Основные представления о деформационном старении

      СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ	7
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАННЫЕ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ	11
1.1Общие представления о безопасности и надежности МГП	11
1.2 Основные дефекты МГП	14
1.3 Изменение свойств металла в процессе эксплуатации	17
 ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ФИЗИЧЕСКОГО И СТРУКТУРНОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ (ДЕГРАДАЦИИ) МЕТАЛЛА ГАЗОПРОВОДА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ	23
2.1 Механические свойства стали.	23
2.2 Основные представления о деформационном старении.	27
2.2.1 Модель старения трубных сталей.	29
2.3 Обоснование выбора параметра, "чувствительного" к процессу старения	34
2.3.1 Расчет предела макроупругости и предела текучести в трубных сталях	36
2.3.2 Связь предела макроупругости и уровня старения	40
2.4 Результаты экспериментальных исследований	41
ГЛАВА 3. СТРУКТУРНАЯ ПРИРОДА ИСТИННОГО НАПРЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛА ТРУБ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ГАЗОПРОВОДОВ	45
3.1 Усталостный фактор снижения значения истинного напряжения	50
3.2 Деформационное старение как фактор, влияющий на истинное напряжение металла труб	54
 ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГАЗОПРОВОДОВ	62
4.1 Метод определения степени старения металла труб статическим нагружением.	62
4.2 Определение степени состаренности металла труб циклическим нагружением.	63
4.3 Определение состояния металла труб газопроводов по изменению нерасчетных параметров .	65
4.4 Метод определения остаточного ресурса труб с учетом старения	67
4.5 Метод определения остаточного ресурса труб, основанный на изменении эксплуатационных свойств металла	70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	79

     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     ВВЕДЕНИЕ
     Актуальность работы
     В настоящее время в РФ эксплуатируется несколько десятков тысяч километров магистральных газопроводов (МГ), построенных в 1970-80 годы. Несовершенство технологии строительства приводит к снижению качества строительно-монтажных работ, возникновению различных дефектов в металле стенки труб и снижению безопасности эксплуатации МГ. Длительные сроки эксплуатации газопроводов и непрерывно изменяющиеся параметры перекачки способствуют увеличению количества механических и развитию усталостных повреждений в металле труб, которые в свою очередь могут привести к авариям.
     Протяженность МГ, отработавших 40 и более лет, составляет более 20 000 километров. Единовременный вывод из эксплуатации таких газопроводов и замена их на новые не реальны и не рациональны. Поэтому продление жизненного цикла «старых» трубопроводов, используя остаточный запас эксплуатационной и функциональной работоспособности, приобретает исключительно важное практическое значение. Работоспособность газопровода определяется состоянием, при котором в данный момент времени его эксплуатационные параметры (назначения и надежности) находятся в пределах, установленных технической документацией.
     В неработоспособное состояние газопроводы могут перейти вследствие отказов, а предельное состояние наступает тогда, когда они не удовлетворяют эксплуатационным требованиям.
     Причинами отказов являются, в основном, коррозионный износ и имеющиеся на стенках трубопроводов локальные дефекты различного происхождения, снижающие несущую способность трубопроводов, а также старение (ухудшение физического состояния) металла труб в процессе долговременного воздействия эксплуатационных нагрузок.
     Перечисленные причины отказов, кроме последней, относятся к числу хорошо изученных. На сегодняшний день можно считать общепризнанной концепцию о том, что процесс старения металла происходит, и это явление надо учитывать при определении безопасного ресурса эксплуатации трубопроводов. В результате было установлено, что при длительной эксплуатации магистральных нефтепроводов под действием циклических и статических нагрузок в металле происходят структурные изменения, сопровождающиеся упрочнением и охрупчиванием окрестностей локальных дефектов, структурно-неоднородных областей. Применительно к системам газораспределения и газопотребления, относящимся к опасным производственным объектам, подобные исследования практически отсутствуют. Поэтому проблема оценки работоспособного состояния технических систем газоснабжения и определения безопасных сроков их эксплуатации является весьма актуальной.
     Раскрытие процессов и механизмов деградации свойств металла длительно эксплуатируемых газопроводов входит в число актуальных задач оценки работоспособности газопроводов и перехода их в неработоспособное состояние.
     В настоящее время достигнуты определенные успехи в изучении закономерностей старения металла долговременно эксплуатировавшихся магистральных газопроводов под действием постоянных нагрузок. Тем не менее эта проблема приобретает все большее значение в связи с необходимостью решения ряда научных и инженерных проблем.
     Сюда относятся, с одной стороны, прикладные задачи оценки и прогнозирования технического состояния труб магистральных трубопроводов, имеющих большой срок службы и подвергающихся во время работы совместному действию механических напряжений и коррозионной среды. Другой круг проблем связан с фундаментальными исследованиями тонких структурных изменений в сталях в процессе длительной эксплуатации.
     В настоящее время существуют две противоположные точки зрения на проблему старения углеродистых и низколегированных сталей, из которых изготовлены трубы основных действующих магистральных газопроводов.
     В соответствии с одной из них, низколегированные стали в эксплуатационном интервале температур от -40 °С до +150 °С в течение длительного нагружения, исчисляемого десятками лет, не подвергаются никаким структурным изменениям; если же какие-то изменения и происходят, то они настолько ничтожны, что изучать их не имеет смысла.
     Другая (противоположная) точка зрения состоит в том, что процесс старения металла происходит, и это явление надо учитывать при определении безопасного ресурса эксплуатации газопроводов. Эта точка зрения в восьмидесятых годах прошлого столетия была высказана учеными ВНИИСПТнефть (ныне ИПТЭР, г. Уфа). В результате дальнейших исследований было установлено, что при длительной эксплуатации магистральных газопроводов под действием циклических и статических нагрузок в металле происходят структурные изменения, сопровождающиеся упрочнением и охрупчиванием окрестностей локальных дефектов, структурно неоднородных областей.
     Выход из работоспособного состояния объектов систем газоснабжения может произойти также из-за воздействия природных факторов, например, наведенных на газопровод токов от удара молнии. Появляется необходимость предотвращения подобных повреждений.
     Совокупность перечисленных задач составляет предмет исследований решаемой проблемы по определению работоспособности длительно эксплуатируемых газопроводов.
     Цель работы – разработка методики оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых МГ.
     Основные задачи работы:
     • оценка деградации механических свойств углеродистых и низколегированных газопроводных сталей в процессе длительной эксплуатации;
     • исследование изменений физического состояния (тонкой структуры) металла и определение причин и процессов, обусловливающих их;
     • изучение структурной природы образования дополнительных напряжений и их влияния на строение границ между зернами различных фаз;
     • разработка методики определения остаточного ресурса газопроводов с учетом процессов, вызывающих деградационные изменения свойств металла;


     ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАННЫЕ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
     
     1.1 Общие представления о безопасности и надежности магистральных газопроводов
     
     Трубопроводная система предназначена для выполнения своих функций в течение заданного срока. С эксплуатационной точки зрения хотелось бы иметь такую систему, у которой все узлы и элементы безотказно и качественно отработали бы заданный срок, после которого их можно было бы полностью заменить. Однако создание «идеальной» системы потребовало бы больших временных и финансовых затрат. Обычно ставятся более реальные цели - создать систему, которая должна удовлетворять функциональному назначению, быть простой в эксплуатации, дешевой и конкурентоспособной. Трубопроводные системы, к сожалению, далеки от совершенства. Знание механизмов разрушения позволяет разрабатывать эффективные способы защиты трубопроводов от разрушения.
     История транспортировки природного газа на дальние расстояния насчитывает более 100 лет: один из первых больших трубопроводов, построенный в 1891 г. в США от Индианы до Чикаго, имел протяженность около 200 км. В 1973 г. газ впервые был поставлен из СССР в Западную Европу на расстояние более 1800 км. 
     Современная Единая система газоснабжения Российской Федерации является уникальным и постоянно растущим объектом по транспортировке газа. Она представляет собой эксплуатирующуюся в сложных климатических условиях разветвленную сеть, состоящую из сложных технических объектов, осуществляющих транспортировку газа под высоким давлением. Высокая капиталоемкость магистрального транспортного газа предполагает необходимость поиска путей снижения удельных затрат на транспортировку газа. Одно из перспективных направлений снижения металлоемкости магистральных газопроводов - применение труб больших диаметров с повышенными эксплуатационными характеристиками и давлениями газа до 12 МПа. Как правило, повышение прочности стали сопровождается снижением пластичности материала и, соответственно, снижением ресурса конструкций. При применении новых труб, например диаметром 1420 мм категории прочности К65 (Х80) с уникальными свойствами, возникают вопросы безопасности и надежности сварных соединений [7].
     В связи с ростом трубопроводных сетей для природного газа, обладающих повышенным риском возникновения различного рода аварийных ситуаций, становится актуальной проблема безопасности и надежности эксплуатации газопроводов. Для решения проблем безопасности трубопроводов создаются различные исследовательские подразделения. В частности, в 1972 г была создана Европейская научно-исследовательская группа по трубопроводам (EPRG) [1].
     В процессе эксплуатации трубопроводов возникают проблемы, связанные с обеспечением надежной и безопасной работы, в частности возникают дефекты, в том числе коррозионные, несмотря на наличие электрохимической защиты (ЭХЗ).
     Большую опасность представляют случаи, когда имеют место два и более источника разрушения, например существенные механические напряжения, коррозия и концентраторы напряжений (царапины, вмятины). Концентраторы напряжений активизируют коррозионный процесс. При существенной коррозии происходит изменение не только геометрических, но и механических характеристик материала. Все это существенно снижает ресурс трубопроводов.
     Проблема защиты от коррозионного разрушения трубопроводов, работающих при интенсивных механических воздействиях, является важной задачей. Безаварийная работа трубопроводов зависит от состояния поставляемых элементов и узлов системы, от условий их эксплуатации и от качества выполнения монтажных и ремонтных работ. Нарушение режима эксплуатации трубопроводов ведет к дополнительным напряжениям в металле.
     Разрушение газопровода высокого давления приводит к сокращению добычи газа, что приводит к большому ущербу, ухудшению экологической ситуации и затратам больших финансовых ресурсов для ликвидации аварий. Поэтому вопросам безопасности трубопроводов уделяется большое внимание как у нас в стране, так и за рубежом. Возникает необходимость проведения научно-исследовательских работ, направленных на изучение процесса износа и старения существующих систем газопроводов, особенностей работы старых и новых трубных сталей, покрытий в экстремальных условиях и т.д [8,10].
     К газопроводам высокого давления предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования. Элементы трубопроводов находятся под воздействием различных сред и воспринимают внутреннее давление рабочей среды, веса трубы, арматуры и изоляции, напряжения, возникающие в результате теплового расширения, и др.
     Внутреннее давление в трубопроводах вызывает напряжение растяжения, а нагрузки веса трубы, арматуры и изоляции - напряжения изгиба. Под действием тепловых расширений возникают изгибающие и сжимающие усилия в плоских трубопроводах и сжатие, изгиб и кручение в пространственных трубопроводах. Опасны защемления элементов трубопровода, которые препятствуют свободному расширению при нагреве. Повреждения трубопроводов возникают и от превышения в них допустимого давления, и от усталости при эксплуатации. Температурные напряжения в стенке трубы вызываются температурной неравномерностью.
     В процессе эксплуатации металл трубопроводов претерпевает структурные и фазовые изменения под давлением нагрузок, температуры и окружающей среды, которые приводят к снижению его прочности и сокращению срока службы.
     Коррозионные дефектные области имеют сложную геометрию и вблизи очага коррозии, по толщине трубопровода возникают зоны с неоднородностью механических характеристик. При достижении некоторых размеров эти дефекты могут привести к катастрофическому разрушению трубопроводной системы [1].
     Снижение прочности вызывается циклическими напряжениями, которые возникают от колебания давлений. Под действием внутреннего давления и температуры при длительной эксплуатации могут происходить постепенное увеличение диаметра и уменьшение толщины стенки трубопроводов из-за ползучести металла. Срок службы металла определяется длительностью установившейся фазы ползучести, которая в значительной степени зависит от свойств металла и условий эксплуатации.
     1.2 Основные дефекты в магистральных газопроводах
     
     Среди основных дефектов, встречающихся в трубопроводах, можно выделить:
     • дефекты структуры материала - расслоение; неметаллические включения; плохое качество трубы, выпускаемой заводом-изготовителем, и др.;
     • дефекты геометрии - вмятины, гофры, отклонение от кругового сечения, например перемещение трубопровода или искривление его оси и образование овальности происходит при односторонней засыпке трубопровода и траншеи грунтом, просадки труб в местах неустойчивого основания или размыва грунтовыми и атмосферными водами и др.;
     • дефекты сварных соединений - трещины, непровары, поры, шлаковые включения, прожоги, неравномерное усиление сварного шва по ширине и высоте, недопустимые смещения кромок свариваемых труб и др.;
     • поверхностные дефекты - коррозионный износ, включая коррозионные каверны; трещины, стресс-коррозионные трещины, эрозионный износ, царапины из-за небрежного обращения с трубами при строительстве и перевозках и др. При разрушении изоляционного покрытия возникают условия для появления стресс-коррозионного процесса, рост такого дефекта до критического значения в среднем составляет 8-10 лет [10,11].
     Дефекты и различные отклонения могут вызвать существенные проблемы при эксплуатации трубопровода. Основными причинами аварий за последние пять лет являлись коррозия и стресс-коррозия (35,46 %) и брак строительно-монтажных работ (23,08 %). При этом динамика изменения числа выявляемых стресс-коррозионных дефектов указывает на неуклонный рост числа обнаруживаемых дефектов типа «коррозионное растрескивание под напряжением» (КРН), что свидетельствует об устойчивой тенденции к ухудшению состояния трубопроводной системы по стресс-коррозионному фактору. Аналогичная картина наблюдается и для коррозионных повреждений. Коррозионное растрескивание под напряжением наблюдается в трубопроводах из труб практически всех производителей, в том числе России, Франции, Японии, Германии.
     Увеличение плотности выявленных коррозионных дефектов обусловлено увеличением точности и разрешающей способности новых снарядов-дефектоскопов, а также совершенствованием другой приборной базы. Внутритрубная дефектоскопия позволяет выявлять около 80 % дефектов. Это приводит к резкому росту числа выявленных коррозионных дефектов глубиной менее 20 % от толщины стенки трубы, а также из-за естественного старения газопроводов и снижения защитных свойств изоляционных материалов и прочностных характеристик трубопроводов. 
     Одна из наиболее существенных причин разрушения металлических конструкций - наличие концентраторов. Концентраторами напряжений могут быть отверстия и углубления, раковины и пустоты, коррозионные дефекты, непровары в сварных швах и зоны скопления сварных швов, пазы и зоны стыков элементов, перепады толщин, острые конструктивные углы и т. д.
     Наиболее опасные концентраторы - трещины. Причины возникновения трещин могут быть технологическими, эксплуатационными, конструктивными и т. д. В процессе деформации металла происходит движение дислокаций, взаимодействие способствует образованию микротрещин. Трещины могут образоваться и при тепловом воздействии на металл, например при термической обработке и при сварке, когда возникают существенные температурные напряжения, вызванные градиентом температур.
     Причиной появления трещин принято считать межкристаллитное коррозионное растрескивание под напряжением (МКРПН) материала. Чувствительность нержавеющих сталей к коррозионному растрескиванию выявляется на металлографических шлифах в виде участков карбидов по границам зерен. Применение высокотемпературной термической обработки позволяет растворить карбиды и снизить остаточные сварочные напряжения.
     Для трубопроводов при разрушении изоляции и возможности доступа к поверхности трубы грунтового электролита характерными стали коррозионно-механические разрушения - коррозионное растрескивание под напряжением или стресс-коррозионное разрушение. Возникает сетка трещин глубиной до 2-3 мм, далее развитие этих трещин по механизму КРН замедляется и регистрируется активное анодное растворение как вершины поверхностной трещины, так и ее берегов.
     Вопросы объективной оценки опасности дефектов трубопровода и оптимизации применяемых методов их ремонта представляются весьма актуальными. В целях экспериментальных исследований опасности различных типов дефектов проводятся натурные испытания трубных плетей. Научно-исследовательские работы по изучению процесса коррозионного растрескивания под напряжением пока не привели к формированию однозначного представления о механизмах и причинах их возникновения, опираясь на которые можно было бы разработать эффективные мероприятия по предотвращению или снижению возможности появления стресс-коррозионных дефектов. Установлено, в частности, что зарождение стресс-коррозионных трещин и их развитие происходят весьма скоротечно и лавинообразно, а характер и скорость распространения являются труднопрогнозируемыми. Основными факторами, влияющими на процесс лавинного разрушения, являются геометрия трубы (диаметр и толщина стенки) и начальное давление продукта. Заметное влияние на процесс развития трещины оказывают механические свойства стали, особенно трещиностойкость, материал засыпки траншеи и химический состав продукта. Поэтому в силу опасности дефектов типа КРН их обнаружение на самой ранней стадии имеет первостепенную важность для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации трубопроводов [1,8]. Чувствительность внутритрубного дефектоскопа позволяет выявлять трещины с глубинами более 10 % стенки трубы. Следовательно, для большинства трубопроводов больших диаметров, трещины глубиной до 2 мм не обнаруживаются. Впоследствии трещины с такими глубинами, и особенно их колонии, уже при испытаниях могут дать непредсказуемый рост. Часто дефекты типа КРН локализуются в зоне термического воздействия сварного шва. Отсутствие дефекта КРН на участке не означает, что проблема снята: дефект может там появиться через некоторое время. Поэтому необходим регулярный мониторинг опасных участков, так как дефекты КРН развиваются очень быстро. С увеличением сроков эксплуатации магистральных газопроводов коррозионное растрескивание под напряжением металла труб стало одной из неотложных проблем в трубопроводном транспорте [8,10,21].
     
     1.3 Изменение свойств металла в процессе эксплуатации
     
     Длительная эксплуатация может приводить к деградации свойств металла труб, связанной с изменением структурного состояния. В результате этого разрушение становится возможным даже при напряжениях, не превышающих максимально допустимые. Снижение сопротивления разрушению может быть связано с процессами старения металла, повышения содержания водорода, увеличения внутренних напряжений и накопления дефектов типа микротрещин, а также локального уменьшения толщины стенки трубы в результате коррозии. Анализ факторов, вызывающих преждевременное разрушение трубопроводов, показывает, что основными причинами разрушения являются концентраторы напряжений механического происхождения (царапины, надрезы, конструктивные дефекты и т.д.) и дефекты, образующиеся в результате длительного контакта металла с коррозионной средой. 
     Одной из наиболее важных проблем эксплуатационной надежности газопроводов является преждевременное разрушение, вызванное образованием продольных трещин в местах контакта металла труб с внешней коррозионной средой.
     Следует учесть, что если аварийность по традиционным причинам (дефекты металла труб, брак строительно-монтажных работ, наружная общая коррозия и др.) достаточно хорошо изучена и пути ее снижения понятны, то явление стресскоррозионного растрескивания изучено меньше, и методы его предотвращения пока остаются малоэффективными. 
     Образование стресскоррозионных трещин зависит от нескольких факторов — уровня рабочего давления газа, состава коррозионной среды (уровень pH), механических свойств и структурного состояния металла труб. В том случае, когда в силу тех или иных причин возникает контакт поверхности металла с коррозионной средой, возможность появления стресскоррозионных трещин в значительной степени зависит от сопротивления металла трубы зарождению и развитию таких трещин[19].
          Поэтому исследование влияния химического состава и уровня прочности трубных сталей на склонность к стресскоррозионному растрескиванию является важной практической задачей для выбора оптимальных технологических параметров производства, обеспечивающих повышение сопротивления стали этому виду разрушения.
          Коррозионное растрескивание под напряжением протекает в условиях одновременного воздействия на металл статических или квазистатических напряжений, не превышающих предел прочности стали и коррозионной среды. Такой вид разрушения в широком смысле принято называть статической усталостью или замедленным разрушением. Фактически KPH представляет собой частный случай явления замедленного разрушения, обусловленный спецификой механизма его развития.
     Поскольку в условиях длительной эксплуатации, кроме напряжений, металл трубы может подвергаться воздействию коррозионной среды, то принято считать, что основной причиной разрушения в условиях контакта металла с коррозионной средой является локальная коррозия металла, приводящая к уменьшению его рабочего сечения и образованию трещины. Однако имеются основания полагать, что одним из основных факторов, способствующих трещинообразованию в условиях эксплуатации, является насыщение металла водородом. Особенно это характерно для коррозионных сред с низким pH (менее 7,5). Трещина в этом случае может образоваться в ходе выдержки при напряжении ниже предела текучести, особенно в присутствии надреза, и развиваться по межзеренному механизму. В связи с этим возникает необходимость оценки склонности стали к трещинообразованию в условиях поглощения водорода под напряжением. Следует отметить, что развитию замедленного разрушения способствуют внутренние микронапряжения, связанные с локальным наклепом металла[2]. 
     Образование трещины при водородном охрупчивании обычно связывают с диффузией водорода в поле упругих напряжений в вершине надреза или трещины, что приводит к обогащению водородом этой области. При этом важно учитывать изменение структурного состояния стали в процессе нагружения, в частности, микропластическую деформацию, протекающую в поверхностных слоях металла или перед заранее созданным концентратором напряжений. При испытаниях гладких образцов образование трещины происходит в местах действия локальных микронапряжений, возникающих в результате развития микропластической деформации.
     В ходе эксплуатации изделий из сталей насыщение водородом может происходить в результате развития процессов коррозии. Испытания на склонность к водородной хрупкости при насыщении металла водородом в некоторой степени имитируют процесс разрушения в реальных условиях эксплуатации при протекании электрохимических процессов коррозии. Этот вид испытаний является одним из наиболее жестких и может быть применен для наиболее ответственных деталей и изделий из сталей, работающих в условиях эксплуатации (высокие давления, коррозионные среды).
      Таким образом, для выявления склонности сталей к преждевременному хрупкому разрушению при длительном воздействии статических напряжений недостаточно проведения стандартных испытаний на ударную вязкость, а необходима оценка склонности металла к замедленному разрушению. Такую оценку обычно проводят путем испытаний образцов с надрезом при постоянном напряжении или деформации. Испытания проводят при растяжении или изгибе. По результатам испытаний оценивают время до разрушения, длительность инкубационного периода и среднюю или истинную скорость распространения трещины. Важной характеристикой склонности к замедленному разрушению является уровень порогового напряжения, нагружение ниже которого не вызывает замедленного разрушения. Пороговое напряжение при испытании гладких образцов обусловлено процессом зарождения трещины и близко по величине к напряжению начала микродеформации в стали. При водородном охрупчивании уровень порогового напряжения зависит от условий насыщения стали водородом [15,17].
     В отличие от явления хладноломкости, склонность к замедленному разрушению или к KPH не может быть выявлена при испытаниях в условиях низких температур или высоких скоростей деформации. Для обнаружения склонности стали к этому виду разрушения необходимы статические или квазистатические испытания. Если скорость испытаний настолько велика, что время до разрушения меньше, чем длительность инкубационного периода зарождения трещины, то склонность к KPH не обнаруживается. Именно поэтому о склонности стали к KPH невозможно судить по результатам высокоскоростных ударных испытаний.
     Процессы, протекающие в металле труб в ходе длительной эксплуатации, могут оказывать влияние как на стандартные механические свойства, так и на нестандартные, оцениваемые по специальным методикам. В связи с этим для оценки состояния металла труб после длительной эксплуатации необходимо исследование комплекса физико-механических характеристик, позволяющее оценить сопротивление разрушению металла в условиях, наиболее близких к условиям эксплуатации.
           Таким образом, для всесторонней оценки конструктивной прочности и разработки критериев надежности металла труб необходимо проведение комплекса испытаний, учитывающих структурное состояние металла, стадии зарождения и распространения трещины, влияние коррозионной среды и водорода.
           Известно, что процессы старения в железе и стали зависят от содержания атомов внедрения — углерода и азота — и от структурного состояния. По структурному состоянию современные трубные стали могут существенно отличаться от традиционных ферритно-перлитных сталей, что также может сказываться на склонности к старению [2]. 
     Проведенные испытания при динамическом и статическом изгибе образцов с надрезом из труб после длительной эксплуатации показывали снижение характеристик сопротивления разрушению металла труб. Несмотря на значительный разброс значений, наблюдается существенное снижение ударной вязкости при испытании металла труб на образцах как с круглым, так и с острым надрезом. После 20-25 лет эксплуатации заметно снизилась величина ударной вязкости. С увеличением срока эксплуатации происходит постепенное смещение температурного порога хладноломкости в сторону более высоких температур.
     При достижении срока эксплуатации труб около 25 лет происходит резкое снижение всех величин, характеризующих сопротивляемость металла труб разрушению при статических испытаниях на изгиб образцов с острым надрезом. Пластичность уменьшается примерно в 1,5 раза. Почти в два раза снижается величина суммарной работы разрушения металла труб, причем в основном за счет уменьшения работы зарождения трещины. Работа распространения трещины уменьшается в меньшей степени. Следовательно, в наибольшей степени изменение структурного состояния металла труб в процессе длительной эксплуатации оказывает влияние на работу зарождения трещины. 
     Величина критического раскрытия трещины, отражающая предельную деформацию начала страгивания трещины, существенно снижается после 20-25 лет эксплуатации примерно в 1,5 раза. Это свидетельствует об увеличении чувствительности стали к концентраторам напряжений. Te концентраторы напряжений на поверхности трубы (царапины, задиры, вмятины и др.), которые были не очень опасны в начале эксплуатации, могут стать критическими после длительной эксплуатации из-за изменения структурного состояния металла труб. 
     Таким образом, в металле труб в процессе длительной эксплуатации, вероятно, происходит изменение структурного состояния, приводящее к снижению сопротивления хрупкому разрушению. Можно полагать, что это является следствием повышения сопротивления микропластической деформации и увеличения локальных микронапряжений под нагрузкой. 
     Изменение сопротивления разрушению металла труб может быть связано и с процессом накопления дефектов в результате воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода. Коррозионные процессы вызывают изменение состояния поверхности металла труб, приводя к образованию дефектов типа коррозионных каверн, язв, питтингов и др. 
     Насыщение металла водородом вызывает образование внутренних дефектов типа микротрещин в местах воздействия локальных микронапряжений. Следует отметить, что насыщение металла водородом может происходить в результате развития процессов электрохимической коррозии. В трубопроводах насыщению металла труб водородом может способствовать катодная защита [19].
     В процессе эксплуатации трубы испытывают перепады давления, температуры, динамические и статические нагрузки. Условия эксплуатации труб создают возможность протекания в металле деформационного старения, приводящего к повышению сопротивления движению дислокаций и увеличению опасности появления в металле локальных пиков напряжений. Вследствие этого в ходе эксплуатации труб уменьшается возможность релаксации локальных напряжений в вершине надреза или трещины, что повышает склонность стали к хрупкому разрушению. 
     Для оценки состояния магистральных трубопроводов недостаточно определения стандартных механических свойств. Критериями оценки надежности должны быть свойства, чувствительные к локальным структурным изменениям, например, полученные при испытании образцов с трещиной, острым надрезом, при низких температурах, а также испытании на замедленное разрушение. 
     Состояние металла труб зависит не только от срока эксплуатации, но и от силовых параметров, которые различны на разном удалении трубы от насосной станции. Более высокий уровень перепадов рабочего давления в трубопроводах на выходе из насосных станций, по-видимому, повышает средний уровень напряжений, действующих на стенки труб, и способствует более интенсивному протеканию процессов деформационного старения и накопления дефектов. 
     Проблема возникает в связи с деградацией физико-механических свойств, поэтому требуется изучение роли процессов старения и водородного охрупчивания в деградации эксплуатационных свойств и технологического ресурса сталей для магистральных газопроводов [15,16,17].


     ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ФИЗИЧЕСКОГО И СТРУКТУРНОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ (ДЕГРАДАЦИИ) МЕТАЛЛА ГАЗОПРОВОДОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
     
     2.1 Механические свойства стали
     
     Без сомнения наиболее важными свойствами сталей, благодаря которым они находят такое широкое применение, являются их механические свойства. Эти свойства включают комбинацию очень высокой прочности со способностью к значительному изменению формы, например, пластическому прогибу, перед окончательным разрушением.
     Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.
     Механические свойства сталей, как и других металлических материалов, чаще всего определяются с помощью испытания на растяжение. Испытание на растяжение заключается в приложении растягивающего усилия к образцу – чаще всего, в виде стержня – и измерении изменения длины образца при увеличении прилагаемого усилия. Образец вырезают из интересующего материала или изделия. Результат испытания представляет собой диаграмму растяжения — график, на котором по вертикали откладывается напряжение (усилие на единицу площади образца), а по горизонтали – деформация (относительное изменение длины образца).
     Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца ?l(мм) от действующей нагрузки Р, то есть ?l = f(P). Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения ?l от напряжения ?.
     Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки: участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.
     Предел пропорциональности (?пц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.
     При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения). Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.
     Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации (?0.05).
     Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.
     Физический предел теку.......................