3. Протяжённые вязкие разрушения газопроводов

В 50-60-х годах прошлого века существовала проблема хрупкого разрушения трубопровода (рис. 3.1). При хрупком распространении трещин, про­текающем практически без пластической деформации стенки трубы перед вершиной тре­щины, скорость движения трещины, соизмеримая или даже большая скорости распро­странения по длине трубы декомпрессии, приводит к разрушению протяженных участков трубопровода (выше 10 км) [3,4].

Рис. 3.1 Хрупкое разрушение магистрального трубопровода

В результате развития технологических процессов выплавки, разливки, прокатки трубных сталей и последующего передела лист-труба задача предотвращения хрупких разрушений магистральных трубопроводов была решена. Трубы изготавливают из сталей, которые при температурах эксплуатации проявляют вязкий характер разрушения. Однако с повышением рабочих давлений в трубопроводах возникает потребность в увеличении толщин и повышении уровня прочности труб. Опасность разрушений и тяжесть их последствий увеличиваются, а с учетом протяженности и объемов транспортируемого углеводородного топлива воз­можные экономические потери аварий возросли. Из практики эксплуатации газопроводов с конца 60-х годов прошлого века известно много случаев протяженных вязких разруше­ний, которые в отличие от хрупкого разрушения протекают с пластическим утонением стенки трубы. Анализ процесса вязкого распространения разрушения показывает, что утонение стенки трубы обусловлено пластической деформацией металла стенки трубы растяжением перед вершиной вязкой трещины. При этом пластическая деформация рас­тяжением стенки трубы приводит к удлинению стенки трубы вдоль кромки разрыва, в ре­зультате участки стенки трубы вблизи кромки разрыва при вязком распространении раз­рушения приобретают волнистый характер, подобный тому, что наблюдается при листо­вой прокатке в случае повышенной вытяжки боковых кромок листа (рис.3.2). Амплитуда, периодичность и ширина зоны наблюдаемой волнистости зависят от толщины стенки трубы, степени и ширины зоны пластической деформации стенки вблизи кромки разрыва.

Рис.3.2 Вязкое разрушение магистрального трубопровода

С увеличением мощности современных магистральных газопроводов, за счет увеличения диаметра труб и рабочего давления, протяженность наблюдающихся вязких разрушений существенно возросла. Длина вязкого разрушения на современных мощных газопроводах составляет порядка 300-400 метров. Однако известны случаи, когда протяженность вязкого разрушения достигала 900 метров. При этом скорость распространения вязкой трещины колеблется в диапазоне 200-300 м/с. Изучение процесса распространения вязкого разрушения газопроводов является актуальной проблемой общегосударственного значения, решение которой позволит существенно снизить экономические затраты на ремонт и эксплуатацию газопроводов и повысить стабильность поставки газа потребителю.

Особую сложность и наибольшую практическую ценность представляют данные о природе и механизме торможения протяженных вязких разрывов. Физическая сущность протяженных вязких разрывов сводится к следующему. При разрыве трубопровода сжатый газ устремляется в образовавшуюся несплошность (трещину), стремится развернуть трубу в лист и, действуя на ее борта, разгоняет разрушение до высоких скоростей. Одновременно вследствие декомпрессии газа из трубопровода по мере распространения разрушения происходит снижение давления, действующего на борта труб в вершине перемещающейся трещины. Действие этих двух факторов и свойства металла труб определяют характер и масштабы разрушения. Особенностью вязкого разрушения газопроводов является образование широкой зоны пластически деформированного материала вдоль кромки разрыва. Следовательно, распространению скоростного протяженного вязкого разрушения в трубе сопротивляется большой объем металла, работающего в упругопластической области.

Предметом исследования данной работы являются протяженные вязкие разрушения труб, которые представляют наибольшую опасность жизни и здоровью людей и приносят наибольший ущерб при эксплуатации газопроводов. Проанализируем существующие технологии производства и требования к качеству материалов газопроводов.