Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів
Досліджено обширне воднем ініційоване розшарування у стінці гину тривало експлуатованої відвідної від газокомпресорної станції труби системи магістральних газопроводів. Проаналізовано чинники, що відіграли вирішальну роль у його утворенні. Встановлено, що його діагностичними ознаками є аномальні пок...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136276 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів / Л.Є. Харченко, О.Є. Кунта, О.І. Звірко, Р.С. Савула, З.А. Дурягіна // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 84-90. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-136276 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1362762025-02-23T20:24:20Z Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів Диагностика водородного макрорасслоения в стенке гиба трубы системы магистральных газопроводов Diagnostics of hydrogen macrodelamination in the wall of pipe elbow of a natural gas transmission pipeline Харченко, Л.Є. Кунта, О.Є. Звірко, О.І. Савула, Р.С. Дурягіна, З.А. Досліджено обширне воднем ініційоване розшарування у стінці гину тривало експлуатованої відвідної від газокомпресорної станції труби системи магістральних газопроводів. Проаналізовано чинники, що відіграли вирішальну роль у його утворенні. Встановлено, що його діагностичними ознаками є аномальні покази товщиноміра, різке зниження твердості та пластичності сталі. Виявлено вищий ступінь деградації сталі гину труби порівняно з її прямою ділянкою, причому незалежно від того, чи ділянка розтягнута, чи стиснута. Встановлені обмеження у використанні і відносного видовження, і відносного звуження для характеристики пластичності металу стінки труби з обширним розшаруванням. Исследовано обширное водородом инициированное расслоение в стенке колена длительно эксплуатируемой отводящей от газокомпрессорной станции трубы системы магистральных газопроводов. Проанализированы факторы, которые сыграли решающую роль в его образовании. Установлено, что его диагностическими признаками являются аномальные показания толщиномера, резкое снижение твердости и пластичности стали. Выявлено, что степень деградации стали колена трубы выше, нежели прямого участка, при этом независимо от того, растянут или сжат участок колена. Установлены ограничения в использовании относительных удлинения и сужения для характеристики пластичности металла стенки трубы с обширным расслоением. Intensive hydrogen-induced delamination in the wall of the elbow of long-term exploited lateral pipe of a gas transmission pipeline system was investigated. The factors playing a key role in its formation were analyzed. It was established that its diagnostic features are abnormal thickness meter readings, a strong decrease in steel hardness and plasticity. It was detected that the degradation degree of the pipe elbow steel was higher than for a straight pipe one regardless of the tensioned or compressed section. The limitations in the use of elongation and reduction of area for characterisation of metal plasticity of pipe wall with vast delamination were established. 2015 Article Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів / Л.Є. Харченко, О.Є. Кунта, О.І. Звірко, Р.С. Савула, З.А. Дурягіна // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 84-90. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136276 622.691.4:620.19:620.17 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Досліджено обширне воднем ініційоване розшарування у стінці гину тривало експлуатованої відвідної від газокомпресорної станції труби системи магістральних газопроводів. Проаналізовано чинники, що відіграли вирішальну роль у його утворенні. Встановлено, що його діагностичними ознаками є аномальні покази товщиноміра, різке зниження твердості та пластичності сталі. Виявлено вищий ступінь деградації сталі гину труби порівняно з її прямою ділянкою, причому незалежно від того,
чи ділянка розтягнута, чи стиснута. Встановлені обмеження у використанні і відносного видовження, і відносного звуження для характеристики пластичності металу
стінки труби з обширним розшаруванням. |
| format |
Article |
| author |
Харченко, Л.Є. Кунта, О.Є. Звірко, О.І. Савула, Р.С. Дурягіна, З.А. |
| spellingShingle |
Харченко, Л.Є. Кунта, О.Є. Звірко, О.І. Савула, Р.С. Дурягіна, З.А. Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Харченко, Л.Є. Кунта, О.Є. Звірко, О.І. Савула, Р.С. Дурягіна, З.А. |
| author_sort |
Харченко, Л.Є. |
| title |
Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів |
| title_short |
Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів |
| title_full |
Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів |
| title_fullStr |
Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів |
| title_full_unstemmed |
Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів |
| title_sort |
діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136276 |
| citation_txt |
Діагностика водневого макророзшарування в стінці гину труби системи магістральних газопроводів / Л.Є. Харченко, О.Є. Кунта, О.І. Звірко, Р.С. Савула, З.А. Дурягіна // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 84-90. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT harčenkolê díagnostikavodnevogomakrorozšaruvannâvstíncíginutrubisistemimagístralʹnihgazoprovodív AT kuntaoê díagnostikavodnevogomakrorozšaruvannâvstíncíginutrubisistemimagístralʹnihgazoprovodív AT zvírkooí díagnostikavodnevogomakrorozšaruvannâvstíncíginutrubisistemimagístralʹnihgazoprovodív AT savulars díagnostikavodnevogomakrorozšaruvannâvstíncíginutrubisistemimagístralʹnihgazoprovodív AT durâgínaza díagnostikavodnevogomakrorozšaruvannâvstíncíginutrubisistemimagístralʹnihgazoprovodív AT harčenkolê diagnostikavodorodnogomakrorassloeniâvstenkegibatrubysistemymagistralʹnyhgazoprovodov AT kuntaoê diagnostikavodorodnogomakrorassloeniâvstenkegibatrubysistemymagistralʹnyhgazoprovodov AT zvírkooí diagnostikavodorodnogomakrorassloeniâvstenkegibatrubysistemymagistralʹnyhgazoprovodov AT savulars diagnostikavodorodnogomakrorassloeniâvstenkegibatrubysistemymagistralʹnyhgazoprovodov AT durâgínaza diagnostikavodorodnogomakrorassloeniâvstenkegibatrubysistemymagistralʹnyhgazoprovodov AT harčenkolê diagnosticsofhydrogenmacrodelaminationinthewallofpipeelbowofanaturalgastransmissionpipeline AT kuntaoê diagnosticsofhydrogenmacrodelaminationinthewallofpipeelbowofanaturalgastransmissionpipeline AT zvírkooí diagnosticsofhydrogenmacrodelaminationinthewallofpipeelbowofanaturalgastransmissionpipeline AT savulars diagnosticsofhydrogenmacrodelaminationinthewallofpipeelbowofanaturalgastransmissionpipeline AT durâgínaza diagnosticsofhydrogenmacrodelaminationinthewallofpipeelbowofanaturalgastransmissionpipeline |
| first_indexed |
2025-11-25T04:36:55Z |
| last_indexed |
2025-11-25T04:36:55Z |
| _version_ |
1849735686619398144 |
| fulltext |
84
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 622.691.4:620.19:620.17
ДІАГНОСТИКА ВОДНЕВОГО МАКРОРОЗШАРУВАННЯ В СТІНЦІ
ГИНУ ТРУБИ СИСТЕМИ МАГІСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОДІВ
Л. Є. ХАРЧЕНКО 1, О. Є. КУНТА 1, О. І. ЗВІРКО 2,
Р. С. САВУЛА 3, З. А. ДУРЯГІНА 1
1
Національний університет “Львівська політехніка”;
2
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів;
3
Управління магістральних газопроводів “Львівтрансгаз”
Досліджено обширне воднем ініційоване розшарування у стінці гину тривало екс-
плуатованої відвідної від газокомпресорної станції труби системи магістральних га-
зопроводів. Проаналізовано чинники, що відіграли вирішальну роль у його утворе-
нні. Встановлено, що його діагностичними ознаками є аномальні покази товщиномі-
ра, різке зниження твердості та пластичності сталі. Виявлено вищий ступінь дегра-
дації сталі гину труби порівняно з її прямою ділянкою, причому незалежно від того,
чи ділянка розтягнута, чи стиснута. Встановлені обмеження у використанні і віднос-
ного видовження, і відносного звуження для характеристики пластичності металу
стінки труби з обширним розшаруванням.
Ключові слова: воднем ініційоване руйнування, розшарування, газопровід, деграда-
ція, діагностика, неруйнівні методи контролю.
Розшарування в сталях може бути і металургійного, і експлуатаційного похо-
дження. У першому випадку вже металургійному продукту властиві такі пошко-
дження, тоді як у другому вони формуються під час експлуатації під дією робо-
чих напружень. Розшарування утворюється по слабших площинах паралельно пло-
щині вальцювання в сталі через різні аспекти, що спричиняють анізотропію мік-
роструктури (відмінності текстури, розташування включень по площині вальцю-
вання, міжзеренне руйнування вздовж первинних меж аустеніту, виділення фосфо-
ру та сірки тощо) [1]. Типовим проявом цього явища є декогезія вздовж ланцюжків
неметалевих включень, витягнутих у напрямі вальцювання листового прокату.
Атомарний водень акумулюється в утворених порожнинах, знижує міцність коге-
зивного зв’язку між атомами металу та рекомбінується до молекулярного стану,
створюючи в них тиски, що полегшує воднем ініційоване руйнування [2, 3]. Розша-
рування може відбуватися і без зовнішнього навантаження, тобто в результаті тіль-
ки наводнювання металу, якщо спричинені воднем напруження сумірні з робочи-
ми. Це явище відоме як воднем ініційоване руйнування (hydrogen induced cracking).
Водневе розшарування типове для нафтогазопроводів, оскільки технологія
виготовлення труб передбачає вальцювання металу і, відповідно, видовження не-
металевих включень з ослабленням когезивного зв’язку з матрицею. З іншого бо-
ку, наводнювання стінки труби, яке можливе від її внутрішньої поверхні [4], при-
зводить до акумулювання молекулярного водню в сформованих міжфазних де-
фектах “включення–матриця” та створення там високих тисків. Це сприяє роз-
витку розсіяної в об’ємі металу мікропошкодженості, погіршенню механічних
властивостей, особливо пластичності та опору крихкому руйнуванню [5–7]. Ха-
рактерним проявом особливо інтенсивної деградації трубних сталей уздовж воло-
Контактна особа: Л. Є. ХАРЧЕНКО, e-mail: lida.kharchenko@gmail.com
85
кон вальцювання є переорієнтація площини руйнування на 90°, паралельно во-
локнам, за випроб поздовжніх зразків на ударну в’язкість [8].
За такого розшарування можливе порушення цілісності на великих площах,
часто сумірних з характерними розмірами елемента конструкції [9]. У трубопро-
водах такі макродефекти виявляють, як правило, під час ультразвукового контро-
лю [10] як її стоншення. Нижче за результатами діагностики тривало експлуато-
ваного гину відвідної труби системи магістральних газопроводів проаналізовано
прояв воднем спричиненого внутрішнього розшарування.
Діагностування дефектності гину газопроводу. Досліджували гин експлу-
атованої 40 років відвідної від газокомпресорної станції труби з зовнішнім діа-
метром 219 mm і номінальною товщиною стінки 18 mm. Гин розташований у
надземній частині, максимальний робочий тиск в трубі 5,5 MPa, температура ме-
талу могла сягати 80°С. Гин труби на 90° виконано холодним способом без тер-
мообробки. Матеріал труби – сталь 20. Причиною діагностування стала поява на
зовнішній поверхні труби в розтягнутій зоні гину протяжної тріщини. Зазначимо,
що це не призвело до розгерметизації трубопроводу, він надалі витримував у цій
ділянці робоче навантаження, тому постало питання можливості подальшої без-
печної експлуатації цього гину.
Ультразвуковим товщиноміром з A/B сканом MVX (Dakota Ultrasonics) об-
стежили гин та прилеглі до нього прямі ділянки. Його покази вказували на нере-
альне стоншення розтягнутої частини гину. Для прикладу, заміри товщиноміра,
mm: 4,5; 3,7; 2,5; 4,2; 5,2; 5,6; 7,0; 6,4; 7,7; 6,5; 6,8; 6,9; 7,2; 7,6; 7,7; 8,0; 8,2; 16,2;
16,6; 17,3; 18,0; 16,8; 16,4; 17,6; 17,8; 16,5; 16,8; 17,2; 17,6; 17,0; 17,4; 17,0; 17,7;
18,1. І якщо товщина t ≥ 16,2 mm могла відповідати дійсності, враховуючи деяке
стоншення труби у розтягнутій частині гину та можливу корозію металу на внут-
рішній поверхні, то формально визначені значення t = 3,7…8,2 mm свідчили про
реакцію товщиноміра на макродефекти всередині стінки труби.
Рис. 1. Вигляд розшарування у стінці гину відвідної труби системи магістральних
газопроводів (a) та переріз труби з дефектом (b): 1 – стик; 2 – напрям руху газу;
3 – тріщина; 4 – низ; твердість НВ: a – 141; b – 294; c – 135; d – 158; e – 122;
f – 158; g – 334; h – 158.
Fig. 1. View of delamination in the wall of lateral pipe elbow of a natural gas transmission pipe-
line system (a) and a pipe profile with a defect (b): 1 – weld; 2 – gas flow direction; 3 – crack;
4 – bottom; hardness HB: a – 141; b – 294; c – 135; d – 158; e – 122; f – 158;
g – 334; h – 158.
Катастрофічне стоншення стінки труби виявили на великій площі її зовніш-
ньої поверхні у сегменті між 4 та 8 h (загальна площа розшарування 380 mm уз-
довж осі та 240 mm – по колу труби, що приблизно третина довжини її окружнос-
ті). Побудували карту ділянки розшарування (рис. 1) та позначили її на реально-
му гині (рис. 2). Розшарування всередині стінки труби ближче до зовнішньої по-
верхні вказує на головну роль у цьому процесі робочих напружень, які від тиску
86
газу в трубі максимальні на зовнішній поверхні та стимулюють корозійно-водне-
ве руйнування.
Макродефект виходить на зовніш-
ню поверхню гину не з контуру розша-
рування, тобто з вершини тріщини, а
зсередини поверхні розшарування, на
значній віддалі від його контуру (біля
60 mm). Це прямо підтверджує, що пере-
орієнтація поверхні руйнування назовні
спричинена внутрішнім тиском рекомбі-
нованого водню у дефекті. Таким чином,
під час експлуатації в результаті накопи-
чення у дефекті водню та створення ним
високих тисків не тільки поверхня роз-
шарування зростає до розмірів, сумірних
з діаметром труби, але і виникають умо-
ви для її розриву. Очевидно, що місце
розриву вказує на максимальний напру-
жено-деформований стан у стінці між
поверхнею розшарування і зовнішньою
поверхнею труби. А критичний стан до-
сягається, з одного боку, через збільшен-
ня тиску водню у порожнині, а з іншого
– через деградацію металу під час екс-
плуатації. Звичайно, що менша товщина стінки між поверхнями розшарування і
труби, то полегшений її розрив.
Зі зовнішньої поверхні труби переносним динамічним твердоміром ТД-32
заміряли твердість металу НВ за Брінелем у зоні розшарування (рис. 1). Макси-
мальна твердість HB 334 була дещо вищою, ніж на прямій ділянці труб, що мож-
на пояснити деформаційним зміцненням, і відповідала тим локальним ділянкам,
де розшарування відсутнє. А інтенсивне зниження показів твердості пов’язане з
підповерхневим розшаруванням у зоні заміру і його можна трактувати як діагно-
стичну ознаку прояву цього явища.
Наведені результати діагностичного обстеження гину труби стали основою
для висновку про небезпеку його подальшої експлуатації. Тому його усунули з
трубопроводу та використали для напівнатурних і лабораторних досліджень. Ві-
домо [11], що абсорбований внутрішньою поверхнею водень може проникати
крізь товщину стінки труби газопроводу і виходити з неї крізь зовнішню поверх-
ню. Таким чином, аналізуючи експлуатаційну деградацію гину, зокрема втрату
механічних властивостей металу і розвиток розшарування, слід брати до уваги не
тільки структурно-металургійний чинник, але і водень. Зазначимо також, що під-
вищена (до 80°С) температура металу відвідної труби сприяє дифузії атомарного
водню від внутрішньої поверхні до зовнішньої і, відповідно, акумулюванню його
у мікродефектах на міжфазних межах уздовж вальцьованих неметалевих вклю-
чень. З подальшим розвитком такого дефекту зростатиме його об’єм, а отже, па-
датиме тиск водню, що мало би зупинити поширення тріщини. Однак за сталого
джерела водню на внутрішній поверхні труби та активної його дифузії крізь її
стінку тиск наростатиме, через що збільшиться дефектність з переходом мікро- у
макророзшарування.
Спочатку методом гідроопресування проаналізували можливість поширення
експлуатаційного розшарування на сусідні ділянки гину. Для цього гин заварили
з двох боків для герметизації, вмонтували манометр тиску і підключили до водо-
Рис. 2. Розшарування, спричинене
воднем, у стінці гину відвідної труби
системи магістральних газопроводів
(суцільна лінія) та його поширення після
гідроопресування (штрихова лінія).
Fig. 2. Hydrogen-induced delamination in
the wall of а lateral pipe elbow of the main
gas transmission pipeline system (solid line)
and its extension after hydrostatic pressure
testing (dotted line).
87
помпи. Гин піддали внутрішньому тиску, що у півтора рази перевищував робо-
чий, тобто становив 8,25 MPa. Після гідроопресування повторили ультразвуко-
вий контроль товщини труби навколо зони розшарування та виявили її збільшен-
ня (див. рис. 2). Малоймовірно, щоб тріщина поширювалася під таким наванта-
женням за відсутності в порожнині розшарування тиску газу через вихід тріщини
на зовнішню поверхню труби. Тому слід допустити, що у стінці труби сформува-
лося кілька внутрішніх сепаратних макропорожнин, а за гідроопресування здатні
поширюватися лише ті, що закриті в стінці гину.
Рис. 3. Типова перлітно-феритна структура сталі (a) та
приклади макророзшарування у стінці гину труби (b–d).
Fig. 3. Typical pearlitic-ferritic structure of steel (a)
and examples of macrodelamination
in the pipe elbow wall (b–d).
Вибірковий металографічний аналіз поперечних розрізів гину підтвердив
феритно-перлітну структуру низьковуглецевої сталі 20 та дав можливість переко-
натися в макропошкодженості всередині стінки труби (рис. 3). Тріщини місцями
були сильно розкриті, що вказує на тиски в них, достатні для пластичного дефор-
мування матеріалу у вершині тріщини. Спостерігали і розгалуження поверхонь
розшарування по висоті стінки труби (рис. 3d), що пояснює різні покази товщи-
номіра в зоні розшарування.
Лабораторні оцінки механічних влас-
тивостей. Порівнювали властивості металу на
прямій ділянці трубопроводу поблизу гину та
окремо – стиснутої і розтягнутої зон. Визнача-
ли характеристики міцності і пластичності з
використанням циліндричних зразків на розтяг
двох геометрій. Вирізані уздовж осі труби LN-
зразки мали робочу частину довжиною 25 mm
та діаметром 5 mm, що відповідали норматив-
ним вимогам. Радіальні RS-зразки (рис. 4) не
мали протяжної робочої частини, оскільки їх
довжину обмежувала товщина стінки труби t.
Робоча частина укорочених зразків 5 mm у діа-
метрі з радіусом закруглення 5 mm. Для порів-
няння властивостей у поздовжньому та раді-
альному напрямах виготовили також укороче-
ні LS-зразки і в поздовжньому напрямі.
Вища їх міцність проти звичайних (див. таблицю) була прогнозованою через
геометрію. Що стосується впливу напряму вирізання, то радіальним зразкам вла-
стива менша міцність, що теж передбачали, оскільки площина руйнування на-
прямлена вздовж волокон вальцювання. Однак незалежно від типу зразків та на-
пряму їх вирізання міцність металу гину порівняно з прямою ділянкою була для
всіх випадків більшою для розтягнутої його частини і нижчою для стиснутої.
Очевидно, тут треба брати до уваги різну товщину стінки труби в різних ділянках
Рис. 4. Схема вирізання зразків
з гину труби.
Fig. 4. Scheme of specimens cut
from the pipe elbow.
88
гину, а отже, відповідно, більші та менші робочі напруження проти напруженого
стану прямої частини труби. Це свідчить про те, що упродовж тривалої експлуа-
тації матеріал деформаційно зміцнюється залежно від рівня робочих напружень у
ньому, хоча вони суттєво менші за границю текучості, якщо враховувати внут-
рішній тиск у трубі 5,5
MPa. Разом з тим пуль-
сація тиску газу на виході
з газокомпресорної станції
та підвищена температура
металу – це чинники, які
сприятимуть його дефор-
маційному зміцненню.
Порівняльні оцінки
пластичності за відносним
видовженням δ можна от-
римати лише для звичай-
них LN-зразків. Найменше
значення δ властиве мета-
лу прямої ділянки, максимальне – розтягнутої. Це неочікувані результати, ос-
кільки найбільш зміцненій сталі притаманна максимальна пластичність. Однак
така особливість є часто діагностичною ознакою експлуатаційної деградації
конструкційних сталей [12], у тому числі магістральних газопроводів [7]. Вона
пов’язана з розкриттям у зразках під навантаженням тріщин розсіяної по-
шкодженості, і тоді параметр δ відтворює не тільки здатність металу пластично
деформуватись, але і розкриття у ньому множинних дефектів. Тому найінтенсив-
ніша пошкодженість характерна розтягнутій ділянці гину, а найменша – прямій.
Укорочені зразки без протяжної робочої частини (рис. 4), хоч і не дають
можливості кількісно оцінити пластичність δ, однак, локалізують деформацію
практично в одному перерізі. Це перевага, оскільки мінімізується розкриття трі-
щин розсіяної пошкодженості в інших перерізах зразка через низькі в них напру-
ження. Водночас за визначеними в експерименті переміщеннями активного три-
мача ∆ для різних ділянок труби можна достовірніше порівнювати пластичність
металу. Зокрема, найнижчу пластичність за цим показником має сталь розтягну-
тої, а найвищу – прямої ділянок труби. Ця закономірність є протилежною виявле-
ній для характеристики δ і згідно з нею метал гину разом з його стиснутою час-
тиною поступається за пластичністю сталі прямої ділянки.
Основні оцінки пластичності отримано за відносним звуженням ψ. Зазначи-
мо, що значення ψ, одержані для звичайних LN-зразків, подібно як і показника δ,
не узгоджуються з відповідними характеристиками міцності. Зокрема, металу
розтягнутої ділянки гину властиві максимальні і міцність, і ψ. І, навпаки, міні-
мальні міцність і пластичність має метал стиснутої ділянки. Можливо, пояснення
таких несподіваних ефектів слід шукати саме у прояві впливу розшарування на
руйнування циліндричних поздовжніх зразків з протяжною робочою частиною.
Зокрема, використовуючи поздовжні укорочені LS-зразки, в яких деформація
локалізована практично в одному перерізі, одержали оцінки відносного звуження
ψL, що повністю узгоджуються з порівняльними оцінками показника ∆: найвища
пластичність притаманна сталі прямої ділянки труби, а найнижча – розтягнутої
ділянки гину. Таким чином, якщо випробовувати вкорочені LS-зразки, відсутні
протиріччя у показниках пластичності.
Використовуючи укорочені радіальні RS-зразки, виявили різкий спад плас-
тичності ψR металу всіх досліджуваних ділянок, що вказує на слабку адгезію між
поздовжніми волокнами структури. Тобто тривала експлуатація призвела до ін-
Механічні властивості звичайних LN-
та укорочених LS- і RS-зразків
σ0,2 σВ Ділянка
труби
Тип
зразка MPa
ψ,
% L
R
ψ
ψ δ, % /
∆, mm
LN 293 482 64,0 – 17,6 / –
LS 451 562 67,5 – – / 1,56 Пряма
RS 427 604 38,7 0,57 – / 0,66
LN 324 507 68,5 – 20,2 / –
LS 434 590 59,7 – – / 1,20
Розтяг-
нута
RS 393 587 30,0 0,50 – / 0,4
LN 283 468 62,2 – 18,8 / –
LS 416 568 63,5 – – / 1,31
Стисне-
на
RS 386 557 34,8 0,55 – / 0,58
89
тенсивної деградації металу труби, яка проявилась саме в ослабленні когезивної
міцності між витягнутими включеннями і матрицею, а водень сприяв цьому про-
цесу. Водночас спостерігали і відмінності між пластичністю різних ділянок гину:
ψR = 38,7; 30,0 і 34,8% для прямої, розтягнутої і стисненої ділянок відповідно. Це
означає, що за цією характеристикою метал не тільки розтягнутої, але і стиснутої
ділянок деградував під час експлуатації інтенсивніше, ніж прямої ділянки труби.
Що стосується порівняння різних зон гину, то саме розтягнута ділянка, на якій
виявлено обширне розшарування, має мінімальну пластичність. І якщо при
ψR ∼ 35% запас пластичності ще достатній, щоб не спричинити макророзшару-
вання, то вже при ψR = 30% його можна вважати граничним, причому не тільки
для реалізації ініційованого воднем розшарування, але і виходу підповерхневого
макродефекту на зовнішню поверхню.
Принципово вияснити причини сильнішої деградації за характеристиками
пластичності металу стиснутої ділянки порівняно з прямою частиною труби. Ад-
же у першому випадку товщина стінки труби більша і тому напруження від тиску
газу менші. Очевидно, тут треба брати до уваги інші важливі експлуатаційні чин-
ники, які впливають на цей процес. Тиск транспортованого зразу ж за компре-
сорною станцією газу пульсівний. На гині труби ця пульсація повинна бути силь-
нішою, що означає відчутніший вплив циклічності навантаження, ніж на прямій
ділянці. Крім того, не виняток, що з цієї причини і температура металу гину ви-
ща, що сприятиме деградації металу через інтенсифікацію дифузії водню. Зазна-
чимо, що місце локалізації макророзшарування по товщині стінки труби вказує
на конкурентність чинників робочих напружень і транспорту водню у формуван-
ні макропошкодженості, адже напруження максимальні на зовнішній поверхні
труби, а джерело наводнювання – на внутрішній. А факт розшарування ближче
до зовнішньої поверхні, як у нашому випадку, свідчить, що швидкість транспор-
ту водню через стінку труби достатня, тобто не дифузія водню, а робочі напру-
ження лімітують деградацію.
ВИСНОВКИ
Сорокарічна експлуатація відвідної від компресорної станції труби системи
магістральних газопроводів призвела до інтенсивної деградації металу, в першу
чергу, за пластичністю. Виявлено, що сталь гину деградує сильніше, ніж пряма
ділянка труби, очевидно, через жорсткіші експлуатаційні умови за пульсацією
тиску газу та температури металу. За зниження пластичності до критичного рівня
під час тривалої сумісної дії робочих навантажень та абсорбованого металом вод-
ню з боку внутрішньої поверхні труби створюються умови для розвитку розша-
рування великої площі. Його діагностичними ознаками з неруйнівних методів є
аномальні покази товщиноміра та твердоміра, а з руйнівних – різкий спад плас-
тичності, яку доцільніше визначати на зразках із закругленим концентратором,
коли деформація локалізується практично в одному перерізі. А доказом ролі вод-
ню в розвитку розшарування є металографічно виявлені розкриті від тиску ре-
комбінованого водню тріщини та руйнування перетинки між порожниною та
зовнішньою поверхнею. У той же час локалізація розшарування по товщині стін-
ки труби ближче до її зовнішньої поверхні вказує, що напруження, а не швид-
кість дифузії водню контролюють розшарування.
РЕЗЮМЕ. Исследовано обширное водородом инициированное расслоение в стенке
колена длительно эксплуатируемой отводящей от газокомпрессорной станции трубы сис-
темы магистральных газопроводов. Проанализированы факторы, которые сыграли реша-
ющую роль в его образовании. Установлено, что его диагностическими признаками явля-
ются аномальные показания толщиномера, резкое снижение твердости и пластичности
стали. Выявлено, что степень деградации стали колена трубы выше, нежели прямого
участка, при этом независимо от того, растянут или сжат участок колена. Установлены
90
ограничения в использовании относительных удлинения и сужения для характеристики
пластичности металла стенки трубы с обширным расслоением.
SUMMARY. Intensive hydrogen-induced delamination in the wall of the elbow of long-term
exploited lateral pipe of a gas transmission pipeline system was investigated. The factors playing a
key role in its formation were analyzed. It was established that its diagnostic features are abnormal
thickness meter readings, a strong decrease in steel hardness and plasticity. It was detected that the
degradation degree of the pipe elbow steel was higher than for a straight pipe one regardless of the
tensioned or compressed section. The limitations in the use of elongation and reduction of area for
characterisation of metal plasticity of pipe wall with vast delamination were established.
1. Joo M. S., Suh D.-W., and Bhadeshia H. K. D. H. Mechanical anisotropy in steels for pipe-
lines // ISIJ Int. – 2013. – 53. – Р. 1305–1314.
2. Lino M. Hydrogen-induced blister cracking of linepipe steel / R. A. Oriani, J. P. Hirth, and
M Smialowski // Hydrogen degradation of ferrous alloys. – Park Ridge, NJ: Noyes
Publications, 1985. – Р. 737–762.
3. Domizzi G., Anteri G., and Ovejero-Garca J. Influence of sulphur content and inclusion
distribution on the hydrogen induced blister cracking in pressure vessel and pipeline steels //
Corr. Sci. – 2001. – 43, № 2. – Р. 325–339.
4. Вплив експлуатації сталі Х52 на корозійні процеси у модельному розчині газового кон-
денсату / О. Т. Цирульник, З. В. Слободян, О. І. Звірко, М. І. Греділь, Г. М. Никифорчин,
Д. Габетта // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2008. – 44, № 5 – С. 29–37.
(Influence of operation of Kh52 steel on corrosion processes in a model solution of gas con-
densate / O. T. Tsyrul’nyk, Z. V. Slobodyan, O. I. Zvirko, M. I. Hredil, H. M. Nykyforchyn,
D. Gabetta // Materials Science. – 2008. – 44, № 5. – P. 619–629.)
5. Воднева деградація тривало експлуатованих сталей магістральних газопроводів / О. Т. Ци-
рульник, Г. М. Никифорчин, Д. Ю. Петрина, М. І. Греділь, І. М. Дзіоба // Фіз.-хім.
механіка матеріалів. – 2007. – 43, № 5. – С. 97–104.
(Hydrogen degradation of steels in gas mains after long periods of operation / O. T. Tsy-
rul’nyk, H. M. Nykyforchyn, D. Yu. Petryna, M. I. Hredil, I. M. Dzioba // Materials Science.
– 2007. – 43, № 5. – P. 708–717.)
6. Nykyforchyn H. M., Kurzydlowski K.-J., and Lunarska E. Hydrogen degradation of steels
under long-term in-service conditions / Eds.: S. A. Shipilov, R. H. Jones, J.-M. Olive, R. B. Re-
bak // Environment-Induced Cracking of Materials. Prediction, Industrial Developments and
Evaluations. – Amsterdam: Elsevier, 2008. – Vol. 2. – Р. 349–361.
7. Деградація властивостей сталей магістральних газопроводів упродовж їх сорокарічної
експлуатації / Г. М. Никифорчин, О. Т. Цирульник, Д. Ю. Петрина, М. І. Греділь //
Проблемы прочности. – 2009. – №5 (401). – С. 66–72.
(Degradation of steels used in gas main pipelines during their 40-year operation / H. M. Ny-
kyforchyn, O. T. Tsyrul’nyk, D. Yu. Petryna, M. I. Hredil’ // Strength of Materials. – 2009.
– 41, № 5. – P. 501–505.)
8. Експлуатаційне окрихчення сталі магістрального нафтопроводу / О. Т. Цирульник,
Г. М. Никифорчин, О. І. Звірко, Д. Ю. Петрина // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004.
– 40, № 2. – С. 125–126.
(Embrittlement of the steel of an oil-trunk pipeline / O. T. Tsyrul’nyk, H. M. Nykyforchyn,
O. I. Zvirko, D. Yu. Petryna // Materials Science. – 2004. – 40, № 2. – P. 302–304.)
9. Polyakov V. N. Catastrophes of large diameter pipelines: the role of hydrogen fields //
Hydrogen Effects in Materials. – Moran, Wyoming, USA, 1996. – Р. 991–1000.
10. Mostert R. and Sharp W. Low temperature hydrogen damage assessment in the gas and
refining industries // Proc. of the Middle East Nondestruct. Test. Conf. & Exhib., Bahrain,
Manama, 27–30 November 2005.
11. Mishael S. J., Dean F. W. H., and Fowler C. Praсtical applications of hydrogen permeation
monitoring // CORROSION 2004. – NACE International, 2004. – Paper № 4476. – 12 р.
12. Никифорчин Г. М., Студент О. З., Марков А. Д. Феномен прояву високотемпературної
деградації зварного шва ощаднолегованої сталі // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2007.
– 43, № 1. – C. 73–79.
(Nykyforchyn H. M., Student O. Z., and Markov A. D. Abnormal behavior of high-tempera-
ture degradation of the weld metal of low-alloy steel welded joints // Materials Science.
– 2007. – 43, № 1. – P. 77–84.)
Одержано 16.06.2015
|