sd3

Przedeksploatacyjna degradacja struktury materiału jako przyczyna przedwczesnego pękania pełzaniowego kolan rurociągów,

narażonych na działanie podwyższonych temperatur

Jeżeli założymy, że rury zostały wykonane z materiału, gwarantującego działanie mechanizmu umocnienia adekwatnego do warunków eksploatacji, to głównym podejrzanym o przedwczesne uszkodzenie kolan pozostaje proces wtórnego kształtowania rur (rys. 6).

Powyższe stwierdzenie wydaje się pozornie mało odkrywcze, ponieważ już dawno zauważono związek obecności uszkodzeń ze strefą owalizacji powstającej podczas gięcia rur (rys. 7) [2],

Trzeba jednak stanowczo podkreślić, że za główną przyczynę uszkodzeń pokazanych na rysunku 7 uważa się wyłącznie wrost naprężeń obwodowych wskutek pocienienia ścianki w strefie owalizacji (rys. 7 — strefa 2). Jak już wspomniano we wprowadzeniu, taka interpretacja przyczyn nie wydaje się wystarczająca i wymaga weryfikacji.

Na rysunku 8 pokazano najważniejszy wynik takiej weryfikacji [16]. Jak wynika z rysunku 8, w przypadku lokalizacji odkształceń w mezoskopowych pasmach ścinania dochodzi do odkształceniowego rozdrobnienia pierwotnych ziaren materiału. W obrębie pasm ścinania powstają wąskie i wydłużone (sub)ziarna. Granice tych (sub)ziaren są grube, ponieważ zawierają dużo dyslokacji. (Sub)ziarna cechuje duża wzajemna dezorientacja, co sprzyja procesowi dyfuzji i rozwojowi zarodków pękania. Późniejszy rozwój pękania jest natomiast kontrolowany przez kierunek naprężeń obwodowych.

Taki stan rzeczy sprawia, że w przypadku działania mechanizmu odkształceń poprzez płynięcie dyfuzyjne (transport masy po granicach ziaren), dochodzi do radykalnego wzrostu prędkości odkształceń (prędkości pełzania). Prędkość odkształceń £* zależy w tym przypadku od wielkości ziaren w trzeciej potędze (d3) znajdującej się w mianowniku poniższej zależności

♦    150 klaD _b

£ =--

ti d³kT

gdzie 6 — rzeczywista grubość granicy, Q — objętość atomu, D_gb — współczynnik dyfuzji po granicach ziaren, d — wielkość ziaren, K — stała Boltzmana, T — temperatura.

Jeżeli przyjmie się, że pierwotna wielkość ziaren wynosiła kilkadziesiąt mikrometrów, to ich rozdrobnienie do dziesiątych części mikrometra powoduje wzrost prędkości odkształceń o kilka rzędów wielkości.

Wynika z tego, że odkształceniowe rozdrobnienie ziaren prowadzi do bardziej radykalnego przyśpieszenia procesu pełzania (rys. 9) niż 3-krotny wzrost naprężenia w miejscu owalizacji kolana.

Podsumowanie

Omawiany tu problem przedwczesnego pękania pełzaniowego kolan rurociągów wynika głównie z braku procedur dotyczących zapewniania niezawodności. Dlatego też, na poszczególnych etach życia analizowanego tu produktu stosowane są tylko procedury zapewniania jakości, typowe dla danej branży.

I tak, dla metalurga: skład chemiczny i obróbka cieplna, dla projektanta i konstruktora najważniejsze są kryteria naprężeniowe, dla producenta kolan: kryteria technologiczne związane z nadawaniem kształtu poprzez gięcie rur na zimno, dla diagnosty: przejawy uszkodzeń. Towarzyszy temu kompletny brak sprzężeń zwrotnych przy wszechobecnym przekonaniu, że skoro metalurdzy zrobili co należy, to do ewentualnej degradacji struktury i własności materiału może dojść wyłącznie podczas jego eksploatacji.

Tymczasem, w rozważanym tu przypadku dochodzi do niedostrzeganej degradacji struktury materiału i to już na etapie wytwarzania kolan. Co gorsze, degradacji tej nie jest w stanie zlikwidować zalecana przez normy cieplna obróbka kolan giętych na zimno. Zaleca się bowiem tylko wyżarzanie odprężające. Świadczy to o dominacji naprężeniowego podejścia do problemu eksploatacji materiałów w warunkach pełzania.

Reasumując można stwierdzić, że zasadniczy problem polega tu na niejednorodnym rozkładzie wiedzy na temat potencjalnych mechanizmów pełzania. W szczególności zaś, brak ten dotyczy wiedzy na temat mechanizmów umacniania materiałów w sposób adekwatny do przewidywanego i/lub rzeczywistego mechanizmu pełzania. Problem ten komplikuje brak precyzyjności w przewidywaniu dominującego mechanizmu pełzania i/lub nieprzewidziana zmiana założonego mechanizmu pełzania na inny. Dochodzi wówczas do nieskutecznego działania założonego mechanizmu umocnienia materiału i w ślad za tym do drastycznego przyspieszenia pełzania.

Wszystko to razem wzięte wskazuje na pilną potrzebę wdrożenia zasad zarządzania wiedzą [18-^21] na temat uszkodzeń i metod kompleksowego osiągania niezawodności materiałów pracujących w warunkach pełzania.

Wnioski

Z przeprowadzonej tu analizy przyczyn przedwczesnego pękania pełzaniowego kolan rurociągów pracujących w podwyższonych temperaturach można wyciągnąć następujące wnioski szczegółowe i ogólne:

Wnioski szczegółowe

1.    Do wyjaśnienia przyczyn przedwczesnego pękania pełzaniowego kolan nie wystarczy dotychczasowe podejście, tłumaczące to pękanie wyłącznie owalizacją, wywołująca ok. 3-krotny wzrost naprężeń obwodowych w strefie gięcia.

2.    Najbardziej znaczącą, i nie zauważaną do tej pory, przyczyną pękania jest bowiem degradacja początkowej struktury materiału wskutek rozwoju mezoskopowych pasm ścinania, powstających podczas gięcia rur na zimno.

3.    Rozwój pasm ścinania prowadzi bowiem do odkształceniowego rozdrobnienia ziaren. Powstające przy tym subziarna mają długość pojedynczych mikrometrów

643