Оценка работоспособности газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Оценка работоспособности газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обеспечение надежной и безопасной работы магистральных газопроводов (МГ) и предотвращение их разрушения по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) достигается за счет реализации комплекса мероприятий, важнейшим из которых является своевременное выявление дефектов методами диагностирования и мониторинга стресс-коррозионных процессов.

Наиболее точным методом диагностирования дефектов КРН на протяженных участках МГ без их откапывания является внутритрубная дефектоскопия (ВТД). Однако, в ряде случаев дефекты КРН не выявляются ВТД, что обусловлено структурными особенностями таких дефектов, препятствующими их обнаружению. В частности, трудно выявляются скопления коротких продольных трещин с малым раскрытием кромок, что снижает интенсивность магнитных полей рассеяния над дефектом и, соответственно, возможность их регистрации. Известно, что реальный пороговый уровень обнаружения подобных дефектов методами ВТД составляет 14-20 % от толщины стенки трубы.

Это означает, что в условиях нестабильного роста трещин КРН необходимо в первую очередь выявить очаги их зарождения глубиной до 20 % от толщины стенки трубы и не допустить развития трещин на закритическую глубину более 40-50 %, которая приводит к аварийным ситуациям.

К основным факторам, которые влияют на развитие стресс-коррозионных дефектов в трубах МГ, относятся: нарушения изоляции в виде сдвига, отслаиваний, локально неэффективная катодная защита, коррозионная активность грунтов, вариация внутреннего давления газа, знакопеременные напряжения от сезонных деформаций почв, определенные категории и марки сталей труб. Эти факторы требуют контроля и учета при организации мониторинга процессов КРН на МГ. Существуют различные методики прогнозирования и трассового диагностирования процессов КРН, авторы которых делают акцент на одном - двух влияющих факторах, например, водотоках, переменном уровне грунтовых вод и т.д. Однако методов их количественных оценок не разработано, а другие влияющие факторы не рассматриваются.

Поэтому разработка методов оценки работоспособности газопроводов, подверженных КРН, является актуальной задачей.

Цель работы: Разработка методов оценки работоспособности, комплексного диагностирования, мониторинга и прогнозирования стресс-коррозионного состояния газопроводов, подверженных КРН.

Задачи исследования:

- обобщить и проанализировать факторы, вызывающие развитие стресс-коррозионных процессов на газопроводах и существующие методы диагностирования КРН;

- разработать систему идентификации и классификации влияющих факторов при аварийных разрушениях по причине КРН и их количественные оценки;

- разработать критерии оценки состояния металла труб и ранжирования их поврежденности при КРН с использованием комплекса неразрушающих методов;

- разработать методику и критерии ранжирования грунтов по трассе газопроводов по их влиянию на процессы КРН;

- разработать методику имитационного воспроизведения трещин, подобных КРН, номенклатуру стандартных образцов с заданными размерами имитаторов КРН и методику их контрольных оценок при изготовлении;

- разработать методику комплексного диагностирования и мониторинга стресс-коррозионных факторов, позволяющую ранжировать участки газопроводов по вероятности возникновения КРН.

Научная новизна:

Разработана комплексная методика и критерии ранжирования стресс-коррозионных условий газопроводов и диагностический алгоритм ее реализации, основанный на анализе номенклатуры эксплуатирующихся труб по маркам сталей, диагностировании электрохимических характеристик грунтов по увеличению угловых коэффициентов анодной b_a от 0,05 до 0,1, катодной b_к от 0,1-0,12 до 0,2-0,35 поляризационной кривой, потенциала коррозии (н.в.э.) от минус 0,44 В до 0,5-0,6 В, состояния металла труб и дефектов изоляционных покрытий, характерных для КРН.

Экспериментально обоснована методика воспроизведения трещин КРН, основанная на выборе металла из труб преимущественно с термическим упрочнением, имеющих поверхностные коррозионные повреждения, сформированные в гофрах полимерных лент, что дает эффект повышения чувствительности к концентрации напряжений и снижения трещиностойкости не менее чем на 25%.

Экспериментально на образцах установлены параметры режима циклического растяжения-изгиба с асимметрией цикла R 0,5-0,85 при у_max = 0,85у_0,2, с концентрацией напряжений во внешней поверхности образца, имеющего кривизну трубы, и нестационарного электрохимического воздействия со сменой полярности и амплитудой до 5 В, при которых в образцах из сталей 14Г2САФ, Х-70 с поверхностным изменением свойств, с вероятностью 0,75 происходит образование трещин КРН;

Экспериментально на образцах из аварийно-разрушенных и содержащих дефекты КРН труб получены критерии накопленной поврежденности металла труб при КРН на основе статистического анализа многократных определений твердости по превышению дисперсии более 50 НВ², и анизотропии коэрцитивной силы более 1,1, позволяющие установить наличие и уровень ухудшения свойств металла труб, способствующих развитию КРН.

Защищаемые положения:

- методика оценки стресс-коррозионного состояния, ранжирования и комплексного диагностирования участков газопроводов, позволяющая обосновать перечень участков для первоочередного ремонта;

- методика экспериментального воспроизведения трещин КРН на образцах из труб, позволяющая изготовить имитаторы реальных дефектов заданных размеров;

- обоснование критериев диагностирования состояния металла труб комплексом неразрушающих методов, позволяющих провести отбраковку труб и ранжировать их поврежденность при КРН;

- методика и критерии ранжирования грунтов по трассе газопроводов, позволяющие повысить достоверность оценки процессов КРН;

Практическая ценность работы заключается в разработке стандартов (Рекомендаций) ОАО «Газпром»: «Руководство по организации системы мониторинга стресс-коррозионных процессов на трассах действующих и проектируемых магистральных газопроводов», «Методические указания по отработке и аттестации средств и методов характерных дефектов газопроводов», «Инструкция по обследованию и определению стресс-коррозионного (технического) состояния технологических перемычек и участков магистральных газопроводов между охранными кранами».

Разработанные стандарты внедрены при проведении диагностирования МГ Пунга-Ухта-Грязовец, Ухта-Торжок, Пунга-Вуктыл-Ухта общества «Газпром трансгаз Ухта. В результате выявлены участки трубопроводов, требующие проведения комплексного ремонта, включая отбраковку и замену поврежденных КРН труб.

По результатам промышленного внедрения работ по диагностированию газопроводов общества «Севергазпром» в 2003-2007 гг. получен экономический эффект порядка 30 млн. руб., обусловленный снижением материальных затрат на диагностирование поврежденных КРН участков газопроводов за счет применения оптимизированной технологии диагностирования, позволяющей сократить объемы шурфования и выбраковки труб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2007 г.);

- Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.);

- Третьей международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2009 г.;

- Международной конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2009), г. Москва, 2009 г.;

- Международной конференции «Еврокорр-2010», г. Москва, 2010 г.;

- Международной конференции EPMI-2010, г. Ухта.

- Конференциях ВНИИГАЗ и его филиала Севернипигаз, семинарах и деловых встречах ОАО «Газпром» и его дочерних обществ за период 2004-2008 г.г. стресс коррозионный газопровод трещина

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 5 - в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 199 страниц текста, 89 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 150 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, охарактеризованы научно-методические пути ее решения.

В первой главе показано, что механизм коррозионного растрескивания под напряжением характеризуется совокупностью факторов - растягивающих механических напряжений, коррозионной среды, типа и состояния трубной стали, состояния поверхности труб, длительности эксплуатации или испытаний, электрохимических условий.

Коррозионно-механические трещины зарождаются на поверхности труб при локализации анодного процесса и растягивающих напряжений в отдельных ее участках: неоднородностях структуры металла, дефектах защитной пленки, поверхностных дефектах (царапины, риски от механической обработки). Одной из теорий, объясняющей суть КРН, является теория коррозионной усталости. Помимо усталостного механизма КРН существует другая гипотеза влияния напряженно-деформированного состояния (НДС) МГ на процессы КРН.

Считается, что увеличенные значения напряжений на локальных участках МГ приводят к изменениям в структуре наружного поверхностного слоя металла труб, уменьшению величин пластических свойств и трещиностойкости материала за счет деформационного старения.

По признаку воздействия грунтовой среды механизм КРН может быть сведен к двум его разновидностям: 1) «классическое» или карбонатное КРН, проявилось в начале 60-х в США, характеризуется щелочной реакцией среды (высокий рН), 2) «неклассическое» КРН, проявилось в начале 80-х в Канаде, характеризуется слабокислой и нейтральной реакцией среды (относительно низкий рН).

Комплексными исследованиями КРН в разное время занимались академические институты РАН ИМЕТ им. А.А. Байкова, ИФХиЭ им. А.Н. Фрумкина, ИХР, ИОиНХ им.Н.С.Курнакова, ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», УрО РАН, учебные институты РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, МГУ им. М.В. Ломоносова, РХТУ им. Д.И. Менделеева, ГТУ МИСиС, отраслевые: ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, ВНИИСТ и Газпром ВНИИГАЗ.

Среди отечественных ученых следует выделить Алексашина А.В., Антонова В.Г., Анучкина М.П., Болотина В.В., Волгину Н.И., Глазова Н.П., Горицкого В.М., Гумерова А.Г., Есиева Т.С., Зорина Е.Е., Иванцова О.М., Кантора М.М., Карпова С.В., Королева М.И., Коростелеву Т.К., Лисина В.Н., Лубенского С.А., Матвиенко А.Ф., Сергееву Т.К., Харионовского В.В.

Считается, что для России наиболее близок «неклассический» тип КРН.

Известные отличия между двумя типами КРН в трубопроводах свидетельствуют, что в разных формах КРН реализуются различные механизмы растрескивания. Очевидно, что это является результатом вариаций параметров коррозионно-активной среды, которые формируются грунтовыми водами. Следует подчеркнуть, что характерной особенностью КРН является то, что трубные стали подвержены ему только при наличии в среде специфических ионов. Однако количественных критериев ранжирования грунтов не разработано.

Важным для возможности реализации механизма КРН является его электрохимическая природа. Считается, что наложение анодного поляризующего тока (до наступления пассивации) ускоряет КРН, катодная же поляризация его тормозит. Этим коррозионное растрескивание отличается от водородной хрупкости, при которой влияние поляризации носит обратный характер.

Наконец, еще одним существенным фактором развития КРН является структурное состояние металла, что у ряда авторов (М.М. Кантора, М.А. Конаковой) подтверждено металлографическими исследованиями. Однако, данный метод исследования является трудоемким, требующим вырезки образцов из труб, что ограничивает его применение. Неразрушающих методов, чувствительных к изменениям в структуре металла труб при КРН, на данный момент нет.

Таким образом, по совокупности воздействующих факторов проблема КРН МГ носит комплексный характер.

Поэтому для своевременного выявления и устранения дефектов КРН их диагностирование должно основываться на системе комплексного мониторинга. Следует подчеркнуть особенности комплексного диагностирования процессов КРН на протяженных участках МГ, характеризующиеся сложными и многообразными взаимосвязями и формами проявления.

Изучение воздействующих факторов этих процессов отдельно друг от друга делает невозможным выявление зависимостей взаимодействия этих факторов, достоверную оценку и прогноз их развития. Это требует организации наблюдения и измерений качественно разнородных по физической природе признаков и параметров, характеризующих стресс-коррозионное состояние МГ, что предопределяет необходимость комплексного применения, как в методическом, так и в техническом аспекте широкого круга диагностических методов.

Также, в этой связи важным является вопрос отработки средств и методы диагностирования дефектов КРН на типовых образцах. Однако применительно к трещинам КРН методы адаптированы недостаточно. Не выделены и не обоснованы наиболее эффективные и точные методы измерения глубины трещин, отсутствует система отработки и стандартизации методов на стандартных образцах, не разработаны простые способы получения трещин заданных размеров в образцах.

Во второй главе представлены результаты исследования факторов, влияющих на развитие КРН при аварийных разрушениях газопроводов (рис. 1).

В лабораторных условиях определялся химический состав сталей и грунтов, проводился приборный дефектоскопический контроль образцов металла, металлографические исследования, определение физических характеристик металла (акустических, магнитных), определение твердости, микротвердости, механические испытания на растяжение и ударный изгиб.

На рис. 2 приведено распределение аварий по срокам эксплуатации МГ и для ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Ухта». Наибольшее количество разрушений МГ зафиксировано после 17-27 лет эксплуатации. Наибольшее число аварий (13) приходится на период эксплуатации 23-25 лет.

Анализ распределения аварийных разрушений по ЛПУ МГ показал, что их распределение по трассе неравномерно (рис. 2, б).



Рис. 1. Схема исследований причин аварийного разрушения МГ

Рис. 2. Распределение числа аварийных разрушений в ООО «Газпром трансгаз Ухта» по причине КРН по срокам эксплуатации МГ (а) и по ЛПУ МГ (б)

Наибольшее число аварийных разрушений по причине КРН произошло на южном участке трассы: в Мышкинском (19 аварий), в Грязовецком (8 аварий) и в Шекснинском (6 аварий) ЛПУ МГ.

Однако заметное число аварий (5 аварий) также зафиксировано в Сосногорском ЛПУ МГ, которое расположено в районе Крайнего Севера. В Нюксенском и Микуньском ЛПУ МГ аналогичных аварий не зафиксировано. Такая неоднородность распределения аварийных разрушений по трассе ООО «Газпром трансгаз Ухта» может быть объяснена различным уровнем технологических эксплуатационных нагрузок от внутреннего давления с учетом их циклического воздействия. Пульсации нагрузок могут возникать за счет неравномерности отбора газа в промышленных районах, частоты переключений и полной остановки газопроводов и т.д. Кроме того, неравномерность распределения аварий по причине КРН объясняется различными коррозионными параметрами грунтов в различных климатических зонах. Распределение аварий по причине КРН по газопроводам показано на рис. 3.

Наибольшее число аварий по причине КРН (27 аварий, 61%) произошло на газопроводе «Ухта-Торжок-2» (2 нитка). Это позволило сделать вывод, что данное распределение характеризует избирательную поврежденность дефектами КРН определенной категории труб, из которых построен данный газопровод.

Распределение аварий по причине КРН в зависимости от типов грунта приведено на рис. 4. Большинство аварий (61,5 %) произошло на участках с тяжелым тугопластичным глинистым грунтом, значительно меньшее их количество (30,8 %) в более легких суглинистых грунтах и только единичные аварии случаются в песках и болотистых почвах.

Исследование состояния покрытия в месте аварийного разрушения выполняется, как правило, на примыкающих участках, так как на разрушенных фрагментах из-за термического воздействия сгораемого газа покрытие отсутствует. Поэтому состояние покрытия в месте трещин КРН исследовалось на основе данных ВТД.



Рис. 3. Распределение числа аварийных разрушений по причине КРН
по газопроводам ООО «Газпром трансгаз Ухта»

Рис. 4. Распределение аварий по причине КРН за 1995-2004 гг. по типам грунта

Было установлено, что наиболее характерным типом дефектов изоляционного покрытия (полимерные ленты трассового нанесения) в месте наиболее глубоких и протяженных трещин КРН являются складки покрытия, образованные в результате его сдвига по окружности трубы. Деформация покрытия происходит за счет оседания и уплотнения грунта после укладки газопровода в траншею и ее засыпки в процессе строительства газопровода. При этом увлажненный глинистый грунт, прилипая к покрытию, инициирует сдвиг покрытия в вертикальном направлении.

В ходе трассового диагностирования состояния покрытия при контрольном шурфовании порядка 500 дефектов КРН была введена классификация повреждений покрытия, характерных для КРН: отслаивания и складки покрытия в нижней части трубы. Наиболее показательна связь трещин КРН и отдельных протяженных прямолинейных продольных складок покрытия, которые формируются преимущественно на расстоянии 0-200 мм от продольного сварного шва трубы в часовой ориентации 3-5; 7-9 ч и характеризуются значительной длиной до 10-11 м (длина трубы).

По результатам трассового диагностирования установлены две закономерности. Во-первых, местоположение складки на окружности трубы зависит от местоположения продольного сварного шва. Усиление сварного шва выступает в роли механического препятствия или, напротив, инициатора деформации покрытия. Во-вторых, трещины КРН развиваются строго по направлению, заданному складкой покрытия. Это приводит к тому, что наибольшее число продольных дефектов (трещин КРН и ручейковой коррозии) расположено в ближней зоне (до 100 мм) продольного сварного шва труб (рис. 5):

- 83 % трещин и порядка 82 % продольных канавок при их расположении на 6-8 ч;

- 70 % трещин и 68 % продольных канавок на 3-5 ч.

Таким образом, доказана первопричина образования трещин КРН в отслаиваниях и складках изоляционных покрытий. Однако, в ряде случаев в складках образуется ручейковая коррозия, не приводящая к разрушениям, в других - трещины КРН. Отсюда вытекает необходимость решения задач диагностирования состояния металла труб и электрохимических условий, приводящих к КРН.



Рис. 5. Распределение трещин и продольных канавок по расстоянию до продольного сварного шва труб на МГ Пунга-Ухта-Грязовец, 0-25 км: а) в угловой ориентации 6-8 ч, б) в угловой ориентации 3-5 ч

В третьей главе разработаны и усовершенствованы неразрушающие методы, позволяющие проводить диагностирование состояния металла труб и электрохимические методы ранжирования грунтов по вероятности развития процессов КРН. Для определения критериев оценки состояния металла труб и ранжирования их поврежденности при КРН наиболее подходящим является комплекс неразрушающих методов определения твердости (микротвердости) и магнитных параметров металла труб. Однако результатов исследований твердости по оценке изменений в поверхностных слоях трубных сталей в результате их поврежденности по механизмам КРН недостаточно. К тому же определение твердости по Бринеллю вдавливанием шара является интегральным методом оценки, которым невозможно установить локализованные структурные изменения при КРН. Наиболее информативным оказался метод определения твердости пирамидой Виккерса, внедряемой в металл с малой нагрузкой, приближенной к микротвердости. Использовали ультразвуковой измеритель твердости УЗИТ-2М, (пр-во «Интротест» г. Екатеринбург), диапазон измерения твердости по Роквеллу 20-70 единиц с точностью до ±2, по Бринеллю в диапазоне 100-350.

Выполнены сравнительные исследования металла, примыкающего к области дефекта КРН и металла этой же трубы, расположенного на некотором удалении от дефекта. Исследовался металл как с аварийных труб, разрушенных по причине КРН, так и металл, отобранный из дефектных труб, удаленных из МГ по данным ВТД. Последние образцы более предпочтительны, так как они не подвергались критическому термическому и ударному механическому воздействию при разрушении очага аварии.

Первый пример - фрагменты металла, вырезанные по результатам ВТД из труб МГ Пунга-Ухта-Грязовец диаметром 1420 мм с толщиной стенки 16,8 мм из стали марки Х 70. Дефекты КРН располагались в складках покрытия. Определение твёрдости выполнено на трех участках в бездефектной зоне металла (фоновые значения твердости) и трех участках на поврежденной КРН зоне металла. На всех образцах результаты единообразны, характерный пример показан на рис. 6.

Установлено, что в бездефектных зонах металла значения твердости более стабильны, чем на поврежденных участках в зоне трещины КРН. В зонах с трещинами КРН отмечены локальные участки как повышенной, так и пониженной твердости. Максимальные значения твердости, как правило, зарегистрированы непосредственно у трещины и до 37 % превышают средние величины.

Рис. 6. Статистические распределения твердости в области трещины КРН (а), бездефектной области (б) и распределение твердости в перпендикулярном к трещине направлении (в)

Максимальные значения твердости в бездефектных зонах выше средних значений не более чем на 8 %. Средние значения твердости в исследуемых сечениях не имеют существенных отличий ни в бездефектных зонах, ни в зонах с трещинами КРН.

Выполнен расчет статистических показателей для каждой выборки значений (гистограммы) твердости (табл. 1).

Таблица 1 Статистические показатели выборок значений твердости на образцах № 1-3

Статистические показатели	Номер участка образца № 1	Номер участка образца № 2	Номер участка образца № 3
	1	2	3	Кон.	1	2	3	Кон.	1	2	3	Кон.
Среднее	212	217	224	219	208	219	214	206	208	205	203	198
Ст. ошибка	1,4	2,1	2,3	0,8	1,2	3,1	2,9	1,0	1,1	1,5	0,9	0,8
Медиана	211	215	221	220	206	219	209	206	207	204	205	198
Мода	209	220	220	221	206	220	209	205	207	198	207	200
СКО	8,8	13,3	14,6	4,6	7,3	19,4	18,5	5,5	6,7	8,3	5,6	4,7
Дисперсия	77	178	212	21	53	375	343	30	45	69	31	22
Эксцесс	1,6	3,7	6,2	0,5	2,4	2,1	8,7	-0,3	3,7	1,3	0,8	4,9
Асимметрия	0,7	1,7	1,8	-0,9	1,0	-0,5	2,6	0,0	1,4	0,0	-1,0	1,3
Интервал	45	60	86	17	37	96	102	22	35	41	25	26
Минимум	195	200	195	209	193	159	192	195	196	182	188	189
Максимум	240	260	281	226	230	255	294	217	231	223	213	215

Анализ статистических характеристик подтверждает, что в бездефектных зонах твердость более стабильна в сравнении с зонами трещин КРН.

Мерами неоднородности (разброса, изменчивости) выборки твердости являются интервал разброса, стандартное отклонение, дисперсия, которые возрастают с ростом рассеяния твердости и уменьшаются при однородном состоянии. Пример распределения дисперсии выборок по участкам измерения твердости показан на рис. 7. Очевидно, что дисперсия выборок твердости принимает минимальные значения в диапазоне 21-30 на участках контрольных измерений образцов в неповрежденной зоне. Минимум дисперсии 31 на поврежденных участках с трещинами КРН установлен на участке № 3 образца № 3.

Максимальное значение дисперсии на этом же образце составляет 69, прирост дисперсии по отношению к контрольной зоне составляет 2,2 раза. Гораздо более заметная разница в величинах дисперсий твердости поврежденной КРН и неповрежденной областей металла наблюдается на образцах № 1 и 2. Максимальные значения показателя составляют 212 и 375, отношения к минимальному значению 10 и 12,5 раз, соответственно.

Таким образом, увеличение дисперсии в зонах, поврежденных КРН, свидетельствует, с одной стороны, о снижении твердости наименее прочных фаз за счет образования структурных нарушений сплошности (микродефектов), с другой - об увеличении твердости прочных фаз за счет деформационного старения или о совместном действии обоих явлений.



Рис. 7. Распределение дисперсии твердости по участкам измерений на образцах № 1-3

Так как трещины КРН ориентированы в большинстве случаев вдоль продольной оси трубы, можно предположить, что механические свойства металла труб в месте образования трещины КРН в направлении по окружности трубы характеризуются локальным ухудшением.

При этом свойства металла труб в продольном направлении труб гораздо стабильнее, что доказывается результатами механических испытаний. Для исследования этой неоднородности использовался магнитный метод измерения коэрцитивной силы Н_с.

Наиболее важным является то, что определение коэрцитивной силы дает возможность исследовать свойства в определенном направлении трубы. Это связано с тем, что параметр определяется в процессе намагничивания локального участка металла на поверхности трубы между двумя разнесенными обкладками электромагнита. Соответственно, направление намагничивания будет соответствовать тому направлению, в котором производится оценка свойств металла трубы.

Исследования проводились на образцах металла, отобранных из аварийно-разрушенных труб. Измерялась коэрцитивная сила с помощью прибора КРМ-ЦК-2М, выпускаемого фирмой «Специальные Научные Разработки» совместно с МНПО «Спектр» (г. Москва). Диапазон измерения коэрцитивной силы 1-20 А/см с погрешностью не более 5%.

Измерения проводились в трех точках образцов металла, расположенных вдоль кромки очага аварийного разрушения (точки № 1-3, удаление по нормали к линии разрушения не более 30 мм), а также в одной точке (№ 4) на удалении не менее 300 мм от очага, считая это место как неповрежденный металл. Измерялась коэрцитивная сила параллельно линии разрушения (характеристика продольных свойств) и перпендикулярно линии разрушения (характеристика поперечных свойств).

Рассчитывалась анизотропия коэрцитивной силы (АКС) как разность средних величин коэрцитивной силы вдоль и поперек оси трубы по формуле: и как их отношение . Наиболее показательным является пример исследования образца из трубы 1220Ч12 мм, сталь 17Г1С, производства Челябинского трубопрокатного завода на участке 1105 км аварийного разрушения по причине КРН 02.08.2002 г. МГ Ухта - Торжок - 2 в Мышкинском ЛПУ МГ ООО «Севергазпром» (рис. 8).

Среди рассмотренных точек № 1-3 отметим точку № 2, расположенную напротив очага разрушения и характеризующуюся максимальными значениями, измеренными на наружной поверхности трубы 4,6 А/см (вдоль) и 5,2 А/см (поперек). Продольные значения в очаге и в основном металле отличаются не существенно, а поперечные, напротив, значительно. Анизотропия неповрежденного металла имеет отрицательные значения и на наружной, и на внутренней поверхности образца. Отношение АКС принимает значения, меньшие единицы. Напротив, вдоль кромки разрушения анизотропия на обоих образцах положительна, а отношение АКС превышает единицу. В месте очага разрушения анизотропия параметра максимальна и принимает значения до 0,8 А/см при отношении АКС до 1,2.

Таким образом, экспериментально получен диагностический критерий предрасположенности металла труб к КРН, заключающийся в определении коэрцитивной силы металла на наружной поверхности трубы вдоль и поперек продольной оси газопровода и расчете ее анизотропии.

При нормальном неповрежденном состоянии металла коэрцитивная сила вдоль оси трубы равна или несколько превышает ее величину, измеренную поперек оси трубы, соответственно анизотропия показателя не превышает единицу. При изменении свойств металла, способствующих развитию трещин КРН, происходит увеличение значений коэрцитивной силы, измеренных поперек оси трубы при сохранении или уменьшении величины, измеренной вдоль оси трубы. Полученные значения коэрцитивной силы являются диагностическим критерием критического изменения структуры металла.

Поэтому метод определения коэрцитивной силы рекомендуется для трассового диагностирования металла труб в шурфах с целью выявления труб, металл которых имеет структуру, не характерную для трубных сталей и предрасположенную к КРН.

Другим найденным критерием состояния металла является различие показателей анизотропии коэрцитивной силы, определенное на наружной и внутренней поверхности трубы. С увеличением данного показателя вероятность образования трещин КРН по состоянию материала труб возрастает. Однако необходимость измерений с внутренней поверхности трубы ограничивает использование данного критерия на действующих газопроводах. Данный критерий рекомендован для отбраковки труб, демонтированных из газопровода после эксплуатации и предполагаемых для повторного использования при ремонтах МГ.



Рис. 8. Распределение коэрцитивной силы с наружной (а) и внутренней (б) стороны образца и ее анизотропии (в, г)

Для ранжирования грунтов по вероятности протекания процессов КРН определялся их химический состав. Грунты исследовались по следующим показателям: влажности, рН, содержанию ионов карбонатов и бикарбонатов, ионов хлора, ионов сульфида, ионов кальция и магния. Для определения ионного состава применялись анализаторы жидкости многопараметрические Экотест?2000. Зависимость числа аварийных разрушений МГ по причине КРН от содержания отдельных ионов в грунтовых водах приведено на рис. 9, а.

Большое число аварий установлено при суммарном содержании ионов кальция и магния менее 50 мг/кг. То есть, увеличение общей жесткости воды приводит к уменьшению числа аварий, произошедших по механизму КРН. Поэтому для уточнения характеристик процесса в отобранных пробах грунта был реализован электрохимический метод поляризационных кривых. Использовалось следующее оборудование: потенциостат-гальваностат IPC-pro; персональный компьютер; рабочий электрод; вспомогательный электрод; электрод сравнения. Метод был усовершенствован путем разработки зондового устройства, которое позволило проводить электрохимическое тестирование грунтовых вод непосредственно на трассе газопровода (рис. 9, б).

1 - ионы кальция и магния, 2 - ионы хора, 3 - ионы сульфата, 4 - ионы гидрокарбонатов, 5 - корпус; 6 - стальная пластина; 7 - пористая мембрана; 8 - винт; 9 - вспомогательный электрод (графитовый); 10 - соединительные провода; 11 - стальное крепежное кольцо; 12 - крышка; 13 - медный электрод; 14 - полость для концентрированного раствора CuSO₄

Рис. 9. Число аварий по причине КРН (1995-2004 гг.) в зависимости от содержания ионов в грунтовых водах (а) и конструкция электрохимического зонда (б)

Разработана методика комплексного диагностирования и мониторинга процессов КРН (рис. 10).

Назначение участков для диагностирования проводится на основе анализа имеющейся информации по типам грунта, изоляции, уровня грунтовых вод (УГВ), аварийности, номенклатуре труб по типам и маркам сталей, наличию фактических дефектов КРН по ВТД.

Рис. 10. Схема выполнения мониторинга стресс-коррозионного
состояния МГ

Диагностирование изоляционных покрытий проводится путем выявления дефектов, характерных для КРН:

а) сквозные дефекты покрытия, образованные в продольных складках полимерных лент на перекрытии слоев, имеющие характеристики: положение на окружности МГ 3-5 и 7-9 ч, радиус дефекта 0,05R_Д0,2 м, расстояние между дефектами кратно 0,5-0,7 м;

б) сквозные дефекты покрытия, образованные в отслаивании полимерных лент на перекрытии слоев, имеющие аналогичные характеристики и положение на окружности МГ 5-7 ч.

Диагностирование электрохимических условий проводится путем проверки потенциалов поляризации катодной защиты на соответствие нормативным требованиям. Ранжируется грунт по вероятности развития процессов КРН по табл. 2.

Таблица 2 Ранжирование вероятности КРН по параметрам поляризационных кривых

Вероятность КРН	Угловой коэффициент поляризационной кривой, В	Потенциал коррозии, В (н.в.э.)
	ba	bk
Низкая	0,05	0,1-0,12	минус 0,44
Высокая	0,1	0,2-0,35	минус 0,5-0,6

На заключительном этапе диагностирования проводится оценка состояния металла труб в шурфах неразрушающими методами определения твердости и коэрцитивной силы. Измеряется коэрцитивная сила по окружности трубы в 12 точках с равным шагом вдоль и поперек продольной оси трубы. Твердость определяется в 4 точках по 50 измерений в каждой. Оценка коэрцитивной силы выполняется с учетом максимальных значений и градиентов их изменения по окружности трубы, определяемых как разность между максимальным и минимальным значениями, приведенная к расстоянию между точками измерения. Проводится ранжирование опасности развития процессов КРН по установленным параметрам анизотропии коэрцитивной силы и дисперсии твердости по табл. 3.

Таблица 3 Ранжирование вероятности КРН по параметрам анизотропии коэрцитивной силы и дисперсии твердости

Вероятность развития КРН	Максимальное значение Нс по окружности трубы, А/см	Максимальный градиент изменения GНс, А/см2	Дисперсия твердости, ед. НВ
низкая	Менее 0,5	Менее 0,002	25
средняя	10,5-1,0	0,002-0,005	50
повышенная	1,0-1,5	0,005-,001	150
высокая	Более 1,5	более 0,01	300

В четвертой главе представлена методика моделирования КРН и аттестации средств и методов диагностирования дефектов КРН газопроводов. Для воспроизведения трещин, подобных КРН, проводилось их изготовление путем имитации растягивающих напряжений, коррозионной среды, состояния структуры и поверхности трубной стали, электрохимических условий.

Использовались криволинейные образцы, вырезанные по окружности трубы без их механической правки. Нагрузка прикладывалась так, чтобы остаточные растягивающие напряжения, возникающие на внешней поверхности трубы при ее изготовлении, получали приращение (рис. 11, а). Механически не очищалась и не выравнивалась наружная поверхность образца. Для инициирования развития трещины на образце выбиралась заготовка металла с поверхностью, предрасположенной к образованию трещин. Использовался фрагмент металла из трубы с места аварийного разрушения МГ по причине КРН. При этом в средней части рабочего образца выбиралась область металла с измененной структурой, что определялось по дисперсии твердости и анизотропии коэрцитивной силы. Условия для начального роста и дальнейшего развития трещины обеспечивались путем создания на поверхности образца электрохимической неоднородности, сосредоточенной на структурных дефектах металла и в вершине трещины. Для создания электрохимической нестабильности попеременно накладывалась анодная и катодная поляризация на образец. К образцу крепилась электролитическая ванна для обеспечения контакта образца с коррозионно-активной средой в рабочей области (рис. 11, б). Было выявлено, что статическое нагружение не дает однозначного образования трещин. Образование трещин происходит под действием растягивающих циклически изменяющихся нагрузок, сосредоточенных во внешней поверхности образца.

1 - электродвигатель, 2 - эксцентрик, 3 - основание, 4 - образец, 5 - балка, 6 - нагружающий болт, 7 - зажим, 8 - индикатор часового типа, 9 - источник постоянного тока, 10 - электролитическая ванна, 11 - электрод сравнения, 12 - вспомогательный электрод (анод).

Рис. 11. Устройство для создания переменных напряжений изгиба (а) и электролитическая ванна (б)

При выборе заготовок для изготовления образцов учитывали также предрасположенность к КРН определенных марок трубных сталей, например, труб, прошедших термическое упрочнение. В ходе моделирования трещины применялся ультразвуковой метод контрольных измерений глубины трещины непосредственно в ходе ее изготовления (рис. 12).

1 Ї образец, 2 Ї трещина, 3 - ПЭП-излучатель, 4 - ПЭП-приемник, 5 - дифрагированный сигнал с вершины трещины (время регистрации t2), 6 - опорный (донный) сигнал (время регистрации t1), - задержка сигнала.

Рис. 12 Схема измерения глубины трещины ультразвуковым зеркальным методом

Высота трещины определялась по задержке времени Дt между сигналом, дифрагированным на конце трещины t₂ и опорным сигналом t₁, отраженным от рабочей поверхности образца из выражения:

(1)

где h - глубина трещины, с - скорость ультразвука в образце, ? - расстояние между ПЭП, - время регистрации опорного сигнала, время регистрации дифрагированного сигнала.

Разработана и реализована методика изготовления образцов-имитаторов трещин с применением нагружающего устройства и электрохимического воздействия модельных сред, рекомендуемая для опытно-исследовательской отработки и аттестации методик дефектоскопического контроля. Для калибровки средств и методов диагностирования дефектов КРН на МГ разработана номенклатура стандартных образцов с имитаторами трещин КРН, позволяющая установить зависимости между показаниями прибора и измеряемыми характеристиками трещины КРН.

Таким образом, разработана методическая основа по отработке и аттестации средств и методов обследования и технического диагностирования эксплуатируемых газопроводов, работающих в условиях КРН, позволяющая повысить качество и информативность диагностирования, достигаемых за счет внедрения комплекса мероприятий, направленных на отработку, адаптацию и аттестацию используемых методов.

Основные выводы

1. Разработана комплексная методика и критерии ранжирования стресс-коррозионных условий газопроводов и диагностический алгоритм ее реализации, основанный на анализе номенклатуры эксплуатирующихся труб, имеющихся дефектов КРН в коридоре трассы, диагностировании характеристик грунтов и дефектов изоляционных покрытий, характерных для КРН, состоянии металла труб.

2. Разработана научно-методическая система идентификации и классификации влияющих факторов при аварийных разрушениях по причине КРН на основе комплекса методов лабораторных исследований металла из аварийно-разрушенных труб, трассовых обследований состояния защитных покрытий, ЭХЗ, грунтов и стендовых испытаний поврежденных труб.

3. Обоснованы критерии оценки накопленной поврежденности металла труб при КРН на основе использования комплекса диагностических методов, включая многократное определение твердости с использованием статистического анализа и измерение анизотропии коэрцитивной силы, позволяющих установить наличие и уровень ухудшения свойств металла труб, способствующих развитию КРН.

4. Разработаны методика и критерии диагностирования грунтов и грунтовых вод по трассе газопроводов по их влиянию на процессы КРН электрохимическим методом, заключающиеся в снятии поляризационных кривых, как на пробах отобранного грунта, так и в трассовых условиях с помощью предлагаемого зондирующего устройства.

5. Экспериментально обоснована методика воспроизведения трещин КРН, основанная на выборе металла труб, предрасположенных к растрескиванию, воздействию растягивающих циклических нагрузок, сосредоточенных во внешней поверхности криволинейного образца, электрохимическом воздействии, рекомендуемая для опытно-исследовательской отработки и аттестации методик дефектоскопического контроля.

6. Для отработки и аттестации средств и методов диагностирования дефектов КРН на МГ предложена номенклатура стандартных образцов с имитаторами трещин КРН, позволяющая установить калибровочные зависимости между параметрами и настройками приборов и измеряемыми характеристиками трещины КРН, в целом повысить качество и информативность диагностирования.

7. По результатам работы разработаны стандарты организации (Рекомендации) ОАО «Газпром»: «Руководство по организации системы мониторинга стресс-коррозионных процессов на трассах действующих и проектируемых магистральных газопроводов», «Методические указания по отработке и аттестации средств и методов характерных дефектов газопроводов», «Инструкция по обследованию и определению стресс-коррозионного (технического) состояния технологических перемычек и участков магистральных газопроводов между охранными кранами». Стандарты внедрены при диагностировании МГ Пунга-Ухта-Грязовец, Ухта-Торжок, Пунга-Вуктыл-Ухта общества «Газпром трансгаз Ухта». В результате установлены участки газопроводов, требующие проведения комплексного ремонта, включая отбраковку и замену поврежденных КРН труб.

8. По результатам промышленного внедрения работ по диагностированию газопроводов общества «Севергазпром» в 2003-2007 гг. получен экономический эффект порядка 30 млн. руб., обусловленный снижением материальных затрат на диагностирование поврежденных КРН участков газопроводов за счет применения оптимизированной технологии диагностирования, позволяющей сократить объемы шурфования и выбраковки труб.

Основные положения диссертации опубликованы
в следующих работах

1. Нефедов С.В., Соловей В.О. Напряженное состояние газопровода как основной фактор безопасности // В сб. науч. тр. ВНИИГАЗ. - 2004. - С. 86-89.

2. В.О. Соловей Анализ аварийности и безопасность газопроводов // В сб. науч. тр. ВНИИГАЗ. - 2004. - С. 35-37.

3. Соловей В.О. Анализ безопасной эксплуатации северных газопроводов с учетом воздействия грунтов // Наука и техника в газовой промышленности. - 2007. - № 3. - С. 74-78.

4. Александров Ю.В., Соловей В.О., Свирида М.М., Кузьбожев А.С. Напряженно-деформированное состояние газопровода, приводящее к аварийному разрушению // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 7. - С. 42-45.

5. Александров Ю.В., Соловей В.О., Свирида М.М., Кузьбожев А.С. Задачи мониторинга напряженно-деформированного состояния газопроводов на потенциально-опасных по признакам КРН участках трассы // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. - № 7. -С. 46-50.

6. Александров Ю.В., Соловей В.О., Свирида М.М., Кузьбожев А.С. Предотвращение экологических нарушений в притрассовой зоне путем прогнозирования аварий на газопроводах по причине КРН // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. -2009. - № 7. -С. 51-55.

7. Соловей В.О., Кузьбожев А.С., Шкулов С.А. Методы моделирования коррозионного растрескивания под напряжением с контролем роста трещин на образцах // Контроль. Диагностика. -2010. - № 7

8. Яковлев А.Я., Воронин В.Н., Аленников С.Г., Соловей В.О. Стресс-коррозия на магистральных газопроводах. - Киров: ОАО Кировская областная типография, 2009. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru

...