Способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением и устройство для его осуществления Российский патент 2018 года по МПК G01N17/00 G01N33/20 

Группа изобретений относится к испытаниям трубных сталей на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) и может применяться для исследования влияющих на него факторов.

Известен способ оценки сопротивления КРН сталей и сварных соединений изделий в оболочке в условиях, максимально приближенных к условиям работы стенки трубопровода, нагруженного внутренним давлением (СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением». М: ОАО «Газпром», 2015, с. 19-26), заключающийся в проведении испытаний вырезаемых из оболочек модельных образцов в коррозионной среде путем создания в их рабочей части двухосного или одноосного напряженно-деформированного состояния с сохранением исходной кривизны и состояния поверхности с применением статического или циклического нагружения с помощью изгиба. Для моделирования процесса КРН воспроизводят условия взаимодействия металла оболочки с коррозионным раствором под отслоившимся изоляционным покрытием, для чего на поверхность рабочей зоны образца герметично прикрепляют полиэтиленовую пленку. В зазор между металлической поверхностью и пленкой помещают пластину толщиной от 3 до 5 мм из инертного по отношению к коррозионной среде материала (фетр, пенополиуретан), обеспечивающую в процессе испытания постоянное смачивание поверхности образца коррозионным раствором. К недостаткам известного способа относится предложенное моделирование процесса смачивания поверхности образца, которое существенно отличается от реальных процессов, происходящих под отслоившимся покрытием на магистральных газопроводах (МГ), где в местах омывания трубопровода грунтовой водой происходит ее более интенсивное взаимодействие с поверхностью трубопровода (омывание трубопровода электролитом). Использование при нагружении образцов изгиба, а не растяжения, является отклонением от условий работы стенки трубопровода, нагруженного внутренним давлением в реальных условиях. Кроме того, рекомендуемые в известном способе параметры циклического нагружения σ_max=(1,0÷1,1⋅σ_тек); r=0,6÷0,8 и F=(0,1÷5) Гц существенно отличаются от реальных условий возникновения КРН в МГ, на которых максимальные растягивающие напряжения при эксплуатации составляют около 0,7 от σ_тек при низкочастотных изменениях давления, в то время как F=(0,1÷5) Гц способствует в большей степени усталостному механизму возникновения трещин, чем развитию КРН.

Наиболее близким к предложенному способу (прототипом) является способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением (патент РФ №2582911, G01N, опубл. 27.04.2016). В известном способе вырезают модельный образец прямоугольной формы, его очищают от загрязнения, обезжиривают и высушивают. Затем на рабочей части модельного образца закрепляют герметичную ячейку с коррозионным раствором и между металлической поверхностью рабочей части упомянутого образца и внутренней поверхностью ячейки с коррозионным раствором помещают пластину из пористого неметаллического материала. Перед началом испытания выполняют тарировку модельных образцов путем определения соответствия между величиной прикладываемого усилия или перемещения захвата и величиной возникающих на внешней поверхности образцов напряжений. Затем нагружают модельный образец, задавая начальную нагрузку на него σ₀=σ_т, где σ_т - предел текучести трубной стали. Далее выбирают режим циклического нагружения и проводят ступенчатое статическое нагружение модельного образца, увеличивая напряжения в нем с шагом 30 МПа, не изменяя при этом коэффициент асимметрии по напряжению и частоту циклов. Затем испытания проводят до зарождения трещин и по результатам проведенных экспериментов строят график зависимости величины перемещения захвата (S) испытуемого модельного образца трубной стали от числа циклов (N) нагружения, на котором по изменению наклона (появлению перегиба на прямой S-N) фиксируют момент зарождения трещин. После завершения испытаний освобождают модельный образец от ячейки с коррозионной средой и исследуют поверхность рабочей части образца с применением оптических средств измерения, а сопротивление сталей КРН оценивают по результатам испытания не менее чем на двух образцах. В состав стенда для проведения испытаний на сопротивление против стресс-коррозии входят: испытуемый образец; верхняя опора, выполненная в виде нагружающего пуансона; шарнирная опора; нижняя опора; стальная накладка; подвижная траверса; гидропульсатор; силоизмеритель и пульт управления, который предназначен для осуществления функции автоматического контроля перемещения захвата образца. Кроме того, стенд должен быть дополнительно оснащен вспомогательными устройствами для измерения: рН-метром, термометром, потенциостатом, колбой для подачи электролита, переносным микроскопом с точностью измерения до 0,01 мм. Недостатком известного способа является невозможность создания при проведении испытаний реальных процессов КРН на МГ, поскольку при эксплуатации МГ трещины КРН интенсивно образуются на внешней поверхности труб при циклических низкочастотных напряжениях растяжения в упругой области, вызываемых изменением внутреннего давления, имеющих по длине участков газопроводов между компрессорными станциями значения в диапазоне от 0,7 до 0,5 от предела текучести стали труб, в сочетании с воздействием грунтовых вод соответствующих составов, омывающих внешнюю поверхность газопровода под пленочным изоляционным покрытием. В известном способе испытания образцов проводят при нагружениях от изгиба со ступенчатым увеличением нагрузки, переводя нагружение образца в пластическую область. Подвод коррозионного раствора к поверхности образца, находящегося в замкнутом пространстве ячейки, оказывает незначительное воздействие на процесс КРН по сравнению с активным поступлением грунтовых вод к внешней поверхности труб на МГ в местах выявления наиболее интенсивного развития процессов КРН. Следует также отметить, что в известном способе при расчете напряжений в рабочей части образца не учтена не только криволинейность модельных образцов в процессе испытаний, но и сопротивление изгибу накладки толщиной 8 мм и шириной 40 мм.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является разработка устройства, позволяющего моделировать максимально приближенные к реальным условия, способствующие возникновению КРН на МГ, и способа, позволяющего провести испытания и оценить стойкость трубных сталей к КРН при эксплуатации МГ.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является повышение достоверности результатов проводимых исследований за счет проведения испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации МГ, а также за счет увеличения объема получаемой в процессе испытаний информации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением, заключающемся в том, что из стенки трубы МГ вырезают образец и подготавливают его к испытанию, в процессе которого образец подвергают циклическому нагружению, обеспечивая при этом постоянный контакт рабочей части образца с коррозионным раствором, образец вырезают из стенки трубы МГ в местах с ненарушенным изоляционным покрытием в зонах повышенной предрасположенности внешней поверхности трубы к КРН и вне упомянутых зон и/или из неэксплуатировавшейся трубы. Образец вырезают таким образом, что рабочая часть образца содержит, по меньшей мере, два участка с различной шириной поверхности, один из которых имеет переменную ширину. При подготовке образца к испытанию с его внутренней стороны удаляют металл до толщины δ с сохранением его внешней поверхности и кривизны. В процессе испытаний образец подвергают низкочастотному циклическому нагружению, задавая верхний и нижний уровни давления, соответствующие верхнему и нижнему уровням напряжений в образце, причем верхний уровень напряжений в образце задают равным максимальным кольцевым растягивающим напряжениям в МГ при эксплуатации, а нижний уровень - равным 0,2 от предела текучести трубной стали образца. Постоянный контакт рабочей части образца с коррозионным раствором при этом обеспечивают путем постоянного омывания циркулирующим коррозионным раствором рабочей части образца. Испытания продолжают до момента появления трещин в рабочей части образца и по длительности периода времени до момента появления трещин судят о склонности трубной стали к КРН.

Устройство для испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением включает нагружающий стенд, систему циркуляции коррозионного раствора, компрессор, запорную арматуру и соединительные шланги. Нагружающий стенд содержит плиту, жестко закрепленную на колоннах, установленных на неподвижном основании, и, по меньшей мере, две секции, каждая из которых содержит установленный на плите цилиндр, снабженный верхней и закрепленной на плите нижней крышкой, в каждой из которых выполнено центральное отверстие для размещенного в цилиндре верхнего штока с закрепленным на нем поршнем, соединенного с нижним штоком, на конце которого закреплен пуансон для нагружения рабочей части исследуемого образца, размещенного в ванне и закрепленного на опорах, установленных на неподвижном основании. Соприкасающиеся поверхности пуансона и исследуемого образца имеют одинаковую кривизну, а ванна выполнена с двумя отверстиями для введения образца в полость ванны и снабжена крышкой с отверстием для нижнего штока, сообщенного с полостью ванны. Система циркуляции коррозионной среды содержит баллон с углекислым газом, баллон с азотом и насос, снабженный байпасом, соединенные через узел смешения с входом емкости для коррозионного раствора, выход которой соединен с входом первой из соединенных последовательно между собой ванн, а вход насоса подключен к выходу последней из ванн. Компрессор оснащен ресивером, снабженным электроконтактным манометром и игольчатым вентилем для регулируемого стравливания воздуха, и через ресивер подключен параллельно к каждому из цилиндров.

В предлагаемой группе изобретений для исследований используют образцы, вырезанные из стенки трубы МГ в местах с ненарушенным изоляционным покрытием в зонах повышенной предрасположенности внешней поверхности трубы к КРН и вне этих зон, и/или образцы, вырезанные из неэксплуатировавшейся трубы. Такой подход обеспечивает возможность получения в процессе испытаний данных, характеризующих свойства трубных сталей, не подвергавшихся КРН, и позволяет получить более достоверные данные о стойкости стальных труб к КРН в процессе эксплуатации.

В отличие от прототипа, где циклические нагрузки на образцы создают гидропульсатором, в предлагаемом устройстве циклические нагрузки, соответствующие заданным верхнему и нижнему уровням напряжений в образцах, создают давлением воздуха на поршни в цилиндрах нагружающего стенда с помощью компрессора и стравливания воздуха из ресивера, регулируемого посредством игольчатого вентиля, что позволяет расширить диапазон частот циклов в сторону низкочастотных нагружений, имеющих место в МГ при эксплуатации.

В предлагаемом устройстве при испытании образцов создают растягивающие циклические низкочастотные напряжения в упругой области в отличие от прототипа, где начальные циклические напряжения от изгиба в образцах создают при σ₀=σ_тек и далее ступенчато увеличивают нагрузку с шагом 30 МПа, переводя испытания в пластическую область, до появления трещин перед потерей устойчивости образца. При этом изменяются характеристики испытываемой стали, которая в процессе эксплуатации МГ никогда таких изменений не претерпевает, что не позволяет корректно оценивать склонность испытуемой стали к КРН.

Реализация предлагаемой группы изобретений обеспечивает возможность проведения одновременного испытания нескольких образцов, что позволяет увеличить объем получаемой в процессе испытаний информации.

Кроме того, в известном способе в процессе испытания обеспечивают постоянное смачивание поверхности образца, в то время как в предлагаемом устройстве исследуемые образцы постоянно омываются циркулирующим коррозионным раствором (грунтовой водой, в которую подают углекислый газ или азот для создания анаэробной коррозионной среды), с возможностью изменения скорости течения раствора, что позволяет моделировать реальные условия, сопровождающие эксплуатацию МГ.

Предлагаемая группа изобретений поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена форма исследуемого образца, с помощью которого проводились испытания трубных сталей на КРН; на фиг. 2 представлена технологическая схема устройства для испытания трубных сталей на КРН; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - изображение исследуемого образца после испытаний.

Устройство для испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением включает нагружающий стенд, систему циркуляции коррозионной среды, компрессор.

Нагружающий стенд включает плиту 1, жестко закрепленную на колоннах 2, установленных на неподвижном основании 3, и, по меньшей мере, две одинаковые секции, каждая из которых содержит установленный на плите 1 цилиндр 4, снабженный верхней 5 и закрепленной на плите 1 нижней крышкой 6. В верхней 5 и нижней 6 крышках выполнено центральное отверстие для размещенного в цилиндре 4 верхнего штока 7 с закрепленным на нем поршнем 8. Герметичность между верхним штоком 7 и крышками 5, 6 обеспечивают резиновые кольца 9. Поршень 8 упирается в кольцевой выступ на верхнем штоке 7 и крепится с помощью гаек 10. Герметичность между верхним штоком 7 и поршнем 8 обеспечивает резиновое кольцо 11. Герметичность между поршнем 8 и внутренней поверхностью цилиндра 4 обеспечивают резиновые кольца 12. Герметичность между цилиндром 4 и крышками 5, 6 обеспечивают резиновые кольца 13. Нижняя крышка 6 крепится к плите 1 с помощью болтов 14. Цилиндр 4 стянут с крышками 5, 6 шпильками 15. Верхняя крышка 5 снабжена штуцером 16 для подачи воздуха из компрессора 17 в полость цилиндра 4 между поршнем 8 и верхней крышкой 5. Нижняя крышка 6 снабжена штуцером 18 для подачи воздуха в полость цилиндра 4 между поршнем 8 и нижней крышкой 6. Верхний шток 7 соединен с нижним штоком 19, на нижнем конце которого с помощью болта 20 закреплен пуансон 21. Нижняя часть верхнего штока 7 входит в глухое отверстие в верхней части нижнего штока 19 и при соприкосновении в процессе испытания с поверхностью нижнего штока 19 передает с помощью пуансона 21 нагрузку на образец 22. Пуансон 21 вместе с образцом 22 размещен в ванне 23 с коррозионным раствором, которая выполнена с двумя отверстиями для ввода образца 22 внутрь и снабжена крышкой 24 и штуцерами 25, 26 для подвода и отвода коррозионного раствора. Соприкасающиеся поверхности пуансона 21 и образца 22 имеют одинаковый радиус кривизны - R_вн (фиг. 1). Герметичность отверстий для ввода образца 22 внутрь ванны 23 обеспечивают резиновые прокладки 27 с прямоугольными отверстиями, имеющими размеры, равные ширине и толщине образца 22. Прокладки 27 прижимаются к боковым поверхностям ванны 23 и поверхности образца 22 боковыми крышками 28, каждая из которых выполнена с двумя отверстиями для стягивания их шпильками 29. Герметичность между ванной 23 и крышкой 24 обеспечивают резиновая прокладка 30, прижимаемая болтами 31. Нижний шток 19 входит в полость ванны 23 через штуцер 32, ввинченный в крышку 24. Герметичность между штуцером 32 и крышкой 24 обеспечивают резиновая прокладка 33 и шайба 34. Герметичность между штуцером 32 и нижним штоком 19 обеспечивают резиновые кольца 35. Образец 22, размещенный в полости ванны 23, закреплен болтами 36 на опорах 37, установленных на неподвижном основании 3. Соприкасающиеся с поверхностью образца 22 поверхности опор 37, а также поверхности наклонных шайб 38, устанавливаемых в местах крепления образца 22 на опорах 37, имеют одинаковую кривизну. Для того, чтобы пуансон 21 располагался вдоль образца 22 и не менял своего положения в процессе испытаний, на плите 1 снизу крепится болтами 39 направляющая деталь 40, предотвращающая отклонение пуансона 21 от продольной оси образца 22. На штоке 7 размещены шайбы 41 и гайки 42, позволяющие ограничивать его перемещение. Крышка 24 снабжена пробкой 43 для выхода воздуха из ванны 23 при заполнении ее коррозионным раствором.

Система циркуляции коррозионной среды содержит баллон 44 с углекислым газом, баллон 45 с азотом, емкость 46 для коррозионного раствора, снабженную крышкой 47 и выпускным краном 48, насос 49. Емкость 46 закреплена выше всех элементов устройства. Баллоны 44, 45 и выход насоса 49 шлангами 50, 51, 52, соответственно, и шлангом 53 соединены через узел смешения 54 с входом емкости 46 для коррозионного раствора, выход которой соединен с помощью шланга 55 с входом первой ванны 23. На баллонах 44, 45 и на выходе насоса 49 установлены краны 56, 57, 58, соответственно. На входе и выходе емкости 46 установлены краны 59, 60, соответственно. Все ванны 23 соединены последовательно между собой посредством шлангов 61. Входы и выходы ванн 23 снабжены кранами 62. Вход насоса 49 снабжен краном 63 и подключен с помощью шланга 64 к выходу последней ванны 23. Вход и выход насоса 49 соединены шлангом 65, на котором установлен байпасный кран 66.

Компрессор 17 оснащен ресивером 67, снабженным электроконтактным манометром 68 и игольчатым вентилем 69 для настройки регулируемого стравливания воздуха, и через ресивер 67 подключен параллельно посредством шлангов 70 к каждому из цилиндров 4. На шлангах 70 установлены краны 71.

Способ осуществляют следующим образом.

Из стенки трубы МГ в местах с ненарушенным изоляционным покрытием в зонах повышенной предрасположенности внешней поверхности трубы к КРН и вне этих зон и/или из неэксплуатировавшейся трубы вырезают темплеты.

Из темплетов изготавливают образцы 22. Рабочая часть (L) образцов 22, омываемая в процессе испытания коррозионным раствором, содержит, по меньшей мере, два участка с различной шириной поверхности, один из которых имеет переменную ширину. На фиг. 1 изображена форма образца, отражающая частный случай выполнения образца для конкретного примера осуществления предлагаемого способа, которая не ограничивает объемы изобретения. Однако следует понимать, что могут быть сделаны различные изменения в форме образца без выхода за пределы существа изобретения.

Предлагаемая форма образца позволяет увеличить объем получаемой информации, т.е. получать одновременно результаты испытаний при различных напряжениях в упругой области образца (при максимальном значении напряжения в узкой части образца и при меньших значениях напряжения в боковых частях, выполненных в виде трапеции), не изменяя режима нагружения образца.

С внутренней стороны образцов 22 удаляют металл до толщины δ, при этом сохраняют внешнюю поверхность труб и ее кривизну. Толщину δ исследуемого образца подбирают опытным путем с учетом массогабаритных параметров предлагаемого устройства, исходя из условия обеспечения в процессе испытаний необходимого значения максимальных напряжений в образце, соответствующих максимальным кольцевым напряжениям, возникающим в МГ при эксплуатации, величину которых (σ_{max Э}) определяют по формуле

где Р - максимальное рабочее давление в МГ (МПа);

D_вн - внутренний диаметр трубы (см), определяемый по формуле

где D_нар - наружный диаметр трубы (см);

δ - толщина стенки трубы (см).

Кроме того, следует учитывать, что отношение максимальных рабочих кольцевых напряжений, возникающих в металле труб в процессе эксплуатации МГ, к пределу текучести трубной стали (σ_т), определяется, как

Далее образцы 22 маркируют, очищают их внешние поверхности от загрязнений до металла, обезжиривают, высушивают, выполняют магнитопорошковую дефектоскопию. Внешние поверхности образцов 22 фотографируют, отмечая выявленные трещины, риски, царапины, вдавливания, питтинги, вмятины и другие предрасположенности к КРН. Внутренние поверхности образцов 22 покрывают антикоррозионной и снижающей трение смазкой.

Для обеспечения в процессе испытаний заданного режима нагружения образцов 22 выполняют предварительно их тарировку с определением с помощью тензодатчиков напряжений при их нагружении, для чего каждый из образцов 22 устанавливают на опоры 37, в местах крепления размещают шайбы 38 и закрепляют болтами 36.

Штоки 7 с поршнями 8 перемещают в верхнее положение, для чего к штуцерам 18 подсоединяют шланги 70, включают компрессор 17, создают давление воздуха в ресивере 67 и открывают краны 71, создавая давление под поршнями 8. Отключают компрессор 17. Закрепляют на штоках 19 пуансоны 21. Направляющие детали 40 закрепляют на плите 1 болтами 39. Заводят верхнюю часть штоков 19 в прорези деталей 40. Опускают штоки 7, заводя их в верхнюю часть штоков 19, для чего закрывают краны 71, отсоединяют шланги 70 от штуцеров 18 и подсоединяют их к штуцерам 16, открывают краны 71, создавая давление над поршнями 8. Включают компрессор 17 и заполняют сжатым воздухом ресивер 67 и цилиндры 4. Давление воздуха, поступающего в цилиндры 4, воздействует на поршни 8, которые вместе со штоками 7, 19 и пуансонами 21, установленными на концах штоков 19, перемещаются вниз до соприкосновения пуансонов 21 с внутренней поверхностью образцов 22. Пуансоны 21 имеют одинаковую кривизну поверхности с соприкасающимися поверхностями образцов 22, что позволяет передавать на образцы 22 распределенную нагрузку при контакте и создавать в образцах 22 при закреплении их на опорах 37 растягивающие напряжения в упругой области, имитирующие кольцевые растягивающие напряжения от внутреннего давления в МГ при эксплуатации, которые определяют измерительным прибором с помощью тензодатчиков.

При подъеме давления в ресивере 67 и достижении в образцах напряжений σ_maxЭ устанавливают верхние контакты электроконтактного манометра 68, подающие сигнал на отключение компрессора 17. Нижнее положение штоков 7, соответствующее достигнутому верхнему пределу давления воздуха в ресивере 67 (над поршнями 8) ограничивают шайбами 41 и гайками 42.

При снижении давления в ресивере 67 до значения, соответствующего уровню напряжений в образцах 22, равного 0,2 от предела текучести трубной стали (σ_т), устанавливают нижние контакты электроконтактного манометра 68, подающие сигнал на включение компрессора 17.

Задают длительность цикла включения и выключения компрессора 17 настройкой скорости стравливания воздуха из ресивера 67 с помощью игольчатого вентиля 69. Включение и выключение компрессора 17 осуществляется автоматически (при достижении нижнего предела давления компрессор включается, при достижении верхнего - отключается).

Длительность цикла определяют от момента включения компрессора 17 при достижении нижнего уровня давления воздуха в ресивере 67 до достижения максимального уровня давления в нем и последующего снижения давления до нижнего уровня давления в ресивере 67 при утечке воздуха из него. Длительность циклов при проведении испытаний определяют экспериментально, исходя из условия, что суммарное количество циклов должно быть сопоставимо с суммарным количеством циклов нагружения МГ в процессе эксплуатации до появления КРН.

После настройки заданного режима нагружения образцов 22 и выполнения тарировки выключают компрессор 17, снимают образцы 22 с опор 37 и освобождают их от тензодатчиков.

Отсоединяют пуансоны 21 от нижних штоков 19, а нижние штоки 19 от верхних штоков 7. Верхние штоки 7 перемещают в верхнее положение, для чего шланги 70 подсоединяют к штуцерам 18, открывают краны 71, включают компрессор 17 и создают давление в ресивере 67 и под поршнями 8. При этом нижние штоки 19 выходят из соединения с верхними штоками 7.

Образцы 22 вводят в прямоугольные отверстия ванн 23, так чтобы их внутренняя сторона была обращена к крышкам 24. На концы образцов 22 надевают резиновые прокладки 27, боковые крышки 28 и стягивают боковые крышки 28 шпильками 29.

Штоки 19 вводят в отверстие штуцеров 32. Между крышками 24 ванн 23 и штуцерами 32 размещают прокладки 33 и шайбы 34. На конце штоков 19 закрепляют с помощью болтов 20 пуансоны 21. Затем завинчивают штуцеры 32 в крышки 24. Далее крышки 24, ванны 23 и размещенные между ними прокладки 30 стягивают болтами 31. Устанавливают образцы 22 с собранными ваннами 23 на опоры 37.

Заводят штоки 19 в прорезь направляющих деталей 40.

Опускают верхние штоки 7, заводя их в нижние штоки 19, для чего закрывают краны 71, отсоединяют шланги 70 от штуцеров 18, подсоединяют их к штуцерам 16 и открывают краны 71, создавая давление над поршнями 8.

В местах крепления образцов 22 на опорах 37 размещают шайбы 38 и закрепляют образцы 22 на опорах 37 болтами 36. Жесткое крепление образцов в двух точках позволяет в процессе испытаний создавать в них напряжение растяжения, а не изгиба.

Открывают выпускной кран 48 для выхода воздуха и через крышку 47 заливают в емкость 46 коррозионный раствор (грунтовую воду).

Для заполнения ванн 23 коррозионным раствором открывают краны 60, 62 и пробки 43 для выхода воздуха.

После заполнения ванн 23 пробки 43 закрывают, обеспечивая герметичность.

Открывают краны 58, 59 и включают насос 49. Байпасным краном 66 настраивают расход циркулирующего коррозионного раствора. Настраивают подачу углекислого газа или азота из баллонов 44, 45 кранами 56, 57, соответственно, в узел смешения 54.

Включают компрессор 17 с настроенным при тарировке циклическим режимом и работа устройства далее осуществляется автоматически.

После отработки заданного периода работы устройства компрессор 17 отключают, избыточное давление в ресивере 67 и цилиндрах 4 снижают до нуля. Для того, чтобы сохранить выполненную тарировку и настроенный циклический режим работы установки при дальнейших исследованиях, положение игольчатого вентиля 69, соответствующее настроенной утечке, не меняют.

Закрывают краны 60, 62, снимают ванны 23 и извлекают образцы 22.

Образцы 22 высушивают, на внешнюю поверхность напыляют контрастную краску и выполняют магнитопорошковую дефектоскопию.

Если трещины не появились, то удаляют контрастную краску и магнитопорошок с исследуемых образцов 22, устанавливают их в устройстве как описано выше, включают устройство в работу с заданным режимом и продолжают исследования до следующих осмотров и появления трещин.

Если трещины появились, то по длительности периода времени до момента появления трещин на образцах судят о склонности к КРН трубных сталей с различными характеристиками и способами формовки труб, об агрессивности исследуемых растворов, о влиянии на склонность к КРН уровня напряжения в упругой области, частоты циклов и амплитуды нагружения образцов, скорости омывания растворами поверхности образцов и прочих факторов.

Пример осуществления способа.

Из участка МГ, выведенного в ремонт по причине выявленных трещин КРН, на двухшовной трубе наружным диаметром 1420 мм производства Харцызского трубного завода, вырезали в месте с ненарушенным изоляционным ленточным покрытием темплеты в зоне повышенной предрасположенности внешней поверхности труб к КРН, обусловленной способом формовки труб (на расстоянии 250 мм от продольных сварных швов) и вне указанной зоны (образцы №1 и №2, соответственно). Еще один темплет (образец №3) вырезали на расстоянии 250 мм от продольного сварного шва из одношовной трубы того же сортамента, класса прочности и химического состава, произведенной на заводе Mannesmann, не имеющей указанной предрасположенности и ранее не использовавшейся на МГ.

Указанные трубы (образцы №№1, 2) использовались для участков МГ III категории, имеют толщину стенки 15,7 мм, изготовлены из стали класса прочности Х70, контролируемой прокатки с пределом прочности 588,7 МПа и пределом текучести 441 МПа. Максимальное избыточное рабочее давление в МГ, где использовались данные трубы, составляет 7,252 МПа.

Наружную поверхность темплетов освободили от изоляционного ленточного покрытия.

Из темплетов изготовили образцы (фиг. 1), состоящие из центрального прямоугольного участка I, двух симметричных боковых участков II, каждый из которых выполнен в виде равнобедренной трапеции, и двух примыкающих к участкам II симметричных прямоугольных участков III, каждый из которых выполнен с круглым отверстием, предназначенным для крепления образца на опорах нагружающего стенда. Ширина меньшего основания участка II равна ширине участка I, а ширина большего основания участка II - ширине участка III. Рабочая часть (L) образца, омываемая коррозионным раствором, включает участок I и участки II.

Целью испытаний является приложение к образцу нагрузки, соответствующей напряжениям, которые возникают в металле труб МГ в процессе его эксплуатации.

Максимальное избыточное рабочее давление (Р) в МГ равно 7,252 МПа. С учетом формул (1), (2), (3) рассчитанная величина σ_maxЭ равна 320,7 МПа и составляет 0,725 от σ_т.

С учетом массогабаритных параметров устройства с внутренней стороны образцов удалили металл до толщины δ_обр=4 мм.

Внешние поверхности исследуемых образов очистили от загрязнений до металла, обезжирили, высушили и выполнили магнитопорошковую дефектоскопию, при этом трещины на образцах не выявлены.

Для тарировки напряжений, создаваемых в металле образцов, на их узкой части I снаружи приклеили эпоксидным клеем тензодатчики, расположив их вдоль образца и припаяв к ним провода для подсоединения к измерительному прибору.

Внутренние поверхности образов смазали солидолом для защиты от коррозии и снижения трения.

Установили и закрепили образцы в предлагаемом устройстве для испытания трубных сталей и подключили тензодатчики к измерительному прибору ИСД-3 (измеритель статических деформаций).

Собрали нагружающий стенд, включающий три секции, и приступили к нагружению образцов, повышая давление в цилиндре до достижения напряжений в образцах, равных 320,7 МПа, после чего установили верхние контакты электроконтактного манометра на отключение компрессора при достигнутом давлении в ресивере. Затем снизили давление в ресивере до достижения напряжений в образцах, равных величине 0,2 от σ_т. При более низких значениях напряжений в металле процесс образования трещин КРН затухает и дальнейшее понижение нижнего уровня напряжений приведет к увеличению продолжительности испытаний.

Установили нижние контакты электроконтактного манометра на включение компрессора при достижении давления, соответствующего значению 0,2 от σ_т. Регулировкой скорости стравливания из ресивера воздуха через игольчатый вентиль настроили продолжительность цикла 1 час.

После настройки заданного режима нагружения образцов и выполнения тарировки выключили компрессор, сняли образцы и освободили их от тензодатчиков. Собрали ванны с размещенными в них образцами и установили их на опоры нагружающего стенда.

Залили в емкость для коррозионного раствора грунтовую воду, отобранную в герметичные емкости с места интенсивных процессов КРН на МГ, подключили к узлу смешения баллон с углекислым газом и отрегулировали его расход.

Включили насос для циркуляции коррозионной среды и запустили компрессор с настроенным при тарировке режимом нагружения образцов. Провели испытание в течение 14 суток, после чего остановили установку, выключив компрессор, сняли с опор ванны с образцами, извлекли образцы из ванн, высушили их и выполнили магнитопорошковую дефектоскопию. На образце №1 проявились зарождающиеся трещины, свидетельствующие о начавшемся процессе КРН (фиг. 4). Трещины по мере расширения рабочей части образца укорочены, что объясняется уменьшением напряжений в металле образца по мере изменения (увеличения) его ширины. Определив (исходя из площади поперечного сечения образца) в месте начала образования трещин возникающие там напряжения и сопоставив их с продолжительностью испытаний, оценивают необходимую для зарождения трещин КРН продолжительность испытаний.

На образцах №№2, 3, где нет предрасположенности к КРН, трещины не возникли.

Приведенный пример реализации предлагаемой группы изобретений служит лишь в качестве иллюстрации и никоим образом не ограничивает объема патентных притязаний заявителя, определяемого формулой изобретения.

Таким образом, предложенная группа изобретений позволяет оценить стойкость трубных сталей к КРН в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации МГ.

Группа изобретений относится к испытаниям трубных сталей на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. В способе испытания трубных сталей на КРН вырезают образец из стенки трубы магистрального газопровода и/или из неэксплуатировавшейся трубы. Рабочая часть образца содержит, по меньшей мере, два участка с различной шириной поверхности, один из которых имеет переменную ширину. Образец подвергают низкочастотному циклическому нагружению, задавая верхний уровень напряжений в образце равным максимальным кольцевым растягивающим напряжениям в МГ и нижний уровень равным 0,2 от предела текучести трубной стали, при этом обеспечивают постоянное омывание циркулирующим коррозионным раствором рабочей части образца. Испытания трубных сталей на склонность к КРН проводят с помощью устройства, включающего нагружающий стенд, систему циркуляции коррозионной среды, компрессор, оснащенный ресивером. Технический результат - повышение достоверности результатов проводимых исследований. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), заключающийся в том, что из стенки трубы магистрального газопровода (МГ) вырезают образец и подготавливают его к испытанию, в процессе которого образец подвергают циклическому нагружению, обеспечивая при этом постоянный контакт рабочей части образца с коррозионным раствором, отличающийся тем, что образец вырезают из стенки трубы МГ в местах с ненарушенным изоляционным покрытием в зонах повышенной предрасположенности внешней поверхности трубы к КРН и вне упомянутых зон и/или из неэксплуатировавшейся трубы, при этом образец вырезают таким образом, что рабочая часть образца содержит, по меньшей мере, два участка с различной шириной поверхности, один из которых имеет переменную ширину, при подготовке образца к испытанию с его внутренней стороны удаляют металл до толщины δ с сохранением его внешней поверхности и кривизны, в процессе испытаний образец подвергают низкочастотному циклическому нагружению, задавая верхний и нижний уровни давления, соответствующие верхнему и нижнему уровням напряжений в образце, причем верхний уровень напряжений в образце задают равным максимальным кольцевым растягивающим напряжениям в МГ при эксплуатации, а нижний уровень - равным 0,2 от предела текучести трубной стали образца, постоянный контакт рабочей части образца с коррозионным раствором при этом обеспечивают путем постоянного омывания циркулирующим коррозионным раствором рабочей части образца, испытания продолжают до момента появления трещин в рабочей части образца и по длительности периода времени до момента появления трещин судят о склонности трубной стали к КРН.

2. Устройство для испытания трубных сталей на коррозионное растрескивание под напряжением, включающее нагружающий стенд, содержащий плиту, жестко закрепленную на колоннах, установленных на неподвижном основании, и, по меньшей мере, две секции, каждая из которых содержит установленный на плите цилиндр, снабженный верхней и закрепленной на плите нижней крышкой, в каждой из которых выполнено центральное отверстие для размещенного в цилиндре верхнего штока с закрепленным на нем поршнем, соединенного с нижним штоком, на конце которого закреплен пуансон для нагружения рабочей части исследуемого образца, размещенного в ванне и закрепленного на опорах, установленных на неподвижном основании, при этом соприкасающиеся поверхности пуансона и исследуемого образца имеют одинаковую кривизну, а ванна выполнена с отверстиями для введения образца в полость ванны и снабжена крышкой с отверстием для нижнего штока, сообщенного с полостью ванны; систему циркуляции коррозионной среды, содержащую баллон с углекислым газом, баллон с азотом и насос, снабженный байпасом, соединенные через узел смешения с входом емкости для коррозионного раствора, выход которой соединен с входом первой из соединенных последовательно между собой ванн, а вход насоса подключен к выходу последней ванны; компрессор, который оснащен ресивером, снабженным электроконтактным манометром и игольчатым вентилем, и через ресивер подключен параллельно к каждому из цилиндров; запорную арматуру и соединительные шланги.