12.4. Влияние конструктивного фактора
Конструирование деталей является важнейшим этапом создания долговечных и работоспособных машин и механизмов. Огромное значение при разработке конструкций деталей, узлов, агрегатов и механизмов в целом имеют не только знание и учёт величин действующих нагрузок, но и информация о характере их приложения: статические,циклические;кратковременные,длительные;сосредоточенные,распределённые;постоянные по знакуилизнакопеременные. Умелым конструированием разработчик может изменить характер действующих нагрузок, снизить их величину (например за счёт введения дополнительных опор для вала), оптимизировать взаимодействие двух или нескольких деталей (например заменить трениескольжениятрениемкачения).
Важным моментом конструирования является правильный, оптимальныйподбор материалов, особенно для деталей, находящихся в контакте длительное время и предназначенных для восприятия и передачи нагрузок. Так, применение пар "сталь-бронза" или "сталь-латунь" вместо "сталь-сталь" приводит к снижению потерь на трение и к снижению износа деталей, являющихся парами трения скольжения. Исключение непосредственных контактов стальных деталей из алюминиевых сплавов или медными приводит к отсутствию электрохимических пар, следовательно, снижает вероятность электрохимической коррозии.
Большое внимание необходимо уделять подбору материалов(резина, пластмасса)для сальников,уплотнений,прокладоки других подобных деталей. Отсутствие стойкости к действию бензина, масла или других нефтепродуктов может очень быстро привести к разрушению уплотнения, к возникновению течи смазки и к остановке механизма или машины. Низкая температуростойкость приведёт к повреждению, потере функций уплотнительной детали при случайном (или плановом) повышении рабочей температуры механизма выше среднего уровня, к его остановке или даже к аварии с серьёзными последствиями. Непредвиденно высокая податливость, деформация прокладки при сборке, затяжке соединения, например в момент крепления крышки к корпусу насоса, может привести к повышенному износу или даже к заклиниванию подвижных деталей механизма.
В процессе эксплуатации машин и механизмов при профилактических осмотрах следует обращать внимание на проявление эффекта старения резиновых и пластмассовых уплотнений, сальников и прокладок. В результате старения они теряют эластичность, приобретают хрупкость и остаточную деформацию, за счёт чего могут стать причиной появления негерметичности соединений и нарушения установочного положения деталей (например провисания вала). Следует также обращать внимание на наличие отложений на поверхностях сальников и уплотнений. Избыточная "закоксованность" прокладок и сальников может сигнализировать о загрязнённости смазки, о случаях перегрева механизма при работе.
Одним из важных моментов конструирования машин и механизмов является проработка конструкциис точки зренияликвидации поднутрений,пустот,пазов,скрытых объёмов, в которых могут скапливаться вода и грязь, создающие предпосылки для зарождения и развития очагов коррозии. И наоборот, необходимо не забыть предусмотреть в конструкции механизмамаслёнки,ванны,каналы для хранения и подвода смазки,для слива конденсата,подвода воздуха илиохлаждающей жидкости. Разумеется, при этом нельзя забывать об отрицательном влиянии на прочность и работоспособность узлов и механизмов каждой отдельной канавки, проточки или сверления в теле деталей, поэтому необходимо предусмотреть в ослабленных местах конструкции усиления, разместив там приливы, рёбра жесткости и т.п.
В конструкции проточек, канавок и пазов следует предусмотреть плавные переходы и закругления; наличие плавных, по радиусу, переходов приведёт к снижению концентрации напряжений в детали.
12.5. УЧЁТ ВЛИЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНЫХ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛА
С УГЛЕВОДОРОДНЫМ ТОПЛИВОМ
В результате длительного контакта оборудования с водородсодержащими средами протекает процесс внедрения водорода в металл – наводораживание. При эксплуатации трубопроводов и резервуаров оно может протекать по одному из двух качественно различных механизмов:
по электрохимическому процессу(коррозия, травление, катодная обработка, катодная и протекторная защита от коррозии) - в основномпри низких температурах, с участием ионов водорода, которые восстанавливаются и поглощаются сталью;
по механизму термической диссоциации молекул водорода с образованием атомарного водорода, который абсорбируется сталью и вступает во взаимодействие с карбидами -при повышенных температурах и давлениях.
В стали, ещё не соприкасавшейся с агрессивными на водород рабочими средами, может содержаться так называемый "металлургический" водород. Он попадает в сталь при выплавке в результате контакта расплавленного металла с печной атмосферой и различными добавками, вводимыми в ванну, а также переходит из чугуна и металлолома (скрапа), содержащих водород как в растворённом в металле виде, так и в форме ржавчины, включающей гидраты окислов железа. Содержание водорода в кислой мартеновской стали может доходить до 30-50 см3/кг, а в основной – 50-90 см3/кг. При разливке стали с помощью вакуумной обработки жидкого металла в ковше содержание водорода может понизиться до 20 см3/кг.
Основную опасность представляет ликвация водорода при кристаллизации слитков и в процессе прокатки: появляются значительные градиенты концентрации водорода внутри металла. Отжиг блюмсов при температуре 660-700оСспособствует уменьшению содержания водорода ниже 20 см3/кг и равномерному его распределению по объёму металла.
Некоторое повышение содержания водорода возможно при проведении термической обработки в восстановительных атмосферах и при некоторых других процессах изготовления технологического оборудования.
Наводораживание также может происходить при сварке в результате контакта металла с кристаллизационной и гигроскопической влагой, содержащейся в электродных покрытиях (обмазке) и флюсах, а также с ржавчиной; в металле швов и в околошовной зоне может содержаться водорода от 100 до 1080 см3/кг.
Причиной низкотемпературного наводораживания является катодная поляризация поверхности стального оборудования в электролитических средах. Это может происходить в результатесаморастворения(коррозия, химическое травление), а такжеэлектрохимической обработки с наложением тока(нанесение гальванических покрытий, катодное обезжиривание и травление, электрозащита).
В реальных условиях возможно возникновение эффекта стимулированиянаводораживанияпод действием некоторых стимуляторов этого процесса. К числу стимуляторов можно отнестиповышенное давление среды,присутствие воды,сероводородаи некоторых других веществ.
Основными формами водородного разрушения стали в условиях работы нефтяного и химического оборудования являются следующие:
внутреннее расслоение с образованием поверхностных пузырей;
растрескивание с образованием трещин,выходящих на поверхность.
Растрескиванию, в основном, подвержены стали при наличии больших внутренних напряжений; в мягких сталях при невысоком уровне напряжений в подобных условиях возникает водородное расслоение с образованием пузырей (отмечается отсутствие склонности к растрескиванию сталей, подверженных пузырению).
Установлено, что для образования вздутий вследствие наводораживания металла может потребоваться различное время – от нескольких недель до пяти–шести лет. Размеры водородных пузырей могут меняться от малых величин до нескольких сот квадратных сантиметров. Для стали, подвергнутой пластическому деформированию, при прочих равных условиях более вероятно появление пузырейв растянутой зоне. Это объясняется возможностью их возникновения в местах скопления вакансий.
Значительно более опасна по своим последствиям форма водородного разрушения стали, проявляющаяся в растрескивании (по-другому - водородном охрупчивании); даже при достаточно небольшом содержании водорода происходит заметное снижения механических свойств металла.
В последнее время были выявлены следующие изменения механических свойств в процессе наводораживания металла:повышение твёрдости, изменение прочности (возможно повышение и понижение),снижение пластичностииударной вязкости. Причём влияние водорода на твёрдость ощутимо только при действии нагрузки с малой скоростью деформации металла. Обычные измерительные приборы Бринелля в данном случае не позволяют обнаружить изменение твёрдости, которое связывается с появлением высоких (80–100 МПа) напряжений в металле в результате проникновения водорода.
Относительное удлинениеипоперечное сужениезаметно снижаются. Для нормализованной стали с первоначальным = 32% при наводораживании отмечено снижение показателя до 4,3% на каждые 10 см3/кг внедрённого в металл водорода. Наблюдается болеезаметное снижение в результате наводораживаниясталей с более высоким пределом прочности.
Снижение значений прочностиВпри наводораживании проявляется при проведении специальных испытаний в уменьшении числа перегибов или степени скручивания (на 90% и более) образцов до наступления момента разрушения.
Ударная вязкостьстали в результате наводораживаниярезко падаетдаже при испытаниях в условиях комнатных температур.При электрохимическом наводораживании это снижение сначала малоощутимо, а при существенном увеличении содержания водорода в сталистановится резким, достигая максимальных значений при концентрации водорода80200 см3/кг металла.
Предел пропорциональностиПЦв результате наводораживания сталивозрастает,апредел текучестиТв зависимости от микроструктуры металла (принимая во внимание возможную термическую обработку либо нагартовку) можетуменьшаться,оставаться неизменнымидаже повышаться. Так,у мягких, пластичныхсталейпод воздействием водородарезко снижаются относительное удлинениеипоперечное сужение(при незначительном повышении предела текучести);у высокопрочных сталей отмечается значительное снижение прочности.
Таким образом, в условиях длительных (десятки лет) контактов трубопроводов и резервуаров с углеводородным топливом происходит процесс наводораживания, приводящий к существенным изменениям механических свойств металла: твёрдости, прочности, пластичности, ударной вязкости. Течение этих процессов неоднозначно, тем не менеепреобладают процессы разупрочнения.В результате в стенках труб и резервуаров создаются условия для возникновения и критически быстрого развития трещин, приводящих к разгерметизации ёмкостей и потерям продуктов.
Нефтяное оборудование в районах добычи нефти испытывает воздействие сырой нефти, представляющей собой эмульсию углеводородов и пластовой воды, в которой растворены S,N,Cl иO,содержащие органические соединенияH2S,CO2, SO2,O2и др.
Элементарная серапо отношению к черным металлампрактически не агрессивна при температурах ниже 120оC. Из всех сернистых соединений по отношению к сталямнаиболее агрессивен сероводород. Агрессивность остальных сернистых соединений, главным образом, обусловлена их способностью образовыватьH2Sв результате распада (термическая диссоциация, гидролиз и др.). Другим источником сероводорода в пластовых водах могут быть сернистые бактерии.
Коррозионному разрушению под действием сероводорода подвергаются бурильные и обсадные трубы, штанги насосов, магистральные трубопроводы и резервуары для хранения сернистых нефтей и газов. Сварные резервуары из высокопрочных сталей разрушаются зимой и летом, вскоре после заполнения их углеводородным топливом, содержащим сероводород в виде включений. Наличие сварных соединений повышает склонность к разрушениям. В горизонтальных сварных швах образуются поперечные и продольные трещины, зарождающиеся на внутренней поверхности.
Анализом причин хрупкого разрушения оборудования при наличии наводораживания установлена тесная связь между наличием сероводорода и его солей в агрессивных рабочих средах промыслов и коррозионным разрушением стальных конструкций. В связи с этим такому специфическому разрушению присвоено название сульфидного или сероводородного растрескивания.
Характер сероводородного растрескиваниязависит отмарки стали,концентрации сероводородав среде ивеличины напряжений в металле.
Возникновение трещинна ранних стадиях коррозии отмечается в сталях с повышенной склонностью к растрескиванию в связи с высокой концентрациейH2Sв них. Эти трещины имеют сравнительно простой характер. При высокой величине напряжений образуютсякрупныетрещины, расположенные под прямым углом к направлению приложения нагрузки. При небольших напряжениях в металле и малых концентрациях сероводорода в среде образуются многочисленныемелкие трещины.
При достаточно длительных выдержках опасными могут оказаться даже очень низкие концентрации водорода. Максимально безопасной концентрацией сероводорода, не вызывающей растрескивания элементов нефтегазовой аппаратуры из наиболее склонных к этому виду разрушения высокопрочных сталей, считают парциальное давление H2S в газовой фазе, равное 0,0001 МПа. При нормальной температуре это соответствует 3 мг/л H2S в водной фазе.
Сведения о влиянии температурыиобщегодавленияв системе на сероводородное растрескивание сталей неоднозначны. Имеются данные, чтос повышением температуры от 20 до 50оС коррозия сталей значительно увеличивается как в жидкой, так и в парогазовой фазе. В последней отмечены более высокие (в 2-2,5 раза) скорости коррозии.Максимальные величины скоростей коррозии значительно превышают предельно допустимую величину скорости коррозии корпусов нефтеаппаратуры(около 0,5 мм/год). Имеются сведения, что сероводородное растрескивание нефтяного оборудованияне происходило при температурах выше 100оС. По-видимому, это связано с отсутствием в среде водной фазы.
Сероводородному растрескиванию подвержены все виды структур конструкционных углеродистых и низколегированных сталей: мартенситная, ферритная и феррито-перлитная.
На стойкость к сероводородному растрескиванию при неизменной структуре стали заметное влияние оказывает изменение содержание серы(от 0,002 до 0,35%) ифосфора(от 0,004 до 0,59%). Остальные элементы (марганец, никель, кремний, молибден) не оказывают существенного влияния, если структура не изменилась в процессе термической обработки.
Наиболее серьезное влияние на скорость разрушения оказывает сера:присутствие уже 0,03%Sвызывает серьезное усиление охрупчиваемости при коррозии в сероводородной среде. Это объясняется увеличением количества дефектных участков - сульфидных включений. Повышенное содержаниефосфорав стали вызывает неравномерное распределение карбидов в структуре, что способствует растрескиванию. Кроме того, фосфиды, как и сульфиды, являются активаторами процесса абсорбции водорода.
Трещины внефтепромысловыхрезервуарахобразуютсяв зоне термического влияния сварного шва.Склонность сварных соединений к сероводородному растрескиванию увеличивается под действием остаточных напряжений, возникших при сварке.Когда электроды имеют тот же химический состав и прочностные характеристики, что и основной металл, склонность к растрескиваниюнаибольшаяв области термического влияния сварного соединения. Эти зоны подвергаются быстрому нагреву и охлаждению при сварке, претерпевают изменение микроструктуры и прочностных свойств.Трещины образуются в точках с максимальной твёрдостью.
Термическая обработка металла для устранения сварочных напряжений перед приложением рабочих нагрузок значительно уменьшает склонность к сероводородному растрескиванию. Снижение скорости охлаждения металлапосле сваркиснижает степень уменьшения стойкости сталик этому виду разрушения. Отмечается некотороеувеличение стойкостисварных соединений к сероводородному растрескиваниюпосле нагрева стальных листов перед сваркой до температуры 100-150оС.
Результаты исследований указывают на недопустимость сварки низколегированных сталей аустенитными электродами без последующей термической обработки для работы в сероводородных электролитических средах,так как при этом отмечается катастрофически быстрое растрескивание металла.
Причиной хрупких разрушений стальных подземных трубопроводов может быть катодная поляризация(особенно в случаях избыточной защиты) в присутствии стимуляторов наводораживания - сероводорода и сульфидов, которые появляются в грунте, например в результате жизнедеятельностисероводородных бактерий. Разрушения характеризуются длительным инкубационным периодом и образованием многочисленных разветвлённых трещин, ориентированных перпендикулярно растягивающей нагрузке.Возникновение трещин отмечается как на трубах без специальной защиты от коррозии, так и на трубах с хорошим покрытием, в том числе находящихся под действием катодной защиты.
Для защиты от этого опасного вида разрушения предлагается нанесение грунтов со специальными ингибиторами, а также создание в поверхностном слое металла труб напряжений сжатия в результате таких видов обработки, как обкатка роликами, дробеструйный наклёп и др.