eng
Выпуск #6/2017
А.С.Гуляев
Влияние почв на коррозию стальных труб. Моделирование стресс-коррозионных процессов
Влияние почв на коррозию стальных труб. Моделирование стресс-коррозионных процессов
Просмотры: 2443
Обсуждается необходимость квалифицированной оценки состояния труб для предотвращения чрезвычайных ситуаций на трубопроводах, эксплуатируемых 15–20 и более лет. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик трубных сталей магистральных нефтепроводов в модельных агрессивных средах, построены графические зависимости, дан анализ коррозионно-механических процессов.
УДК 620.193.92:621.643; ВАК 00.02.00
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.37.6.74.77
УДК 620.193.92:621.643; ВАК 00.02.00
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.37.6.74.77
Теги: corrosion of metal model environment pipeline stress-strain curve диаграмма деформации коррозия металла модельная среда трубопровод
Длительное воздействие нагрузок на металл трубопровода в грунтовом массиве вызывает различные структурные изменения, в том числе деформацию и релаксацию напряжений. Поэтому, изучив закономерности изменения физико-механических свойств материала трубопровода в процессе длительной эксплуатации, можно более точно прогнозировать остаточный ресурс их работы. В современных условиях, когда значительная часть трубопроводов функционирует 15–20 лет и близка к исчерпанию ресурса работы, исследование их коррозионно-механического поведения становится актуальной научной задачей.
Испытания образцов из материала трубопроводов на воздухе и в жидких рабочих средах проводили в режиме статической нагрузки чистым изгибом с автоматической регистрацией прогиба и величины электродного потенциала по методике [1]. Для измерения потенциалов использовали хлорсеребряный электрод сравнения. Результаты обрабатывали с помощью ПО на базе языка Modelica под названием Wolfram SystemModeler, которое предоставляет интерактивную графическую среду для моделирования физико-технических и биохимических объектов, а также содержит множество конфигурируемых библиотек компонентов.
Стрела прогиба δ, длина рабочей части lp и минимальный радиус кривизны образца ρmin связаны соотношением:
.
Относительную деформацию крайнего волокна определяли по формуле [2]:
,
где b – толщина образца.
При прогнозировании коррозионного поведения трубопроводов необходим комплексный анализ внутренних (состояние поверхности и термодинамическая устойчивость металла, кристаллографический фактор, гетерогенность сплавов, величина зерна, механический фактор и др.) и внешних факторов (агрессивность среды, температура, pH и др.), характеризующих скорость коррозии материала труб в эксплуатационной среде. Основной показатель скорости коррозионного разрушения, как при частичной, так и при равномерной коррозии – глубина проникновения [3]. В обоих случаях глубину коррозионного разрушения независимо от вида металла или сплава измеряют в миллиметрах в год.
Скорость коррозии определяют по формуле
в год,
где m0 – начальная масса образца; m1 – масса образца с продуктами коррозии; S – площадь образца; t – время опыта; n – коэффициент, который зависит от состава продуктов коррозии.
Для испытаний выбирали плоские образцы из материала различных участков линейной части трубопровода [4]. Подготовка включала механическую очистку с помощью мелкодисперсного абразива, обезжиривание органическим растворителем (ацетон, толуол или бензол) и взвешивание на аналитических весах [5]. Образцы помещали в стаканы с растворами, которые моделировали агрессивную среду. После окончания опыта их вынимали из емкостей, быстро измеряли размеры поверхностей, которые были погружены в агрессивную среду, а затем влажной резинкой снимали нерастворимые продукты коррозии [6]. После промывки дистиллированной водой и тщательного высушивания фильтровальной бумагой образцы снова взвешивали.
Для моделирования стресс-коррозионных процессов проведен анализ грунтовых вод на разных стадиях транспортировки сырой нефти. Выбраны три модельные среды, которые соответствуют разной глубине залегания вод в почве (табл.1).
Для построения номинальных диаграмм деформации использовали непосредственную ступенчатую нагрузку (разгрузку) изгибом, когда с уменьшением сопротивляемости образца передаваемой на него нагрузке напряжение не уменьшается (рис.1). Увеличение или уменьшение нагрузки проводили с шагом 20 МПа: в течение одной секунды номинальное напряжение увеличивали на 20 Мпа, выдерживали это значение в течение 19 с, а затем поднимали напряжение на следующую ступень и т.д. Такой режим нагрузки учитывает отставание деформации от напряжения во времени и позволяет углубленно изучать процессы деформационного упрочнения и ползучести.
Экспериментальные исследования явления ползучести, результаты которых в последнее время все чаще используют в инженерных расчетах для оптимизации конструкций трубопроводов, проводят преимущественно при растяжении. Ползучесть часто рассматривают как медленную текучесть металла. Как известно, в основе теории пластического течения лежит представление о поверхности текучести. В процессе статического изгиба происходит закономерное перемещение поверхности текучести, то есть ее эволюция.
Кривые ползучести для трех выбранных модельных сред приведены на рис.2. Характер и кинетика процесса в каждом отдельном случае определяли продолжительность испытаний, что позволило за относительно короткое время провести серию экспериментов и вычислить параметры области низкотемпературной ползучести.
Ползучесть металла в коррозионно-активной среде, как и на воздухе, носит стадийный характер [7]. Продолжительность первой стадии больше зависит от номинальных напряжений и меньше – от химического состава среды. Анализ зависимостей прироста коррозионной ползучести от величины номинальных напряжений и химического состава среды позволяет сделать вывод, что наибольший их синергический эффект наблюдается в МС2, наименьший – в МС1 (рис.2 и 3).
МС2 является наиболее опасной с химической точки зрения средой, поскольку процесс разложения в ней контролируется коррозионным фактором. Это значит, что даже при минимальных механических напряжениях коррозия в такой среде будет проходить достаточно интенсивно. В МС1 наблюдается смешанный тип разложения с акцентом на механическом факторе. МС3 по коррозионной активности занимает промежуточное место.
Рассмотрим подробнее влияние механического фактора на процесс коррозионного разложения. Для исследования выбраны нормальные напряжения σ1 = 1,6σ0,2, σ2 = 1,37σ0,2 и σ3 = 1,03σ0,2, которые равны 390, 335 и 250 МПа, соответственно (σ0,2 – условный предел текучести, при котором остаточная деформация образца составляет 0,2 %).
Известно, что чем ниже потенциал металла и быстрее процесс коррозионного разложения, тем выше опасность возникновения и углубления коррозионных поражений. Зависимость стационарного потенциала стали трубопровода от ее напряженно-деформированного состояния иллюстрирует рис.4. Как мы и прогнозировали, максимальная скорость коррозии наблюдается в МС2, наименьшая – в МС1.
На рис.5 представлена гистограмма, которая характеризует скорость уменьшения толщины стенки трубы в зависимости от напряжения для разных сред. Видно, что даже при минимальном уровне напряжений она может достигать 0,125–1,25 мм/год в зависимости от химического состава среды и уровня номинальных напряжений.
С ростом величины нормальных напряжений от 1,05 до 1,6σ0,2 увеличение общей скорости коррозии в модельных средах может достигать 25%. Таким образом, при расчете остаточного ресурса имеющихся трубопроводов и проектировании новых ни в коем случае нельзя пренебрегать механическим фактором. Необходимо также учитывать непрерывное интенсивное движение коррозионной среды, при котором:
• происходит постоянное смывание нерастворимых продуктов коррозии, то есть ухудшается пассивация поверхности;
• проявляется склонность к локализации коррозионных процессов из-за того, что изначально пораженное место не может пассивироваться: появляется разница в потенциалах и образуется гальванический элемент, в котором пораженный участок становится анодом, а непораженный – катодом;
• скорость локальной коррозии может в 2–8 раз превышать скорость общей.
Необходимо учитывать, что при неблагоприятных условиях механический фактор и движение среды будут усиливать коррозионные процессы. Нетрудно подсчитать, что скорость локальной коррозии и, соответственно, скорость уменьшения толщины стенки могут вырасти в 2,5–10 раз. Согласно РД 38.13.004-86 можно дать следующие рекомендации по эксплуатации труб разных средах: в благоприятной МС1 и в умеренной МС3 необходимо проводить ревизии раз в два года, а в самой неблагоприятной МС2 – не реже одного раза в год.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 30432-96 Трубы металлические. Методы отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний // М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. 15 с.
2. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / Пер. М.И.Рейтмана под ред. Г.С.Шапиро // М.: Наука. 1979. С. 27–30.
3. Притула В.В. Коррозионная ситуация на газонефтепроводах России и их промышленная безопасность // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2015. № 2 (48). С. 6–10.
4. ГОСТ 28168-89 Почвы. Отбор проб // М.: Стандартинформ, 2008. 8 с.
5. Клисенко Л.Б., Лапшин А.П., Кудрин Д.В. Вероятные причины образования ручейковой коррозии в промысловых нефтепроводах, выявленной при техническом диагностировании // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 9 (22). С. 58–61.
6. Калашникова И.В., Токмаков Е.А. Методический подход к оценке состояния магистральных нефтепроводов // В сб.: Cовременные проблемы экономического развития предприятий, отраслей, комплексов, территорий. Материалы международной научно-практической конференции / Под ред. И.В.Брянцевой, Л.Л.Бияк, И.В.Калашниковой // Хабаровск, 2015. С. 486–489.
7. Работнов Ю.Н. Сопротивление материалов // М.: Физматгиз, 1963. 456 с.
Испытания образцов из материала трубопроводов на воздухе и в жидких рабочих средах проводили в режиме статической нагрузки чистым изгибом с автоматической регистрацией прогиба и величины электродного потенциала по методике [1]. Для измерения потенциалов использовали хлорсеребряный электрод сравнения. Результаты обрабатывали с помощью ПО на базе языка Modelica под названием Wolfram SystemModeler, которое предоставляет интерактивную графическую среду для моделирования физико-технических и биохимических объектов, а также содержит множество конфигурируемых библиотек компонентов.
Стрела прогиба δ, длина рабочей части lp и минимальный радиус кривизны образца ρmin связаны соотношением:
.
Относительную деформацию крайнего волокна определяли по формуле [2]:
,
где b – толщина образца.
При прогнозировании коррозионного поведения трубопроводов необходим комплексный анализ внутренних (состояние поверхности и термодинамическая устойчивость металла, кристаллографический фактор, гетерогенность сплавов, величина зерна, механический фактор и др.) и внешних факторов (агрессивность среды, температура, pH и др.), характеризующих скорость коррозии материала труб в эксплуатационной среде. Основной показатель скорости коррозионного разрушения, как при частичной, так и при равномерной коррозии – глубина проникновения [3]. В обоих случаях глубину коррозионного разрушения независимо от вида металла или сплава измеряют в миллиметрах в год.
Скорость коррозии определяют по формуле
в год,
где m0 – начальная масса образца; m1 – масса образца с продуктами коррозии; S – площадь образца; t – время опыта; n – коэффициент, который зависит от состава продуктов коррозии.
Для испытаний выбирали плоские образцы из материала различных участков линейной части трубопровода [4]. Подготовка включала механическую очистку с помощью мелкодисперсного абразива, обезжиривание органическим растворителем (ацетон, толуол или бензол) и взвешивание на аналитических весах [5]. Образцы помещали в стаканы с растворами, которые моделировали агрессивную среду. После окончания опыта их вынимали из емкостей, быстро измеряли размеры поверхностей, которые были погружены в агрессивную среду, а затем влажной резинкой снимали нерастворимые продукты коррозии [6]. После промывки дистиллированной водой и тщательного высушивания фильтровальной бумагой образцы снова взвешивали.
Для моделирования стресс-коррозионных процессов проведен анализ грунтовых вод на разных стадиях транспортировки сырой нефти. Выбраны три модельные среды, которые соответствуют разной глубине залегания вод в почве (табл.1).
Для построения номинальных диаграмм деформации использовали непосредственную ступенчатую нагрузку (разгрузку) изгибом, когда с уменьшением сопротивляемости образца передаваемой на него нагрузке напряжение не уменьшается (рис.1). Увеличение или уменьшение нагрузки проводили с шагом 20 МПа: в течение одной секунды номинальное напряжение увеличивали на 20 Мпа, выдерживали это значение в течение 19 с, а затем поднимали напряжение на следующую ступень и т.д. Такой режим нагрузки учитывает отставание деформации от напряжения во времени и позволяет углубленно изучать процессы деформационного упрочнения и ползучести.
Экспериментальные исследования явления ползучести, результаты которых в последнее время все чаще используют в инженерных расчетах для оптимизации конструкций трубопроводов, проводят преимущественно при растяжении. Ползучесть часто рассматривают как медленную текучесть металла. Как известно, в основе теории пластического течения лежит представление о поверхности текучести. В процессе статического изгиба происходит закономерное перемещение поверхности текучести, то есть ее эволюция.
Кривые ползучести для трех выбранных модельных сред приведены на рис.2. Характер и кинетика процесса в каждом отдельном случае определяли продолжительность испытаний, что позволило за относительно короткое время провести серию экспериментов и вычислить параметры области низкотемпературной ползучести.
Ползучесть металла в коррозионно-активной среде, как и на воздухе, носит стадийный характер [7]. Продолжительность первой стадии больше зависит от номинальных напряжений и меньше – от химического состава среды. Анализ зависимостей прироста коррозионной ползучести от величины номинальных напряжений и химического состава среды позволяет сделать вывод, что наибольший их синергический эффект наблюдается в МС2, наименьший – в МС1 (рис.2 и 3).
МС2 является наиболее опасной с химической точки зрения средой, поскольку процесс разложения в ней контролируется коррозионным фактором. Это значит, что даже при минимальных механических напряжениях коррозия в такой среде будет проходить достаточно интенсивно. В МС1 наблюдается смешанный тип разложения с акцентом на механическом факторе. МС3 по коррозионной активности занимает промежуточное место.
Рассмотрим подробнее влияние механического фактора на процесс коррозионного разложения. Для исследования выбраны нормальные напряжения σ1 = 1,6σ0,2, σ2 = 1,37σ0,2 и σ3 = 1,03σ0,2, которые равны 390, 335 и 250 МПа, соответственно (σ0,2 – условный предел текучести, при котором остаточная деформация образца составляет 0,2 %).
Известно, что чем ниже потенциал металла и быстрее процесс коррозионного разложения, тем выше опасность возникновения и углубления коррозионных поражений. Зависимость стационарного потенциала стали трубопровода от ее напряженно-деформированного состояния иллюстрирует рис.4. Как мы и прогнозировали, максимальная скорость коррозии наблюдается в МС2, наименьшая – в МС1.
На рис.5 представлена гистограмма, которая характеризует скорость уменьшения толщины стенки трубы в зависимости от напряжения для разных сред. Видно, что даже при минимальном уровне напряжений она может достигать 0,125–1,25 мм/год в зависимости от химического состава среды и уровня номинальных напряжений.
С ростом величины нормальных напряжений от 1,05 до 1,6σ0,2 увеличение общей скорости коррозии в модельных средах может достигать 25%. Таким образом, при расчете остаточного ресурса имеющихся трубопроводов и проектировании новых ни в коем случае нельзя пренебрегать механическим фактором. Необходимо также учитывать непрерывное интенсивное движение коррозионной среды, при котором:
• происходит постоянное смывание нерастворимых продуктов коррозии, то есть ухудшается пассивация поверхности;
• проявляется склонность к локализации коррозионных процессов из-за того, что изначально пораженное место не может пассивироваться: появляется разница в потенциалах и образуется гальванический элемент, в котором пораженный участок становится анодом, а непораженный – катодом;
• скорость локальной коррозии может в 2–8 раз превышать скорость общей.
Необходимо учитывать, что при неблагоприятных условиях механический фактор и движение среды будут усиливать коррозионные процессы. Нетрудно подсчитать, что скорость локальной коррозии и, соответственно, скорость уменьшения толщины стенки могут вырасти в 2,5–10 раз. Согласно РД 38.13.004-86 можно дать следующие рекомендации по эксплуатации труб разных средах: в благоприятной МС1 и в умеренной МС3 необходимо проводить ревизии раз в два года, а в самой неблагоприятной МС2 – не реже одного раза в год.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 30432-96 Трубы металлические. Методы отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний // М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. 15 с.
2. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / Пер. М.И.Рейтмана под ред. Г.С.Шапиро // М.: Наука. 1979. С. 27–30.
3. Притула В.В. Коррозионная ситуация на газонефтепроводах России и их промышленная безопасность // Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2015. № 2 (48). С. 6–10.
4. ГОСТ 28168-89 Почвы. Отбор проб // М.: Стандартинформ, 2008. 8 с.
5. Клисенко Л.Б., Лапшин А.П., Кудрин Д.В. Вероятные причины образования ручейковой коррозии в промысловых нефтепроводах, выявленной при техническом диагностировании // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 9 (22). С. 58–61.
6. Калашникова И.В., Токмаков Е.А. Методический подход к оценке состояния магистральных нефтепроводов // В сб.: Cовременные проблемы экономического развития предприятий, отраслей, комплексов, территорий. Материалы международной научно-практической конференции / Под ред. И.В.Брянцевой, Л.Л.Бияк, И.В.Калашниковой // Хабаровск, 2015. С. 486–489.
7. Работнов Ю.Н. Сопротивление материалов // М.: Физматгиз, 1963. 456 с.
Отзывы читателей
