ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2011, том 111, № 3, с. 290-303
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194:539.25
ДЕГРАДАЦИЯ СТРУКТУРЫ ТРУБНОЙ СТАЛИ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В КОНТАКТЕ С СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДОЙ
© 2011 г. В. М. Счастливцев, Т. И. Табатчикова, Н. А. Терещенко, И. Л. Яковлева
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 19.07.2010 г.
Исследованы фазовый состав и структура дефектных фрагментов трубопроводов после длительной эксплуатации в контакте с сероводородсодержащей средой. По изменению структуры реконструирован процесс зарождения трещин и разрушения низкоуглеродистой феррито-перлитной стали, содержащей шлаковые расслоения и выделения сульфидов типа (Бе,Мп)8. Проанализированы условия, при которых в ходе эксплуатации формируется блочная субструктура цементита, происходит трансформация пластинчатой формы карбидной фазы. Установлено, что выделяющиеся при этом дисперсные карбиды ограничивают подвижность дислокаций и тем самым способствует деградации эксплуатационных свойств трубной стали.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь, феррито-перлитная структура, водородное расслоение, сульфиды марганца, напряжения, карбидная фаза.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование поведения трубных сталей в процессе длительной эксплуатации имеет большое значение для понимания процессов разрушения. Прикладная задача таких исследований состоит в оценке технического состояния материала труб и выработке прогнозов, касающихся перспектив дальнейшей безопасной эксплуатации действующих газопроводов. Анализ стандартных механических свойств сталей, регламентируемых отраслевыми документами, мало информативен. Известно [1], что предел прочности и твердость трубных сталей в процессе эксплуатации изменяются несущественно, значения предела текучести несколько увеличиваются, а уровень относительного удлинения снижается. При этом изменение механических свойств материала за 25— 29 лет эксплуатации труб в составе магистральных газопроводов под давлением 5.4 МПа не нарушает соответствия фактических характеристик, требуемым по нормативу. Однако с увеличением срока эксплуатации проявляется тенденция к повышению температуры вязко-хрупкого перехода, развиваются усталостные процессы, приводящие к снижению критического размера допустимых дефектов, возрастает опасность коррозионного растрескивания под напряжением [2].
Научный аспект этого круга проблем связан с влиянием условий эксплуатации на структуру и свойства материала конструкций. Большинство труб, длительное время находящихся в эксплуатации, выполнено из низкоуглеродистых низколегированных сталей типа стали 20. Структура таких
сталей включает феррит и некоторое количество перлита, которые способны претерпевать существенные изменения в результате внешних воздействий. Анализ литературных данных свидетельствует о том, что влияние температуры и деформации исследовано достаточно полно. Нагрев до температур ниже А1 и выдержка в а-состоянии приводит к дроблению пластин цементита, коагуляции и сфе-роидизации карбидов, способствует полигониза-ции и рекристаллизации ферритной фазы [3]. Результат воздействия пластической деформации на трансформацию структуры низкоуглеродистых сталей определяется характером нагружения: степень деградации перлитной составляющей и наклеп феррита различны при прокатке [4], циклическом нагружении [5].
Присутствие в продукте транспортировки даже небольшого количества сероводорода (до 5%) оказывает каталитическое действие на процесс наводоро-живания низколегированных сталей [6]. Поэтому при контакте с сероводородсодержащей средой возможно изменение свойств материала и снижение конструктивной прочности трубопроводов в результате насыщения металла водородом. Диагностирование действующих газопроводов с применением внутритрубной дефектоскопии высокого разрешения позволило установить, что в процессе эксплуатации увеличивается дефектность металла труб; в том числе количество водородных расслоений возрастает по экспоненциальному закону [7]. Количество поглощенного водорода и поведение наводороженного металла зависит не только от положения его атомов в
междоузлиях кристаллической решетки, а во многом определяется структурой материала и наличием в нем дефектов [8]. На окклюзионную способность стали 20 оказывают влияние природа неметаллических включений, их количество, форма и дисперсность [9, 10]. Сталь с выделениями нитридов титана обладает наименьшей окклюзивной способностью, в то время как присутствие сульфидных частиц резко ее увеличивает, повышению растворимости водорода способствует дробление неметаллических включений. Абсорбционную емкость железа и сталей увеличивает пластическая деформация [8]. В стали с 0.23% С обнаружено влияние формы карбидных включений на окклюзию водорода, которое особенно заметно проявляется при температуре ниже 400°С [8]. При комнатной температуре окклюзия водорода в образцах со сфероидальным и тонкопластинчатым перлитом несколько больше, чем в стали с коагулированными частицами карбидов. Из таких наблюдений можно сделать вывод о значительной роли поверхности раздела карбид—феррит и малой абсорбционной емкости частиц карбида.
Изучению реакции материала на введение водорода посвящено большое число работ. Растворенный в металле водород вызывает расширение кристаллической решетки и увеличение удельного объема. В неравновесных условиях любые концентрационные неоднородности водорода приводят к возникновению напряжений; термодинамический анализ показывает, что наличие таких напряжений оказывает влияние на протекание диффузионных процессов в системе металл—водород [11]. При электронно-микроскопических исследованиях установлена активизация водородом перемещения винтовых дислокаций и снижение напряжения старта дислокационных источников в железе; однако взаимодействие водорода с дислокациями в большей степени проявляется при криогенных температурах, так как все пики внутреннего трения, связанные с состоянием водорода в железе, расположены ниже 200 К [12].
Последствия наводороживания на механическое поведение железа многогранны. Железо, как и другие металлы, демонстрирует снижение пластичности. Принято считать, что водородная хрупкость относится к существованию твердого раствора железо—водород, однако при наличии неоднородного силового поля напряжений возможно образование гидридоподобных фаз [13]. В отличие от хладноломкости, обусловленной присутствием углерода и азота, водородная хрупкость в железе и сталях проявляется в большей степени при низких скоростях деформации [14]. Наводороживание армко-желе-за, по сути — феррита, облегчает пластическую деформацию в районе предела текучести: полосы Лю-дерса появляются раньше и распространяются быстрее [15]. Наводороживание стали приводит к снижению ее сопротивления отрыву и повышению сопротивления сдвига [16]. В опытах по механическому деформационному последействию [17] уста-
новлено, что величина этого эффекта зависит от схемы нагружения (растяжение, изгиб) и состояния железа (монокристалл, поликристалл). Ускорение микропластической деформации имеет место только в сплавах на основе железа, в структуре которых присутствует в заметном количестве ферритная составляющая. В сплавах Бе—С, имеющих в отожженном состоянии феррито-перлитную структуру, наблюдается значительно меньшее механическое деформационное последействие при насыщении водородом, чем в чистом железе. Относительно невелики эти эффекты и в сталях мартенситного класса, а также в сплаве Бе—3% 81.
Чрезвычайна важна информация о поведении сплавов на основе железа непосредственно в процессе нагружения и насыщения водородом, так как именно динамическое наводороживание наиболее близко воспроизводит условия эксплуатации реальных конструкций. Неравновесный характер процессов, происходящих при одновременном наводо-роживании и деформировании, может оказывать существенное влияние на поведение материала. Вместе с тем многие проблемы, связанные с воздействием наводороживания на структуру и свойства сталей, изучены недостаточно. В частности, нуждаются в дальнейшем развитии представления об эволюции структурного состояния низкоуглеродистых феррито-перлитных сталей при совместном воздействии водородсодержащей среды и растягивающих напряжений.
Исходная структура низколегированных трубных сталей, содержащих около 0.2% углерода, хорошо известна. Она состоит из феррита и перлита, количество которого достигает 20%. Как правило, при малых увеличениях в них наблюдается строчечная структура, в которой относительно широкие полосы ферритных зерен разделены более узкими перлитными прослойками. Неметаллические включения обычно достаточно прочно соединены с матрицей. Во время эксплуатации труб в в сероводородсодер-жащей среде в структуре стали могут происходить изменения.
Поэтому в настоящей работе поставлена задача исследовать состояние малоуглеродистой низколегированной стали после длительной эксплуатации в контакте с сероводородной средой, реконструировать процесс ее разрушения и на этой основе выявить наиболее существенные факторы, способствующие деградации структуры.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом для исследования послужили фрагменты магистральных трубопроводов. Диаметр труб равнялся 720 мм, толщина стенки — 18 мм. Срок их эксплуатации при освоении Оренбургского нефтега-зоконденсатного месторождения составлял от 15 до 25 лет; после чего по результатам периодической
Рис. 1. Схема напряжений, действующих на материал трубы в процессе эксплуатации.
внутритрубной дефектоскопии они были признаны опасными для дальнейшего использования.
В течение времени эксплуатации трубопровод находится в условиях, оказывающих негативное влияние на его работоспособность. В процессе эксплуатации материал трубы испытывает сложнона-пряженное состояние, схема которого приведена на рис. 1. При прохождении газа внутри трубы возникает высокое давление, под действием которого материал трубы сжимается в радиальном направлении. Одновременно давление газа создает растягивающее напряжение, действующее по направл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.