Ресурса безопасной эксплуатации сварных соединений нефтегазопроводов
На правах рукописи
БИ ВЭНЦЗЮНЬ ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (Нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа - 2004 1
Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Абдуллин Ильгиз Галеевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Загорский Валерий Куприянович;
кандидат технических наук Ишмуратов Рафхат Гадиевич.
Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» АН РБ.
Защита состоится «25» мая 2004 года в 14 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном тех ническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государст венного нефтяного технического университета
Автореферат разослан « » апреля 2004 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Нефтегазопроводы являются опасными производственными объектами. В процессе их длительной эксплуатации происходит старение металла, коррозия наружной и внутренней поверхности труб и, как следствие, их разрушение с экономическими и экологическими последствиями.
В России эксплуатируются системы магистральных трубопроводов про тяженностью более 240 тыс. км. В Китае функционируют 9700 км магистраль ных нефтепроводов и 10030 км газопроводов, а в следующее десятилетие пла нируется построить соответственно 7500 и 24570 км, в том числе с участием строительных фирм России.
Трубопроводы в силу своего функционального назначения в условиях эксплуатации подвергаются одновременному воздействию статических и по вторно-статических (малоцикловых) нагрузок от колебаний давления перекачи ваемого продукта, температуры и других силовых факторов при одновремен ном действии коррозионной среды, приводящих в совокупности к коррозион ной усталости металла.
Фундаментальные и прикладные исследования, проводимые в последние десятилетия в области физико-химической механики материалов, убедительно показывают, что надежность и долговечность трубопроводов в реальных усло виях эксплуатации определяются не только качеством металла, но и специфи кой самопроизвольных механоэлектрохимических процессов, которые возни кают за счет формирования на их поверхности гетерогенности механических и электрохимических свойств металла при одновременном воздействии агрес сивных сред различной степени активности и механических напряжений. Такое сочетание внешних факторов может значительно ускорить механохимические разрушения трубопроводов, долговечность которых в этом случае определяется механохимической стойкостью металла. В наибольшей степени разрушениям такого рода предрасположены участки поверхности труб, имеющие конструк тивные элементы в виде концентраторов напряжений, среди которых, в первую очередь, следует выделить сварные соединения. Они имеют высокую электро химическую гетерогенность, связанную с макро- и микроструктурной неоднородностью отдельных зон (металл шва, зона термического влияния и основной металл), неравномерным распределением остаточных напряжений в этих зонах, физической и геометрической концентрацией напряжений, зависящей от формы и размеров шва и его дефектов. Поэтому, как показывает анализ аварийных разрушений металла труб, очагом зарождения трещин очень часто является сварной шов или зона термического влияния. Представляется, что отмеченная неоднородность свойств металла зон сварных соединений может быть существенно снижена за счет рационального выбора сварочных электродов, в том числе импортных поставок.
В связи с этим обеспечение промышленной безопасности линейной части трубопроводов нефтегазовой отрасли, продление срока их службы во многом связано с проблемой повышения коррозионно-механической прочности свар ных соединений.
Цель работы Повышение ресурса безопасной эксплуатации сварных соединений неф тегазопроводов за счет рационального выбора сварочных материалов производ ства России и Китая.
Основные задачи исследований:
1. Исследование микроструктуры, определение твердости, микротвердо сти сварных соединений из сталей 10, 20 и 17Г1С.
2. Исследование коррозионной стойкости зон сварных соединений в 3-х % растворе NaCl, выполненных электродами с рутиловым и основным видами по крытий производства России и КНР.
3. Изучение механохимической коррозии сварных швов при статическом растяжении.
4. Исследование циклической трещиностойкости и остаточного ресурса металла продольного сварного шва трубы, изготовленной из стали класса проч ности Х70.
Методы исследований Поставленные задачи решались путем проведения экспериментальных исследований физико-механических и электрохимических характеристик ме талла и определения малоцикловой коррозионно-усталостной долговечности сварных соединений. При этом были использованы стандартные методы опре деления механических свойств, микротвердости, макро– и микроструктуры ме талла, а также оригинальные методики изучения коррозионных и механохими ческих свойств сварных соединений.
На защиту выносятся результаты исследований механохимических свойств сварных соединений из стали 20, выполненных ручной электродуговой сваркой электродами производства России и Китая, а также характеристики циклической трещиностойкости сварного шва труб из стали Х70.
Научная новизна:
1. Исследованы особенности механохимического поведения металла сварных швов, выполненных электродами с рутиловым и основным покрытием производства России и КНР, позволяющие определять их скорость коррозии и ресурс в реальных условиях эксплуатации трубопроводов.
2. Получена аналитическая зависимость скорости роста усталостной тре щины в металле сварного шва от коэффициента интенсивности напряжений, объединяющая стадии ее замедленного и стабильного роста, позволяющая рас считывать с большей точностью остаточный ресурс оборудования, эксплуати руемого в условиях малоцикловой коррозионной усталости.
Практическая значимость и реализация результатов работы Результаты исследований позволяют повысить стойкость сварных соеди нений нефтегагопроводов в условиях механохимической коррозии и, соответ ственно, безопасность их эксплуатации.
Апробация работы Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: III конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2001 г.);
VI между народной научно-технической конференции (Уфа, 2002 г.);
Всероссийской на учно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и спе циалистов «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 2002 г.);
53-й на учно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2002 г.);
54-й научно-технической конференции студентов, аспи рантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2003 г.);
II Всероссийской учебно научно-методической конференции «Реализации государственных образова тельных стандартов при подготовке инженеров – механиков: проблемы и пер спективы» (Уфа, 2003 г.);
IV конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2003 г.);
II Международной научно технической конференции (Уфа, г.).
Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов и рекомендаций, содержит 103 страниц машинописного текста, 15 таб лиц, 30 рисунков, библиографический список использованной литературы из 104 наименований.
Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту Ху дякову Михаилу Александровичу как научному консультанту.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации.
Сформулированы цель и основные задачи исследования.
В первой главе на основе работ И.Г. Абдуллина, Э.М. Гутмана, А.Г. Гу мерова, А.Г. Гареева, Р.С. Зайнуллина, О.М. Иванцова, О.И. Стеклова, М.Ф. Фокина и др. рассмотрены и проанализированы проблемы надежности и коррозионно-механической прочности сварных соединений трубопроводов, а также вопросы, связанные с аварийными разрушениями линейной части маги стральных нефтепроводов. Данная проблема актуальна не только для России, но и для развивающихся трубопроводных систем Китая.
На сегодняшний день существуют несколько крупных совместных проек тов строительства магистральных газонефтепроводов из России и Казахстана в КНР (нефтепровод от Ангарска до месторождения Дацин в Китае, протяженно стью 3 тыс. км, планируемый объем транспортировки нефти более 20 млн т. в год;
газопровод из Якутии в Китай до города Жичжао на берегу Желтого моря, протяженностью 3,5 тыс. км, объем транспортировки газа 200 млрд м3 в год;
нефтепровод из города Атырау до западной границы Китая Арашанкон, протя женностью около 3,5 тыс. км).
Как правило, разрушения сварных конструкций, в том числе электросвар ных труб, начинаются с концентраторов напряжений и могут проходить по ос новному металлу (по рискам, вмятинам, царапинам) вдали от сварного шва вдоль образующей трубы, по шву или линии перехода от шва к основному ме таллу с распространением разрыва в тело трубы. Разрушение может распро страняться и на соседнюю трубу, пересекая кольцевой монтажный сварной шов. Основным видом разрушения спиральношовной трубы является разрыв по линии перехода спирального шва к основному металлу. Пример разрушения прямошовной трубы по линии перехода от шва к основному металлу приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Вид разрушения прямошовной электросварной трубы К дефектам сварных соединений, часто встречающимся на трубопрово дах, относятся непровары, смещения кромок, поры, неметаллические включе ние и трещины. На рисунке 2 приведена макроструктура кольцевого монтажно го сварного шва с дефектами.
Рисунок 2 - Поры и смещение Рисунок 3 - Коррозия сварного кромок соединения Виды и особенности коррозионных разрушений трубопроводов, сопро тивляемость коррозии сварных соединений определяются свойствами основно го металла и сварного шва, напряженным состоянием, агрессивностью корро зионной среды и условиями взаимодействия сварных соединений со средой.
Сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро- и микрогетерогенную систему со следующими характерными видами неоднородности: структурно-химическая макро- и микронеоднородность зон (основной металл, литой металл шва, зона термического влияния);
неоднородность напряженного состояния - собствен ные (остаточные сварочные напряжения и пластические деформации) и от внешней нагрузки;
геометрическая неоднородность, обусловленная наличием технологических концентраторов напряжений (граница шва и основного метал ла, дефекты формы шва - подрезы, непровары и др.) и конструктивных концен траторов напряжений, определяемых геометрическими параметрами шва.
В зависимости от характера распределения значений электродных потен циалов в сварном соединении возможны случаи, когда шов является катодом, коррозии в этом случае подвергается основной металл (рисунок 3).Второй слу чай, когда шов является анодом, наиболее опасный, так как приводит к локаль ному растворению шва и образованию концентратора напряжений. Управлять электрохимической неоднородностью, а, следовательно, стойкостью сварного соединения можно путем рационального выбора режимов сварки и сварочных материалов, изменением напряженного состояния трубопровода.
В процессе эксплуатации нефтепроводов возможны технологические и аварийные отключения насосных агрегатов или изменение режима их работы.
Вызываемые этим колебания давления в трубопроводе приводят к циклическо му изменению напряжений в теле трубы. При одновременном действий корро зионной среды в зонах концентраторов напряжений возникают условия для ма лоцикловой коррозионной усталости металл труб. Долговечность трубопровод ных систем в этом случае будет определяться временем до зарождения устало стной трещины и скоростью ее роста. На первой стадии происходит накопление микроповреждений кристаллической решетки вследствие движения дислокаций и последующего зарождения трещины. На второй стадии трещина стабильно растет до критического размера и переходит в третью стадию механического разрыва. Продолжительность каждой стадии зависит от напряженного состоя ния металла труб, частоты изменения давления и температуры перекачиваемого продукта, действия коррозионных сред и поляризации металла при катодной защите магистральных нефтепроводов. Таким образом, для оценки истинного ресурса трубопровода необходимо учитывать циклический характер изменения напряженного состояния металла и особенности коррозионного разрушения сварных соединений.
Несмотря на достигнутые успехи в повышении промышленной безопас ности трубопроводных систем, некоторые вопросы, касающиеся коррозионно механической прочности сварных соединений, остаются открытыми и частично решаются в данной работе.
Результаты анализа, проведенного в первой главе, позволили сформули ровать цель работы, задачи исследований и основные положения, выносимые на защиту.
Во второй главе приведены стандартные и оригинальные методики про ведения исследований. К ним относятся методы определения основных меха нических свойств металлов при испытаниях на растяжение и ударный изгиб;
твердости и микротвердости;
исследования малоцикловой коррозионной уста лости;
макро- и микроструктурного анализа;
электрохимические и механохи мические исследования.
В частности, механохимические исследования проводились на образцах сварных соединений из стали 20, выполненных электродами производства России марок УОНИ 13/55(Б), МР-3(Р) и Китая марок Е4303, Е5015, в условиях одно временного воздействия на них активных сред и механических растягивающих на пряжений, создаваемых разрывной машиной Р-5. Запись кривой растяжения свар ного шва велась с одновременной фиксацией значений электродных потенциалов металла или величины тока.
Испытания проводились на образцах типа XII, изготовленных согласно ГОСТ 9669-60, рабочая поверхность которых предварительно шлифовалась. Рас тяжение образцов осуществлялось в 3-х % среде NaCl (рН 7) в специально спро ектированной и изготовленной электрохимической ячейке с постоянной скоро стью деформации 0,1 мм/мин, что соответствует реальным скоростям нагруже ния. Кончик капилляра, заполненного агар-агаром, подводился к металлу свар ного шва в центр галтели образца. Значение электродного потенциала опреде лялось относительно хлорсеребряного электрода сравнения марки ЭВЛ-1М3.
Скорость анодного растворения определяли путем регистрации силы тока между деформируемым и аналогичным ему недеформируемым образцом, иг рающим роль катода в модели коррозионной пары.
Схемы электрохимических ячеек с образцом, в зависимости от условий испытаний, приведены на рисунках 4 и 5.
Испытания на малоцикловую коррозионную усталость сварных соедине ний проводились на плоских образцах размером 480х38х11 мм на усталостной машине (рисунок 6) по схеме чистого изгиба. В основу принципа действия ис пытательной машины для изучения малоцикловой усталости положен жесткий вид нагружения - контролируемым параметром циклического нагружения явля ется амплитуда деформаций.
В работе применялся отнулевой цикл нагружения с частотой 50 циклов в 1 – образец;
2 – капилляр;
3 – корпус;
4 1 – образец;
2 – раствор 3% NaCl;
– трубка;
5 - электрод сравнения 3 – корпус;
4 – крышка;
5 – мульти (ЭВЛ);
6 – мультиметр;
7 - раствор 3% метр;
6 – вспомогательный электрод;
NaCl;
8 – крышка;
9 – пробка;
10 – за- 7 - захваты разрывной машины Р-5.
хваты разрывной машины Р-5;
11 – стакан.
Рисунок 5 - Схема электрохимиче Рисунок 4 - Схема электрохимической ской ячейки для измерения тока ячейки для измерения электродного потенциала Рисунок 6 - Машина для испытания образцов на малоцикловую коррозионную усталость минуту. Величина деформации = 0,24 % устанавливалась рычажным дефор мометром Гугенбергера и соответствовала реальным величинам штатных заво дских сварных соединений электросварных труб. Исследования проводились на воздухе и в водном растворе 3 % NaCl. Длина трещины измерялась при помощи микроскопа МБС-9 при десятикратном увеличении.
В третьей главе приведены результаты исследований макро- и микро структуры, механических свойств, макро- и микротвердости сварных соедине ний, а также определены значения скорости коррозии сварных соединений, вы полненных электродами марок УОНИ 13/55(Б), МР-3(Р), Е4303, Е5015.
Для сооружения и ремонта трубопроводов широко используются углеро дистые конструкционные качественные стали марок сталь 10, сталь 20, низко легированная 17Г1С производства России и сталь класса прочности Х70 произ водства Китая. Они обладают высокой вязкостью, свариваемостью и малой склонностью к старению, что дает возможность получать сварные соединения с высокими механическими свойствами.
Образцы для испытаний, выполненные различными электродами, отбира лись из металлоконструкций производства России и Китая, изготовленных по стандартным технологиям.
Исследования макроструктуры сварных соединений показали отсутствие дефектов металлургического происхождения.
Сварка в производственных условиях проводилась за три прохода. На ружный слой шва, полученный за третий проход, имеет дендритную структуру.
Металл первого и второго слоев подвергался термическому воздействию от вы полнения последующего слоя. Поэтому в макроструктуре шва дендриты в этих слоях не наблюдаются.
Исследуемые стали являются доэвтектоидными и имеют ферритно перлитную структуру (рисунок 7). Микроструктура стали 10 имеет равноосн ные зерна, что характерно для горячедеформированного металла.
В сталях 20 и 17Г1С наблюдается ярко выраженная строчечность, направ ление которой совпадает с направлением прокатки листа.
Микроструктура швов имеет дендритное строение, причем швы, выпол ненные электродами марок УОНИ 13/45 и МР-3, имеют более крупные дендри ты, чем после сварки электродами Е 4303 и Е 5015.
сталь 20 сталь 17Г1С сталь шов МР - шов УОНИ 13/45 шов Е зона перегрева зона нормализация шов Е Рисунок 7 - Микроструктура сварных соединений (Х 200) Зона перегрева имеет крупнозернистую видманштеттовую структуру, а зона нормализации, где прошла полная фазовая перекристаллизация, мелкозер нистую.
В диссертационной работе проводилось измерение твердости по зонам сварных соединений, полученных различными марками электродов. Результаты измерений твердости приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Твердость по зонам сварного соединения, НВ Марка стали, Основной Марка электрода класс прочности Шов ЗТВ металл Сталь 10 192 213 УОНИ 13/55 Сталь 17Г1С 192 210 Сталь 20 186 201 Сталь 17Г1С 213 217 МР- Сталь 20 197 213 Сталь 17Г1С 197 208 Е Сталь 20 192 197 Сталь 17Г1С 222 255 Е Сталь 20 208 228 Х - 226 221 Значения твердости зон для всех сварных соединений стали 17Г1С выше, чем стали 20. Наибольшая твердость наблюдается в зоне термического влияния, при этом сварной шов имеет более высокую твердость, чем основной металл.
ЗТВ и сварной шов, выполненный электродом марки Е5015, являются более твердыми по сравнению с твердостью других сварных соединений.
Распределения микротвердости по зонам сварных соединений приведены на рисунке 8.
Анализ полученных результатов показывает, что наименьшую разность микротвердости по зонам сварного соединения (шов – ЗТВ) дает электрод мар ки Е5015, а по зонам (шов – ЗТВ – основной металл) дает электрод Е4303.
Микротвердость, Н/мм 0 5 10 15 20 25 Расстояние, мм УОНИ 13/45 МР - 3 Е4303 Е а Микротвердость, Н/мм 0 5 10 15 20 25 Расстояние, мм УОНИ 13/45 МР - 3 Е4303 Е б а - сталь 17Г1С;
б – сталь Рисунок 8 - Распределение микротвердости в сварных соединениях Исследование коррозионного поведения сварных соединений в условиях, имитирующих эксплуатационные, проводили с помощью общепринятого элек трохимического метода поляризации. Метод основан на определении скорости коррозии в единицах плотности тока, получаемых при снятии анодных и катод ных поляризационных потенциостатических кривых с последующей тафелев ской экстраполяцией. Исследования при комнатной температуре проводили в специально разработанной трехэлектродной электрохимической ячейке при жимного типа, имитирующей узкий зазор с затрудненным доступом кислорода воздуха. В качестве исследуемого электрода использовали швы и основной ме талл, в качестве вспомогательного электрода - платиновую пластину или пла тиновый электрод ЭТПЛ-1М3. Потенциал измерялся относительно хлорсереб ряного электрода сравнения ЭВЛ-1М3 через капилляр Луггина, заполненного агар-агаром с 1Н раствором KCl. В качестве модельной среды использовали 3 % раствор NaCl. Результаты этих исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Скорость коррозии сварных соединений в 3% NaCl, мм/год Марка стали Основный Сварной шов металл УОНИ 13/55 МР - 3 Е4303 Е Сталь 10 0,17 0,19 Сталь 20 0,25 0,34 0,21 0,21 0, Сталь 17Г1С 0,33 0,36 0,31 0,21 0, Результаты проведенных исследований показали, что с увеличением со держания углерода в сталях 10, 20 и легирующих элементов в стали 17Г1С ско рость коррозии основного металла увеличивается и составляет соответственно 0,17, 0,25 и 0,33 мм/год, а наименьшую скорость коррозии имеют сварные швы, выполненные электродами Е4303 и МР-3.
В четвертой главе приведены результаты исследований – кривые растя жения сварных швов, значения электродных потенциалов и плотности тока (ри сунок 9).
При деформации образцов в упругой области (до 0,2 %) значения плотно стей тока и электродных потенциалов практически не изменяются. На стадии деформационного упрочнения идет резкое увеличение плотности тока и разбла гороживание электродных потенциалов.
Это объясняется тем, что на стадии легкого скольжения основной вклад в деформацию дают дислокации, вышедшие на поверхность металла. На стадии деформационного упрочнения деформация осуществляется путем микросдви гов по линиям скольжения с образованием развитого микрорельефа на дефор мированной поверхности. Происходит почти линейное увеличение плотности дислокаций от степени пластической деформации с интенсивным возрастанием механохимического эффекта, что приводит к ускорению анодного растворения металла. Поскольку пластическая деформация металла при комнатной темпера туре осуществляется путем микросдвигов, то нет различия в течение локальных процессов при растяжении, сжатии, кручении, т.е. при различных видах дефор мации.
Сварные швы, выполненные электродами марок Е4303 и МР-3, являются более стойкими против коррозионно-механического разрушения в условиях динамического нагружения, чем сварные швы, выполненные электродами ма рок Е5015 и УОНИ 13/55. Один и тот же ток анодного растворения в первом случае фиксировали при значительно больших значениях пластической деформации.
Таким образом, полученные экспериментальные кривые зависимости плотности тока и электродного потенциала от степени деформации согласуются с теоретическими представлениями о механохимических процессах на границе металл – электролит и дают возможность прогнозирования скорости коррозии деформированного металла по данным экспрессного определения величины механохимического эффекта в динамическом режиме нагружения.
Прогнозирование коррозионно-усталостной долговечности магистраль ных нефтепроводов осуществляется с использованием эмпирических зависимо стей. Накопление повреждений до зарождения трещины описывается зависимо стью Коффина-Мэнсона. На стадии стабильного роста трещины скорость ее Е4303 Е 5 600 5 700 4 580 4 Плотность тока, мА/см Плотность тока, мА/см Напряжение, МПа Напряжение, МПа Потенцииал, мВ Потенциал, мВ 3 3 2 2 1 1 0 0 0 0 500 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0, 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0, Деф ация орм Д орм еф ация Криваярастяжения Криваярастяжения Зависим электродного потенциала от деф ац ость орм Зависим электродногопотенциалаот деф ац ость орм Зависим плотноститока от деф ации ость орм Зависим плотноститокаот деф ации ость орм а МР-3 УОНИ13/ 5 600 5 600 500 4 Плотность тока, мА/см Плотность тока, мА/см Напряжение, МПа 400 Напряжение, МПа Потециал, мВ Потенциал, мВ 3 300 2 200 100 520 1 0 0 0 0 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0, 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0, Деформация Деформация Кривая растяжения Кривая растяжения Зависимость плотности тока от деформации Зависимость электродного потенциала от деформац Зависимость электродного потенциала от деформац Зависимость плотности тока от деформации б Рисунок 9 (а, б) - Зависимости растягивающих напряжений, электродных потенциалов и плотности тока от деформации сварных швов, выполненых электродами производства КНР (а) и России (б) роста, в соответствии с положениями механики разрушения, описывается вы ражением:
= f ( K ), dl (1) dN где dl – приращение длины трещины за количество циклов dN;
K – изменение коэффициента интенсивности напряжений.
Для сварного шва трубной стали класса прочности Х70 экспериментально получены зависимости длины трещины от числа циклов нагружения (рисунок 10). Топография усталостной трещины, которая развивалась от концентратора напряжений в виде v – образного надреза, приведена на рисунке 11.
В растворе 3% NaCl На воздухе Длина трещины, мм 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Число циклов, N Рисунок 10 - Зависимость длины трещины Рисунок 11 - Внешний вид тре от числа циклов щины, Х Обработка экспериментальных данных, приведенных на рисунке 10, по зволила получить зависимости скорости роста усталостных трещин от коэффи циента интенсивности напряжений (рисунок 12).
0, 0, 0, dl/dN, мм/цикл 0, 0,004 В 3% NaCl На воздухе 0, 0, 0 20 40 60 80 100 120, МП * 1/ Рисунок 12 - Зависимости скорости роста трещин от коэффициента интенсивности напряжений Полученная эмпирическая зависимость, в отличии от зависимости Пэриса (2), являются логарифмическими и описываются выражением = a + b ln ( p K ), dl (2) dN где р - единичный нормирующий множитель, 1/(МПам1/2), a и b – эмпи рические коэффициенты, полученные регрессионным анализом, значение кото рых приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Коэффициенты эмпирической модели, описывающей процесс роста усталостной трещины сварных швов из стали Х70, м/цикл Условия эксперимента а b 3% NaCl -4,55Е-08 2,56Е- воздух -2,16Е-08 1,59Е- Расчет остаточного ресурса проводили с использованием ЭВМ.
Полученные графические зависимости количества циклов нагружения от длины трещины и действующих напряжений на воздухе и в 3% NaCl приведе ны на рисунке 13.
а б а – на воздухе;
б – в 3% NaCl Рисунок 13 – Остаточный ресурс металла трубы из стали Х Использование найденной эмпирической зависимости и ее параметров позволяет рассчитать ресурс безопасной эксплуатации нефтегазопроводов из стали Х70, имеющих различные дефекты в сварном шве.
ВЫВОДЫ 1. Выявлено распределение физико-механических свойств (микротвер дость) и связанных с ними электрохимических свойств в сварных соединениях, полученных сварочными электродами производства РФ и КНР на сталях 10, и 17Г1С, свидетельствующие о существенной гетерогенности контролируемых показателей по их зонам.
2. Установлено, что с увеличением в сталях содержания углерода и леги рующих элементов наблюдается обоснованный с точки зрения механохимии металлов и сплавов рост скорости коррозии (сталь10 – 0,17 мм/год, сталь20 0.25 мм/год и сталь17Г1С - 0.33 мм/год), связанный с повышением прочности сталей и снижением их термодинамической устойчивости.
3. Наиболее высокую коррозионную стойкость имеют сварные швы, вы полненные электродами производства КНР марки Е4303, которая сравнима с коррозионной стойкостью швов, полученных электродами марки МР-3 произ водства России, что объясняется присутствием в составе покрытия, двуокиси титана, соответствующим микролегированием металла шва и установленной в работе более однородной его микроструктурой.
4. Проведенными исследованиями установлено взаимосвязанное измене ние растягивающих напряжений и электрохимических показателей в виде вели чин электродных потенциалов и плотностей анодного тока растворения в усло виях одноосного механохимического нагружения в модельной среде 3% NaCl для сварных соединений, полученных различными сварочными материалами.
При этом установлено, что по данным механохимических исследований элек трод марки Е4303 обеспечивает наибольшую коррозионной стойкость сварного шва по токовому показателю среди сравниваемых сварочных электродов.
5. Исследованиями циклической трещиностойкости металла сварного шва трубы из стали группы прочности Х70 показано, что зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений подчиняется лога рифмическому закону. Найденные эмпирические коэффициенты полученной в работе зависимости позволяют проводить расчет ресурса безопасной эксплуа тации трубопроводов с различными дефектами в сварном шве.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Худяков М.А., Би Вэньцзюнь. Формирование физико-химической од нородности сварных соединений трубопроводов. //III конгресс нефтегазопро мышленников России. Тезисы стендовых докладов (Уфа, 23-25 мая 2001 г.). – Уфа: ИПТЭР, 2001. - С. 4.
2. Худяков М.А., Би Вэньцзюнь. Повышение коррозионной стойкости сварных соединений металлоконструкций. // Проблемы строительного ком плекса России: Материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. – Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 108-109.
3. Худяков М.А., Би Вэньцзюнь. Влияние геометрических концентрато ров напряжений на работоспособность нефтепроводов. // Трубопроводный транспорт нефти и газа: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспи рантов, молодых ученых и специалистов. – Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 167-168.
4. Худяков М.А., Би Вэньцзюнь. Коррозия сварных соединений из сталей 20 и 17Г1С. // Тезисы докладов 53-й научно-технической конференции студен тов, аспирантов и молодых ученых. – Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 73.
5. Би Вэньцзюнь, Худяков М.А. Влияние радиуса перехода от шва к ос новному металлу на долговечность сварных соединений трубопроводов. // Тру бопроводный транспорт – сегодня и завтра: Материалы междунар. науч.-техн.
конф.. – Уфа: УГНТУ, 2002. – С. 274 – 275.
6. Би Вэньцзюнь, Худяков М.А., Абдуллин И.Г. Коррозия сварных соеди нений трубопроводов из сталей 20 и 17Г1С. // Материалы IV конгресса нефте газопромышленников России. – Уфа: РИА Центра «РИД», 2003. - С. 190 – 192.
7 Би Вэньцзюнь, Худяков М.А., Абдуллин И.Г. Коррозионно механическая прочность сварных соединений из сталей 20 и 17Г1С. // Реализа ция государственных образовательных стандартов при подготовке инженеров – механиков: проблемы и перспективы: II Всерос. учеб.-науч.-метод. конф. – Уфа: УГНТУ, 2003. – С. 275 – 280.
8. Би Вэньцзюнь. Анализ микроструктуры и распределения твердости по зонам сварных соединений. // Материалы 54-й науч.-техн. конф. студентов, ас пирантов и молодых ученых. – Уфа: УГНТУ, 2003. - С. 321 – 322.
9. Гареев А.Г., Худяков М.А., Би Вэньцзюнь. Определение остаточного ресурса стали Х70 в условиях малоцикловой усталости. // Новоселовские чтения:
Материалы 2-й Междунар. науч. техн. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. - С.
101.