Влияние операций формовки трубы на параметры трещиностойкости

M.S. Mashentseva1, , Mikurov2, ,

Современный магистральный трубопровод для нефти и газа высокого давления является сложным технологическим сооружением. Первостепенным требованием, предъявляемым к его конструкции, является обеспечение необходимого уровня безопасности, особенно с позиции предотвращения протяженных разрушений. Остановка разрушения, распространяющегося по магистральному трубопроводу для нефти и газа высокого давления, должна обеспечиваться выбором материала труб, который должен обладать необходимым уровнем трещиностойкости. Трещиностойкость трубных сталей определяется при помощи стандартных испытаний по ISO 12135 [1], а именно при помощи определения показателя раскрытия в вершине трещины (CTOD). Раскрытие в вершине трещины (CTOD) – это показатель, который характеризует способность материала готовой продукции сопротивляться образованию трещин и их распространению при воздействии внешних нагрузок. Подобные испы- тания все чаще являются обязательными при контроле качества готовой продукции.

За несколько лет через испытательную лабораторию прошло множество образцов от листового проката разной толщины для будущих трубопроводов, а также образцы от самих трубопроводов разных назначений и типоразмеров для проведения испытания на вязкость разрушения, что позволило собрать статистику для анализа. Значения образцов CTOD листового проката значительно выше значений, полученных в результате испытания образцов трубопровода (рис. 1), и этому может быть множество причин.

Химический состав стали играет не последнюю роль в определении ее механических свойств, включая прочность и устойчивость к трещинообразованию. Особое влияние оказывают легирующие элементы, такие как марганец, кремний, никель, хром, молибден, ниобий и другие, которые могу влиять на процессы образования микротрещин и их распростране-

Рис. 1. Результаты определения показателя раскрытия в вершине трещины (CTOD): a – лист толщиной 18 мм, труба типоразмером 1020 х 18 мм; b - лист толщиной 25,8 мм, труба типоразмером 1420 х 25,8 мм; c - лист толщиной 30,9 мм, труба типоразмером 1420 х 30,9 мм

(см. также с. 36)

Fig. 1. Results of determining the crack tip opening displacement (CTOD): a – plate 18 mm thick, pipe size 1020 х 18 mm; b - plate 25,8 mm thick, pipe size 1420 х 25,8 mm; c - plate 30,9 mm thick, pipe size 1420 х 30,9 mm (see also p. 36)

c)

Рис. 1. Окончание

Fig. 1. End

Рис. 2. Результаты определения показателя раскрытия в вершине трещины (CTOD) листового проката в зависимости от его толщины

Fig. 2. Results of determining the crack tip opening displacement (CTOD) of flat product depending on its thickness

ние [2]. Микроструктура стали также оказывает значительное влияние на трещиностойкость материала. Размер и форма зерен, наличие включений, структура фаз и дефекты поверхности могу существенно влиять на поведение стали в условиях механического нагружения [3].

Большое влияние на механические свойства, в том числе показатель раскрытия в вершине трещины (CTOD), оказывают деформации формоизменяющих операций трубного передела, исследование влияния на механические свойства представлены в ряде работ [4–6]. По результатам исследований этих авторов свойства металла имеют тенденцию к снижению показателей, определяемых при испытаниях на растяжение и ударный изгиб. Помимо общего снижения механических свойств готового трубопровода, в отличие от листового проката, пластическая деформация при формообразовании влечет за собой микродефекты и неоднородность напряженно-деформированного состояния металла [7].

Также на конечное значение показателя трещиностойкости готовой продукции значительное влияние оказывают ее геометрические параметры. Например, для листового проката основным геометрическим параметром является его толщина. На риc. 2 представлены результаты испытаний на определение раскрытия в вершине трещины (CTOD) листового проката в зависимости от его номинальной толщины. Можно заметить, что чем больше толщина листового проката, тем выше значение CTOD, следовательно, меньше вероятность появления трещин при механических нагрузках. Однако слишком большая толщина также может снизить общую прочность материала из-за возможного образования внутренних напряжений.

Для трубопровода помимо толщины стенки важен его диаметр. Увеличение диаметра трубы может повысить ее трещиностойкость за счет увеличения площади распределения механических напряжений, трещине будет труднее распространяться, поскольку давление и напряжение будут распределяться по большей поверхности. Если труба имеет меньший диаметр, то ее радиус кривизны будет меньше, что может привести к повышенным напряжениям в области изгиба. Это может способствовать образованию и распространению трещин. На риc. 3 представлены

a)

b)

Рис. 3. Результаты определения показателя раскрытия в вершине трещины (CTOD) трубы в зависимости от толщины ее стенки: а – бесшовные трубы; b – сварные трубы

Fig. 3. Results of determining the crack tip opening displacement (CTOD) of pipe depending on its wall thickness: a – seamless pipe; b – welded pipe

зависимости значения раскрытия в вершине трещины (CTOD) трубопроводов от толщины стенки, на рис. 4 – зависимости значения раскрытия в вершине трещины (CTOD) трубопроводов от диаметра трубы. Значения труб в бесшовном исполнении приведены исключительно для определения характера поведения показателя раскрытия в вершине трещины с увеличением диаметра и толщины стенки трубы.

Анализируя результаты испытаний на вязкость разрушения образцов, отобранных от труб, можно заметить, что у бесшовных труб с увеличением толщины стенки и диаметра происходит и рост значений показателя раскрытия в вершине трещины (CTOD). И ровно обратная тенденция наблюдается у сварных труб: при увеличении толщины стенки и диаметра значения CTOD становятся ниже. У трубопроводов в бесшовном исполнении самые высокие зна-

Диаметр трубы, мм

a)

b)

Риc. 4. Результаты определения показателя раскрытия в вершине трещины (CTOD) трубы в зависимости от ее диаметра: а – бесшовные трубы; b – сварные трубы

Fig. 4. Results of determining the crack tip opening displacement (CTOD) of pipe depending on its diameter: a – seamless pipe; b – welded pipe

чения у типоразмера 355,6 х 15,9 мм, у сварных труб - 1020 х 20 мм.

Вероятно, существует некоторая «золотая середина», оптимальное сочетание толщины стенки и диаметра трубы для обеспечения прочности и эффективности конструкции. Правильно подобранные геометрические параметры трубы позволят улучшить равномерность распределения нагрузок и повысить стойкость трубопровода к воздействию внешних факторов. Для более точной оценки влияния трубного передела на значения раскрытия в вершине трещины (CTOD) следует прибегнуть к другим методам исследования, в частности, построить математическую модель, а также провести конечно-элементное моделирование.