МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

СОПРОТИВЛЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ ХРУПКИМ И ВЯЗКИМ РАЗРУШЕНИЯМ

Известно, что условия работы магистральных газопроводов, методы их испытаний и критерии оценки трубных сталей существен­но отличаются от характерных для других сооружений. Это отличие определяется, прежде всего, освобождением в процессе разрушения значительной энергии. Запасы упругой энергии стенок трубы и сжа­того газа настолько велики, что существуют реальные возможности развития протяженных разрушений как хрупкого, так и вязкого ха­рактера.

Условия распространения трещины определяются напряженно - деформированным состоянием в области перемещающейся вершины разрыва и динамическими значениями вязкости разрушения материа­ла. В отличие от высокопрочных сталей, для трубного металла обыч­ной и средней прочности характерно скачкообразное уменьшение сопротивления распространению разрушения при переходе от вяз­кого (по внешнему виду) разрушения к хрупкому. Это приводит к существенному увеличению скоростей распространения хрупких трещин по сравнению с вязкими разрывами. В результате скорость распространения хрупкого разрушения обычно превышает скорость волны декомпрессии, снижающей давление в газопроводе. Вследствие этого теоретически разрушение может распространяться неограни-
чено далеко. На практике оно все же ограничено, хотя протяжен­ность его может быть значитель­ной. В нашей стране наблюдались разрушения до 2,4, в США — до 10 км. С повышением рабочих давлений вероятность увеличения длины пробега хрупкой трещины возрастает. Поэтому одной из ос­новных задач при решении пробле­мы обеспечения надежности ма­гистральных газопроводов явля­ется предотвращение в них хруп­ких лавинных разрушений.

Как в нашей стране, так и за рубежом, для определения со­противления трубного металла рас­пространению хрупких разруше­ний применяется известная методи­ка DWTT — испытание на разрыв падающим грузом. Стандартные образцы (рис. 1) имеют надрез, ко­торый наносится вдавливанием с помощью соответствующего пуан­сона с радиусом вершины менее 0,025 мм. Таной радиус надреза сов­местно с наклепом, вызванным прессованием, обеспечивают получе­ние начального хрупкого разрушения и его развитие в зоне вершины дефекта с большой скоростью при незначительных энергетических затратах. Эта деталь очень важна. В последнее время на некоторых трубных заводах и даже в научно-исследовательских институтах вместо прессованного надреза стали делать обычный механический пропил. В этом случае теряется основная идея таких испытаний, поскольку их результаты существенно зависят как от способа из­готовления надреза, так и радиуса его вершины. Так, на стали 09Г2СФ (t = 20 мм) фрезерованный надрез с таким же радиусом закругления как и у прессованного (0,025 мм) сдвигает переходную температуру на 12 °С в область более низких температур (рис. 1). Увеличение ра­диуса приводит к еще большему снижению критической температуры. Только при наличии прессованного надреза вид излома при дальней­шем движении трещины в образцах определяется, главным образом* вязкостью материала и, как следствие этого, отражает характер раз­рушения натурных газопроводов. Исходя из этого, Институтом Баттела (США) были предложены такие образцы для определения температуры, выше которой невозможно распространение хрупкого разрушения в реальном газопроводе. Установлено, что эта температу­ра соответствует 80 %-ной вязкой составляющей в изломе образца с прессованным надрезом. Натурные испытания, проведенные в нашей стране, также подтвердили это положение.

Испытания подающим грузом образцов различных конструкцион­ных сталей в прокате толщиной 16—20 мм показали (рис. 2),что ни од­на из ранее применявшихся или рекомендуемых трубных сталей

(17Г1С, 17Г2АФ с кальцием и без кальция, 14Г2АФ-У и др.) не удов­летворяют указанному требованию, если учесть, что расчетная температура эксплуатации северных газопроводов составляет —15 °С. Это относится также к другим конструкционным сталям, не содержа­щим дефицитных добавок. Только низколегированная сталь с ниоби­ем (09Г2ФБ) после проката в жестко контролируемых условиях (по температуре и обжатию) обладает требуемым сопротивлением рас­пространению хрупкой трещины в толщинах 17—20 мм, т. е. в трубах диаметром 1420 мм, рассчитываемых на давление 7,5 МПа. При пере-

Рис. 3. Изменение переходных температур в зависимости от толщины проката (сталь 15Г2АФД):

а — образцы изготавливались из листа толщиной 24 мм путем его сострагивания; б —то же из проката соответствующей толщины.

тическими температурами, отвечающими толщинам 20 и 5 мм, составляет 40 °С. Примерно такое же разли­чие температур, равное 35—40 °С, сохраняется при переходе от толщины 20 мм до 4—5 мм других сталей (рис. 4).

Все это свидетельствует о том, что для изготовле­ния многослойных труб из рулонного металла вполне пригодны обычные низко­легированные стали, не со­держащие дефицитных до­бавок. При толщинах 4— 5 мм они обеспечивают тре­буемое сопротивление раз­витию хрупких трещин (рис. 5). Учитывая, что трубный металл с точки зрения его экономии дол­жен обладать повышенной прочностью и хорошей сва­риваемостью, для много­слойных труб создана но­вая сталь 09Г2СФ, времен­ное сопротивление которой при толщинах 4—5,5 мм состав­ляет 600 МПа. Переходная температура, установленная на об­разцах в виде пакетов размером 5x4 мм, ниже —30 °С (рис. 6).

Для того чтобы проверить действительно ли многослойные трубы или обечайки из тонколистовой стали 09Г2СФ, не содержащей дефи­цитных легирующих элементов, полностью исключают хрупкие разрушения магистральных газопроводов, на севере Тюменской об­ласти были испытаны пневматически при давлении 7,5 МПа две труб­ные секции диаметром 1420 мм. Первая секция (рис. 7) общей дли­ной 210 м состояла из 18 полноразмерных труб (сталь 17Г2АФ) с монолитной стенкой и ряда многослойных вставок (на рисунке ваштрихованные участки) [1] длиной от 1,3 м до 5,2 м, которые распо­лагались за разгонными трубами 1 и 2. Вторая секция (рис. 8) длиной 150 м включала две многослойные трубы 3 и 5, одну разгонную 4 с монолитной стенкой (сталь 14Г2АФ-У) и концевые участки, сва­ренные из труб зарубежной поставки. Условия испытаний были жесткими. Магистральные трещины инициировались с помощью ВВ и разгонялись в трубе с монолитной стенкой, обладающей низким
сопротивлением развитию разрушений: К моменту вхождения ЬМйо ■ гослойные трубы или обечайки скорость развитий Хрупких или хрупковязких трещин составляла, согласно замерам, примерно 4(Ю м/с. Испытуемые секции не закреплялись и не засыпаЛйсь, что существенно снижало их сопротивление распространению разруше­ния. Несмотря на то, что испытания проводились в экстремальных условиях, хрупких разрушений в многослойны* трубах и пбечяйкя. у не наблюдалось. При вхождений в них трещины резко эамедляли скорость, а разрушения изменяли свой фрактографический характер. Во всех случаях в многослойных трубах и обечайках наблюдались только вязкие разрушения. Поскольку условия испытаний были жест­кими, то полученные результаты свидетельствуют о том, что

использование тонколистовой стали 09Г2СФ, не содержащей дефицит - /ных легирующих элементов, полностью исключает хрупкие разру­шения магистральных газопроводов из многослойных труб.

Применение таких труб открывает новые возможности по пре­дотвращению протяженных вязких разрывов. Известно, что в магист­ральных газопроводах с монолитной стенкой труб при определенных соотношениях между динамической вязкостью материала и интенсив­ностью потока энергии, поступающей к вершине движущейся трещи­ны, могут иметь место протяженные вязкие разрывы. В трубах из вязких сталей, полученных методом контролируемого проката и со­держащих дефицитные добавки (молибден, ниобий и титан), такие разрушения наблюдались как в зарубежной практике, так и в нашей стране.

При сравнительно небольших скоростях разрушения, характер­ных для вязких разрывов, кольцеванию и остановке трещины спо­собствуют многие конструктивные факторы, в том числе и податли­вость берегов раскрывающейся полости трубы. В этом отношении многослойная стенка имеет существенные преимущества перед монолитной. Первые гидропневматические испытания одиночных мно­гослойных труб, проведенные на полигоне ВНИИСТа, подтвердили это положение. Вязкие трещины (рис. 9), попадая в многослойные вставки, ветвились и кольцевались перед первым же монолитным стыковым швом. В зоне шва, играющего роль бандажа по отношению к многослойной стенке трубы, меняется ее напряженно-деформиро­ванное состояние. Кроме того, трещина по отдельным слоям рас­пространяется не синхронно. Ее отдельные составляющие подходят ко шву в разное время и не могут его преодолеть.

Однако при испытании одиночных труб нельзя полностью вос­произвести условия установившегося режима развития лавинного разрушения. Это может быть достигнуто только при соответству­ющем стендовом или полностью натурном пневматическом испытании достаточно протяженной секции газопровода. Методика таких экспе­риментов должна быть тщательно отработана, поскольку в единичном испытании вероятность получения протяженного разрушения неве­лика.

При вязком разрушении величина усилий, действующих на кром­ки раскрывающейся полости трубы, зависит от характера истечения сжатого газа. Если в случае установившегося развития разрушения (нестабильного вязкого разрыва) истечение газа можно условно пред­ставить в виде двух потоков — горизонтального, выходящего через все сечение трубы, и вертикального, ограничиваемого контуром рас­крывающейся полости,— то на начальной стадии разрушения сжа­тый газ может устремляться только через раскрывающуюся трещину. В этом случае силовое воздействие на кромки разрушаемой трубы наибольшее. Протяженность зоны наибольшего силового воздействия зависит от ряда факторов и, прежде всего, от диаметра трубопровода, давления и скорости распространения трещины. Поэтому при прове­дении натурных испытаний с целью определения сопротивления трубных сталей распространению вязкого разрушения важно

вывести трещину за пределы этой зоны и получить условия, соответст­вующие нестабильному вязкому разрыву. Первая попытка оценить сопротивление многослойных труб развитию вязкого разрушения была предпринята при испытании последующей третьей секции дли­ной 150 м (рис. 10).

В настоящее время нет еще данных, на основании которых можно было бы обоснованно установить протяженность разбега вязкой тре­щины, обеспечивающую получение требуемого режима ее дальней­шего развития. В этой связи было решено многослойные вставки приблизить к центру надреза на длину одной трубы, т. е. создать наихудшие условия для остановки развивающейся вязкой трещины. Инициирование с помощью взрыва магистральной трещины и ее раз­гон осуществлялся в трубах 7,8 с монолитными стенками, изготов­ленными из листов, полученных контролируемой прокаткой (сталь содержала дефицитные легирующие добавки).

Средняя часть секции разрушилась в пределах длины трех труб. Распространившаяся от надреза в сторону трубы 6 магистральная ■трещина раздвоилась и закольцевалась по сварному соединению при входе в многослойные обечайки. Трещина, направившаяся в сто­рону трубы 9, вошла в первую многослойную обечайку и в ней раз­двоилась. Одна ее составляющая закольцевалась, а вторая — рас­пространилась до последней обечайки и там закольцевалась. Сопо­ставляя результаты испытаний этой с данными испытаний других лекций, можно прийти к выводу, что в этом опыте многослойные тру­бы и обечайки располагались в зоне наибольшего силового воздейст­вия. Как известно, испытания проводились в экстремальных услови­ях, и тем не менее они подтвердили большую чувствительность вяз­ких трещин к кольцеванию, особенно в многослойных трубах.

Следовательно, многослойные трубы лучше сопротивляются вяз­ким разрывам, чем трубы с монолитной стенкой из сталей, содер­жащих дефицитные добавки, что объясняется в основном, конструк­тивными особенностями многослойной трубы.

Рассмотрим влияние толщины металла на сопротивление вяз­кому разрушению в связи с попытками его оценки на основе стан­дартных испытаний.

Рис. 11. Характер разрушения моно­литных и многослойных образцов с над­резом Шарпи:

а — схематическое представление зависимости поглощенной энергии от температуры; б — схема изломов; в — вид излома монолитного образца.

Если судить о сопротивлении вязкому разрушению топкого и толстого металла по результатам испытания ударных образцов с над­резом Щарпи (или подобных им), то предпочтение следует отдать трубам с монолитной стенкой. Образцы монолитного сечения показы­вают более высокую ударную вязкость, чем многослойные (рис. И, а). На этом основании некоторые исследователи считают, что многослой­ные трубы будут хуже, чем обычные, сопротивляться вязким разру­шениям. Однако при таком сопоставлении упускается важное об­стоятельство — различие характера разрушения этих образцов. Плоскость излома многослойных образцов расположена под углом 45° к поверхности листа практически по всему нетто-сечению (рис. 11, б). Это соответствует реальной картине вязкого разрушения стенки как многослойной, так и монолитной трубы.

Излом образцов монолит­ного сечения — прямой.

При таком виде вязкого излома разрушение связа­но с более высокими энер­гозатратами, поскольку они включают в себя зна­чительную работу^ пласти - рис Величина поглощенной энергии при ческих деформации за пре - испытании образцов из стали 09Г2С: делами ослабленного сече - і _ І = 4 х 4 мм; 2 — t = 18 мм.

ния. Об этом свидетельствует даже внешний вид образцов после их разрушения (рис. И, в).

і Иные выводы позволяют сделать результаты испытаний образ­цов по методике DWTT, если при этом о сопротивлении развитию вязкого разрушения судить по замерам поглощенной энергии (учи­тывая, что она затрачивается главным образом на распространение разрыва). В частности, при температуре 25 и 40 °С испытывались монолитные образцы из стали 09Г2СФ толщиной 16 мм и много­слойные 4 X 4 мм (пластинки толщиной 4 мм, полученные из металла толщиной 16 мм). Они показали (рис. 12), что на распространение вязкой трещины в многослойных образцах затрачивается большая энергия, чем в образцах монолитного сечения. При этом вид разру­шения в этих образцах одинаков — изломы располагались под уг­лом 45° к поверхности листов.

Проведенные исследования показывают, что многослойные тру­бы, предлагаемые для северных магистральных газопроводов, могут изготавливаться из отечественных сталей, не содержащих дефицит­ных добавок. При этом по сопротивлению хрупким и вязким разруше­ниям они не будут уступать трубам с монолитной стенкой из сталей* содержащих дефицитные добавки.