Тема 10. Определение остаточного ресурса с учетом старения стали трубы

1. Физико-химические и структурные изменения стали трубы при длительной эксплуатации.

2. Изменение механических характеристик стали при длительной эксплуатации. 

3.Определение установленного давления и остаточного ресурса с учетом старения стали трубы.

 

10.1. Физико-химические и структурные изменения стали трубы при длительной эксплуатации.

    Деформационное старение малоуглеродистой стали, впервые было обнаружено Баушенгером (1888г.), Чернов Д.К. (1898 г.) также наблюдал деформационное старение в  мягких сталях. Современные представления на достаточно  высоком научном уровне для ряда сплавов были сформированы только к 1949 г.

По настоящее время теорию деформационного старения развивали Новоглинов В.Б., Гусенков А.П., Гриднев В.Н., Говрилюк В.Г., Морозов Е.М. и Ямалеев К.М. – для целого ряда малоуглеродистых низколегированных труб нефтепроводов, пробывших в эксплуатации до 40 лет.

    В исходном состоянии (сразу после изготовления) малоуглеродистая сталь представляет собой сочетание зерен феррита с примесями и цементита.

Феррит - твердый раствор углерода (С) в α-железе (Fe₂) (вкрапление атомарного углерода).

Цементит - химическое соединение железа с углеродом -железоуглерод - Fe₃C.

Примеси феррита: N - азот - 10^-5 %;

С - избыточный углерод - 10^-7%.

Было установлено, что в малоуглеродистых, в т.ч. и низколегированных сталях при деформациях в процессе эксплуатации происходят сложные изменения тонкой структуры и их структурно-чувствительных свойств (чувствительных к изменению структур), вследствие физико-химических превращений (изменений) в составе кристаллической структуры.

    Основные фазовые превращения, изменения и процессы:

1) превращение феррита;

2) распад твердых   перенасыщенных растворов феррита и цементита и сопровождающие этот распад химико-физические процессы;

3) мартенситные превращения;

4) упорядочение структуры;

5) полиморфные превращения.

    Главную роль в малоуглеродистых сталях играет первый процесс и последующие изменения структуры.

 

10.1.1. Превращение феррита.

Твердый перенасыщенный раствор феррита (которого много в малоуглеродистой стали) сдержит некоторое количество азота и избыточного углерода. Оказывается, при деформировании структуры стали, азот образует нитриды железа (Fe₂N₅), а избыточный углерод - карбиды железа (Fe₂C₅). Основную роль в процессе старения стали играют нитрид железа и избыточный углерод, растворимость и подвижность которых в кристаллической решетке выше в 20 раз, чем у углерода, а также карбид железа. Поскольку нитрид и карбиды располагаются по границам зерен, то при деформации имея большую подвижность и меньшую механическую прочность эти включения дробятся. Так зарождаются дислокации деформационного старения, что выражается, прежде всего, в охрупчивании  стали, т.е. в снижении ударной прочности при одновременном некотором увеличении предела пластичности   за счет потери пластических свойств   при охрупчивании структуры.

 

10.1.2. Распад цементита.

Цементит представляет собой соединение железа с углеродом  в соотношении  3:1(железоуглерод).

При деформации цементит распадается с выделением перлита и феррита и выделением свободных атомов углерода, что тоже приводит к увеличению Fe₂C₅, увеличению дислокаций, т.е. дефектов кристаллической решётки, и дополнительному опережению вязкого сопротивления структур.

Распад цементита и превращение феррита являются основными причинами структурных изменений и изменений механических свойств  в трубных низколегированных сталях.

 

 

10.2 Изменение механических характеристик сталей в процессе деформационного старения.

В процессе структурных изменений при деформационном старении изменяются следующие характеристики низколегированных сталей:

- ударная вязкость, МДж/м²; - снижается

- предел прочности , МПа; - возрастает (незначительное)

- предел текучести , МПа;  - несколько возрастает

- число циклов до разрушения при малоцикловой деформации - уменьшается.

Д.т.н. Ямалеевым К.М. было исследовано деформационное старение большого числа образцов нефтепроводных труб из стали 17ГС, 14ХГС, 19Г, 14ГН, Х52, 10Г2С и др. Некоторые результаты представлены ниже:

а) ударная вязкость для стали 17ГС

 

Таблица 11.1.

Марка стали	Время эксплуатации,  лет	Ударная вязкость КСV, МДж/м2 при температуре:
		Т=200	Т=-400 С
17ГС	0 16 19 29	0,6…0,7 0,43 0,46 0,30	0,40 0,23 0,18 0,13

 

б) число циклов до разрушения при малоцикловой деформации для стали 17ГС при амплитуде деформации образца изгибом А=27 мм.

Таблица 11.2.

Время эксплуатации, лет	0	12	16	19	29	31
Число циклов на момент разрушения, N	45000	40000	34900	33000	27500	24900

 

в) для малоуглеродистых низколегированных  нетермообработанных сталей σ_В  и σ_0,2 несколько увеличивается (деформационное упрочнение), но абсолютные данные не приводятся, а приводятся специально разработанные характеристики деформации или старения.

 

           (1);                   (2).

Рис.10.1.

 

Для 17ГС: σ_в → возрастает на 3…4% за 30 лет;

              σ_0,2 → возрастает на 30% за 30 лет.

г) коэффициент упрочнения - k_у:

                              (10.1)

 Где  - предел прочности длительно эксплуатируемой стали;

    - предел прочности стали в начале эксплуатации.

д) коэффициент деформационного стали с_t:

                         (10.2)

 

где  – число циклов до разрушения стали в исходном состоянии (до начала эксплуатации);

 – число циклов деформации, которому фактически подвергалась сталь в процессе работы (   ) через   лет - определяется по расчетам и статической обработке данных диспетчерских журналов;

 – количество циклов до разрушения при испытании образца стали трубы, находившегося в эксплуатации   лет.

Таблица 3.

Коэффициенты k_у и с_t для стали 17ГС.

 

Время эксплуатации, лет	0	12	16	19	29	31
kу	1	1	1,01	1,02	1,03	1,04
СD	1	1,08	1,14	1,23	1,29	1,35

 

Коэффициенты k_у и с_t, а также число циклов   используются для определения остаточного ресурса и установления рабочего давления длительно действующих нефтепроводов.

 

 

10.3. Определение установленного рабочего давления и остаточного ресурса с учетом старения стали трубы.

 

10.3.1. Установленное рабочее давление – это разрешенное рабочее давление в нефтепроводе, определяемое с учетом старения метала трубы.

Из СНиП 2.05.06-85* можно вывести формулу максимального допустимого рабочего давления, позволяющую рассчитать давление по расчетному сопротивлению R₁ через кольцевые напряжения и  заданную толщине стенки трубы.

Известно: 

   (*)

Вместо , с учетом n→ (*).

Получаем:

(**),

 

где   (***),

 

Где m – коэффициент условий работы;

 n – коэффициент надежности по нагрузке;

 k₁ - коэффициент надежности по материалу;

 k_н - коэффициент надежности по назначению трубопровода.

 С учетом k_у и с_D:

(10.3)

или

(10.4)

 

 

10.3.2. Остаточный ресурс стенки трубы нефтепровода может контролироваться исходя из формулы (11.2) следующим образом:

1) по диспетчерским журналам устанавливается число циклов нагружения нефтепровода к моменту определения ресурса ;

2) по документам на сталь и данным испытания до начала эксплуатации определяется ;

3) зная рекомендованные значения с_t из таблиц для интересующего интервала лет, вычисляется остаточное число циклов нагружения теоретическое:

;                  (10.5)

4) зная число циклов нагружения в год из статической обработки, , можно прогнозировать ресурс:

.                 (10.6)

Для контроля можно сделать выборочные разрезы стенки трубы в интересующих местах, испытать образцы и получить . Если обеспечивается условие: ≈    (10.7), то прогноз правилен.