Обоснование метода термической обработки кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов проработавших длительное время.

В процессе эксплуатации в трубных сталях протекают процессы накопления необратимых пластических деформаций, деформационного старения и наводораживания, интенсифицирующиеся циклическим характером нагружения, которые проявляются в снижении свойств сопротивляемости хрупкому разрушению, особенно в локальных, структурно-неоднородных областях [130 с. 212], которыми и являются сварные соединения магистральных трубопроводов. Охрупчивание труб и сварных соединений в процессе эксплуатации существенно снижает ресурс магистральных трубопроводов [130 с. 134]. Увеличивается потенциальная возможность возникновения и роста трещин. В связи с этим актуальной задачей является изучение условий, при которых происходит восстановление вязкопластических свойств металла труб и сварных соединений магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации. Как было указано в первой главе, разрушение магистральных трубопроводов происходит, как правило, не столько в результате недостаточной прочности металла, сколько вследствие его низкой вязкости. Следовательно, надежность линейной части системы транспорта углеводородов определяется не только прочностью металла труб, как это принято, например, в СНиП 2.05.06 [69], а также свойствами трубных сталей и их соединений сопротивляться хрупкому разрушению. Наиболее перспективным методом восстановления вязких свойств кольцевых деформационно-состаренных сварных соединений магистральных трубопроводов на наш взгляд является термическое воздействие на материал стыковых соединений труб.

Суть термической обработки заключается в том, чтобы изменением температуры вызвать желаемое изменение строения металла [23 с. 199]. Основными факторами термической обработки являются температура и время. Основными видами термической обработки являются [23 с. 199,]:

· Закалка (изотермическая закалка, ступенчатая, закалка в нескольких средах, закалка с самоотпуском, поверхностная закалка).

· Отжиг (полный отжиг, изотермический отжиг, патентирование, неполный отжиг, диффузионный отжиг, нормализация).

· Отпуск (высокий отпуск, среднетемпературный отпуск, низкотемпературный отпуск).

· Обработка стали холодом.

Тепловое воздействие может сопровождаться также химическим, деформационным, магнитным и другими видами воздействий.

Термомеханическая обработка стали заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой и последующим отпуском [62 с. 214]. Такая комбинированная обработка позволяет получить высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью. В тоже время сложность осуществления процесса термомеханической обработки в полевых условиях действующих магистральных трубопроводов не позволяют рассматривать данный вид воздействия в качестве перспективного метода повышения надежности кольцевых стыков магистральных трубопроводов.

Химико-термической обработкой стали заключается в поверхностном насыщении стали тем или иным элементом путем его диффузии из внешней среды при высокой температуре [23 с. 284]. Данный вид комплексной обработки применяется для получения твердой износостойкой поверхности с повышенной коррозионной стойкостью. Применение данного вида обработки является в рассматриваемом нами случае не целесообразным, так как полученный результат не будет соответствовать поставленным целям.

Обработка холодом применяется для закаленной легированной стали с целью снижения количества остаточного аустенита, что ведет к повышению твердости и износостойкости [23 с. 273, 63 c. 269]. Материал кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации не содержит аустенита, что исключает необходимость применения данного вида термической обработки.

Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры аустенитного превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава [23 с. 206, 62 с. 197, 63 c. 245]. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износоустойчивости. В тоже время дальнейшее повышение прочности и твердости зачастую сопровождается снижением относительного удлинения и ударной вязкости, что в случае такой обработки приведет к результату противоположному желаемому. Термическое улучшение стали, заключающееся в закалке с последующим высоким отпуском трудноосуществимо на действующем трубопроводе в связи со сложностью осуществления процесса в полевых условиях, возможностью коробления и образования трещин при проведении закалки [62 с. 216, 63 c. 272]. Таким образом, данный вид термического воздействия на сварные соединения магистральных трубопроводов не является перспективным.

Отжиг – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более стабильное состояние. После отжига сталь обладает высокой пластичностью и вязкостью, но низкой твердостью и прочностью [23 с.275, 62 с. 191, 63 с. 237]. Значительное снижение прочностных обработанных стыков приведет к несоблюдению условия равнопрочности свойств сварных соединений и основного металла труб и повысит вероятность отказов. Таким образом, данный вид термического воздействия не целесообразен.

Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве сплава ниже температуры аустенитного превращения, выдержки и последующего охлаждения для получения более устойчивого структурного состояния сплава. Температура отпуска оказывает значительное влияние на получаемые в результате свойства. Наилучшее соотношение прочности и вязкости получается в результате высокого отпуска при температурах 500-700 ˚С [63 с. 268]. Высокий отпуск почти полностью снимает внутренние напряжения и значительно повышает ударную вязкость. Прочность и твердость при этом снижается, но остаются значительно более высокими, чем после отжига. Таким образом, оптимальной технологией повышения надежности сварных кольцевых соединений магистральных трубопроводов представляется высокий отпуск. Следовательно, необходимо провести исследования влияния высокого отпуска на материал стыковых соединений длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов.