В статье поднимается актуальная проблема восстановления ресурса трубопроводов путем залечивания трещин, расслоений и следов коррозии в полевых условиях без замены участков. Выбор одного из методов ремонта или их комбинации зависит от многих факторов, в том числе: характера, положения, ориентации и доступности дефектов; ожидаемой точности ремонта; наличия и удобства использования тех или иных инструментов; типа металла и толщины изделия; имеющегося у специалистов (компании) опыта. Проводится обзор существующих способов залечивания микродефектов, возникающих в металлах в целом и в магистральных трубопроводах в частности. Проанализировано влияние трещин на прочность этих инженерных конструкций. Из традиционно применяемых при ремонте технологий рассмотрены: электронно-лучевая обработка, термическая обработка, обработка лазерными ударными волнами, электромагнитные импульсные методы.

Более подробно описан способ залечивания трещин с помощью магнитно-импульсной обработки. Механизм данного метода заключается в том, что с помощью установки в ремонтируемой заготовке наводятся высокоэнергетические вихревые токи (токи Фуко), которые вызывают нагрев последней. Принцип действия основан на преобразовании электрической энергии, запасаемой конденсаторами-накопителями, в электромагнитное поле, возникающее в рабочей зоне индуктора при разряде импульсных конденсаторов накопителя энергии. Именно электромагнитное поле индуктора наводит в обрабатываемом материале вихревые токи.

На основе проведенных исследований сделан вывод о перспективности использования метода магнитно-импульсной обработки, поскольку он обеспечивает локальное воздействие на металл и может залечивать микротрещины и другие дефекты, расположенные как на поверхности металла трубы, так и в подповерхностной зоне.

В процессе эксплуатации магистральных трубопроводов (МТ) металл труб испытывает постоянное воздействие давления. С течением времени это вызывает деградационные процессы (изменение физико-механических характеристик) в металле МТ [1]. В частности, возникает система микротрещин. Из-за постоянной нагрузки они постепенно начинают расти. Выявляемые методами неразрушающего контроля дефекты могут быть меньше разрешающей способности прибора, но тем не менее представляют собой потенциальную опасность.

Проблема восстановления ресурса металла за счет физического воздействия в полевых условиях, а также устранения (залечивания) дефектов без замены участков МТ – задача актуальная.

Наличие трещин, пор, расслоений, коррозии, возникающих как при изготовлении, так и при эксплуатации труб, – один из факторов, существенно снижающих долговечность, прочность и надежность элементов конструкций МТ.

Опасность микродефектов заключается в их способности переходить в критическую стадию сразу же после образования или быстро увеличиваться под нагрузкой. Соответственно, эти нарушения представляют серьезную угрозу целостности и производительности машин и механических конструкций, включая МТ.

На сегодняшний день существует ряд способов обнаружения микродефектов, в том числе контроль проникающими веществами, ультразвуковая и рентгеновская технологии, магнитопорошковый и вихретоковый контроль. Кроме того, были разработаны и различные методы восстановления (залечивания). Выбор одного из них или их комбинации определяется в зависимости от многих факторов: характера, положения, ориентации и доступности дефектов; ожидаемой точности ремонта; наличия и удобства использования тех или иных инструментов; типа металла и толщины изделия; имеющегося у специалистов (компании) опыта.

В представленной работе рассматриваются современные методы, наиболее часто используемые при залечивании микродефектов.

ВЛИЯНИЕ МИКРОДЕФЕКТОВ НА ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

В связи с широким распространением микродефектов в магистральных нефте- и газопроводах анализ опасности этих нарушений целостности и устранение их последствий привлекли внимание многих исследовательских центров.

Так, в частности, в работе [2] проводились гидравлические испытания труб диаметром 1220 мм из стали марки 17Г1С, содержащих микродефекты (наибольший средний диаметр трещин – 10–15 мкм), в ступенчато-циклическом режиме. Он включал несколько блоков нагружения внутренним давлением до разрушения (изделия разрушились в месте расположения трещин на 8‑й ступени при давлении 10,9 МПа). Исследования механических характеристик показали, что предел прочности в зоне дефектов снизился на 20 % по сравнению с бездефектной зоной той же трубы (рис. 1).

Рис. 1. Диаграммы зависимости кольцевых напряжений от деформаций испытанных образцов, изготовленных из стали марки 17Г1С [2]

В работе [3] исследовалось влияние внутренних дефектов на прочность стенок (толщина – 16,6 мм) труб диаметром 1420 мм, вырезанных из линейной части магистрального газопровода «Ухта – Торжок – 2», содержащих расслоения и микропоры. Гидравлические испытания проводились в ступенчато-циклическом режиме до разрушения. Полученные результаты показали, что дефектная зона деформировалась быстрее, чем бездефектные участки, и была подвержена уже упругопластическим деформациям при значениях кольцевых и продольных напряжений, составляющих 70 и 35 % от среднего фактического предела текучести стали соответственно.

Вышеприведенные исследования свидетельствуют об опасности данного вида дефектов, необходимости их устранения и недопущения перехода в критическую стадию.

ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДЫ РЕМОНТА МИКРОДЕФЕКТОВ В ТРУБОПРОВОДАХ

Залечивание микродефектов электронно-лучевой обработкой

Данный метод основан на взаимодействии обрабатываемой поверхности с электронным лучом, направленным на нее. При попадании на материал значительная часть кинетической энергии превращается в тепло в тонком приповерхностном слое. Это приводит к оплавлению и затвердеванию металла с высокими скоростями (10³–10⁷ ºС / с). В результате число поверхностных трещин уменьшается, и в конечном итоге они устраняются [4].

Толщина слоя, в котором происходит выделение энергии, определяется по формуле:

\(h = 2{,}1 \cdot 10^{-12} \cdot (V/\rho), \qquad (1)\)

где h – толщина слоя, см; V – ускоряющее напряжение, В; – плотность материала, г / см³.

В работе [5] проводились исследования, в которых в качестве материала заготовки использовалась нержавеющая сталь марки AISI 310. В ходе испытаний металл подвергался облучению электронным пучком с различными катодными напряжениями (15, 25 и 35 кВ). Было установлено, что значение 15 кВ – минимально необходимое для заметного изменения поверхности образцов. Результаты исследования представлены на рис. 2.

Рис. 2. Изменение плотности трещин в зависимости от катодного напряжения и количества выстрелов [5]

Из рис. 2 видно, что плотность после 10 выстрелов при катодном напряжении 15 кВ увеличилась. Это объясняется выявлением ранее подповерхностных трещин в результате испарения материала на приповерхностной части.

При напряжениях 25 и 35 кВ плотность существенно уменьшается после 10 выстрелов, а после 20 данный дефект удается полностью устранить.

Описанные изменения, наблюдавшиеся на поверхности испытанного образца, можно увидеть на рис. 3.

Рис. 3. Микроскопические изображения изменения плотности трещин при разных значениях катодных напряжений и количестве выстрелов: а) исходное состояние; б) 15 кВ, 20 выстрелов; в) 25 кВ, 10 выстрелов; г) 35 кВ, 20 выстрелов [5]

Исследования показали, что электронно-лучевая обработка улучшает прочностные свойства и коррозионную стойкость металла. Однако похоже, что процесс ограничивается трещинами микронных размеров. Недостаток этого метода заключается в малой глубине проникновения, т. е. он устраняет только поверхностные и приповерхностные трещины.

Залечивание микротрещин термической обработкой

Термическая обработка основана на принципе самовосстановления металла при высокой температуре. Залечивание трещин происходит по механизму атомной диффузии. Она активизируется при повышении температуры. В целях увеличения эффективности данного метода образцы подвергаются сжимающим напряжениям [6].

Необходимость поддержания высокой температуры металла, близкой к температуре рекристаллизации (для стали это 1000–1300 ºС, выдержка 1 ч), затрудняет применение данного метода. Последовательность процесса залечивания трещин во время обработки показана в статье [7]. Он состоит из следующих этапов:

• рекристаллизации на свободных стенках трещины;
• затягивания трещины;
• частичного соединения стенок трещины;
• прерывистого залечивания трещины;
• приобретения зернами на стенках трещины матричного характера.

ЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОДЕФЕКТОВ ИМПУЛЬСНЫМИ МЕТОДАМИ

Залечивание микродефектов лазерными ударными волнами

При лазерной обработке на поверхность металла направляется луч мощного лазера. Плотность и время воздействия определяются в зависимости от механизма: нагрев или удар. Во втором случае требуется максимальная плотность энергии излучения (10⁸–10¹⁰ Вт / см²) при времени воздействия 10^-9–10^-6 с [8].

При обработке с помощью лазерных ударных волн на поверхность изделия в целях предотвращения нагрева наносится непрозрачное для излучения покрытие с низкой температурой испарения: черная краска или металлическая фольга. Этот слой поглощает энергию и мгновенно испаряется. В результате образуется высокотемпературная плазма, ограниченная с одной стороны поверхностью изделия, а с другой – непрозрачным слоем [9]. Давление газа в этом ограниченном объеме резко возрастает до значений более 2 ГПа и переходит в металл, создавая в нем ударную волну, которая распространяется как в среде, так и в конструкции. Как следствие, в металле возникают сжимающие напряжения, что приводит к пластическим деформациям микродефектных зон и уменьшению их размеров. При повторных воздействиях лазерного импульса этот процесс продолжается вплоть до полного «схлопывания» трещин [10].

Исследования проводились на стали марки AISI 304 [9] с использованием импульсного лазера, генерирующего выходную мощность 80–100 Дж / с с продолжительностью импульса около 20 нс. Результаты показали улучшение прочностных характеристик образцов, увеличение предела упругости, текучести и прочности.

После обработки проводились испытания на ударную вязкость и исследования изломов. Последние имели ямочный характер и для обработанных, и для исходных образцов.

Следует отметить, что лазеры представляют повышенную опасность в связи с тем, что работники подвергаются вредному воздействию электромагнитных излучений. Это требует соблюдения санитарных норм и правил устройства и эксплуатации. Недостаток лазерного метода состоит в том, что нагрев и залечивание микротрещин и других дефектов происходят только в тонких приповерхностных слоях, а подповерхностные не залечиваются.

Залечивание микродефектов высокоэнергетическим импульсным током

Данный метод заключается в том, что материал подвергается воздействию короткоимпульсного высокоэнергетического тока определенной интенсивности посредством приложения к наружным границам образца разности потенциалов, вызывающей ток с вектором плотности, перпендикулярным плоскости дефектов. Известно, что линии тока выбирают тот путь, где сопротивление минимально. Соответственно, плотность тока значительно возрастает в окрестности микротрещин, что вызывает быстрый неоднородный локальный нагрев [11], плавание вершин и торможение дальнейшего развития этого вида дефектов.

Неоднородный нагрев сопровождается большими сжимающими напряжениями, работающими над сближением берегов трещин и пор (вплоть до полного исчезновения некоторых из них) [12, 13]. В конечном итоге происходит восстановление сплошности структуры материала, снижение объемного содержания микродефектов и улучшение прочностных свойств металла.

Рис. 4. Залечивание микротрещин высокоэнергетическим импульсным током в различные моменты времени (\(\tau\)): а) \(\tau = 19{,}2\) мкс; б) \(\tau = 71{,}0\) мкс. Темно-серым цветом показана область плавления металла, черной пунктирной линией – первоначальная граница трещины, черной сплошной – граница трещины в момент времени \(\tau\), цветными – изолинии температуры: 1 – \(25\,^{\circ}\mathrm{C}\), 2 – \(50\,^{\circ}\mathrm{C}\), 3 – \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\), 4 – \(200\,^{\circ}\mathrm{C}\), 5 – \(300\,^{\circ}\mathrm{C}\), 6 – \(400\,^{\circ}\mathrm{C}\) [14]

В работе [14] проводились испытания с использованием образцов титанового сплава ТС4, которые подвергались импульсному току плотностью 8,95 кА/мм². Длительность воздействия составила 50–90 мкс. Рисунок 4 показывает границы залечившейся микротрещины и температурный градиент в ее окрестности в различные моменты времени [14].

Если ввести параметр залеченности (залечиваемости) \(\aleph = \aleph(t)\) и определить его как отношение изменения объема микротрещины в процессе воздействия на материал электромагнитным полем к первоначальному объему микротрещин, то будет получена формула:

\(\aleph(t) = 1 - \dfrac{V(t)}{V(0)}, \qquad (2)\)

где V(0) – начальный объем микротрещин, мм³; V(t) – объем микротрещин в процессе воздействия на материал высокоэнергетическим импульсным током, мм³; t – время воздействия высокоэнергетического импульсного тока на образец, мкс.

Исследования показали, что ключевой фактор, влияющий на скорость процесса залечивания, – начальная поврежденность материала V(0). В то время как форма дефектов и их взаимное расположение друг относительно друга не играют заметной роли.

Важное достоинство описанного метода – способность залечивания как поверхностных, так и глубоких трещин. Однако применение высокоэнергетического импульсного тока для обработки трубопроводов требует зачистки их поверхности от защитного покрытия, что приводит к увеличению трудоемкости и временных затрат.

ЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОТРЕЩИН МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Механизм данного метода заключается в том, что с помощью магнитно-импульсной установки (МИУ) в обрабатываемой заготовке наводятся высокоэнергетические вихревые токи (токи Фуко), нагревающие ее.

Известно, что электрический ток протекает по тому пути, где сопротивление минимально. Поэтому вблизи вершины трещины наблюдается локальное увеличение плотности тока и, как следствие, температуры (Т). Под действием нагрева материал в этой зоне оплавляется и дальнейшее распространение дефекта прекращается [15].

В основе принципа действия МИУ [16] лежит метод преобразования электрической энергии, запасаемой конденсаторами-накопителями энергии (КНЭ), в электромагнитное поле, возникающее в рабочей зоне индуктора при разряде импульсных КНЭ. Электромагнитное поле индуктора наводит в обрабатываемом материале вихревые токи.

Магнитно-импульсная установка состоит из трех основных частей: зарядного устройства, накопителя энергии и индуктора. Накопитель энергии содержит ряд импульсных конденсаторов. Заряд КНЭ производится от общего зарядного блока, включающего в себя высоковольтный трансформатор и выпрямитель. Запасаемая энергия в конденсаторах мгновенно разряжается в кондукторе с помощью встроенных вакуумных или газовых разрядников.

Энергия (W, кДж), запасенная в батарее конденсаторов, определяется по формуле:

\(W = \dfrac{CU^{2}}{2}, \qquad (3)\)

где C – емкость накопителя энергии, мкФ; U – напряженность заряда, кВ.

Амплитуды импульсного тока варьируются от 50 до 500 кА, а его длительность не превышает 0,001 с в зависимости от уровня запасаемой энергии и параметров рабочего индуктора.

Рабочий инструмент представлен индуктором, роль которого состоит в генерировании электромагнитных сил в обрабатываемой электропроводящей заготовке путем возбуждения в ней вихревых токов. Различаются разные виды и типы этих устройств. Их можно разделить на разные группы: по виду выполняемых операций (на раздачу, на обжим, для обработки плоских деталей); по принципу работы (непосредственное воздействие, через промежуточные среды); по конструктивному исполнению (спиральные, с концентратами магнитного поля, одновитковые, одновитковые с согласующим устройством, многовитковые, с охлаждением и без него, коаксиальные, петлевые и т. д.). В основном для залечивания трещин используются плоские индукторы. Они состоят из токоведущей спирали (спирали Архимеда), электрической изоляции, выводов и элементов механического усиления.

Работоспособность и долговечность индуктора значительно зависят от его изоляции. Она должна обладать высокой механической и электрической прочностью, быть достаточно термостойкой и теплопроводящей. В настоящее время наилучшие материалы для индукторной изоляции эластичные заливочные или просто эластичные. К ним относятся полиуретановый каучук, резины и т. п.

После определения зон трещин начинается этап залечивания. Индуктор помещается на металл, обращенный к устройству зоной дефектов. Мощность МИУ зависит от плотности и глубины трещин.

Коэффициент преобразования энергии (П) выражается следующей формулой:

\(\eta_{\text{п}} = \eta_{\text{м}}\eta_{\text{а}} = \dfrac{L_{\text{и}}}{L_{0} - L_{\text{и}}}, \qquad (4)\)

где \(\eta_{\text{м}}\) – коэффициент, характеризующий передачу магнитной энергии в систему индуктора, безразмерная величина; \(\eta_{\text{а}}\) – коэффициент, соответствующий потерям энергии в активном сопротивлении разрядного контура, безразмерная величина; \(L_{0}\), \(L_{\text{и}}\) – индуктивность разрядного контура и индуктора соответственно, Гн.

Материал индуктора должен обладать высокими электропроводностью, механической прочностью и коэффициентом передачи энергии. Однако материал, характеризующийся совокупностью вышеприведенных характеристик, найти трудно, т. к. хорошие проводники имеют невысокие механические свойства, и наоборот. Чтобы решить эту проблему, чаще всего изготавливают индукторы из бериллиевой бронзы, отличающейся хорошей электропроводностью и удовлетворительными механическими характеристиками [17].

Основные преимущества МИУ – возможность ее использования в полевых условиях благодаря относительно небольшим размерам и высокой производительности (до 3500 операций в час), выполнения технических операций в труднодоступных местах (подключив индуктор к гибкому шинопроводу), обработки нефтегазопроводов с защитным слоем изоляции без необходимости снятия последней, что сокращает трудоемкость и временные затраты, а также низкие эксплуатационные расходы при применении данного метода, где единственные расходные детали – индуктор и конденсаторы, которые могут служить очень долгое время без замены.

ВЫВОДЫ

Распространение микродефектов в металлах в целом и в МТ в частности приводит к ухудшению механических свойств, снижению работоспособности и срока службы изделий. В статье проведен обзор методов залечивания и прекращения развития микродефектов, рассмотрены принципы действия различных технологий и пределы применения. Показано, что наиболее эффективны МИУ, поскольку имеются большие перспективы использования этого метода в обработке металлов для повышения их работоспособности с учетом всех преимуществ и недостатков.

Источник: журнал Газовая промышленность 7.2021
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ЗАЛЕЧИВАНИЯ МИКРОДЕФЕКТОВ В ТРУБОПРОВОДАХ