущего производства составляет 2,2 ррш, т.е. соответствует содержанию остаточного металлургического водорода. Длительная эксплуатация при высокой степени коррозионной поврежденности труб повысила содержание водорода до 3,2 - 5,2 ррш, т.е. выше уровня возможного проявления водородной хрупкости [30].

Состояние металла труб магистральных трубопроводов зависит не только от длительности эксплуатации, но и от ее силовых параметров, которые различны на разном удалении трубы от насосной станции [33]. 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 старения металла и накопления дефектов.

Таким образом, при работе трубы испытывают перепады давления и температуры, динамические и статические нагрузки, что 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 в ходе 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 [47].

1.1.2 Влияние углерода на деформационное старение

В работе [48] предложена модель, которая позволяет вычислить величину предела текучести и предела макроупругости стали, проводя некоторые стандартные исследования (металлография, просвечивающая электронная микроскопия, определение химического состава, исследование внутреннего трения и т.д.), необходимые для расчета параметры структуры. Также предлагается вместо стандартных коэффициентов запаса использовать при расчете надежности трубопроводов предел макроупругости, где основным условием является выбор величины рабочих напряжений ниже предела макроупругости.

Из предложенной модели видно, что наибольший упрочняющий эффект связан с углеродом, растворенным в решетке a-Fe. В работе приведены результаты расчетов для нескольких трубных сталей, изготовленных по различным технологиям. Вклад зернограничного упрочнения в предел текучести минимален для сталей горячей прокатки и максимален для сталей контролируемой прокатки,

имеющих относительно мелкозернистую структуру. Не меньшее влияние оказывает структура металла на коррозионную стойкость и трещиностойкость.

В указанной работе предложена модель старения металла трубопроводов при длительной эксплуатации, из которой видно, что при изготовлении листа в феррите создается неравновесная структура - пересыщенный твердый раствор углерода. Этот пересыщенный твердый раствор с течением времени распадается с выделением частиц карбидов.

В трубных сталях, особенно в сталях контролируемой прокатки, в решетке феррита создана очень высокая неравновесная концентрация углерода, которая обеспечивает высокую прочность этой стали в состоянии поставки. Но это неравновесная структура, и избыточный углерод с течением времени выделяется из твердого раствора на дефекты решетки.

Если пресыщение углеродом невелико, то углерод весь может «осесть» на дислокациях. Если пресыщение значительно, и дислокации не могут «поглотить» весь углерод, углерод уходит на границы зерен.

При высоком уровне пресыщения для описания старения нужно принять во внимание, что избыточный углерод может выделяться не только на дислокациях, но и на границах зерен.

В этом случае процесс старения трубной стали может быть описан как двухэтапный (рисунок 1.7):

• I этап - диффузия атомов углерода к границам зерен;

• II этап - образование и рост частиц карбидов на границах зерен.

Для первого этапа ключевыми структурными параметрами, необходимыми для оценки времени протекания первого этапа старения, являются плотность дислокаций и размер зерна. Для второго этапа - выделение частиц на границе зерна.

Рисунок 1.7 - Схема эволюции структуры трубных сталей в процессе эксплуатации: _1_ - дислокации, • - частицы карбидов в решетке, —>• - диффундирующие атомы углерода, — пластины карбидов на границах зерен: а) исходное состояние, б) промежуточное состояние, в) состаренное состояние

Для сталей контролируемой прокатки период первого и второго этапов составляет 24 года и 1 год соответственно.

Приведенные оценки показывают, что углерод довольно долго двигается к границам, а потом сравнительно быстро образует карбиды на границах зерен.

Из квадратичной зависимости от размера зерна следует, что чем мельче зерно, тем быстрее идет процесс старения. Т.е. характерное время старения для сталей контролируемой прокатки оказывается в 4 раза меньше, чем для горячекатаных сталей и более чем в 2 раза меньше, чем для нормализованных сталей.

Время старения экспоненциально зависит от температуры эксплуатации. Если труба эксплуатируется при повышенной температуре (вблизи компрессорной станции, например), то процесс старения в ней будет протекать заметно быстрее [49]. Например, повышение температуры эксплуатации от 20 до 40 °С приводит к уменьшению характерного времени старения в 10 раз.

На основании выше изложенного можно сделать вывод, что процесс старение зависит от структурных параметров, температуры эксплуатации и уровня напряжений в стенке трубы. Особенно интенсивно процесс старения протекает в сталях, изготовленных по технологии контролируемой прокатки.

Необходимо отметить, что в рассматриваемой работе процесс старения металла труб в процессе длительной эксплуатации связывают только с выходом углерода из твердого раствора на границы зерен с образованием цементита. Другие известные механизмы старения не рассматриваются. Как известно [34] деформационное старение связано с процессами взаимодействия атомов внедрения (углерода и азота) с дислокациями.

Также не обсуждается роль еще одного элемента внедрения - водорода.

1.1.3 Влияние водорода на сопротивление разрушению низколегированных сталей

Основными рассматриваемыми механизмами водородного охрупчивания сталей, в которых не образуются гидридные фазы, являются изменение энергии межатомных связей решетки, а следовательно, ее когезионной прочности в областях повышенной концентрации водорода, и создание очагов высокого внутреннего давления молизованного водорода в микронесплошностях материала. Степень водородного охрупчивания определяется совокупностью следующих основных факторов: 1) концентрацией растворенного в металле водорода; 2) количеством микронесплошностей и областей с пониженной когезионной или адгезионной прочностью; 3) уровнем внутренних напряжений; 4) уровнем пластичности исходного состояния металла.

Для изучения особенности деформирования и разрушения при наводоро-живании стали были получены четыре структурных состояния после следующих обработок [50, 51]:

1. Рекристаллизация при 600 °С после холодного наклепа на 75%.

2. Полигонизация при 475 °С после холодной прокатки на 75%.

3. Закалка на мартенсит с 930 °С в воде.

4. Отпуск при 600 °С после закалки на мартенсит.

Образцы растягивали со скоростью 6 х 10~5 с"1 в атмосферных условиях или при электролитическом наводороживании в 0,05 - нормальном растворе Н2804 с

добавлением тиомочевины при плотности тока 10 мА/см2. Насыщение водородом проводили не только в процессе растяжения, но и до испытания в течение 7 -10 мин, что обеспечивает проникновение водорода на всю толщину образца.

В образцах, имеющих различную исходную микроструктуру и дислокационную субструктуру, микротрещины зародились на микронесплошностях на включениях или вдоль границы включения с металлической матрицей. Эти мик-ронесплошности при наводороживании служат коллекторами, в которых скапливается и молизуется водород, создающий в них высокое внутреннее давление. Различие исходных структурных состояний стали и соответственно уровня исходных внутренних напряжений приводит при деформации с наводороживанием к различию величин реализуемой пластичности, однако, характер разрушения и его стадийность остаются неизменными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Соловьев, Дмитрий Михайлович, 2015 год

Список литературы:

1. Будзуляк Б.Ф. Вступительное слово // Материалы семинара по коррозионному растрескиванию трубопроводов под напряжением. М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1999. С. 3-5.

2. Галиулин З.Т., Веслинг Д. Обзор исследований по коррозионному растрескиванию под напряжением, проведенных с 1996-1998 гг.// Материалы семинара по коррозионному растрескиванию трубопроводов под напряжением. М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1999. С. 5-11.

3. Д.Г.Репин. Анализ остаточных напряжений в трубах большого диаметра на стадии проектирования морских газопроводов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук - М., 2009 г. 256 с.

4. Эфрон Л.И. Металловедение в «большой» металлургии. Трубные стали. М.: ЗАО «Метаплургиздат», 2012. 696 С.

5. Шабалов И.П., Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Стали для труб и строительных конструкций с повышенными эксплуатационными свойствами. М.: ЗАО «Метаплургиздат», 2003. 520 с.

6. Иванцов О.М. Требования к трубам для строительства газопроводов нового поколения // Доклад на Совете по координации работы, направленной на создание производства высокопрочных труб для ТЭК России. М.: Минпром-энерго России, 2004.

7. Gray J.M., Peters P.A. Technical demands and specifications for Linepipe during the past decades // Seminar CBMM/TSNIICHERMET «25 Years of Cooperation». Moscow, Sept. 5-6. 2002.

8. Келлер M., Хиллендбранд Х.-Г., Клостер Г., Винкельс Й. Магистральные стальные трубы для транспортировки ископаемых энергоносителей // Черные металлы. 2002. № 10. С. 43-51.

9. Эфрон Л.И., Ильинский В.И., Морозов Ю.Д., Голованов A.B. Разработка и промышленное опробование трубной стали повышенной прочности и хладостойкости с преимущественно бейнитной структурой // Сталь. 2003. № 9. С. 83-87.

10. Schwinn V., Zajac S., Fluess P., Tacke K.-H. Bainitic Steel Plates for XI00 and XI20 // Proceedings of the 4th Intern. Pipelines Technology Conf. 9-13 May, 2004. Belgium, Ostend, 2004. Vol. 2. P. 834-836.

11. Glover A. Application of grade 555 (X80) and 690 (X100) in Arctic climates // Proc. of Application & Evaluation of High Grade Linepipe in Hostile Environments Conf. Yokohama. Nov. 2002. P. 33-52.

12. А.Б.Арабей и др. Организация комплексных исследований отечественных труб для новых магистральных газопроводов высокого давле-ния//Наука и техника газовой промышленности. -2009.-№2.-С. 17-21.

13. Сб. Материалы 1-й Российской конференции по трубному производству «Трубы России — 2004». Екатеринбург, 2004. 523 с.

14. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных нефтепроводов. -М.: Недра,1985. - 231с.

15. Будзуляк Б.В., Седых А.Д. Вступительная статья // Тр. науч.-практ. семинара «Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов». Нижний Новгород, 2006. С. 4-12.

16. Гумеров А.Г. Зайнуллин P.C., Ямалеев K.M., Росляков A.B. Старение труб нефтепроводов. М.: Недра, 1982. 158 с.

17. Мочернюк Н.П. Красневский С.М. Лазаревич Г.И. и др. Влияние времени эксплуатации магистрального трубопровода и рабочего давления газа на физико-механические характеристики трубной стали 19Г // Газовая промышленность. 1991. №3. С. 34-36.

18. Зорин Е.Е., Ланчаков Г.А., Степаненко А.И. Оценка степени деградации металла газопроводов // Газовая промышленность. 2003. № 4. С. 57-60.

19. Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Влияние силовых условий эксплуатации на механические свойства и сопротивление разрушению металла трубопроводов // Сталь. 2003. № 7. С. 80-83.

20. Есиев Т.С. О влиянии факторов времени в развитии повреждаемости магистральных газопроводов // Тр. науч.-практ. семинара «Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов». Нижний Новгород, 2006. С. 94-109.

21. Медведев В.Н., Кузнецов В.В., Шапиро В.Д., Почечуев A.M., Кац И. Д. О причинах аварийности труб магистральных газопроводов» // Тр. науч.-практ. семинара «Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов ». Нижний Новгород, 2006. С. 110-121.

22. Лякишев Н.П., Кантор М.М., Воронин В.Н., Тимофеев В.Н., Шарыгин Ю.М. Исследование структуры металла газопроводов после их длительной эксплуатации//Металлы. 2005. № 1. С. 3-16.

23. Лякишев Н.П., Кантор М.М., Белкин A.A. Тимофеев В.Н. Об оценке влияния длительной эксплуатации на механические свойства и структуру металла магистральных нефтепроводов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 1, № 73. С. 75-82.

24. Бокштейн Б.С. Роль границ зерен в процессах старения сталей и сплавов» // Тр. науч.-практ. семинара «Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов». Нижний Новгород, 2006. С. 80-85.

25. Скаков Ю.А. Старение металлических сплавов / В сборнике «Металловедение (Материалы симпозиума)». - М., 1971.

26. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. - М.: Металлургия, 1972.

27. Дмитриев В.Ф., Мурзаханов Г.Х., Филиппов Г.А. Оценка остаточного ресурса нефтепровода и планирование его капитального ремонта //Строительство трубопроводов. - 1997. -№3. - С. 21—24.

28. Ударные испытания металлов. - М.: Мир, 1973.— 316 с

29. Синельников В.А., Морозов Ю.Д., Филиппов Г.А. Материаловедче-ская концепция надежности металла труб магистральных нефтепроводов //Трубопроводный транспорт нефти. - 1997. - № 8. - С. 29—32

30. Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Влияние дефектов структуры и деградация свойств конструкционных материалов//Материаловедение.-2002.-№10,-с. 17-21.

31. Филиппов Г.А., Ливанова О.В., Дмитриев В.Ф. Деградация свойств металла при длительной эксплуатации магистральных трубопроводов//Сталь,-2003.-№2.-с.84-87.

32. Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Деградационные процессы и их влияние на трещиностойкость трубный сталей после длительной эксплуатации / Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов: Сб. трудов научно-практического семинара (Н. Новгород, 23-25 января, 2006). Н. Новгород: Университетская книга, 2006. С. 196-209.

33. Алфеев В.Н., Синельников В.А., Филиппов Г.А., Курочкин В.В., Вдо-вин Г.А. Влияние длительности и условий эксплуатации на состояние магистральных трубопровода//Технология производства.-2000.-№1 .-с.31 -36.

34. Левин Д.М., Чуканов А.Н;, Муравлева Л.В. Исследование повреждаемости трубных сталей по эффектам неупругой релаксации //Вест. Тамбовского ун-та.- 1998.-Вып. 3. -С.315—318.

35. Gladman Т., Duleiu D., Mclvor I.D. Structure-Property Relationships in Microalloyed Steels // Microalloying'75. Proc. Int. Symp. Union Carbide Corp. N.Y., 1977. P. 25-48.

36. Hulka K., Heisterkamp F. // HSLA Steels Technology and Applications / Ed. M.Korchynsky. Ohio: American Society for Metals: Metals Park, 1984. P. 915924.

37. Seo D. H., Yoo J.Y., Song W.H., Kang K.B. Development of XI00 linepipe steel with high deformation capacity // Proceedings of IPC2008 7th International Pipeline Conference. 2008. Calgary, Canada. P. 1-8.

38. Shinohara Y., Нага Т., Tsuru E., Asahi H., Tereda Y., Doi N. Change of mechanical properties of high strength linepipe by thermal coating treatment // Proceedings 24th International Conference Offshore Mechanics and Arctic Engineering, June 12-17. Halkidiki, Greece. 2005. Pap. OMAE2005-67055.

39. Timms C., DeGeer D., McLamb M. Effects of Thermal Coating Process on XI00 UOE Linepipe // Proceedings 24th International Conference Offshore Mechanics

and Arctic Engineering, June 12-17. Halkidiki, Greece. 2005. Pap. OMAE2005-67401.

40. Изотов В.И., Поздняков В.А., Филиппов Г.А. Влияние и механизм образования хрупких микротрещин в ферритно-перлитной трубной стали при растяжении в условиях наводораживания // ФММ. 2001. Т. 91, № 5. С. 84-89.

41. Курочкин В.В., Филиппов Г.А. Процессы старения и накопления дефектов при длительной эксплуатации и их влияние на сопротивление разрушению металла трубопроводов // Тез. докл. II науч.-техн. конф. «Проблемы безопасности и надежности трубопроводного транспорта». Новосибирск, 1999. С. 57-59.

42. Коррозионное растрескивание под напряжением труб магистраль ных газопроводов: атлас / Ред. А.Б. Арабей, З.Кношински. М.: Наука, 2006. 105 с.

43. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985.

217 с.

44. Кузюков А.Н., Борисенко В.А., Крикун В.П., Левченко В.А., Архипов

45. А.Г. Водородное разрушение сталей в условиях транспортировки при родного газа // Тр. Пятой Междунар. конф. «Водородная экономика и водородная обработка материалов». Украина: Донецк, 2007. Т. 2. С. 734-739.

46. Сосновский Л.А., Воробьев В.В. Влияние длительной эксплуатации на сопротивление усталости трубной стали // Проблемы прочности. 2000. № 6. С. 44-53.

47. Логан Х.Д. Коррозия металлов под напряжением. - М.: Металлургия, 1970.-340 с.

48. Чувильдеев В.Н. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей магистральных газопроводов. //Сборник трудов научно-практического семинара. Нижний Новгород. 2006. С. 18-67.

49. Glover А., Rothwell В. Yield strength and plasticity of high strength pipelines // Proc. the International Pipeline Technology Conference. Ostend, Belgium, 2004. P. 65-79.

50. Изотов В. И., Поздняков В. А., Филиппов Г. А. Влияние исходной структуры на особенности разрушения наводороженной малоуглеродистой стали // ФММ. 2002. том 93, № б, с. 101-107.

51. Исаков М.Г., Изотов В.И, Филиппов Г.А. Особенности охрупчивания малоуглеродистой низколегированной ферритной стали при растяжении в условиях наводороживания // ФММ. 2000. Т. 90. № 4. С. 105-111.

52. Технология трубного производства. В.Н. Данченко, А.П. Коликов, Б.А. Романцев и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002.

53. Машины и агрегаты для производства стальных труб: учебное пособие / Ю.Ф. Шевакин, А.П. Коликов, В.П. Романенко, C.B. Самусев - М.: Интермет Инжиниринг, 2007. - С. 388

54. Обработка металлов давлением: Учебник / Б.А. Романцев, A.B. Гон-чарук, Н.М. Вавилкин, C.B. Самусев. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. - 960 с.

55. Методологические подходы к определению влияния технологии производства труб на проявление коррозионного растрескивания под напряжением / Материалы конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза. Ухта: Север НИПИгаз, 2006. С.202-211.

56. Уметбаев В.В. Высокие требования к качеству труб и новые технологии их монтажа как одно из направлений повышения надежности трубопроводной сети // Территория нефтегаз, 2007. № 11. С. 70-77.

57. Волгина Н.И., Сергеева Т.К. Остаточные напряжения и сопротивление стресс-коррозии металла прямошовных и спиралешовных труб // Материалы семинара по коррозионному растрескиванию под напряжением / Материалы конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза. Ухта: Север НИПИгаз, 2006. С.103-115.

58. Елисеев Т.С., Арабей А.Б. Актуальные вопросы производства труб с повышенной стойкостью к стресс-коррозии // Проблемы системной надежности и безопасности транспорта газа / Сборник научных трудов. М.: ООО «ВНИИ-ГАЗ», 2008. С. 150-157.

59. Матвеев Ю.М., Каширин H.A., Иванцов В.Я., Сергеев И.И. О влиянии технологических переделов на напряженное состояние электросварных труб большого диаметра // Производство сварных и бесшовных труб Выпуск 6. М.: Металлургия, 1966.

60. Лупин В.А. Определение остаточных напряжений в околошовной зоне металла труб большого диаметра // Трубное производство Урала. Челябинск, 1968. С. 23.

61. И.А. Биргер. Остаточные напряжения. - М: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1963.

62. Шевакин Ю.Ф., Коликов А.П., Райков Ю.Н.. Производство труб. - М.: Интермет Инжиниринг, 2005.

63. Репин Д.Г., Никитина Н.Е., Лисин В.Н. Математическое моделирование изменения НДС труб большого диаметра при формовке // Итоговая научная конференция учебно-научного инновационного комплекса, г. Н. Новгород, 2007. С. 334-336.

64. Никитина Н.Е., Репин Д.Г. О необходимости учета и контроля НДС материала трубопровода при изучении причин трещинообразования при эксплуатации // Сборник трудов под ред. В.И. Ерофеева / Моделирование динамических систем. Н. Новгород: Изд-во «Интелсервис», 2002. С. 40-41.

65. Репин Д.Г. Математическое моделирование процесса формовки сварных труб большого диаметра // Математичекое моделирование в естественных науках / Тез. Докл. 11 Всероссийской конференции молодых ученых. Пермь: ПГТУ. 2002. С. 20-23.

66. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н. Математическое моделирование трубопроводных сетей и каналов. М.: 2007 г.

67. В.Н. Шинкин, А.П. Коликов. Моделирование процесса формовки заготовки для труб большого диаметра / Журнал Сталь №1, 2011г.

68. Шинкин В.Н.: учебное пособие. Механика сплошных сред - М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. - 237с.

69. К расчету механизма гофрообразования трубной заготовки при производстве прямошовных сварных труб \ Известия Вузов Черная металлургия. 2010. №11- Самусев C.B., Больдт В.В.

70. Методы расчета напряженно-деформированного состояния при производстве сварных труб в линии ТЭСА: сборник задач / C.B. Самусев, А.Н. Фортунатов, - ВФ МИСиС, 2008 - 135с.

71. С.А. Голованенко, О.Н. Чевская // Влияние контролируемой прокатки на характер разрушения малоперлитных сталей для сварных труб большого диаметра/Сталь №12, 1984, с.51-55.

72. Методика расчета калибровок инструменты и энергосиловых параметров процесса производства сварных труб в линии прессов и ТЭСА. Сборник задач. / С. В. Самусев; А. Н. Фортунатов, А.Н. Фролова и др.- Выкса: ВФ МИСиС, 2006 г.

73. Рафаилович И. М., Марков С. И. Особенности напряженно-деформированного состояния металла прямошовных сварных труб. // Наука и техника в газовой промышленности. -2010. -№3, с. 102-107.

74. Исследование остаточных напряжений в сварных трубах методом рентгеновской дифрактометрии. А. П. Коликов, А. В. Котелкин, А. П. Лютцау и др. //Сталь. - 2010. № 10, с. 50-52.

75. СПП - ТР. ТС-492-2009. Спецификация процесса производства на линию ТЭСА 1420 для проекта «ЮЖНЫЙ ПОТОК». Выкса: ОАО «ВМЗ», 2009

76. Самусев С. В., Величко А. А., Люскин А. В. и др. / Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2009. -№ 6. - с. 13-16.

77. Машины и агрегаты трубного производства / А. П. Коликов, В. П. Ро-маненко, С. В. Самусев и др. - М: «МИСИС», 1998.

78. Технологические режимы процесса формоизменения заготовки в линии ТЭСА 1420 ЗАО «Ижорский трубный завод» / Изв. Вуз. Черная металлургия. 2009. № 9. С. 18-21. - Самусев C.B., Величко A.A., Люскин A.B., Андреев Ю.П., Воронцов А.Н., Больдт В.В.

79. Методика расчета геометрических параметров трубной заготовки при формоизменении в различных линиях ТЭСА / Изв. Вуз. Черная металлургия. 2009. № 1. -Самусев C.B., Люскин A.B.

80. Анализ способов формовки заготовки для производства труб большого диаметра \ «Сталь». 2009. № 12 С. 46-49. - C.B. Самусев, A.B. Люскин, В.В. Больдт.

81. Расчет параметров формоизменения трубной заготовки в линии производства труб большого диаметра \ Прогрессивные технологии пластической деформации, МИСиС, 2009 - Самусев C.B., Больдт В.В., Люскин A.B.

82. Производство труб большого диаметра по «J-0» схеме. / Прогрессивные технологии пластической деформации, МИСиС, 2009 - Самусев C.B., Люскин A.B., Больдт В.В.

83. C.B. Самусев, А.Н. Фортунатов, Н.В. Овчарова - Теория, технология и оборудование для производства прямошовных сварных труб большого диаметра в линии ТЭСА: Учебное пособие для практических занятий. - Выкса: Вык-сунский филиал НИТУ «МИСиС», 2010 - 128с.

84. Самусев C.B., Романцов А.И., Люскин A.B., Жигунов К.Л., Больдт В.В., Сигида М.С. Разработка экспериментальных и расчетных методик формоизменения трубной заготовки для производства труб ответственного назначения для проекта «Южный поток» в условиях ОАО «ЧТПЗ» / Инновационные технологии обработки металлов давлением: Сборник тезисов. - М.: НИТУ «МИСиС», 2011,- 135с.

85. Самусев C.B., Романцов А.И., Больдт В.В., Жигунов К.Л., Люскин A.B., Сигида М.С. Экспериментальное исследование формоизменения трубной заготовки в линии ТЭСА -1420 ОАО «ЧТПЗ» для производства газонефтепро-водных труб/ Инновационные технологии обработки металлов давлением: Сборник тезисов. -М.: НИТУ «МИСиС», 2011. - 135с.

86. Феодосьев В. И.. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1986.

87. Harrison T.C., Weiner R.T., Fearnehough G.D. Influence of the Bauschinger effect in high-yield steel pipes // J. Iron and Steel Institute. 1972. № 5. P. 334-336.

88. БелыйА.П., МатросовЮ.И., Ганошенко И.В., Носоченко O.A., Багмет O.A. Опыт изготовления на ОАО «МК "Азовсталь"» и исследование толстолистовой стали для газопроводных труб категории прочности Х80 // Сб. науч.-техн. конф. «Современные тенденции производства труб для магистральных газонефтепроводов на ОАО «Харцызский трубный завод ». Ялта, 2005. С. 68-79.

89. Nakajima М. et al. The Baushinger Effect in Pipe Forming // Trans. ISIJ. 1975. Vol. 15. P. 1-10.

90. Streisselberger A., Bauer J. TMCP-Application for the production of modern line pipe steels // Pipeline Technology Conference. Oostende (Belgium), Oct. 1518. 1990.

91. Полухин. П.И., Горелик С.С., Воронцов B.K. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. 584 с.

92. Пат. 2390763 Российския Федерация, МПК G01N 23/207. Способ определения локальной концентрации остаточных микронапряжений в металла и сплавах /Алексеева JI.E., Гетманова М.Е., Филиппов Г.А. Шахпазов Е.Х.; заявитель и патентообладатель Министерство промышленности и торговли Российской Федерации, Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина. - № 2008148892/28; заявл. 11.12.08; опубл. 27.05.10, Бюл. №15. -

о

1 с.

93. С.О. Суворова, В.И. Саррак, Р.И. Энтин // Исследование деформационного старения технического железа.// «Физика металлов и металловедение» 1964 т. 17, вып. 1 С. 105-111.

94. Д.М. Левин, А.Н. Чуканов, Л .В. Муравлева // Исследование повреждаемости трубных сталей по эффектам неупругой релаксации. Вестник Тамбовского университета. Тамбов, 1998, Вып. 3, с. 315-318.

95. 12 Мишин В.М., Филиппов Г.А. Физика замедленного разрушения сталей: Монография. -Миниральные воды. «Полиграфпром», 2013-455 с.

96. С.А. Головин, А. Пушкар // Микропластичность и усталость металлов. М.: Металлургия, 1980 239 с.