На основе результатов исследований широко применяемой конструкционной стали Ст4сп предложен метод оценки остаточного ресурса и выбора условий безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемого магистрального трубопровода. В основу предлагаемого метода заложены расчеты, учитывающие экспериментальные данные, полученные по результатам испытаний образцов стали Ст4сп на статическое растяжение, ударный изгиб, малоцикловую усталость и трещиностойкость.
При длительной эксплуатации магистральных трубопроводов под воздействием внешних сил, рабочей среды и ряда других факторов происходят изменения механических свойств металла, изменяется работоспособность трубопроводов и появляется склонность к развитию процессов их разрушения. В этой связи для расчета остаточного ресурса магистральных трубопроводов недостаточно оценить техническое состояние трубопровода только лишь методами неразрушающего контроля, так как они не учитывают условия и виды нагружения трубопроводов, состояние поверхности и геометрии труб и т.д.
В основу методов оценки остаточного ресурса магистральных трубопроводов заложены расчеты, учитывающие экспериментальные данные механики разрушения и коррозионных процессов [2]. В данной работе на основе результатов исследований широко применяемой конструкционной стали Ст4сп длительно эксплуатируемого трубопровода предложен метод расчета остаточного ресурса и выбора условий безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемого трубопровода.
Для исследования были изготовлены образцы из металла труб участков линейной части магистрального нефтепровода диаметром 273 мм. Результаты химического анализа металла образцов представлены в таблице 1.
Значения механических свойств рассчитывали по результатам испытаний образцов при t=20ОС на растяжение и ударный изгиб. Для этого изготавливали соответствующие образцы. С целью выявления анизотропии механических свойств образцы из трубопровода вырезали как в осевом, так и в кольцевом направлениях по отношению к оси трубы. Деформацию растяжением проводили на универсальном динамометре компании «Инстрон» при скорости деформации ɛ =8´10-3 с-1 и комнатной температуре. Испытания на ударный изгиб проводили на образцах прямоугольной формы с V-образным концентратором, нанесенным в плоскости поперечного сечения образца. Значения ударной вязкости определяли по результатам испытаний образцов на ударный изгиб на маятниковом копре МК-30 М с энергией удара 150 Дж. Испытания на усталостное разрушение проводили в условиях малоцикловой деформации при постоянном напряжении σ = σ0,2 на универсальном динамометре компании «Шенк».
Результаты механических испытаний на растяжение и ударную вязкость приведены в таблице 2.
Из данных таблицы 2 видно, что анизотропия механических свойств при растяжении образцов №1 и №2 практически не наблюдается. Заметная анизотропия механических свойств наблюдается в образце №3. Видно, что значения условного предела текучести (σ0,2) в продольном направлении меньше, а предела прочности (σв) - выше, чем в поперечном направлении. Обнаруженная анизотропия значений механических свойств, очевидно, обусловлена металлографической текстурой. Тем не менее, механические свойства в целом удовлетворяют значениям, приведенным в ГОСТ 19282-73 [6].
Существенная анизотропия наблюдается в значениях ударной вязкости (КСV). Видно, что во всех образцах значения KCV в осевом направлении проката более чем в 2 раза больше, чем в поперечном направлении. Столь существенные отличия значений KCV обусловлены влиянием, в первую очередь, кристаллографической текстуры. Проведенные механические испытания позволяют сделать следующие выводы:
1) установленная анизотропия механических свойств зависит от металлографической и кристаллографической текстур. В осевом направлении проката значения KCV более чем в два раза превышают значения KCV в поперечном направлении;
2) установлено, что длительная эксплуатация не привела к заметным отличиям механических свойств от значений по ГОСТ 19282-73.
В статье [5] показано, что в процессе эксплуатации происходит охрупчивание металла на внутренней поверхности трубы в результате насыщения металла атомами водорода и серы, что приводит к возрастанию значений пределов прочности и пластичности с одной стороны, а с другой стороны, при ударных нагрузках, наводороживание и повышение концентрации серы приводит к охрупчиванию стали. В этой связи остаточный ресурс нефтепроводов по значениям механических характеристик σ0,2 и σв оценить невозможно, поскольку в хрупких материалах при усталостных испытаниях или при наличии концентраторов напряжений (надрезов, пор, микротрещин, питтингов) возможно быстрое распространение трещины, вплоть до полного разрушения нефтепровода. Поэтому необходимо проводить дополнительные испытания на малоцикловую усталость, определять параметры трещиностойкости и рассчитывать на основе полученных результатов остаточный ресурс и предельно допустимую величину микротрещин. Проведенные усталостные испытания показали, что количество циклов до полного разрушения зависит от направления вырезки образцов. В таблице 3 приведены результаты малоциклового усталостного разрушения. 
Видно, что в поперечном направлении количество циклов до полного разрушения значительно меньше, чем в осевом. Из сравнения результатов испытаний на ударную вязкость и малоцикловую усталость можно обнаружить корреляцию полученных данных. Так, в образцах, где наблюдается появление хрупкой составляющей при ударном разрушении, скорость роста трещины при малоцикловой усталости возрастает. При росте трещин в поперечном направлении значения ударной вязкости и количество циклов до полного разрушения значительно (более чем в два раза) меньше, чем в осевом направлении.
По результатам только механических испытаний на растяжение выработать рекомендации о дальнейшей эксплуатации исследуемой стали невозможно. В сталях, где имеется хрупкий слой, усталостные трещины могут расти с более высокими скоростями в сравнении с образцами, где такой слой отсутствует. Это подтверждается усталостными испытаниями, проведенными на образцах, вырезанных в продольном и в поперечном, относительно оси проката, направлении (таблица 3). В поперечном направлении количество циклов до полного разрушения более чем в два раза меньше, чем вдоль оси проката (таблица 3).
Очевидно, что для расчета остаточного ресурса и выработки практических рекомендаций по дальнейшему использованию исследуемой стали необходимо определить параметры трещиностойкости. Для этого изготавливали образцы, изображенные на рисунке 1. Образцы вырезали в поперечном и осевом направлениях. Суть испытаний состояла в том, что образец с надрезом и нанесенной усталостной трещиной нагружали внецентренным растяжением при комнатной температуре до разрушения. При испытании записывали диаграммы "сила - раскрытие надреза F - V ".
Максимальную нагрузку при нанесении усталостной трещины для образца, изображенного на рисунке 1, определяли по формуле
Критическую длину трещин определяли только для поперечных направлений по формулам [1]:
Таким образом, видно, что для образцов №2 характерен самый маленький критический размер трещины, который способен привести к образованию лавинообразного разрушения. Для продления срока службы данной стали необходимо использовать уровень напряжения такой, чтобы существенно повысить критическую длину трещины.
Произведен расчет остаточного ресурса стальной трубы при наличии острой краевой поверхностной трещины, со стороны контакта стали с рабочей средой. Экспериментально был определен закон роста усталостной трещины [мм/цикл] для сталей Ст4сп:
Рассчитан остаточный ресурс стали с учетом рабочего давления, согласно данным таблицы 5. Найдены значения напряжений в трубе:
Результаты расчетов представлены в таблице 6.
Рассчитан остаточный ресурс при напряжениях в трубе согласно таблице 6 при обнаружении в трубе острой трещины глубиной 0,5 мм. Результаты расчета сведены в таблицу 7.
Проведена оценка остаточного ресурса при условии снижения рабочего давления и наличии острой трещины глубиной 0,5 мм. Полученные результаты сведены в таблицу 8.
Таким образом, по результатам расчета, приведенным в таблице 8, можно сделать вывод, что для продления остаточного ресурса в случае появления острой поверхностной трещины в трубопроводе необходимо снизить рабочее давление в процессе эксплуатации [7].
Литература
1. Партон В. З.,. Морозов Е. М Механика упругопластического разрушения: Основы механики разрушения. ЛКИ 2008 г. 352 стр. С. 7-10, 67-76, 76-111, 134-146, 183-192.
2. Синергетика и усталостное разрушение металлов: Сборник научных трудов / Под ред. В.С. Ивановой.– М.: Наука, 1989.– С. 76-96 с.
3. Строительство: Нормы и Правила. СниП 2.03.06-85 СП 33.13330.2012 Расчет на прочность стальных трубопроводов. Дата введения 2013-01-01. - М.: Минрегион России, 2012.
4. СП 33.13330.2012 Расчет на прочность стальных трубопроводов. – Минрегион России, 2013 г.
5. Шамазов А.М., Лебедич С.П., Ценев Н.К., Назарова М.Н. и др. Механические свойства и особенности процессов разрушения образцов стали нефтепровода «Краснокамск – Пермь». Трубопроводный транспорт нефти, 2000, № 1 – с. 31-35.
6. ГОСТ 19282-73 Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная. Технические условия (с Изменениями N 1, 2, 3).
7. Назарова М.Н., Шарнина Г.С. Деградация механических свойств материала труб длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов. - Трубопроводный транспорт – 2018: тезисы докладов XIII Международной учебно-научно-практической конференции / редкол: Р.Н. Бахтизин, С.М. Султанмагомедов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2018. – С. 253-259.
8. ГОСТ 380-88 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки.
9. Ценев А.Н., Назарова М.Н., Носов В.В., Шарнина Г.С. Мониторинг технического состояния изоляционных покрытий МГП в зоне постоянного действия блуждающих токов. - Издательство: ООО Информационное агентство Neftegaz.RU. Деловой журнал Neftegaz.RU, 2018 г., №12, стр. 58-60.
10. Рафиков С.К., Аскаров Р.М., Быков Л.И., Шарнина Г.С., Усманов Р.Р., Чучкалов М.В., Аскаров Г.Р. Методические основы анализа напряженно-деформированного состояния МГП с дефектными сварными стыками. - Издательство: ООО Информационное агентство Neftegaz.RU. Деловой журнал Neftegaz.RU, 2018 г., №12, стр. 62-69.
