4.4. Проблемы определения трещиностойкости на стадии лабораторных испытаний

Натурные испытания показали, что при несущественных отличиях в величине нор­мируемых критериев основного металла трубы разных фирм имеют существенные разли­чия в длине вязких трещин до остановки. При этом одни из труб успешно прошли испы­тания (трещина остановилась в пределах трех труб), другие нет (трещина прошла все три трубы и остановилась в буферных трубах). В отдельных трубах остановка распростране­ния трещин произошла на первых участках трубы по длине, когда декомпрессии еще практически не было, что противоречит всем существующим методикам оценки длины вязкого распространения трещин.

Расчеты значений ударной вязкости, требуемой для остановки вязкого разрушения, выполненные по одним методикам, показали, что для остановки вязкого разрушения не­обходима ударная вязкость выше 400 джоуль/см². Однако при натурных испытаниях на­блюдалась остановка вязкой трещины в пределах трех испытываемых трубах при вязко­сти 250-350 джоуль/см².

Расчеты необходимой ударной вязкости, выполненные по другим методикам, в част­ности по методике Баттелли, дают необходимую ударную вязкость порядка 200 джо­уль/см², но как показывают натурные испытания, в трубах и со значительно более высо­кой ударной вязкостью длина вязкого распространения трещин непредсказуемо высока (остановка трещины произошла в буферных трубах) [9,10,11].

Важно отметить, что остановка трещины как при ее остановке в пределах трех испы­тываемых труб, так и при ее остановке на буферной происходила с отклонением трещины от прямолинейного направления ее движения с закольцовыванием трещины. Такую оста­новку вязкой трещины ее закольцовыванием подтверждают и многочисленные литератур­ные источники как по результатам натурных испытаний, так по случаям аварийных раз­рушений трубопроводов. После закольцовывания трещины происходит практически пол­ное «раскрытие» стенки трубы с резким снижению давления, что приводит к устранению движущей силы распространения трещины.

Натурные испытания, проведенные в соответствии с лучшими мировыми стандарта­ми, подтвердили высокий технологический уровень производства сварных прямошовных труб всех фирм, представивших трубы на испытания. Свидетельством этого является то, что в натурных испытаниях на полигоне в районе г. Копейска как при переходе трещины от трубы-инициатора в испытываемую трубу, так и при закольцовывании трещины свар­ные швы не оказывали влияния на направление движения трещины. Это указывает на то, что при современном уровне технологии изготовления сварных прямошовных труб прак­тически решающее влияние на стойкость труб от протяженных вязких разрушений оказы­вает состояние листового проката, используемого для производства труб.

Из результатов натурных испытаний видно, что действующие нормируемые характе­ристики основного металла позволяют предсказать способность трещины к остановке, но не длину трещины до закольцовывания.

Литературные источники по расследованиям аварий трубопроводах показывают, что анализ причин вязких протяженных магистральных трещин сводится, главным образом, к сравнению нормируемых характеристик основного металла в образцах, отобранных от аварийных участков трубопровода, с теми же характеристиками, приведенными в серти­фикатах. Если их находят, то этим и объясняют причины аварий. Действительно, часть аварий случается по вине тех производителей, кто представляет недостоверные сведения по значениям действующих критериев качества труб. Но трудно заподозрить в этом фир­мы, которые представляют свою продукцию на конкурсные натурные испытания для строительства трубопровода, когда выбор определяется дорогостоящим заказом.

Отмеченное выше подтверждают и замеры нормируемых характеристик образцов от всех труб, выполненные на участке механических испытаний ОАО «РосНИТИ», прошед­ших натурные испытания на полигоне в районе г. Копейска. Были отмечены отдельные отклонения замеренных значений с приведенными в сертификатах по ударной вязкости KCU/KCV (при температурах от минус 20°С до минус 60°С), пределу текучести , вре­менному сопротивлению , сопротивлению разрыва , относительному удлинению и сужению . Однако существенных различий в значениях указанных нормируемых характеристик основного металла с приведенными в сертификатах, как и между характе­ристиками труб, прошедших и не прошедших испытания, не замечено.

Анализ существующих методик прогнозирования вязкого распространения разруше­ния и результатов натурных испытаний показывает, что низкая сходимость значений рас­четных и наблюдаемых на практике длин вязких трещин связана с тем, что вязкие трещи­ны анализируются как и хрупкие только по условиям распространения-торможения тре­щин без учета пластических деформаций стенки трубы перед вершиной трещины. Вслед­ствие отсутствия универсальных критериев надежности труб, предотвращающих в них протяженные вязкие разрушения, не требующих введения эмпирических коэффициентов, зависящих от многочисленных конкретных условий, практически единственным крите­рием стойкости труб от протяженных разрушений остается вязкость металла.

Характеристики вязкости соответствуют энергозатратам на непосредственно распро­странение трещины. Однако энергозатраты на пластическую деформацию растяжением стенки трубы перед вершиной трещины, как показывают расчеты, могут значительно пре­восходить энергозатраты на распространение трещины. Это не может не отразиться на скорости трещины, а, следовательно, на ее закольцовывание в результате декомпрессии.

Кроме того, наблюдаемые случаи закольцовывания трещины на минимальной длине тру­бы при практическом отсутствии декомпрессии указывает на то, что в трубах высоких групп прочности возможен отличающийся от принятого механизм остановки трещины, который рассматривает закольцовывание трещины независимо от уменьшения в резуль­тате декомпрессии внутреннего давления. В приведенном в этом же сборнике сообщении (Лозовой В Н. и др. «Особенности остановки закольцовыванием вязких магистральных трещин труб большого диаметра») показано, что при достаточно высоких усилиях пласти­ческого растяжения стенки трубы перед вершиной трещины, которые обеспечиваются благодаря высокой группе прочности основного металла и достаточно высоком отклоне­нии вектора результирующего усилия растяжения стенки от вектора кольцевых усилий, который обеспечивается высокой пластичностью основного металла, решающее влияние на закольцовывание трещины оказывает вектор усилий от раскрытия стенки трубы.

Такое закольцовывание вязкой трещины труб высоких групп прочности подтвер­ждают натурные испытания. Но несущественные отличия в значениях действующих кри­териев основного металла труб при получении в них разных результатов натурных испы­таний указывают на то, что эти критерии не в полной мере отвечают прогнозированию надежности труб повышенных групп прочности и нуждаются в дополнениях.

Из литературных источников [12] известно, что пластичность металла зависит от скорости деформации и при повышении скорости деформации снижается. При этом, если при обычных скоростях малоуглеродистая сталь весьма пластична, то с повышением ско­рости деформации снижение пластичности металла может быть таким, что при скоростях деформации, реализуемых нагружением взрывом, происходит снижение пластичности ме­талла до нулевой, когда наблюдается типичное хрупкое разрушение.

Анализ литературных источников, касающихся повышения комплекса свойств про­ката для труб большого диаметра показывает, что исследования по совершенствованию структурных характеристик трубной стали касаются вопросов повышения прочности про­ката в сочетании с хорошей хладостойкостью, регламентированной свариваемостью, повышением уровня ударной вязкости со 100% долей вязкой составляющей при низких тем­пературах, в частности, с концепцией получения сталей с феррито-бейнитной микро­структурой [19]. Однако не встречается работ, посвященных повышению пластичности основного металла труб при высоких скоростях нагружения.

Между тем, полигонные испытания показали, что скорость распространения трещи­ны в трубе-инициаторе имеет значение порядка 700 м/с, а в испытываемых трубах 200- 300 м/с. Наблюдаемая при этих скоростях в результате пластического растяжения стенки волнистость в зоне рваной кромки с соответствующим утонением стенки свидетельствует о том, что основной металл трубы при реализуемых скоростях нагружения, в том числе, на трубе-инициаторе обладает вязкими свойствами и способен пластически деформиро­ваться. В связи с тем, что наблюдаемая степень пластического растяжения стенки труб разных фирм различается, что оказывает существенное влияние на закольцовывание вяз­кой трещины, необходимы работы как по определению оптимальных деформаций растя­жения, так и выявлению особенностей структуры металла, обладающего требуемой пла­стичностью при скоростях нагружения, реализуемых при вязком распространении тре­щин, а также разработке рекомендаций по технологии получения листового проката с за­данной структурой и характеристиками пластичности.

Получение требуемых характеристик металла при горячей прокатке на пластометре предусматривает растяжение стандартных образцов с заданной скоростью до разрыва. Однако пластическая деформация стенки трубы происходит под действием усилий, при­водящих одновременно с растяжением стенки к распространению трещин. Поэтому ис­пользуемый на пластометре метод не годится для выявления пластичности основного ме­талла труб, которая реализуется при вязком распространении трещин.

Одними из возможных схем нагружения образца металла при выявлении пластично­сти основного металла могут быть приведенные на рисунках 4.4 и 4.5.

Рис.4.4 Определение пластичности металла при нагружении образца ударом с заданной скоростью нагружения

Рис.4.5 Определение пластичности металла при нагружении образца растяжением с задан­ной скоростью нагружения

Образец, выполненный в виде пластины металла стандартной толщины, ширины и длины, имеет надрез, который при нагружении продолжается трещиной.

При нагружении ударом направление удара совпадает с направлением надреза (НТ). Усилия растяжения стенок, перпендикулярное надрезу (трещине) достигаются шарнир­ным закреплением образца в местах по его высоте, обозначенных на рисунке 4.4 как 1, 2 или 3. Изменение закреплений образца приводит к перераспределению растягивающих нагрузок по высоте образца, а значит и направления вектора результирующего усилия растяжения стенки перед вершиной трещины. Это делается для того, чтобы максимально близко приблизить распределение действующих в стенке трубы при лабораторном замере пластичности металла к действующим при натурных испытаниях. Нахождение такого места закрепления лабораторного образца выполняется после сравнения получаемой сте­пени пластической деформации при том или ином месте закрепления, с полученным при натурных испытаниях тех же труб того же основного металла, от которых был отобран образец. Место закрепления может быть стандартизировано при получении одинаковых степеней пластической деформации растяжением в лабораторных и натурных испытаниях.

При нагружении растяжением образец нагружается с заданной скоростью усилиями, перпендикулярными надрезу (НТ). При этом для изменения направления вектора резуль­тирующего усилия растяжения стенки усилие прикладывают в местах по высоте образца, обозначенных на рисунке 4.5 как 1, 2 или 3. Место приложения растягивающей нагрузки может быть стандартизировано при получении одинаковых степеней пластической де­формации одного и того же основного металла труб в лабораторных и натурных испыта­ниях.

После разрыва пластины регистрируется утонение стенок, величина которого указы­вает на степень пластической деформации и пластичность металла. Проведение натурных испытаний даст возможности оценить необходимую пластичность основного металла, ко­торая позволяет однозначно прогнозировать для труб высоких групп прочности остановку трещины закольцовыванием после прохождения трещиной минимально короткой длины при практически отсутствии декомпрессии.

В ряде современных исследований показано, что в качестве основной характеристики материала, определяющей скорость распространения трещины и сопротивление материала развитию вязкого разрушения, следует использовать критический угол раскрытия трещины (CTOA). В терминах δ - R – кривой величина CTOA является арктангенсом отношения «CTOD/статический подрост трещины». По полученным данным CTOA, определенные по δ - R – кривой, находятся в диапазоне 40…50° для вариантов, когда расщепления не относятся к типу раскрытых (тип 2), и всего 10…15° - при расщеплениях второго типа. Эти результаты относятся к переходной стадии развития вязкого разрушения, характеризующейся непостоянством величины CTOA и не имеют прямого отношения к стадии протяженного вязкого разрушения.

Для регистрации стабилизированного значения CTOA необходимы испытания с регистрацией больших (> 1..5 мм) подростов трещины.