Фактори знижують конструктивну міцність металу труб та перспективи створення нових трубних сталей
Плешівцев В.Г., Пак Ю.А. та Філіппов Г.А. (ДепТЕХ м. Москви, ЗАТ «ЮННА ПАК», ЦНДІЧермет ім. І.П. Бардіна)
Третя науково-практична конференція «Теплові мережі. Сучасні практичні рішення»
Сталеві труби для будівництва теплових мереж нормовані СНіП «Теплові мережі. Матеріали, обладнання, арматура, вироби та будівельні конструкції», за якими передбачено використання в теплових мережах труб в основному зі сталі марки: Ст.3, 10, та 20. Вибір сталевих труб здійснюється в залежності від величини та характеру навантажень та інших спеціальних вимог залежно та умовами експлуатації. При підвищених вимогах міцності до конструкції трубопроводів потрібні сталі з підвищеною межею плинності і тимчасовим опором розриву. Для повітряних (надземних) теплопроводів раціонально застосування труб із сталей з підвищеними характеристиками міцності. Це дозволяє максимально збільшити відстані (прольоти) між опорними конструкціями, що у свою чергу зменшує вартість спорудження. Для прокладання трубопроводів теплових мереж, що розводять, використовуються водогазопровідні зварні труби за ГОСТ 3262-75. Вони використовуються при тиску теплоносія до 1,6 МПа та температурі до 150°С. Проте вимоги діючих НТД, розроблених понад 30 років тому, застаріли і не відповідають сучасним умовам експлуатації теплових мереж.
Зростання вимог до трубопроводів теплових мереж у сучасних умовах зумовлює необхідність розробки нових марок сталей, що володіють спеціальними властивостями, що відповідають підвищеними службовими та споживчими характеристиками для труб теплових мереж.
Одним із головних факторів зниження експлуатаційної стійкості трубопроводів, у тому числі теплових мереж, є процеси загальної та локальної корозії, деформаційного старіння, а також погіршення механічних характеристик та опору металу руйнуванню. Корозія призводить до зменшення товщини стінки труби та виникнення концентратів напруг, деградація властивостей знижує опір зародженню та поширенню тріщини, що може викликати при робочих, і особливо випробувальних, тисках руйнування трубопроводу.
Тому важливим завданням є дослідження вкладу цих факторів у зміну опору руйнуванню металу труб та розробка на цій основі принципів створення нових трубних сталей, стійких до силового та теплового впливів.
Відомо, що діюча система допустимого рівня випробувального тиску трубопроводів теплових мереж не враховує тривалості експлуатації, ступеня корозійного пошкодження металу труб та процесів старіння та деградації властивостей. Хоча існують роботи, в яких показано, що зменшення товщини стінки труби в результаті корозії може бути враховано при виборі випробувального тиску, що, своєю чергою, може знизити ймовірність ненавмисного руйнування стінки труби і збільшити її експлуатаційний ресурс.
Важливим моментом є те, що високий випробувальний тиск у трубах, уражених корозією, призводить до розвитку пластичної деформації, що з одного боку посилює процес корозії, а з іншого – зменшує запас пластичності сталі.
Як приклад на рис. 1 представлені результати дослідження впливу пластичної деформації на схильність до загальної корозії трубної сталі.
Мал. 1. -Вплив деформації на втрату ваги зразків з вуглецевої сталі прикорозійних випробуваннях
Мал. 2. Вплив вмісту вуглецю на середню швидкість корозії трубних сталей
Якщо врахувати, що швидкість корозії труб залежить ще й від технології виробництва листа та труб, то стає очевидною актуальність проблеми створення трубних сталей, що відповідають сучасним вимогам підвищення надійності теплових мереж.
Іншим фактором, від якого залежить експлуатаційна стійкість труб теплових мереж, є розвиток процесів старіння та деградації властивостей. В результаті комплексного дослідження впливу тривалої експлуатації та наслідків гідравлічних випробувань, у тому числі в умовах моделювання, на механічні властивості та параметри опору руйнуванню металу труб встановлено таке:
• Стандартні механічні властивості (σв,σ0,2,δ, Ψ) практично не залежать від терміну експлуатації;
• Тривала експлуатація, так само як і періодичні навантаження, що імітують гідровипробування, призводять до зниження структурочутливих властивостей, таких як робота зародження та поширення тріщини, ударна в'язкість, холодостійкість, критичне розкриття тріщини та ін;
• Характеристики опору руйнуванню знижуються тим більше, що триваліший термін експлуатації;
• Гідравлічні випробування скорочують термін служби труб тепломереж;
• Деградація властивостей металу труб відбувається через виникнення локальних мікронапруг, розвитку процесу деформаційного старіння та накопичення дефектів типу мікротріщин.
Таким чином, з усього вищесказаного випливає, що можна виділити два основні напрямки підвищення експлуатаційної стійкості металу труб теплових мереж.
По-перше, облік основних факторів трубопроводів, що знижують експлуатаційний ресурс при виборівипробувального тиску періодичних гідравлічних випробувань Це може бути здійснено на основі представленого на рис. 3 алгоритму оцінки технічного стану та залишкового ресурсу трубопроводу за результатами розрахунків на міцність та даних щодо корозії та деградації властивостей трубних сталей. Запропонований загальний алгоритм оцінки технічного стану та залишкового ресурсу трубопроводу не тільки дає можливість ефективно встановлювати та науково обґрунтувати значення випробувального тиску, безперервно
Мал. 3. Узагальнена система обліку деградаційних процесів визначення граничних станів трубопроводів під час виборів допустимого рівня випробувального тиску.
відстежувати поточний технічний стан трубопроводів теплових мереж, а також використовувати розроблену диференційовану систему при гідравлічних випробуваннях теплових мереж.
По-друге, збільшення експлуатаційного ресурсу труб теплових мереж може бути забезпечене за рахунок використання спеціально створених марок трубних сталей, що мають підвищену стійкість до розвитку корозійних та деградаційних процесів.
Труби тепломереж, як магістральних, і розводять, виготовляються із застарілих (існуючих 30-50 років) марок стали. Фактично виготовлення труб зазначеного призначення використовуються звичайні конструкційні (будівельні) сталі, розроблені без урахування конкретних умов експлуатації та випробувань труб теплових мереж. Хімічний склад цих сталей та технологія їх виробництва не забезпечують сучасної металургійної якості металу труб. Cталь звичайної якості характеризується високою забрудненістю шкідливими домішками та неметалевими включеннями, а також досить низьким рівнем споживчих властивостей. У жодних технічних умовах,якими поставляються труби для тепломереж, не нормуються показники, що відповідають вимогам, розробленим з урахуванням умов експлуатації тепломереж.
В даний час більшість великих споживачів труб, такі як «Газпром», «Транснафта» та ін. незважаючи на використання тришарових захисних покриттів, катодного захисту та інших заходів, що збільшують термін експлуатації трубопроводів, висувають конкретні додаткові вимоги до металу труб (покращена корозійна стійкість, зменшена схильність до деформаційного старіння, зварюваність та ін.). Відповідно до цих вимог розробляються та успішно застосовуються сталі нового покоління з підвищеним комплексом споживчих властивостей різного призначення.
Стали нового покоління для труб теплових мереж покращеної металургійної якості з підвищеним комплексом споживчих властивостей вимагають вирішення. При проектуванні та будівництві магістральних трубопроводів необхідний диференційований підхід до конструктивних параметрів труб (товщини стінки, діаметру тощо), хімічного складу та технологічного виробництва трубних сталей з урахуванням їх схильності до корозійних та деградаційних процесів при експлуатації.
Попередні результати досліджень свідчать, що хімічний склад сталі впливає на опір руйнуванню, особливо у корозійному середовищі. Очевидно, що навіть у рамках одного структурного класу сталі, не вдаючись до дорогого легування, можна покращити стійкість до корозійної ушкодження шляхом удосконалення хімічного складу та металургійної технології виробництва сталі для труб. Іншим важливим напрямом збільшення надійності та терміну експлуатації труб тепломереж є створення труб зі сталі, що володіє низькою схильністю додеформаційному старінню та покращеною зварюваністю.
Нижче наведено основні шляхи розробки високонадійних сталей для труб теплових мереж:
- Зниження вмісту вуглецю;
- Підвищення вмісту марганцю;
- Мікролегування (Nb, V);
- зниження вмісту шкідливих домішок (S≤0.005%; P≤0.015%);
- зниження вмісту газів (H2≤3см 3 /100 г; N2≤0.006%);
- мікролегування титаном для зв'язування азоту з розрахунку його вмісту відповідно до стехіометричного співвідношення в нітриді;
- Модифікація неметалевих включень;
- використання прискореного після деформаційного охолодження спільно з контрольованою прокаткою;
- У результаті має бути досягнуто:
- подрібнення зерна фериту та розмірів структурних складових;
- Підвищення однорідності структури;
- Зменшення структурної смугастості;
- Зниження кількості неметалевих включень.
Насамкінець необхідно відзначити, що назріла нагальна необхідність у розробці сталей з підвищеним комплексом споживчих властивостей (покращена корозійна стійкість, низька схильність до деформаційного старіння, хороша зварюваність та ін), що забезпечує збільшення ресурсу трубопроводів теплових мереж.