Мета і задачі дослідження - на основі вивчення змін фізико-механічних і електрохімічних властивостей, механізмів руйнування тривало експлуатованих сталей нафтогазопроводів та їх зварних з'єднань вдосконалити методи оцінки характеристик деградованого металу з позиції його подальшої працездатності. Поставлена мета досягається вирішенням наступних задач: 1. Провести дослідження з метою поглиблення знань про механізм деградації трубопровідних сталей. 2. Визначити найефективніші умови випробувань зразків з трубопровідних сталей для оцінки їх експлуатаційної деградації. 3. Розробити модель статистичної оцінки температурної залежності ударної в'язкості трубної сталі 17Г1С і встановити чутливість ударної в'язкості до деградації металу нафтогазопроводів. 4. Вивчити вплив деградації на корозійну тривкість сталей магістральних трубопроводів. 5. Дослідити механізм зародження мікротріщин, їх злиття та утворення макротріщини на поверхні зразків зі сталі 17Г1С і швидкість поширення поверхневих тріщин залежно від рН середовища. 6. Вивчити вплив тривалої експлуатації на фізико-механічні та електрохімічні властивості окремих зон зварного з'єднання магістральних трубопроводів. 7. Розробити та впровадити у виробництво нові методи та засоби для дослідження технічного стану тривало експлуатованих трубопровідних сталей. ЗМІСТ ВСТУП 11 РОЗДІЛ 1 .Аналіз основних положень теорії корозійно-механічних 20 руйнувань матеріалів і зварних з'єднань нафтогазопроводів 1.1. Сучасний стан працездатності магістральних 20 нафтогазопроводів 1.2. Корозійні та корозійно-механічні пошкодження 30 нафтогазопроводів 1.2.1. Корозія зовнішньої поверхні нафтогазопроводів. 30 1.2.2. Корозія внутрішньої поверхні газопроводів. 31 1.2.3. Корозія внутрішньої поверхні нафтопроводів. 34 1.2.4. Особливості корозійного та корозійно-механічного 37 руйнування зварних з'єднань нафтогазопроводів. 1.3. Аналіз досліджень тріщиноутворення в сталях 40 нафтогазопроводів 1.4. Аналіз основних підходів до визначення характеристик 49 тріщиностійкості 1.4.1. Характеристики короткочасної тріщиностійкості 51 матеріалів. 1.4.2. Характристики циклічної тріщиностійкості 58 матеріалів. 1.5 Особливості деградації механічних властивостей сталей 61 магістральних нафтопроводів 1.6. Висновки до розділу 1 72 РОЗДІЛ 2. Матеріали і методики досліджень 74 2.1. Вибір матеріалів дослідження 74 2.2. Методична процедура оцінювання впливу експлуатаційної 78 деградації матеріалів і зварних з'єднань магістральних нафтогазопроводів на їх працездатність 2.3. Обладнання та методика корозійних досліджень 79 2.4. Методика та установка мікроелектрохімічних досліджень 82 трубних сталей за різних видів навантажень 2.5. Вдосконалення конструкції мікроелектрода для 87 електрохімічних вимірювань 2.6. Статичні випробування на розтяг і кручення 90 2.7. Визначення ударної в'язкості трубних сталей 93 2.8. Методика визначення твердості трубних сталей 95 2.9. Методика втомних випробувань і на циклічну 95 тріщиностійкість 2.10. Методика експериментального визначення характеристик 99 статичної тріщиностійкості 2.11. Методика попереднього пластичного деформування зразків 103 2.12. Методика дослідження корозійного та водневого 104 розтріскування трубних сталей 2.13. Методики електрохімічних досліджень 105 2.14. Вимірювання проникнення та концентрації водню в сталі 106 2.15. Методика рентгенографічних досліджень 107 2.16.14 - спектроскопічний метод досліджень 108 2.17. Мікроструктурні методи досліджень 108 2.18. Фрактографічні дослідження 109 2.19. Висновки до розділу 2 109 РОЗДІЛ 3. Вплив тривалої експлуатації нафтогазопроводів на механічні 110 характеристики статичної та втомної міцності трубних сталей 3.1. Механічні характеристики пластично деформованих 110 трубних сталей 3.1.1. Вплив наклепу розтягом на механічні 111 характеристики трубних сталей. 3.1.2. Вплив складних умов експлуатаційних 118 перевантажень на механічні властивості сталей трубопроводів. 3.2. Вплив тривалої експлуатації нафтогазопроводів на 131 механічні характеристики статичної міцності трубних сталей 3.2.1. Зміна твердості трубних сталей внаслідок 131 експлуатації. 3.2.2. Характеристики міцності та пластичності при 133 крученні. 3.2.3. Характеристики міцності та пластичності за розтягу. 133 3.3. Вплив тривалої експлуатації нафтогазопроводів на 143 характеристики втомної міцності трубних сталей 3.4. Оцінка довговічності трубопроводів за різних видів 145 втомного навантаження 3.5. Висновки до розділу 3 152 РОЗДІЛ 4. Ударна в'язкість тривало експлуатованих трубних сталей 154 4.1. Статистична модель залежності ударної в'язкості трубної 154 сталі 17Г1С від температури випробувань 4.2. Оцінка в'язких властивостей трубних сталей за складовими 162 ударної в'язкості 4.3. Ударна в'язкість пластично деформованої трубної сталі 165 17Г1С 4.3.1. Механічні властивості трубної сталі 17Г1С після 165 прокатки. 4.3.2. Фрактографічні дослідження пластично 168 деформованої трубної сталі 17Г1С. 4.3.3. Оцінка ударної в'язкості пластично деформованої 170 трубної сталі 17Г1С за її складовими. 4.4. Ударна в'язкість тривало експлуатованих трубних сталей 171 4.4.1. Ударна в'язкість сталі 17Г1С після 28...40 років 172 експлуатації. 4.4.2. Ударна в'язкість сталі Х52 після 30 років 178 експлуатації. 4.4.3. Ударна в'язкість сталі тривало експлуатованого 180 магістрального нафтопроводу. 4.5. Висновки до розділу 4. 181 РОЗДІЛ 5. Вплив експлуатаційної деградації нафтогазопроводів на 185 тріщиностійкість трубних сталей 5.1. Вплив довготривалої експлуатації магістрального 185 нафтопроводу на механічні характеристики сталі 17Г2С у нафті 5.1.1. Механічні характеристики розтягу експлуатованої 185 сталі 17Г2С у нафті. 5.1.2. Характеристики статичної тріщиностійкості сталі 186 17Г2С у нафті. 5.1.3. Характеристики циклічної тріщиностійкості сталі 187 17Г2С у нафті. 5.2. Оцінювання експлуатаційної деградації трубної сталі 17Г1С 188 за КІС і 8К - критерієм 5.2.1. Оцінка чутливості параметрів Кк: і SK трубної сталі 189 17Г1С до експлуатаційної деградації за механічними випробуваннями. 5.2.2. Електроннофрактографічні дослідження зламів 192 зразків зі сталі 17Г1С, зруйнованих з метою оцінки параметрів КІС і 8К. 5.2.3. Вплив робочих середовищ на в'язкість руйнування 195 тривало експлуатованої трубної сталі 17Г1С. 5.3. Оцінювання експлуатаційної деградації трубних сталей 196 17Г1С і Х52 методом J-інтегралу 5.4. Встановлення кореляції між параметром К]С та іншими 199 показниками механічних властивостей тривало експлуатованої трубної сталі 17Г1С 5.5. Циклічна тріщиностійкість тривало експлуатованої сталі 202 17Г1С 5.6. Тріщиностійкість пластично деформованої трубної сталі 207 17Г1С 5.7. Вплив циклічного навантаження на статичну 210 тріщиностійкість трубних сталей 5.8. Висновки до розділу 5 222 РОЗДІЛ 6. Вплив тривалої експлуатації нафтогазопроводів на зміну 224 корозійно-механічних і електрохімічних показників трубних сталей 6.1. Вплив тривалої експлуатації на корозію трубних сталей 224 магістральних газопроводів 6.1.1. Корозійна тривкість трубних сталей у модельному 225 розчині водного конденсату. 6.1.2. Корозійна тривкість трубної сталі 17Г1С за різних 228 концентрацій агресивних домішок в газі, температур і тисків. 6.2. Вплив нафто-водних середовищ на корозійну тривкість 238 тривало експлуатованих сталей магістральних нафтопроводів 6.2.1. Аналіз корозійних пошкоджень внутрішньої 239 поверхні нафтопроводу. 6.2.2. Корозійна тривкість трубних сталей у модельній 240 підтоварній воді та нафто-водних середовищах. 6.2.3. Оцінювання експлуатаційної деградації сталей 243 нафтопроводів за зміною електрохімічних характеристик. 6.3. Оцінювання поведінки водню у трубних сталях як метод 246 дослідження розсіяної пошкодженості 6.3.1. Оцінка водневого окрихчення трубної сталі 17Г1С. 247 6.3.2. Визначення кількості водню у трубній сталі 17Г1С 251 методом вакуумної екстракції. 6.3.3. Визначення фізичного та ефективного коефіцієнтів 252 дифузії водню в трубній сталі 17Г1С. 6.3.4. Оцінювання схильності трубної сталі 17Г1С до 254 водневого розтріскування. 6.3.5. Дві стадії деградації механічних і корозійно- 256 механічних властивостей трубопровідних сталей. 6.4. Вплив тривалої експлуатації нафтогазопроводів на умови 257 корозійно-втомного руйнування матеріалу труб 6.4.1. Вивчення закономірностей зародження корозійно- 258 втомних тріщин на поверхні зразків з труб сталі 17Г1С. 6.4.2. Вивчення кінетики росту поверхневих корозійно- 265 втомних тріщин у трубній сталі 17Г1С. 6.5. Висновки до розділу 6 268 РОЗДІЛ 7. Деградація властивостей металу зварного з'єднання 272 експлуатованого магістрального трубопроводу 7.1. Вплив деградації на мікроструктуру та механічні 274 властивості металу 33 магістрального газопроводу 7.1.1. Вплив тривалої експлуатації на мікроструктуру 274 металу 33 магістрального газопроводу. 7.1.2. Вплив деградації на механічні властивості металу 33 275 магістрального газопроводу. 7.2. Вплив деградації на корозійну тривкість 33 сталі 17Г1С 281 7.3. Порівняльна оцінка чутливості неексплуатованого та 283 експлуатованого металу 33 сталі 17Г1С до водневої крихкості 7.3.1. Вплив водню на механічні властивості 33 284 досліджуваних трубних сталей. 7.3.2. Фрактографічний аналіз механізмів руйнування 292 наводнених 33 досліджуваних сталей. 7.4. Чутливість електрохімічних показників до експлуатаційної 294 деградації 33 трубопроводів 7.4.1. Вплив деградації на електрохімічні показники і 295 мікротвердість металу зварного шва. 7.4.2. Вплив агресивних середовищ і механічних 297 навантажень на електрохімічну неоднорідність 33. 7.5. Визначення тріщиностійкості 33 магістральних 301 нафтогазопроводів на циліндричних зразках 7.6. Висновки до розділу 7 305 ВИСНОВКИ 307 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 310 ДОДАТКИ 346