Долговечность труб при коррозионном растрескивании под напряжением

Коррозионное растрескивание металлов, подвергнутых действию рас­тягивающих напряжений, характеризуется возникновением и развитием коррозионно-механических трещин, вs вершине которых вследствие механохимического эффекта локализуется анодный коррозионный процесс. На стенках трещины при этом могут протекать катодные про­цессы деполяризации. Скорость растворения металла в вершине тре­щины немного превосходит скорость растворения гладкой поверх­ности (общей коррозии), так как в результате концентрации растя­гивающих напряжений в вершине острого надреза (трещины) про­исходит избирательная механохимическая коррозия.

Степень концентрации напряжений в вершине острого надреза (тре­щины) можно приближенно оценить

σ = σ0

, где σ- фактическое напряжение в концентраторе; σ0 — номинальное напряжение в максимальном сечении растягиваемого элемента ме­талла; l - глубина надреза (трещины); ρ - радиус закругления в вершине (острота концентратора).

Этим объясняется преимущественное зарождение коррозионных трещин из мест концентрации напряжений на поверхности, контакти­рующей с коррозионной средой (царапины, резьбовые профили, валики сварных швов и другие неровности).

Коррозионное растрескивание происходит не только под дейст­вием приложенных извне нагрузок, но и в результате действия оста­точных растягивающих напряжений, возникающих как технологическая "наследственность" изготовления оборудования или строитель­но-монтажных операций, что особенно характерно для сварных сое­динений трубопроводов. Особо опасны растягивающие напряжения в кольцевых сварных швах труб (сжимающие остаточные напряже­ния могут оказать благоприятное влияние, частично компенсируя внеш­ние растягивающие напряжения). Поэтому кольцевые сварные стыки газопроводов сероводородсодержащего газа, как правило, подверга­ются термической обработке для снижения уровня остаточных растя­гивающих напряжений.

В кислой коррозионной среде и особенно содержащей такие сти­муляторы наводороживания металла, как сероводород, катодные про­цессы водородной деполяризации на стенках трещины приводят к диф­фузии части адсорбированных атомов водорода внутрь металла и воз­никновению водородной хрупкости, при которой металл теряет свои пластические свойства и способность сопротивляться развитию хруп­ких трещин. Положение усугубляется тем, что водород диффундирует в кристаллической решетке в направлении мест с максимальными растягивающими напряжениями, т.е. к вершине трещины, которая охрупчивается прежде всего.

В результате действия локальной коррозии и водородного охруп-чивания создаются условия для катастрофически быстрого развития коррозионно-механической трещины при сероводородном коррози­онном растрескивании под напряжением (СКРН).

Сопротивляемость стали к СКРН зависит от ее химического сос­тава, пластических свойств и степени чистоты по неметаллическим включениям, которые могут служить коллекторами водорода и соз­давать внутренние концентраторы напряжения, служащие источниками водородных трещин.

По современным представлениям, опасность возникновения СКРН увеличивается с ростом прочности стали, и в первую очередь СКРН наблюдается у труб нефтяного сортамента  (бурильные, насосно-компрессорные и обсадные трубы), тогда как водородное растрескивание (ВР) происходит как у высоко-, так и низкопрочных сталей, причем часто наблюдается у низкопрочных сталей, используемых для трубо­проводов сероводородсодержащего газа. Однако такое подразделение следует считать условным.

При ВР трещины образуются за счет неметаллических включений в стали, особенно вытянутыми молекулами сульфида марганца, и рас­пространяются параллельно поверхности трубы по аномальной струк­туре с высокой твердостью, обусловленной ликвациями углерода, марганца, фосфора и других элементов. Причем трещины возникают двух типов: прямолинейные трещины (типа расслоений вдоль текстуры проката) и ступенчатые трещины.

При СКРН, когда приложено напряжение от давления газа и мак­симальным для трубы является окружное напряжение (т.е. ось на­пряжения' — окружность сечения трубы), также возникает растрески­вание двух типов: растрескивание, которое зарождается и распрост­раняется перпендикулярно к оси приложения напряжения (т.е. вдоль оси трубы), и растрескивание, которое происходит за счет ступенчатого объединения первичных трещин, имеющих направление, параллельное оси приложения напряжения, т.е. параллельное поверхности. Последнее характерно для газонефтепроводных труб из низкопрочной стали, где, следовательно, при коррозионно-механическом разрушении в натурных условиях трудно однозначно разделить влияние СКРН и ВР, если были приложены напряжения и развивался процесс коррозии.

Поэтому если в лабораторных условиях для высокопрочных труб нефтяного сортамента достаточно оценивать стойкость к СКРН, то для газонефтепроводных труб необходимо оценивать как стойкость к СКРН, так и к ВР. Соответственно необходимо подбирать ингибиторы корро­зии, обеспечивающие защиту не только от общей коррозии, но и от СКРН и ВР.

Лабораторные методы оценки стойкости к СКРН и ВР отличаются тем, что в первом случае образец выдерживается в моделированном электролите под напряжением заданного уровня до появления первых трещин или разрушения с фиксацией необходимого для этого времени, а во втором случае образец выдерживается в электролите заданное время без приложения напряжений и затем анализируют топографию возникших водородных трещин.

Небольшие отклонения в условиях испытаний (рН электролита, удельный объем, масштабный фактор и др.) могут привести к сущест­венно различным и труднообъяснимым результатам. Поэтому вполне естественно стремление к унифицированию методик.

Наибольшее распространение для оценки стойкости стали к СКРН получила методика NACE ТМ-01-77. Суть ее состоит в том, что образец стали заданных формы и размеров подвергается одноосному растяжению постоянной нагрузкой в электролите состава 5% NaCI + 0,5% CH3COOH, насыщаемом (барботажем), сероводородом при атмос­ферном давлении и комнатной температуре. Измеряют время до раз­рушения при заданном уровне напряжений. В качестве базы испытаний принято, время 720 ч, и максимальное напряжение, при котором за это время не произошло разрушения, принимается за условное пороговое напряжение.

Однако, поскольку за более длительное время испытаний СКРН может произойти и при напряжении, меньшем порогового, а моделиро­ванный электролит не обеспечивает подобия натурным условиям, та­кие испытания имеют значение лишь относительной оценки стойкости сталей для их сравнения между собой и формулирования технических требований к вновь разрабатываемым трубным сталям.