способ контроля стойкости трубных сталей против коррозионного растрескивания под напряжением
Классы МПК: | G01N17/00 Исследование устойчивости материалов к атмосферному или световому воздействию; определение антикоррозионных свойств |
Автор(ы): | Зайцев Александр Иванович (RU), Родионова Ирина Гавриловна (RU), Бакланова Ольга Николаевна (RU), Брюнина Галина Владимировна (RU), Гришин Александр Владимирович (RU), Есиев Таймураз Сулейманович (RU), Ряховских Илья Викторович (RU), Скоморохова Наталия Васильевна (RU), Удод Кирилл Анатольевич (RU), Шумакова Инна Аипхановна (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-06-03 публикация патента:
10.10.2014 |
Изобретение относится к области контроля качества стальных изделий, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, оказывающих коррозионное воздействие на металлы. Способ контроля стойкости трубных сталей против коррозионного растрескивания под напряжением заключается в том, что изготавливают образцы цилиндрической формы, к которым прикладывают напряжение и подвергают воздействию испытательной среды. Причем образцы подвергают предварительной деформации растяжением со степенями 1-10%. Затем прикладывают нагрузку, величина которой составляет 50-80% от предела текучести, и помещают образцы в испытательную среду со значением pH в пределах 2,5-5 на 180-360 часов. Далее образцы разрушают на воздухе методом растяжения на разрывной машине, а о стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением судят по разнице механических свойств сталей в исходном состоянии и после испытаний. При этом о стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением судят по степени изменения пластичности, которую вычисляют по формуле: , где - - относительное удлинение в исходном состоянии; - относительное удлинение после испытаний, при этом стали, для которых значение составляет от 0 до +10%, относят к 1-му классу стойкости, стали, для которых значение составляет более +10% или от минус 10% до 0%, относят ко 2-му классу стойкости, стали, для которых значение составляет менее минус 10%, относят к 3-му классу стойкости. Техническим результатом является повышение информативности и достоверности при снижении длительности проведения контроля на стойкость против коррозионного растрескивания с учетом склонности стали к неоднородности пластической деформации, а также возможность ранжирования сталей по классам стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Формула изобретения
1. Способ контроля стойкости трубных сталей против коррозионного растрескивания под напряжением, заключающийся в том, что изготавливают образцы цилиндрической формы, к которым прикладывают напряжение и подвергают воздействию испытательной среды, отличающийся тем, что образцы подвергают предварительной деформации растяжением со степенями 1-10%, затем прикладывают нагрузку, величина которой составляет 50-80% от предела текучести, и помещают образцы в испытательную среду со значением pH в пределах 2,5-5 на 180-360 часов, после чего образцы разрушают на воздухе методом растяжения, а о стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением судят по разнице механических свойств сталей в исходном состоянии и после испытаний.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что о стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением судят по степени изменения пластичности, которую вычисляют по формуле:
,
где - - относительное удлинение в исходном состоянии;
- относительное удлинение после испытаний,
при этом стали, для которых значение составляет от 0 до +10%, относят к 1-му классу стойкости,
стали, для которых значение составляет более +10% или от -10% до 0%, относят ко 2-му классу стойкости,
стали, для которых значение составляет менее минус 10%, относят к 3-му классу стойкости.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области контроля качества стальных изделий, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, оказывающих коррозионное воздействие на металлы.
Одним из наиболее повреждаемых в результате коррозионного воздействия объектов является оборудование, подвергающееся воздействию агрессивных сред, составной частью которых является водород (свободный, несвязанный) и др. агрессивные компоненты. К такому оборудованию относятся трубопроводы для транспортировки нефти и газа, в том числе магистральные, а также внутрипромысловые, резервуары, скважинное и др. виды оборудования (в том числе для химической и нефтеперерабатывающей промышленности).
Одним из главных видов коррозионного разрушения такого оборудования является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН, стресс-коррозия).
Применительно к стальным магистральным газопроводам важными стадиями данного вида разрушения являются:
- возникновение очагов локальной коррозии на поверхности трубы при ее контакте с грунтовым электролитом по классическому электрохимическому механизму с последующим зарождением стресс-коррозионных трещин,
- развитие трещин КРН по механизму анодного растворения металла в устье трещины или водородного охрупчивания (из-за поступления в сталь водорода из коррозионной среды), которое на определенной стадии может получить аномальное ускорение и привести к сквозному протяженному разрушению трубопровода.
Данные представления о процессе КРН недостаточно полно учитывают роль напряженно-деформированного состояния, а также процессов пластической микродеформации поверхностных, а затем и более глубоких слоев металла, приводящие к исчерпанию запаса пластичности отдельных участков, к возникновению и развитию трещин.
Так, основным условием протекания первой стадии КРН - зарождения трещин, является наличие на поверхности труб аномалий, вызывающих неоднородное распределение напряжений в сечении труб: разброс механических свойств металла, разнотолщинность листовой заготовки, вмятины, смещение кромок в зоне сварного шва и т.д. Другие аномальные участки, которые формируются на поверхности в результате контакта имеющихся на ней структурных элементов металла, проявляющих коррозионную активность в водных средах (неметаллических включений, структурной и сегрегационной неоднородности), с грунтовым электролитом, представляют собой очаги коррозии.
В процессе длительного пребывания под нагрузкой (при эксплуатации трубопровода) металла с аномальными участками на поверхности происходит неизбежное выравнивание поля напряжений, реализующееся путем медленно протекающей пластической деформации металла в местах аномалий. Следствием исчерпания запаса пластичности металла в отдельных микрообъемах становится зарождение микротрещин.
Условиями развития второй стадии КРН, кроме наличия на поверхности металла зародышевых трещин, являются доступ коррозионной среды к поверхности металла, а также выделение водорода из коррозионной среды в результате химических и электрохимических процессов. Эта стадия предполагает последовательное чередование двух процессов: локального анодного растворения (ЛАР) и водородного охрупчивания (ВО) при том, что оба процесса подготавливаются и сопровождаются активно идущей пластической деформацией. Процесс микропластических деформаций слоя интенсифицируется под действием водорода. Вопреки распространенному мнению о том, что в водородосодержащих средах происходит процесс охрупчивания, в начальный период при малых концентрациях водород может способствовать микропластическим деформациям. Но эти микропластические деформации, так же как и процессы охрупчивания, приводят к исчерпанию запаса пластичности и к ускоренному развитию процесса КРН.
Представленные модельные представления о процессе КРН свидетельствуют о существенной роли в его развитии склонности стали к неравномерности микродеформации при контакте со средой и о целесообразности ее определения для оценки стойкости стали к КРН.
Известен способ оценки склонности трубных марок сталей к стресс-коррозии, включающий воздействие на испытуемый образец водородсодержащей коррозионной среды, при том, что предварительно на испытуемый образец алмазом наносят отпечатки, прикладывают нагрузку в пределах 0,85-0,95 от предела текучести стали, определяют коэффициент неравномерности поверхностной микродеформации (Кн) по формуле:
,
где разб - общая сумма разброса деформации участков между отпечатками,
li - относительное удлинение между отпечатками,
- общая сумма удлиненных участков между отпечатками, и по коэффициенту Кн оценивают склонность стали к стресс-коррозии: при значении Кн в пределах 0,05÷0,12, марка трубной стали не склонна к КРН, при значении Кн в пределах 0,12÷0,17 на трубной стали появляются стресс-коррозионные повреждения, не представляющие опасности в условиях длительной эксплуатации, а при значении Кн более 0,17 марка трубной стали склонна к КРН, а в качестве водородсодержащей коррозионной среды используют 3% раствор хлорида натрия, подкисленный соляной кислотой до pH 2-2,3. Способ позволяет повысить коррозионную стойкость магистральных трубопроводов в условиях, вызывающих стресс-коррозию. (патент RU2299420, МПК G01N 17/00, опубликован 20.05.2007).
Недостаток известного способа заключается в необходимости проведения большого количества измерений, проводимых ручным инструментом, в ходе которых возможно появление погрешности. Кроме того, способ позволяет оценивать неравномерность поверхностной микродеформации только в локальных участках, тогда как реальные стали характеризуются существенной неоднородностью микроструктуры.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ оценки стойкости стали против коррозионного растрескивания под напряжением, заключающийся в том, что от изделий отбирают пробы, изготавливают образцы цилиндрической формы, к которым прикладывают напряжение и подвергают воздействию агрессивной среды. Образец выдерживают в агрессивной среде под постоянной нагрузкой в течение 720 часов. Уровень приложенного напряжения находится в интервале от 0,6 до 0,95 от предела текучести стали, в зависимости от требований нормативной документации. Критерием стойкости стали может быть максимальное значение приложенного напряжения, при котором образец не разрушился в течение 720 часов, или сам факт отсутствия разрушения при определенной фиксированной нагрузке (чаще всего 0,8 от предела текучести стали), также после выдержки в агрессивной среде в течение 720 часов (Метод по NACE Standard TM 0198-98. Standard Test Method Slow Strain Rate Test Method for Screening Corrosion-Resistant Alloys (CRAs) for Stress Corrosion Cracking in Sour Oilfield Service, p.1 - 16 - прототип).
Недостатком способа является невысокая чувствительность, большая длительность испытаний и невозможность ранжировать близкие по механическим характеристикам стали, содержащие разные по эффективности ловушки водорода, которые во многом определяют стойкость стали против стресс-коррозии. Кроме того, при указанных условиях испытаний для ряда сталей могут не развиться процессы микропластической деформации, что также снижает достоверность оценки стойкости против КРН.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа контроля стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением сталей, предназначенных для труб магистральных газопроводов и других видов оборудования, эксплуатирующегося в условиях, приводящих к поступлению в металл водорода.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение информативности и достоверности при снижении длительности проведения контроля на стойкость против коррозионного растрескивания с учетом склонности стали к неоднородности пластической деформации, а также возможность ранжирования сталей по классам стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля стойкости трубных сталей против коррозионного растрескивания под напряжением, заключающемся в том, что изготавливают образцы цилиндрической формы, к которым прикладывают напряжение и подвергают воздействию испытательной среды, согласно изобретению образцы подвергают предварительной деформации растяжением со степенями 1-10%, затем прикладывают нагрузку, величина которой составляет 50-80% от предела текучести, и помещают образцы в испытательную среду со значением pH в пределах 2,5-5 на 180-360 часов, после чего образцы разрушают на воздухе методом растяжения на разрывной машине, а о стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением судят по разнице механических свойств сталей в исходном состоянии и после испытаний. О стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением судят по степени изменения пластичности, которую вычисляют по формуле:
,
где - - относительное удлинение в исходном состоянии;
- относительное удлинение после испытаний,
при этом стали, для которых значение составляет от 0 до +10%; относят к 1-му классу стойкости,
стали, для которых значение составляет более +10% или от минус 10% до 0%, относят ко 2-му классу стойкости,
стали, для которых значение составляет менее минус 10%; относят к 3-му классу стойкости.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что проводится имитация двух процессов, присущих эксплуатации магистральных газопроводов: локального анодного растворения (ЛАР) и водородного охрупчивания (ВО), при том, что оба процесса подготавливаются и сопровождаются активно идущей пластической деформацией. Участками локализации микропластических деформаций могут быть несовершенства кристаллической решетки, металлургическая неоднородность стали.
Предварительная деформация растяжением с общей степенью 1-10% необходима для интенсификации пластического течения в наиболее напряженных участках металла еще до поступления в металл водорода, что характерно для начала первой стадии КРН. При степени деформации менее 1% пластическая деформация будет реализована неравномерно по объему только в отдельных участках металла. Увеличение степени деформации свыше 10% превысит реально возможные степени деформации, которые могут возникать в трубопроводе до поступления в сталь водорода.
Приложение нагрузки, величина которой составляет 50-80% от предела текучести, необходимо для создания напряженно-деформированного состояния, характерного для стадий зарождения и развития трещин КРН. Именно исходя из требований обеспечения нагрузок в трубопроводе не более 80% от предела текучести выбирается сталь для трубопровода, рассчитываются его диаметр и толщина стенки трубы для конкретных условий эксплуатации. Нагрузка менее 50% от предела текучести не обеспечивает средний уровень напряжений, характерных для условий эксплуатации трубопровода.
Выдержка образцов в испытательной среде со значением pH в пределах 2,5-5 в течение 180-360 часов обеспечивает поступление в сталь водорода при испытаниях, достаточное для создания напряженно-деформированного состояния в участках металла со структурными элементами, являющимися ловушками для водорода. При значении pH более 5, при данной продолжительности испытаний, а также при продолжительности испытаний менее 180 часов, развитие процессов деградации стали, связанных с поступлением в сталь водорода и развития микропластических деформаций, будет недостаточным для оценки стойкости стали к КРН. При значении pH менее 2,5 механизмы разрушения стали изменяются, становятся характерными для сред с повышенным содержанием сероводорода. При этом решающую роль в разрушении, которое начинает происходить по механизму водородного растрескивания, начинают играть другие структурные элементы, чем в процессах КРН, что снижает достоверность получаемых результатов.
Заявленные отличительные признаки (параметр «изменение относительного удлинения») и критерии ранжирования результатов определены на основе многочисленных экспериментов эмпирическим путем.
Примеры реализации изобретения
Из трубных сталей марок, К60-К65, химический состав которых приведен в таблице 1, изготавливали цилиндрические образцы размером 90×5 мм, по 7 штук на каждый вариант стали. По одному образцу от варианта испытывали сразу для определения относительного удлинения в исходном состоянии. Каждый из оставшихся образцов подвергали предварительной деформации растяжением от 1 до 5% соответственно. Далее образцы помещались в закрытую ячейку с раствором 5% NaCl, 0,4% уксусной кислоты, pH 2,9. На образцы подавалась нагрузка 80% от предела текучести. Испытания проводились 240 часов. Затем образцы разрушали на воздухе методом растяжения и определяли относительное удлинение для каждого образца одного варианта и сравнивали со значением этого параметра в исходном состоянии. О стойкости стали к КРН судили по наибольшему изменению относительного удлинения.Также проводили испытания образцов по прототипу (Метод по NACE Standard ТМ 0198-98. Standard Test Method Slow Strain Rate Test Method for Screening Corrosion-Resistant Alloys (CRAs) for Stress Corrosion Cracking in Sour Oilfield Service, p.1-16). Для этого брали по одному цилиндрическому образцу от каждого варианта и испытывали под нагрузкой 80% от предела текучести в течение 720 часов в агрессивной среде NACE. Критерием стойкости стали к КРН является факт разрушения образца в процессе выдержки. Результаты испытаний образцов по разработанной методике и прототипу приведены в таблице 2. Испытания проводили на трубных сталях марок К60-К65, химический состав которых приведен в таблице 1.
Таблица 1 | ||||||||||||
Химический состав исследуемых сталей | ||||||||||||
№ | Сталь | Содержание элементов, масс.% | ||||||||||
С | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Al | Ti | V | Nb | ||
1 | К60 | 0,090 | 0,26 | 1,52 | 0,009 | 0,002 | 0,036 | 0,03 | 0,037 | 0,019 | 0,06 | 0,04 |
2 | К65 | 0,063 | 0,22 | 1,69 | 0,008 | 0,002 | 0,24 | 0,23 | 0,034 | 0,017 | 0,04 | 0,066 |
3 | К60 | 0,065 | 0,26 | 1,58 | 0,008 | 0,002 | 0,019 | 0,17 | 0,038 | 0,015 | 0,03 | 0,045 |
4 | К65 | 0,059 | 0,25 | 1,53 | 0,008 | 0,002 | 0,22 | 0,20 | 0,041 | 0,025 | 0,02 | 0,055 |
Таблица 2 | ||||||
Результаты испытаний образцов по методике оценки склонности трубных марок сталей к коррозионно-механической повреждаемости при неоднородности поверхностной микродеформации и по прототипу. | ||||||
№ обр | Факт разрушения образца (испытания по способу-прототипу) | Величина предварительной деформации, % | Относительное удлинение в исходном состоянии, % | Остаточное относительное удлинение после испытаний, % | Степень изменения удлинения % | Класс стойкости по изменению удлинения |
1 | Да | 2 | 19 | 22 | -18,9 | 3 |
2 | Нет | 2 | 20 | 21 | -6.4 | 2 |
3 | Нет | 2 | 26 | 21 | +18 | 2 |
4 | Нет | 3 | 17 | 17 | 0 | 1 |
Установлено, что стали составов 3 и 4 имеют принципиально отличающийся от составов 1 и 2 характер изменения свойств в процессе наводороживания. В первом случае наблюдается увеличение, а во втором снижение относительного удлинения, что может быть связано с накоплением в металле неблагоприятных форм присутствия водорода. Однако, как показано выше, и снижение и увеличение значения относительного удлинения после испытаний являются неблагоприятными факторам для развития КРН.
По степени изменения относительного удлинения наиболее высокую стойкость показала сталь К65 состава 4 - класс 1, наиболее низкую - сталь К60 состава 1 - класс 3, стали составов 2 и 3 показали промежуточный класс стойкости - класс 2.
Результаты испытаний, проведенных по способу-прототипу, частично, коррелируют с результатами по предлагаемой методике. Образец стали № 1 разрушился при испытаниях по прототипу и показал 3 класс стойкости по разработанной методике. Образцы сталей № 2-4 не разрушились при испытаниях по прототипу, однако по разработанной методике показали разные классы стойкости. Разработанная методика позволяет четче ранжировать стали по стойкости к КРН.
Таким образом, изобретение обеспечивает повышение информативности и достоверности при снижении длительности проведения контроля на стойкость против коррозионного растрескивания с учетом склонности стали к неоднородности пластической деформации, а также возможность ранжирования сталей по классам стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением.
Класс G01N17/00 Исследование устойчивости материалов к атмосферному или световому воздействию; определение антикоррозионных свойств