Гипотеза влияния неметаллических включений на КРН

В научно-технической литературе по проблеме стресс-коррозии марочный состав сталей в аварийных трубах освещён достаточно широко [47]. Представлены многочисленные данные экспертных исследований состава, структуры и свойств сталей в аварийных трубах [68, 105].

В 50-60-х гг. трубы большого диаметра изготавливались из горячекатаных и нормализо­ванных стальных листов. Данные стали содержали до 0,2 % углерода и 1,5 % марганца, соответ­ствовали по пределу текучести марке ст. Х60. Дальнейшее повышение прочности металла было достигнуто в начале 70-х гг. за счет уменьшения размеров зерна - совершенствования структуры в процессе термомеханической обработки по методу контролируемой прокатки с одновремен­ным уменьшением процентного содержания углерода до 0,12 %. В результате были получены низколегированные высокопрочные трубные стали с номинальным пределом текучести 460 МПа (Х65), 480 МПа (Х70), что позволяло при тех же толщине стенки и диаметре труб обеспечивать повышенные уровни рабочих давлений или увеличивать диаметр труб до 1220 и 1420 мм на ра­бочие давления соответственно 10 и 7,35 МПа [137]. В начале XXI века освоено производство труб большого диаметра из высокопрочных марок стали GRS 550 ТМ (Х80, XI00) с минималь­ным пределом текучести 550 МПа, которые включены в американский стандарт API на рабочее давление до 10 МПа и более [33, 77, 207]. Таким образом, принята концепция сооружения га­

зотранспортных систем из труб с повышенными прочностными показателями, позволяющая су­щественно снижать металлоемкость и другие показатели эксплуатации и строительства систем [208].

Данных о том, что существуют определенные группы стресс-коррозионностойких сталей, не имеется, но лабораторные испытания показывают заметные отличия в чувствительности к КРН различных трубных сталей [70, 211, 200].

По результатам некоторых экспертных исследований труб, отмечена связь аварийных раз­рушений с недостаточной чистотой трубных сталей по неметаллическим включениям, так как неметаллические включения оказывают влияние на надежность конструкции во всех стадиях жизненного цикла металла: от «рождения» - выплавки, при фазовых переходах в процессах тер­мической обработки, при работе в конструкции и до ее «гибели» вследствие коррозионно-меха­нического или иного типа разрушения [134, 135, 170].

Согласно данным исследованиям, проявление действия неметаллических включений в процессе деформации металла при прокатке листа-заготовки для трубы в общем случае можно описать следующим образом. Включения прежде всего являются инициаторами скольжения, в направлении которых возникают вакансионные потоки и зарождаются дислокационные источ­ники. Происходит коагуляция, вакансий с образованием первичного нарушения сплошности гра­ницы «металл-включение» [137]. В процессе формовки трубны на прессах, правки труб в экспан­дерах, описанная выше неоднородность структуры металла и аномальность в распределении не­металлических включений в исходном трубном листе, ввиду различия пластических свойств участков листа, вносят свой вклад в общую неравномерность распределения остаточных дефор­маций по сечению трубы.

рицы и образуя локальные расслоения [158]. Во время эксплуатации, т.е. при низкотемператур­ной деформации стали ниже температуры рекристаллизации, вокруг неметаллических включе­ний (как хрупких, так и пластичных) возрастает плотность дислокаций, в которых накапливаются атомы азота и водорода, образуя скопления, называемые «облаками Коттрелла». В этих зонах активизируется процесс деформационного старения, при котором прочность и твердость повы­шаются, а пластичность и вязкость понижаются [208]. В объеме хрупких включений концентри­руются остаточные термические напряжения, приводящие к локальной пластической деформа­ции - растяжению металла и возникновению зон предразрушения в металлической матрице. В объеме пластичных включений с пористой структурой происходит накопление упругой энергии деформации, аккумулируемой сжатым газом, содержащимся в пористой массе включений и ва­кансиях, дислокациях, в окружающей металлической матрице.

Влияние неметаллических включений подтверждается в исследовательских работах по ре­зультате проведения внутритрубной дефектоскопии трансканадских трубопроводов (British Gas in-line inspection). Участки трубопроводов, подверженные КРН, имели большую загрязненность по неметаллическим включениям в продольном сварном шве. Основной металл труб был чистым как по примесям, так и по металлическим включениям [211].

В ГНЦ ЦНИИчермет им. И.П.Бардина проведена оценка влияния металлургических фак­торов на КРН при низком pH (испытания в суспензии грунта) металла труб, используемых в стро­ительстве магистральных трубопроводов в 80-х годах [70]. Исследованный металл имел разный марочный состав и разные температурнодеформационные условия прокатки. По способу произ­водства (нормализация, контролируемая прокатка, термоулучшение) исследованный металл представлял все основные способы производства листа для труб по состоянию на период строи­тельства современных действующих газопроводов.

Но подходя к практическому значению теории о неметаллических включениях как основ­ной причине КРН, на практике главенствующим является мнение, что в современных условиях экономичное коррозионностойкое легирование невозможно, так как количество легирующих до­бавок, достаточных для подавления КРН, находится на уровне, характерном для нержавеющих сталей. Это выходит за рамки экономической целесообразности [85, 166, 201, 210, 211].

Однако, нельзя исключать возможность оптимизации производства труб с целью прида­ния им металлургической стресс-коррозионной стойкости за счет оптимизации сквозной техно­логии производства современных трубных сталей, включая оптимизацию состава, термомехани­ческих режимов контролируемой прокатки, уменьшение размера зерна и регулирование состоя­ния поверхности [213]. Однако, в настоящее время металлургические принципы повышения стойкости стали только разрабатываются, и, очевидно, что это не столь актуально для уже по­строенных трубопроводов, чем физико-механические и электрохимические особенности разви­тия стресс- коррозионных разрушений [148].

Если рассматривать проблему КРН на магистральных газопроводах с более практических позиций, то основные негативные проявления — это аварии, происходящие на уже построенных трубопроводах в результате развития дефектов в трубах, произведенных в 70-е и 80-е годы. Сле­дует перейти к обобщению материалов по авариям и рассмотреть технологические особенности производства двушовных труб большого диаметра, из которых построено большинство маги­стральных газопроводов.

1.3.4