автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях коррозионно-механических воздействий

На правах рукописи

ГЛРЕЕВ АЛЕКСЕЙ ГАБДУЛЛОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальности 05.15.13 - Строительство н жеплуатация нефтегазопроводов. Сш п хранилищ; 05.J7.I4 - Химическое сопротивление мак'риалов и защита от коррозии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических паук

Уфа 1998

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном

техническом университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Абдуллин И.Г.

#

Официальные оппоненты: академик АН РБ доктор технических

наук, профессор, Гумеров А.Г;

доктор технических наук Буренин В.А.;

доктор технических наук Загиров М.М.

Ведущее предприятие П "Баштрансгаз"

Защита состоится " ¿^"Шфича 1998 г. в // час. На заседании диссертационного совета

Д063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, ]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан "/-7" 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного '___„ Р.Н. Бахтизин

совета, доктор физико-математических . • С?

наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Одной из наиболее важных задач трубопроводного транспорта углеводородов, является сокращение риска возникновения аварийных ситуаций. Ее решение позволит снизить безвозвратные потери транспортируемых продуктов, улучшить теологическую обстановку, предотвратить разрушения инженерных сооружений и обеспечить таким образом оптимальное функционирование трубопроводных систем. Актуальность данной проблемы связана с высокой частотой отказов магистральных трубопроводов, приводящих в ряде случаев к катастрофическим последствиям. Следует ожидать снижения надежности трубопроводных систем в процессе эксплуатации в связи с накоплением внутренних и внешних повреждений, естественным старением как самого металла, так и трубопроводных коммуникаций в целом, воздействием внешних сил.

01'ЯСИЫМ!! Ч <г 1 ] Н <! IН Iго("г т| 'гпу^ОГ'ПОЧП^'ЧДУ С'-'СТ'^М

обеспечивающих транспорт углеводородов, являются коррозионное растрескивание (КР). зарождающееся на внешней, катоднозащищеиной поверхности труб, коррозионная усталость и общая коррозия усиленная воздействием механических напряжений. Причем, первый вид коррози-онно-механяческих разрушений характерен для магистральных газопроводов. второй - магистральных нефте- продуктопроводов. Проявление третьего вида разрушений наблюдается при контакте напряженного металла с агрессивной средой, в частности, в системах сбора и транспорта сырых неподготовленных углеводородов.

Несмотря на то, что рассмотрению двух последних видов коррози-онно-механических разрушений трубопроводов посвящен ряд известных публикаций, разработка и апробация новых подходов к прогнозированию и повышению долговечности трубопроводных систем в указанных условиях получили дальнейшее развитие, в том числе в работах автора.

В последние годы одной из основных проблем в магистральном транспорте природного газа явилась проблема КР металла труб. Поэтому в работе основное внимание обращено на рассмотрение вопросов идентификации, прогнозирования и диагностики такого, относительно нового, вида разрушения трубопроводов. Это связано, в первую очередь, с тем, что ряд вопросов прогнозирования долговечности магистральных газопроводов, эксплуатирующихся в условиях КР, а также диагностики очагов их разрушения в настоящее время изучен недостаточно.

■ В диссертации на основании обобщения отечественного и зарубежного опытов борьбы с проявлением коррозионщьмеханических разрушений, теоретических и экспериментальных исследований автора, включая изучение очаговых зон разрушения магистральных нефте- газопроводов, разработаны методы прогнозирования наиболее характерных для трубопроводного транспорта отказов.

Общая блок-схема прогнозирования коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов приведена на рис. 1.

Проблеме прогнозирования долговечности трубопроводов и других металлоконструкций, эксплуатирующихся в исследуемых условиях, большое внимание было уделено в работах таких отечественных и зарубежных ученых как О.М. Иванцов, Ф.Ф. Ажогин, Э.М. Ясин, Л.Я. Ци-керман, В.Ф. Новоселов, П.И. Тугунов, З.Т. Галиуллин, И.Г. Абдуллин, В.Д. Черняев, М.И. Волский, О.И. Стеклов, Г.В. Карпенко, М.П. Ануч-кин, В.П. Когаев, О.Н. Романив, В.Т. Трощенко, Р.Н. Паркинс, Э.М. Гутман, Р. Р. Фесслер, Дж.Ф. Кейфнер, Г. Улиг, Д.Ф. Джонс и др.

Несмотря на достигнутые успехи в области прогнозирования разрушений магистральных трубопроводов, вызванных проявлением коррозионно-механических воздействий, некоторые вопросы остаются недостаточно изученными. Среди них можно выделить следующие:

Рис. 1. Блок схема прогнозирования коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов

1. Недостаточно изучены особенности проявления коррозионно-механических разрушений линейной части магистральных трубопроводов.

2. Не в полной мере раскрыта природа отдельных видов коррозион-но-механических разрушений.

3. Необходимы более углубленные статистические исследования разрушений магистральных трубопроводов с целью разработки моделей прогнозирования долговечности трубопроводных систем в условиях коррозионно-механических воздействий.

4. Необходимы дополнительные исследования для выявления роли катодной защиты и влияния ее режимов на развитие коррозионно-механических разрушений.

5. Требуют дальнейшего развития и совершенствования методы диагностики очагов коррозионного растрескивания.

6. Необходимы дополнительные исследования по прогнозированию остаточного ресурса магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей механохимической коррозии.

В связи с вышеизложенным целью работы является разработка методов прогнозирования долговечности линейной части нефтегазовых трубопроводных систем в условиях коррозионно-механических воздействий, способствующих развитию коррозионного растрескивания, коррозионной усталости и общей механохимической коррозии металла труб.

Реализация этой цели в диссертационной работе осуществляется путем постановки и решения следующих основных задач:

1. Изучить характерные внешние проявления КР магистральных газопроводов, физико-механические и электрохимические свойства металла очаговых зон разрушений с целью получения исходных данных для построения модели развития трещин. •

2. Исследовать статистику отказов магистральных газопроводов по причине КР и построить феноменологическую и статистическую модели прогнозирования долговечности линейной части.

3. Исследовать влияние и роль катодной поляризации, неметаллических включений в трупных сталях и вибрационных нагрузок на зарождение и развитие КР магистральных газопроводов.

4. На основе выявленного механизма возникновения КР магистральных газопроводов разработать метод диагностики их участков, подверженных растрескиванию.

5. Разработать метод прогнозирования долговечности магистральных нефте- и продуктопроводов в условиях коррозионной усталости с учетом стадий накопления усталостных повреждений, зарождения и развития трещин и влияния на них катодной поляризации металла труб.

6. Разработать метод прогнозирования долговечности трубопрово-

'¡ОВ " V'1 ? > !> М -"!'' <1р1Лу ИМ >!•! ^ППГ* О ? Н И

Научная наслана.

• впервые установлен стадийный характер КР магистральных газопроводов. состоящий в чередовании взаимосопряженных механических и электрохимических этапов развития разрушения;

« впервые количественно показано, что в условиях катодной защиты сульфидные включения в трубных сталях в количествах, допускаемых действующими нормативно-техническими документами, инертны по отношению к приэлектродным грунтовым электролитам и не вызывают дополнительной генерации водорода, способной инициировать растрескивание металла,

• на основании анализа статистики отказов магистральных газопроводов и изучения механических и электрохимических свойств металла очаговых зон разрушения построена новая модель развития КР, позволяющая реально прогнозировать время до разрушения;

• установлено, что процесс КР магистральных газопроводов может быть описан в рамках теории растворения вершины коррозионной трещины при воздействии растягивающих напряжений. При этом впервые количественно показано, что энергии, выделяемой при нестабильной работе и отключении системы катодной защиты, может оказаться достаточно для поддержания процесса растрескивания;

• теоретически показано, что в качестве "спускового механизма" процесса КР может явиться осциллирующее поле малой амплитуды, например, вследствие вибрации;

• разработан научно-обоснованный метод обнаружения (диагностики) вероятных мест КР магистральных газопроводов, базирующийся на особенностях электрохимического поведения стали в водных растворах солей угольной кислоты, формирующихся в приэлектрод-ных слоях грунтовых электролитов под воздействием токов катодной защиты;

• показано, что катодная защита замедляет развитие малоцикловой коррозионной усталости металла магистральных трубопроводов, оказывая, впервые обнаруженное ее благоприятное влияние на параметры модели, описывающей стадию накопления коррозионно-усталостных повреждений и зарождения трещины;

• получена новая аналитическая зависимость, пригодная для прогнозирования долговечности трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей механохимической коррозии.

Работа выполнялась в соответствии с:

• координационным планом АН СССР на 1986-1990 гг. по направлению "Коррозия и защита металлов", шифры 2.7.3.2. "Развитие теоретических основ защиты металлов от коррозионно-механических процессов (Коррозионная усталость и растрескивание)";

• сводным планом научно-исследовательских, проектно-

конструкторских и технологических работ по сварочной науке и технике ГКНТ СССР, научного совета по проблеме '"Новые процессы сварки и сварочные конструкции" АН УССР, ИЭС им. Патона на 1988 г., раздел 02, тема 01, этап 6Б "Карбонатное коррозионное растрескивание сварных соединений груб магистральных газопроводов";

• научно-технической программой ГКНТ СССР 0.73.01 на 1985-1990 гг "Разработать, освоить и внедрить в промышленном производстве новые высокоэффективные технологические процессы, материалы и средства защиты металлов от коррозии". Задание Н 3. "Разработать рекомендации по повышению эффективности методов противокоррозионной защиты металлических изделий и конструкций, основанные на учете специфики их эксплуатации, для использования в народном хозяйстве";

« программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 1993-1995 гг. в области защиты от коррозионного растрескива-

ННЯ ПГ>Ч НГ1ГТТЛ<Т1-?ч"РЦНР\! %}о¡ЦЛП.ГУ Г'!1/)ПТ>П!1тЛ!5 РЛЛГПКОГП пгнОСНИЯ.

реализуемой под эгидой Российского акционерного общества "Газпром";

® в рамках госбюджетной лаборатории Госкомвуза по разработке теоретических основ диагностики коррозионного растрескивания трубопроводов электрохимическими методами (1994-1995 гг.);

• целевой научно-технической программой "Надежность и безопасность сложных систем" АН РБ на 1996 - 1998 гг.

На защиту выносятся: теоретическое обобщение известных и полученных автором результатов исследований коррозионно-механической стойкости нефтегазовых трубопроводных систем, результаты экспериментальных исследований и практические рекомендации по прогнозированию долговечности магистральных трубопроводов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались

на;

• научно-технической конференции "Противокоррозионная защита

нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов" (Уфа, 1985);

• ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов молодых ученых и специалистов УГНТУ (УНИ) (Уфа, 1984, 1989, 1990,1993-1995,1997);

• Республиканских научно-технических конференциях по проблемам сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов ИПТЭР (ВНИИСГГГНефть) (Уфа 1984,1986, 1988);

• Всесоюзных (межгосударственных) научно-технических конференциях "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1985,1993);

• I Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Проблема защиты металлов от коррозии" (Казань, 1985);

• совещании по разработке мероприятий по предотвращению аварий на магистральных газопроводов из-за карбонатного коррозионного растрескивания Мингазпрома СССР (Саратов, 1986);

• Республиканском научно-техническом семинаре "Проектирование и строительство систем подземных сооружений от коррозии" (Ленинград, 19Е6);

• 1 Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности" (Уфа, 1987);

• научной конференции молодых ученых БФАН СССР (Уфа, 1987);

• Республиканском научно-техническом семинаре "Повышение качества базовых деталей машин и аппаратов" (Курган, 1989);

• Зональной научно-технической конференции "Современные проблемы коррозии и защиты металлов от коррозии в народном хозяйстве" (Уфа, 1990);

• I Советско-Американском симпозиуме по стресс-коррозии газопроводов (Москва, 1990);

• 2nd Int. Conf. Pipeline Inspection (Moscow, 1991);

• II Республиканской конференции 'Проблемы нефтехимической промышленности" (Стерлитамак, 1993);

• I научной конференции молодых ученых физиков РБ (Уфа, 1995);

» заседаниях секции научно-технического совета РАО "Газпром"

(Москва, 1993, 1996),

• Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, 1995);

• конференциях "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий" АН РБ (Уфа, 1996, 1997);

• II Всероссийской научно-технической конференции "Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность" АН технологических наук РФ (Уфа, 1996);

в совещании - семинаре ДП "Севергазпром" (Ухта. 1997).

Практическая ценность. Реализация результатов диссертации и практике эксплуатации магистральных трубопроводов осуществлена при разработке и внедрении следующих нормативно-технических и справочных документов:

• "Дополнение Х»Г' к "Положению о расследовании причин отказов газовых объектов Министерства газовой промышленности, подконтрольных органам государственного газового надзора в СССР", утвержденное первым заместителем министра газовой промышленности в 1987 г.;

• РД 39-0147103-361-86 "Методика по выбору параметров труб и поверочпого расчета линейной части магистральных нефтепроводов на .малоцикловую прочность", утвержденного начальником Главтранснефти Миннефтепрома СССР в 1986 г.;

• "Основные признаки коррозионного растрескивания под напря-

жением металла магистральных трубопроводов", утвержденные заместителем директора ВНИИГАЗа в 1991 г.;

• "Методика определения наиболее вероятных мест карбонатного коррозионного растрескивания", утвержденная заместителем директора ВНИИГАЗа в 1990 г.;

• "Инструкция по обследованию и идентификации разрушений, вызванных коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН)" утвержденная правлением РАО "Газпром" в 1994 г.

Теоретические и экспериментальные результаты работы использованы при создании учебно-методического обеспечения и проведении лекционных и практических занятий для вузовских специальностей "Химическое сопротивление и защита от коррозии", "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ", учебных планов и программ по читаемым курсам института повышения квалификации УГНТУ и Управления руководящих кадров и учебных заведений Мингазпрома СССР.

При участии автора проведены исследования свойств металла и даны заключения о причинах отказов следующих магистральных газопроводов: "Средняя Азия - Центр" (150, 153, 607, 618 км); "Надым - Пунга -Н.Тура", 3-я очередь (1049 км); "Парабелъ - Кузбасс" (129, 136, 301 км); "Уренгой - Грязовец" (523 км); "Уренгой - Петровок" (738 км); технологической обвязки КС "Октябрьская" газопровода "Уренгой Центр 1"; "Уренгой - Новопсков";"Уренгой - Помары - Ужгород".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, в том числе 2 монографии и 2 учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников и приложений, изложена на 284 страницах, включая 55 рисунков, 13 таблиц и список использованных источников из 234 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана научная новизна результатов проведенных исследований.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы, связанные с исследованными автором особенностями проявления КР магистральных газопроводов, результаты исследований влияния металлургическою качества груб па КР, электрохимических и физико-механических свойств металла очаговых зон разрушения.

В результате проведенного анализа было выявлено, что КР имело место на прямошовных и спиралешовных трубах отечественного и импортного производств, имеющих различные виды противокоррозионной изоляции и проложенных в различных фунтах. Разрушение на внешней поверхности трубы проявляется в виде одиночных трещин или их систем. ориентированных, в основном, вдоль образующей трубы. Очаги КР в большинстве случаев располагаются вдоль нижней образующей трубы под отслоившейся изоляцией. Трещины развиваются хрупко со стороны внешней поверхности трубы с вязким доломом на ее внутренней поверхности. Фрактографическими исследованиями установлено, что трещина развивается в три этапа: I - меж- или транскристаллитное развитие на стадиях зарождения и дискретного подрастания; 2 - коррозионно-механическое растворение металла в полости зародившейся трещины как концентратора напряжения; 3 - механический долом. Первый и второй этапы обычно обратимо чередуются. На магистральных газопроводах, подвергнутых переиспытанию избыточным давлением, разрушение может происходить по схеме: 1-2-3-2-3.

На поверхности трубы и внутри полости коррозионных трещин, как показал проведенный в работе анализ, присутствуют оксиды железа и соли угольной кислоты (карбонаты и бикарбонаты), образующиеся

вследствие трансформации грунтовых электролитов в приэлектродном слое под воздействием токов катодной защиты. Активность электролитов, образующихся на поверхности трубы и в полости трещин достигала значения рН 12. Обычно вблизи очага разрушения общая и язвенная коррозия незначительны, причем очаги язвенной коррозии и растрескивания часто располагаются в одном коридоре вдоль нижней образующей трубы под отслоившейся изоляцией. Коррозионному растрескиванию подвергается как основной металл труб, так и сварные соединения. При этом трещина как бы не "замечает" наличия сварного соединения и других геометрических концентраторов напряжения (задиры, царапины). Бли-стеринг и расслоение металла в очаге разрушения отсутствуют. Механические свойства стали вблизи очага разрушения, как правило, соответствуют техническим условиям на трубы.

Для описания кинетики распространения таких трещин в работе предложено использовать модифицированный вариант детерминированной модели нелинейных систем

ДЬ^Мт-ДЦ-О -ДЦ),

где г - безразмерный "параметр роста" трещины, отражающий интенсивность приращения длины трещины ДЬ.

Анализ разностного уравнения стандартного вида применительно к случаю распространения трещины показал, что при величине г менее 0,5 она не развивается (приращение длины стремиться к нулю), что может быть связано с пассивацией стали в растворах солей угольной кислоты. В интервале значений г от 0,5 до 0,7 трещина развивается с установившейся скоростью. При параметрах роста более 0,7 наблюдается хаотическое поведение рассматриваемой функции, что отражает осциллирующий характер распространения трещины, присущий стадии механиче-

ского долома. Как показьшает проведенный в работе анализ исследуемой функции, наиболее реалистичными являются значения г не более 0,5,1гго связано с большой длительностью процесса развития КР. В этом случае интенсивность развития трещины затухает, стремясь к нулю. Дальнейшее развитие трещины возможно только в результате воздействия на систему дополнительного активирующего фактора, разрушающего защитную пленку в системе "металл - коррозионная среда". -

Исследование термодинамического состояния электрохимической системы "металл с трещиной и с технологическими отложениями по ее "берегам"в виде оксидов металла и солей угольной кислоты - карбонат-бикарбонатная среда", показало, что в первоначальный момент измерения электродный потенциал металла "берегов" с обезвоженными отложениями принимал нулевое значение относительно хлорсеребряного электрода сравнения (ХСЭ), что свидстельствозало о его пассивном состоянии. За1см, в течение 5 секунд, значении потенциала изменялось до величины минус 0.32 В (ХСЭ) вследствие разблагорожикания поверхности металла при растворении защитной пленки (такую же величину имел и электродный потенциал этой стали на ювенильной поверхности). При более длительной выдержке вновь наблюдалось пассивация стали. Полученные данные свидетельствуют о возможности нарушения защитной плешей и цикличности процесса ее пассивации - депассивации в растворах солей угольной кислоты. Вклад других факторов, способствующих этому процессу рассмотрен в третьей главе.

Процесс КР магистральных газопроводов контролируется рядом внутренних и внешних факторов, среди которых весьма существенную роль играет металлургическое качество труб, вклад которого изучен недостаточно. В связи с тем, что по нашим наблюдениям наиболее глубокие трещины располагаются на расстоянии 100...250 мм от продольного заводского сварного шва, в работе определена чувствительность металла

к КР по периметру труб, бывших в эксплуатации. В результате проведенных исследований выяснено, что наиболее чувствительными к КР являются участки поверхности трубы, претерпевшие в ходе технологического процесса ее изготовления продольную подгибку кромок листовой заготовки. Это свидетельствует о повышенной термодинамической неустойчивости этих зон.

В работе проведены исследования влияния сульфидных включений как точечных концентраторов напряжений на стойкость магистральных газопроводов к КР. Их распределение в стали определяли по методу Бауманна на образцах сталей, отобрацных из очаговых зон разрушения газопроводов Средней Азии, Казахстана, Урала и Сибири. В результате приведенных исследований было обнаружено отсутствие корреляции между количеством сульфидных включений в стали и временем до разрушения трубопроводов. Вместе с тем, обнаружены более высокие скорости роста трещин на сзалях контролируемой прокатки фупп прочности Х70 по сравнению с умерено прочными сталями. Это объясняется повышением чувствительность сталей к концентрации напряжений с ростом их прочности и превалированием механического фактора в условиях КР.

Рассмотрена также возможность образования сероводорода как потенциального промотора наводороживания сталей при растворении сульфидных включений в приэлектродном электролите. Тестирование полировашюй поверхности образцов трубных сталей модельными кар-бонат-бикарбонатными средами и растворами реальных катодных отложений не вызывало потемнения фотобумаги, наблюдаемое при аналогичном тестировании по методу Бауманна (раствор НгБО^. Это свидетельствовало об инертности сульфидных включений в реальных средах, образующихся у катоднозащщценных поверхностей. Изучено также влияние сульфидных включений на электрохимическое поведение желе-

за и стали и проницаемость в них водорода в реальной и модельной при-электродных средах в условиях катодной поляризации, включая режимы катодной защиты магистральных газопроводов. В качестве объектов исследования использовались мембраны из карбонильного железа и автоматной стали А12. Количество водорода измерялось по току его ионизации. Аномального поведения водорода обнаружено не было. Проницаемость стали А12 оказалось ниже, чем карбонильного железа. Количество водорода, его проницаемость, диффузия исследовались также на образцах, отобранных из очаговых зон разрушения реальных трубопроводов. При этом были использованы мембраны, изготовленные из трубных сталей марок 14Г2САФ, 17Г.1С, 17Г2САФ и Х70 фирмы "Бергрор", а, для сравнения, - из карбонильного железа. Полученные экспериментальные данные и найденные на их основе коэффициенты диффузии водорода свидетельствовали о том. что при незначительной его генерации в области регламентированных значений потенциалов катодной защиты в реальных пртлектродных электролитах водород способен проникать на глубину не более 0.4 мм. Количество водорода, прошедшего через исследованные образцы, в области регламентированных потенциалов катодной защиты оказалось на два порядка ниже (НГЬ моль/см"), чем в электролитах, вызывающих растрескивание магистральных газопроводов, например, таких как серо во дородсо держащие среды. Это свидетельствует о том, что при регламентированных режимах катодной защиты отсутствуют условия для наводороживания стали.

Во второй главе рассмотрены вопросы прогнозирования долговечности магистральных газопроводов, подверженных КР.

Проведенный анализ литературных данных показал, что большинство предлагаемых моделей развития КР не пригодны для его реального прогнозирования и представляют, на взгляд автора, чисто научный интерес. Поэтому в работе сделана попытка построения математической мо-

дели, пригодной для прогнозирования реальных разрушений магистральных газопроводов вследствие КР с использовашем феноменологического и статистического подходов. Для построения моделей проанализирована статистика отказов газопроводов "Парабель - Кузбасс", "Средняя - Азия - Центр", "Бухара - Урал", "Уренгой - Центр 1", "Уренгой - Петровск", ""Уренгой - Грязовец", "Уренгой - Помары - Ужгород", а также данные лабораторных исследований физико-механических и электрохимических свойств металла очаговых зон разрушения указанных трубопроводов, полученные автором. Статистическая оценка вида распределения времени до разрушения магистральных газопроводов, показала, что оно близко к нормальному со значением выборочного среднего 10,6 лет и дисперсией 9,9 лет2. На первый взгляд, такое распределение представляется неприемлемым для описания статистики отказов трубопроводов, так как со временем накапливаются повреждения, и частота отказов должна квазимонотонно расти. Однако, для КР магистральных газопроводов характерны следующие особенности: во-первых, коррозионное растрескивание, как правило, проявляется не по всей длине газопровода, а на участках, входящих в 30-километровую зону от компрессорной станции; во-вторых, разрушения по причине КР происходят по истечение свойственного ему инкубационного периода (около одной третьей нормативного срока службы трубопровода), что естественно требует мероприятий по ликвидации отказов вплоть до замены участка в случае увеличения их частоты. Вместе с тем, разница между минимальным и максимальным временами до разрушения магистральных газопроводов, как показывает обобщенная в работе статистика отказов, составляет 13 лет. При такой величине разброса и высоком значении дисперсии представляется некорректным использование выборочного среднего в качестве параметра, приемлемого для прогнозирования разрушений магистральных газопроводов. В связи с

этим в работе предложена модель отказа, учитывающая особенности развития трещины в условиях КР. в основе которой лежит рассмотренная трехэтапная схема, дополненная подготовительной стадией I, включающей в себя образование карбонат-бикарбонатной среды и микроочагов растрескивания. Эта стадия предшествует протеканию 1 и 2 этапов, которые в силу отмеченной взаимной сопряженности объединены в рассматриваемом случае в одну стадию II - рост коррозионной трещины (Ш-я стадия - механический долом). Кинетика роста трещины согласно предложенной модели может бьггь описана с помощью введенного параметра - эффективной скорости роста трещины (ЭСРТ) - Уэфф, определяемого соотношением

Уэфф = [а • 5 • к • ехр(-0/1М)]/0 - Ь),

• дс 1 ~ ¿н'^Ол/«./11 шл 1 СМЛсри) у ри. Г\. Гч - \ 11НпСрСиЛ1*]Щу> ГС1>ОЕЦЯ ПОСТОЯЛ-

ная; к - предэкспоненциальиый нормирующий множитель; I - время до отказа газопровода; Ь - длительность первой стадии; 8- толщина стенки трубы, а - эмпирический коэффициент, характеризующий исследуемый вид растрескивания.

Используя данный параметр был проведен анализ отказов вышеназванных газопроводов, показавший, что для сталей с группой прочности ниже Х70 время наработки до отказа реально оценивается с помощью предложенного соотношения. Для сталей контролируемой прокатки группы прочности Х70 значение Уэфф оказывается намного выше, чем для умеренно упрочненных сталей, даже при существенно более низких температурах перекачиваемого продукта и величинах расчетных кольцевых растягивающих напряжений. Последний факт, по-видимому, связан с превалированием на таких сталях в процессе КР механического фактора. У трубопроводов из сталей групп прочности ниже Х70, проложен-

Пых в сходных условиях и имеющих близкие температуры перекачиваемого продукта, Уэфф была стабильна и ее величина составляла около 1 мм/год для магистральных газопроводов Средней Азии и Казахстана и 0,6 мм/год для магистральных газопроводов Урала и Сибири.

При построении модели развития разрушения наряду с феноменологическими, применялись статистические методы исследований. На частотной гистограмме отказов (рис. 2) в интервалах времен около 8 и 17 лет наблюдаются провалы. Первый может быть объяснен обнаруженным отличием в механизмах разрушения сталей различных групп прочности в условиях КР. Поэтому было проведено разделение выборок отказов магистральных газопроводов, имевших место на импортных трубах контролируемой прокатки группы прочности Х70 (группа II) и трубах, изготовленных из других сталей (Х65, 17Г1С и др.) - группа I. Количества отказов, зарегистрированных во второй группе магистральных газопроводов, в настоящее время недостаточно для проведения всего комплекса статистических исследовании и поэтому для таких трубопроводов определялись общие оценочные характеристики. Для построения статистической модели использовалась процедура множественной регрессии (доверительная вероятность - 95%). В качестве независимых переменных использовались величины толщин стенок труб, температур, расстояний до компрессорной, давлений, а также их модифицированные значения (обратная температура, обратное расстояние, отношение действующего напряжения к пределу текучести стали и др.). Всего было рассмотрено 48 вариантов модели. Из них была выбрана одна, имеющая наиболее высокий коэффициент детерминации, в которую вошла только перемешая, отвечающая толщине стенки трубы.

Исключение из конечной модели температуры связано с обнаруженным в работе низким значением энергии активации процесса КР. При использованном уровне значимости влияние температуры, по-видимому,

О 4 8 12 16 20

^ лет

Рис. 2. Частотная гистограмма отказов магистральных газопроводов по причине КР.

1 - функция нормального распределения

было заглушено "статистическим шумом". Однако следует отметить, что температура все же оказывает косвенное влияние на развитие КР, способствуя разрушению противокоррозионных защитных покрытий магистральных газопроводов. Такое влияние главным образом проявляется в пределах 30-ти километровой зоны от компрессорной станции, что и предопределяет наибольшую частоту отказов на этом участке.

Исключение давления го конечной модели может быть объяснено стадийным характером развития КР, требующим невысоких величин растягивающих напряжений в стенке трубы. Лимитирующей, в основном, является электрохимическая стадия. Это подтверждает проведенный в работе анализ разрушений магистральных газопроводов, показавший, что расчетные значения кольцевых растягивающих напряжений в стенках труб составляли 0,4 - 0,7 от предела текучести стали (а,).

Переменная, соответствующая расстоянию до компрессорной станции также оказалась незначимой. Для объяснения этого дополнительно был проведен анализ аномальных наблюдений, показавший наличие точек, соответствующих отказам магистральных газопроводов, расположенным на расстояниях, более чем вдвое превышающих 30-километровую зону. Такие точки нарушали однородность выборки, что и явилось причиной низкой значимости данной переменной.

В связи с вышеизложенным, для прогнозирования КР магистральных газопроводов группы I может быть использована линейная модель, использующая в качестве параметра толщину стенки трубы. Окончательный вид модели был получен с помощью процедуры пошаговой множественной линейной регрессии с отбрасыванием незначащих переменных на уровне дисперсионного отношения Фишера равном 4,0. Окончательная модель имеет вид

23

t = а • Н,

где t - время до разрушения, год;

а - коэффициент уравнения регрессии, а=0,92 год/мм;

Н - глу бина трещины до начала механического долома, мм.

При переходе к скоростным показателям-КР зависимость представляется в виде

v = const,

где v - интегральная скорость роста трещины, учитывающая вклад трех стадий в процесс развития КР; const = 1,08 [мм/год].

Полученное соотношение позволило обосновать с позиции математической статистики априорное использование интегральных скоростных показателей КР при построешш феноменологической модели.

Анализ полкой статистики отказов в рамках предложенной модели подтвердил правомерность указанного разделения .магистральных газопроводов на две группы и возможность ее использования для прогнозирования отказов трубопроводов ! группы. При прогнозировании разрушений трубопроводов группы II, в настоящее время, могут быть использованы оценочные характеристики. Следует отметить, что первые отказы .магистральных газопроводов II группы происходили на дефектных трубах (недопустимая сегрегации сульфидных включений и др). Это, по-видимому, и определило резкую границу разделения групп. По предварительным оценкам, полученным в последнее время, прогнозирование времени до разрушения газопроводов Урала и Сибири, построенных из сталей группы прочности Х70 может быть осуществлено при Уэфф = 1 -1,2 мм/год.

Третья глава посвящена изучению механизма коррозионного растрескивания.

Механизм КР изучался с помощью электрохимической и механохими-ческой методик испытаний. При этом были проведены сравнительные ме-ханохимические исследования на образцах трубной стали 17Г1С путем их одноосного растяжения до разрушения на воздухе, в 3%-ном растворе №С1, в том же растворе, подкисленном НС1 до рН 3-4 и среде, моделирующей катодные отложения (1 н. №2СОз + 1н. КаНСОз). Кроме того, для сравнения проводились испытания образцов, предварительно выдержанных в указанных электролитах. Было установлено, что изменение пластичности стали, проявлялось только при снижении скорости нагружения до определенной величины, при которой коррозионный фактор "успевал" проявиться. Изменения пластичности образцов, предварительно выдержанных в указанных средах и испытанных на воздухе, обнаружено не было, что свидетельствует о механохимической природе пластифицирования или охрупчи-вания стали. Снижение пластичности каггоднополяризованной стали в растворе солей угольной кислоты имело место только при повышенных температурах. В рамках этого эксперимента было выяснено, что максимальная механохимическая активность стали в растворах солей угольной кислоты наблюдалась при механических напряжениях, превышающих предел текучести стали, по-видимому, вследствие повреждения защитной пассивирующей пленки и взаимодействия коррозионной среды с оголенной поверхностью металла. Максимальная величина разблагороживания потенциала стали составляла 150 мВ.

В результате дополнительно проведенных исследований выявлено, что в карбонат-бикарбонатной среде, моделирующей катодные отложения, при катодной поляризации стали кратковременный ток ее анодного растворения, лежащий в основе КР, возникает только при смещении наложенного потенциала в положительном направлении. Причем с течением времени величина этого тока убывает, а его направление меняется на катодное. Изменения величин растягивающих напряжений от нуля до

предела текучести и температуры от 20°С до температуры кипения электролита не вызывали изменения катодного направления тока. В связи с этим, становится очевидной опасность нарушения режимов катодной защиты со смещением ее потенциалов в положительном направлении и возникновением анодных токов. Вместе с тем, существующие в настоящее время методы количественной оценки скорости роста трещин КР не учитывают этого факта. Так, экспериментальная проверка теоретической зависимости, предложенной Р.Н. Паркинсом и основанной на законе Фа-радея с использованием максимального анодного тока показала, что результаты теоретических расчетов отличаются от наблюдаемых на практике на 1,5 порядка. В связи с этим, автором предлагается в зависимость, основанную на законе Фарадея, подставлять не плотность максимального анодного тока, а интегральную энергетическую характеристику электрохимического процесса в виде выделяющегося количества электричества. приходящегося па единицу площади поверхности трубы с катодными отложениями. Это количество электричества было определено с помощью разряда электрохимической системы при ступенчатом изменении потенциала. При этом производилось интегрирование плотности анодного тока по времени (24 часа па каждую экспериментальную точку) на образцах прямошовньгх труб, внутри которых создавалось давление, формирующее в стенке трубы напряжение 0,7 ст. Поте ни налам в интервале минус 1,0. ..0,1 В (ХСЭ), в конечном итоге, отвечали катодные токп вследствие пассивирующего действия карбонат-бикарбонатной среды. Однако, как это было отмечено выше, при снижении по абсолютной величине потенциала достижению стационарных катодных токов в каждом исследованном поддиапазоне его изменения предшествовало протекание анодного тока.

На основании полученных результатов бьгла проведена оценка скорости роста трещины. В прямоугольном приближении формы трещины

ее глубина Ь (мм) определяется как

11= (а-О)1*,

где 0 - количество выделившегося электричества, Кл; а - фактор, учитывающий природу развития КР. С учетом результатов, полученных при изучении металла очаговых зон разрушения, было выяснено, что при суммарно накопленном годовом изменении потенциала 0,5 В выделяющегося количества электричества достаточно для подрастания трещины на глубину 0,54 мм.

Наряду с коррозионными трещинами в очагах разрушения имеют место коррозионные язвы, механизм возникновения которых изучен недостаточно. Проведенные испытания образцов труб в вышеуказанных условиях показали, что на поверхности стали и под отслоившейся изоляцией образуются язвы, однако их развитие постепенно затухает, что может объяснить имеющую место в большинстве случаев незначительную глубину язв в очаговых зонах разрушения магистральных газопроводов по причине КР.

Как показывает проведенный анализ известных на сегодняшний день причин возникновения коррозионного растрескивания, до настоящего времени не выявлены все факторы, вызывающие этот вид отказов магистральных газопроводов. В частности, не исследован вклад вибрационного нагружения, присущего магистральным газопроводам (особенно вблизи компрессорных станций) в развитие КР, хотя практика эксплуатации отмечает повышенные уровни виброакгавности ряда разрушившихся участков газопроводов. На участках изменения профиля трассы магистральных газопроводов (повороты, спуски и подъемы) возможна дополнительная генерация колебаний, связанных с изменением характера движения штока. В соответствие с принципами вибрационной

механики твердые частицы в неоднородном осциллирующем поле дрейфуют к точкам минимумов волновой функции. Применительно к случаю КР, в результате такого дрейфа взвешенные в образовавшемся вблизи поверхности трубы электролите частицы могут выстраиваться в линии вдоль ее образующей и способствовать локальному разряда энергии, запасенной электрохимической системой при катодной защите. Это объясняет характерное проявление КР в виде системы параллельно идущих вдоль образующей трубы трещин. В работе рассчитан опасный диапазон частот (8 - 250 Гц), который может способствовать такому разряду энергии. Распределение интенсивности осциллирующего поля от источника колебаний вдоль трубопровода описывается экспоненциальной функцией, что согласуется с характерным распределением отказов по длине трубопровода от компрессорных станций Затухание амплитуды колебаний приводит к неспособности осциллирующей системы удерживать '¡летишь в точках минимумов ч-отногшн Это я онррлел?ннои

мере объясняет привязку очагов КР к компрессорным станциям, а также к местам поворотов трассы, где возможна генерация дополнительных колебаний. Предлагаемый подход позволяет также объяснить отсутствие жесткой привязки коррозиош1ЫХ трещин к имеющимся в очаговых зонах концентраторам напряжений, а также ряд других особенностей КР, рассмотренных выше.

Рассматриваемый механизм КР требует наличия в очаговой зоне взвешенных частиц, проводящих электрический ток. Для определения возможности образования на оголенной поверхности труб соединений, обладающих достаточной проводимостью, был проведен лабораторный эксперимент, показавший, что после отключения поляризации на поверхности трубной стали 17Г1С образуется карбонат железа, превращающийся через сутки в токопроводящий магнетит. Полученные результаты позволяют предложить следующую природу развития КР

(рис.3). На первом этапе (время отключения поляризации менее суток) происходит образование непроводящих электрический ток частиц карбоната железа, которые под действием осциллирующего вибрационного поля дрейфуют к точкам минимумов волновой функции, выстраиваясь по линиям вдоль образующей трубы. При перемещении этих непроводящих частиц не происходит разряда электрохимической системы. На втором этапе (время отключения поляризации более суток) одновременно с образованием и дрейфом таких частиц, происходит превращение карбоната железа в токопроводящий магнетит. Этот процесс протекает на образовавшихся на первом этапе скоплениях карбоната железа в виде линий, расположенных вдоль образующей трубы по которым и происходит локальный пробой электрохимической системы. Указанные линии являются очагами зарождения коррозионных трещин.

В отсутствии осциллирующего поля, обладающего мощностью, достаточной для удержания частиц в точках минимумов волновой функции, частицы, образующиеся на первом этапе, будут перемещаться по поверхности трубы только под действием силы тяжести, образуя пленку неравномерной толщины (пленка максимальной толщины располагается вдоль нижней образующей трубы). На втором этапе происходит превращение карбоната железа в магнетит и разряд электрохимической системы. Наибольшие токи разряда будут иметь место вдоль нижней образующей трубы, что приведет к возникновению незначительной язвенной коррозии. Таким образом, для протекания КР в очаге разрушения магистрального газопровода необходимо одновременное выполнение следующих условий: отключения катодной поляризации или изменения режимов работы станций катодной защиты на срок более одних суток и наличия квазистационарных поперечных поверхностных волн, имеющих амплитуду не ниже критической.

Отключение

Плоским образец

1-111' СУТКИ

> 5-ти суток

17Г1С

РеСОз 17 Г1С

РеСОз

РеСОз 17Г1С

РеСОз •

1-сзОц

РеЮ.1

РезО^

I руоа

Вибрационное ноле отсутствует

Вибрационное поле

РеСОз

РеСОз

РеСОз

Рез04

РеСОз

РезО^ / \ Иез04

Рис.3.. Схема развития КР магистральных газопроводов

Предложенный механизм объясняет наблюдаемое отсутствие жесткой привязки зарождения трещин к поверхностным концентраторам напряжения и признаков интенсивной общей коррозии в очаговых зонах разрушения. Он же объясняет причины развития или растрескивания, или язвенной коррозии в сходных электрохимических условиях. Полученные кинетические параметры позволяют предложить ряд мероприятий по повышению надежности магистральных газопроводов. Так как токопроводящие частицы начинают образовываться только через сутки после отключения катодной поляризации, то выход из строя или плановое отключение катодной защиты на срок менее чем на одни сутки не снижает надежности газопроводов вследствие их КР.

В процессе эксплуатации магистральных газопроводов происходит периодическое отключение катодной защиты (капитальные и плановые ремонты, отказы и т. д.). Однако, в научно-технической литературе отсутствуют данные, позволяющие оценить время спада потенциала на участках трубопроводов, имеющих катодные отложения в виде солей угольной кислоты. Проведенными лабораторными исследованиями установлено, что время спада потенциала стали в растворах солей угольной кислоты значительно больше, чем в обычных грунтовых электролитах. Оно зависит от количества отключений источника поляризации и уменьшается при увеличении числа отключений, что, по-видимому, связано с накоплением продуктов коррозии в приэлектродном слое.

Четвертая глава посвящена вопросам контроля коррозионного растрескивания магистральных газопроводов. Проведенный анализ показал, что существующие методы контроля КР не могут полностью снять эту проблему.

В настоящее время одним из основных методов диагностики КР является переиспытание участков магистральных газопроводов избыточным давлением жидкости или газа. Однако, в ряде случаев разрушения

трубопроводов происходят и после таких переиспьггаиий. С целью выяснения причин этого явления в работе были проведены металлографические исследования темплетов очаговых зон КГ, отобранных на магистральных газопроводах после переиспмтаний. Было установлено, что вследствие переиспытаний происходило изменение механизма развития трещин от хрупкого к вязкому. Причем образовавшаяся вязкая трещина либо вызывала разгерметизацию трубы вследствие вязкого долома и "выжигала" таким образом дефект, либо останавливалась в своем развитии, и в дальнейшем инициировала продолжение процесса КР. Проведенный анализ разрушений показал, что в очаговых зонах, как правило, присутствовали не одиночные трещины, а их система. В этом случае отмечалось отличие механизма воздействия избыточных давлений на развитие разрушения. Так. проведенные исследования ряда очагов КР, имеющих систему трещин, показали, что дополнительные механические напряжения, возникающие при переисиытаниях могут воздействовать не на самые глубокие трещины за счет их разгрузки вследствие подрастания соседних более мелких трещин. Поэтому цель переиспытаний может не достигаться.

К методам предотвращения и замедления КГ относится ипгибирова-ние. Этот способ упоминался еще первыми исследователями КР в середине шестидесятых годов. "Традиционная" карбонатная теория фактически свела КР к разновидности щелочной хрупкости, и для ингибирова-ния растрескивания были предложены соединения, хорошо зарекомендовавшие себя для ее предотвращения: хроматы. фосфаты, силикаты. Однако практическая реализация данного способа защиты затруднена вследствие ограниченной растворимости неорганического ингибитора в органической матрице праймера. Поэтому в работе была показана возможность замедления КР с помощью ряда промышленных органических ингибиторов коррозии, не ухудшающих когезионных свойств грунтовок.

Увеличение толщины стенки трубы (особенно на участках вблизи компрессорных станций) приводит к уменьшению растягивающих напряжений. При этом, время до разрушения увеличивается за счет большего расстояния, которое необходимо преодолеть трещине для достижения критического размера. На основании результатов исследований, описанных во второй главе, могут быть даны рекомендации по оптимальному выбору толщины стенки трубы, эксплуатирующейся в условиях КР.

В работе также показано, что нормализация сталей трубного сортамента приводит к уменьшению склонности стали к КР в 1,2 - 1,5 раза по отношению к исходному состоянию для основного металла трубы и различных зон сварного соединения. Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности управления физико-механическими и электрохимическими свойствами металла труб и их сварных соединений путем использования различных видов термической обработки.

Проведешшм анализом существующих методов обнаружения очагов КР установлено, что они не обладают достаточной для практики точностью или требуют больших капитальных затрат. Поэтому на основании полученных в работе результатов была разработана методика определения очагов КР, основные положения которой защищены тремя патентами России (№№ 1584567, 1748496, 2058545). Принципы, лежащие в основе диагностики очагов КР схематически изображены на рис. 4. Методика включает следующие этапы:

• сбор и обработка информации об отказах на данном участке (для многониточных трубопроводов - на всех нитках участка);

• предварительное обследование трассы с целью определения участков, предрасположенных к КР;

• обследование выбранного участка и определение наиболее веро-

л

Коррозия

■А

■V

Корраьиоиног

До отушвиия растр£скс/5а»и£

~ХГ

а

-0,15

3 ( V

-ан

СГ )<Г>

-ИЗ

щ

■0,9-•0-

Послг отмашм Во 5 х суток (Бомгг 1чоссг)

Г)

-V

моя

-ал

-аз-Ч&- А

( Л ^ V .У

¡ОШ 1$С{//7ТСК

З]

•0,6

и

опэ

а

■О"

-07

л (Г^^

у

-01

Э

•ц55

Рис. 4. Принципы, положенные в основу методики диагностики очагов КР

ятных мест КР с помощью разработанной методики;

• оценка возможной глубины коррозионных трещин с использованием полученных моделей;

• выборочная шурфовка;

• обследование состояния поверхности трубопровода и идентификация внешних проявлений КР.

Практическая проверка методики была осуществлена на магистральном газопроводе "Средняя Азия - Центр". При этом были обнаружены характерные проявления процесса КР (коррозионные язвы и трещи-

ч

ны). ,

Для более углубленной проверки методики были обработаны результаты ранее проведенных электрометрических обследований. Полученные данные были сопоставлены с имеющейся статистикой отказов Кульсаринского участка магистрального газопровода "Средняя Азия -Центр" по причине КР. В результате такого сопоставления было выяснено, что все зарегистрированные разрушения происходили только в местах, определяемых с помощью предлагаемой методики с погрешностью не более 1 м. В настоящее время производится апробация предложенного подхода на газопроводах России.

В пятой главе рассмотрены вопросы прогнозирования коррозион-но-механических разрушений магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях воздействия пульсирующих нагрузок. Изучите условий эксплуатации магистральных трубопроводов выявило, что опасным видом коррозионно-механического разрушения, наряду с рассмотренным выше КР, является малоцикловая коррозионная усталость, наиболее часто проявляющаяся на магистральных нефте- продуктопроводах. Для последних подавляющая часть повреждений, не связанных с дефектами строительно-монтажного происхождения и воздействием внешних факторов, обусловлена, в первую очередь, возникновением и развитием

коррозионно - усталостных трещин, которые имеют жесткую привязку к концентраторам напряжения в виде царапин, вмятин, сварных швов и т.д.

В настоящее время прогнозировать усталостной долговечности осуществляется в рамках эмпирических соотношений, которые могут быть сведены к степенным зависимостям Коффина-Мэнсона и Пэриса. Модель Коффина-Мэнсона, позволяющая прогнозировать усталостную долговечность при наличии геометрических концентраторов напряжения, не пригодна для описания стадии распространения трещины. Модель Пэриса используется только для расчета распространения трещины на среднем участке кривой циклической трещиностойкости. Поэтому, на взгляд автора, более правильным является комбинированный подход к решению задачи прогнозирования коррозионно - усталостной долговечности трубопроводов с использованием обеих моделей. Следует отметить. что испольтовгпт. модетть Пэпнся без пповетения пополнительных исследований по разрушению реальных труб невозможно в связи с неоднозначностью в определении начала стадии неконтролируемого развития разрушения. Для реальных трубопроводов эта стадия разрушения протекает, как правило, по вязкому механизму (вязкий долом), и прямое использование линейной механики разрушения не представляется возможным. Поэтому в работе для прогнозирования этой стадии использован подход, предложенный Дж. Ф. Кейфнером и др., основанный на использовании соотношений линейной и нелинейной механики разрушения.

Усталостная долговечность трубопровода (через количество циклов до разрушения К) в работе определялась в виде

N = Мст +

где N„0 - количество циклов до появления трещины (модель Коффина-Мэнсона);

Кр - количество циклов на стадии стабильного развития трещины

(модель Пэриса).

Количество циклов, приходящееся на стадию неконтролируемого распространения трещины (вязкий долом) пренебрежимо мало по сравнению с количеством циклов, приходящимся на стадии накопления микроповреждений и стабильного развития трещины.

С учетом силового и деформационного критериев линейной и нелинейной механики разрушения, деформационного упрочнения стали и реальной геометрии трубы была получена следующая зависимость:

Np = 7i-Kic2 /[4-сттек2-С-Ккт-1п sec( тс-М^ст-Ус^)] + const,

где К1с - критический коэффициент интенсивности напряжения; Mt - корректирующий полином Фолиаса; сгт - предел текучести стали; const - количество циклов на стадии накопления усталостных повреждений и зарождения трещины, определяемое в рамках модели Коффипа-Мэнсона; . "текущее напряжение", определяемое для трубных сталей в работе как

Отек = 0 +к)Ст,

где к - коэффициент деформационного упрочнения.

Для определения параметров модели были проведены усталостные испьпания стали (по десять одинаковых образцов на каждую экспериментальную точку) в среде модельного приэлектродного электролита при наличии потенциостатической катодной поляризации с величинами минус 0,82 - 0,62 В (ХСЭ), задаваемой разработанным в работе потсн-циостатом. Подбор эмпирических коэффициентов уравнения Пэриса проводился путем анализа экспериментальных точек методом наименьших квадратов. Была обнаружена высокая степень корреляции (по параметру га) с результатами исследований, проведенных ранее в условиях

защеты морских сооружений (Е. Бардал и др.). Установлено, что в модельной среде замедлялся рост коррозиошю - усталостных трещин по • сравнению с испытаниями на воздухе, по-видимому, вследствие затупления трещины в результате электрохимического растворения металла в се вершине с последующей его пассивацией. При наложении потенциалов, соответствующих регламентированным значениям катодной защиты. увеличивалась длительность периода до зарождения трещины. Проведенными исследованиями с использованием компьютерной обработки экспериментальных данных было показано , что на стадии накопления усталостных повреждений наблюдается зависимость показателя степени модели Коффина-Мэнсона (ml) от величины наложенного потенциала поляризации. С увеличением последнего по абсолютной величине ml уменьшается с 0,61 для потенциала 0,0 В, НВЭ (отключение катодной защиты) до 0,46 для потенциала минус 0,62 В, НВЭ (катодная поляризация), что находит свое отражение в увеличении времени до зарождения трещины. В результате проведенного регрессионного анализа было обнаружено, что изменение параметров (par) указанных моделей в зависимости от величины наложенного потенциала ср может быть описано с помощью степенного соотношения вида

par = А | ф |а

11араметры определяются:

- для модели Пэриса в области устойчивости магнетита по диаграмме Пурбе

m: А = 20; а = 1,7.

С [т5/2 МН цикл]: А = 9 10-15 ; а =-12;

- для модели Коффина-Мэнсона

ml: А=1; а = 0,9.

Наблюдаемая зависимость кинетики разрушения от величины наложенного потенциала может быть объяснена проявлением двух механиз-

мов: увеличения инкубационного периода (контролируется по параметру т1) и уменьшения скорости роста трещины (по параметру ш). Проявление первого механизма наиболее значительно при потенциалах, соответствующих регламентированным значениям потенциалов катодной защиты. По мере снижения абсолютной величины потенциала влияние первого механизма на рост трещины уменьшается. С другой стороны, наиболее сильное проявление второго механизма отмечалось на образцах без внешней поляризации. При увеличении абсолютной величины потенциала его воздействие на замедление разрушения снижалось.

На основании полученных данных был проведен поверочный расчет показавший, что трубопровод, имеющий величину геометрических отклонений формы трубы, не превышающих допускаемых СНиП 2.05.06,85 значений, в условиях коррозиошю-усталостного нагружения может безопасно эксплуатироваться в течение нормативного срока службы при напряжениях в стенке трубы не выше 0,7ат. С помощью рассмотренного комбинированного подхода к оценке коррозионно-усталостной долговечности сделана корректировка на этап развития трещины. Однако, подстановка найденных параметров в предлагаемую модель показывает, что в самом благоприятном случае ошибка прогнозирования (по количеству циклов до разрушения) составляет менее 10%. Поэтому, с точностью, достаточной для инженерных расчетов, можно пользоваться подходом, основашгым только на использовании модели Коффина-Мэнсона.

Б шестой главе рассмотрены вопросы прогнозирования долговечности и остаточного ресурса магистральных трубопроводов в условиях общей механохимической коррозии. Помимо рассмотренных выше КР и малоцикловой коррозионной усталости изучен вопрос об общей коррозии стенки трубы, ускоренной воздействием механических напряжений. Вследствие коррозии стенок труб и соответствующего их утонения происходит увеличение кольцевых растягивающих напряжений. Согласно

теоретическим представлениям механохимии металлов это вызывает рост скорости коррозии и еще большее утонение стенок. В связи с этим, прогнозирование долговечности сосудов давления, базирующееся на предпосылке постоянства скорости коррозии в течение установленного ресурса, дает изначально завышенное ее значение. Поэтому для реальной оценки долговечности необходимо проанализировать изменение кольцевых напряжений в стенке трубы, связав это изменение с интенсивностью коррозионного воздействия. Впервые подобный подход был реализован Э.М. Гутманом. Однако, полученные расчетные зависимости оказываются сложными'и неудобными для практического использования. Кроме того, предложенный метод оценки остаточного ресурса не учитывал того факта, что механохимические явления для стали начинают существенно проявляются при напряжениях, превышающих предел текучести. Последнее на реальных конструкциях, эксплуатирующихся на общем фоне упругих напряжений и деформаций может быть достигнуто только в концентраторах напряжения, где и реализуются условия для протекания механохимической коррозии. С учетом вышеизложенного была получена аналитическая зависимость

1-с0/ст 80

а \0

где (70 - начальное напряжение в стенке зрубы; 50 - начальная толщина стенки трубы; v0 - скорость коррозии стали без учета влияния на нее механических напряжений;

а = exp [cjt-V/(R-T)], гдеУ - молярный объем металла (для железа - 7 см3).

Сравнение результатов расчетов с помощью предложенного и известного соотношения, полученного Э.М. Гутманом показало, что погрешность не превышает 15%. Экспериментальная проверка выявила

большую степень согласия опытных и расчетных данных (не более 15%).

В заключении показана практическая ценность работы и приведены основные выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. В результате изучения характерных внешних проявлений КР магистральных газопроводов, физико-механических и электрохимических свойств металла очаговых зон разрушений выявлена природа этого явления, имеющего стадийный характер чередования взаимосопряженных механохимических и электрохимических этапов. В начальный момент зародившаяся трещина развивается замечет ускоренного действием растягивающих механических напряжений травления металла только в ее вершине. Затем наступает этап коррозионного растворения металла стенок трещины и зарождение новых очагов растрескивания, подготавливающий действие первого этапа. Теоретически показано, что вибрации малой амплитуды могут играть роль спускового механизма в процессе КР. Выяснено, что отключение катодной поляризации на срок более одних суток, при наличие осциллирующего поля, может привести к появлению КР.

2. В очаговых зонах КР выявлено отсутствие взаимооднозначного соответствия между количеством сульфидных включений в сталях и временем до разрушения труб. Впервые показано, что включения химически инертны в реальных приэлектродных средах и не вызывают в них генерации водорода как элемента, способствующего охрупчиванию металла. Установлено, что генерация водорода в таких условиях возможна лишь при разложении воды токами катодной защиты, однако при ее регламентированных режимах количества водорода и глубины его проникновения недостаточны для инициирования растрескивания труб.

3. Методами термодинамического анализа, математической статистики с учетом реальной геометрии трещин построены эмпирические

модели развития отказов магистральных газопроводов в условиях КР, наиболее значимыми параметрами которых являются толщина стенки трубы и температура перекачиваемого газа. Полученные модели позволяют реально прогнозировать долговечность магистральных газопроводов и разделить их па две группы по склонности к КР в зависимости от прочности трубных сталей (до Х70 - с умеренной предрасположенностью к КР и Х70 - с высокой склонностью к разрушению).

4. На основании результатов проведенных исследований разработан новый метод определения потенциально опасных участков магистральных газопроводов, базирующийся па особенностях электрохимического поведения стали в. водных растворах солей угольной кислоты, формирующихся в приэлектродных слоях грунтовых электролитов под воздействием токов катодной защиты. Метод позволяет определять с точностью до 1 м наиболее опасные с точки зрения КР участки линейной части магисI ральныл газопроводов

5. Предложен единый подход для описания коррозионно-усталостных повреждений металла и получена аналитическая зависимость, позволяющая прогнозировать долговечность магистральных трубопроводов на стадиях накопления усталостных повреждении и распространения усталостной трещины. Установлено, что накопление усталостных повреждений и рост трещины для катоднополяризованиых трубопроводов при прочих равных условиях контролируется величиной наложенного потенциала. Показано, что катодная защита замедляет развитие малоцикловой коррозионной усталости мета.тла магистральных трубопроводов, оказывая, впервые обнаруженное ее благоприятное влияние на параметры модели, описывающей стадию накопления коррозионно-усталостных повреждений и зарождения трещины. Для обеспечения нормативного ресурса нефте- и продуктопроводов в условиях коррозионной усталости предложено ограничение значений кольцевых растяги-

вающих напряжений в стенке трубы величиной не более 0,7 от предела текучести трубной стали.

6. Получена аналитическая зависимость для прогнозирования долговечности трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей меха-нохимической коррозии, учитывающая напряженное состояние трубопровода в концентраторах напряжений и механохимическую активность металла в электролите. Зависимость позволяет с точностью до 15% осуществлять прогнозную оценку реальной долговечности.

Основные результаты работы опубликованы в следующих учебных пособиях и монографиях:

1. Гареев А.Г., Насырова Г.И. Прогнозирование и диагностика коррозионного растрескивания магистральных трубопроводов: Учебное пособие. - Уфа: УГНТУ, 1995. - 69 с.

2. Хлесткина Н.М., Гареев А.Г. STATGRAPH1CS 3.0. Работа в среде интегрированной системы математических и графических процедур обработки случайных величин методами прикладной статистики: Учебное пособие .- Уфа: УГНТУ, 1996.-110 с.

3. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Коррозионно-механическая стойкость нефтегазовых трубопроводных систем: диагностика и прогнозирование долговечности. - Уфа: Гилем, 1997.-176 с.

4. Гареев А.Г., Иванов И.А., Абдуллин И.Г. и др. Прогнозирование коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов. М.:ИРЦ Газпром, 1997.-170 с,

а также в следующих научных трудах:

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Механохимическое влияние коррози-онно-активных сред на параметры расчетной зависимости при оценке коррозионно-усталостной долговечности// Тез. докл. Всесоюзной межвузовской научн-техн. конф,- Казань.-1985.-С.47-48.

2. Абдуллин И.Г., Худяков М.А., Гареев А.Г. Влияние коррозиошю-активных сред па физико-механические свойства стали// Тез. докл. II Республ. научн-техн. конф.- Уфа: ВНИИСПТНефть.-1985.-С. 41-42.

3. Коррозионное растрескивание трубопроводов со стороны внешней катодно-защшценной поверхности/Абдуллин И.Г.. Гареев А.Г., Тата-ринов Л.Н., Шафитуллина З.Р.- Проектирование и строительство систем защиты подземных сооружений от коррозии: Л.: Знание.-198б.- С.70-71.

4. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Гутман Э.М. Идентификация коррозионного карбонатного растрескивания/Лезисы докладов 1-й Всесоюзной научно-технической конференции. Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях.Уфа.-УНИ.-1987.-С. 146-147.

5. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Гутман Э.М. Карбонатное коррозионное растрескивание сварных соединений труб магистралышх газопрово-дов//Ашютации работ по сварке.-Киев: ИЭС им. Патона-1988.-С. 6.

6. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Гутман Э.М. Коррозионное карбонатное растрескивание низколегированных сталей// Межвузовский сборник. Защита химического оборудования от коррозии. М.: МИХМ-1990.-С. 3538,

7. Гареев А.Г. Фотонриставка для стереоскопического микроскопа МБС-9//Заводская лаборатория. -1990.-№ 5 -С.93-95.

8. Гареев А.Г., Абдуллин И.Г., Гутман Э.М. Способ обнаружения мест коррозионного карбонатного растрескивания//А.с. 15844657 МКИ G01 N27/416 СССР, Б.И.29 1990.

9. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Исследование процесса карбонатного коррозионного растрескивания// Тез. докл. зональной научн-техн. конф-Уфа: УАИ.-1990.-С. 33-34.

10.Abdullin I.G., Gareev A.G. Diagnostics and analyses of mechanism of pipeline destruction under stress-corrosion.//Abs. 1-st Soviet-American Symp.

on Gas Pipeline Stress Corrosion.-Moscow.-1990.-P.12-13.

11.Abdullin I.G., Gareev A.G. Diagnostics of stress-corrosion cracking of pipelines//2nd Int. Conf. Pipeline Inspection. Moscow Oct.14-18 1991,-Moscow.-1991.-P.338-341.

12. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Худяков M.A. Травитель для выявления макроструктуры углеродистых и низколегированных сталей// Заводская лаборатория.-1992 -№ 8.

13.Абдулл1га И.Г., Гареев А.Г. Магистральные газопроводы: особенности проявления ККР//Газовая промышленность.-1992. -№ 10-С. 18-20.

14.Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Диагностика карбонатного коррозионного растрескивання//Газовая промышленность. -1992. -№ 7.-С.28.

15.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г., Гутман Э.М и др. Способ определения мест коррозии подземных объектов// А.с. 1748496 МКИ G01 N17/00 СССР, Б.И. 12 1992.

16.Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Изучение механизма карбонатного коррозионного растрескивания//Газовая промышленность.-1993.- № 4,-С.35-36.

17.Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Современное состояние проблемы стресс-коррозии и перспективные направления дальнейшего исследова-ния//Экспресс-информация. Транспорт и подземное хранение газа,-1993.-JVo2-4.-C.10-ll.

18.Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Коррозионно-усталостная долговечность трубной стали в карбонат-бикарбонатной среде//ФХММ.-1993. № 5.-С.97-98.

19.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г., Абдуллина Г.И. Влияние сульфидных включений в трубных сталях на стресс-коррозию магистральных газопроводов //Газовая промышленность.-1993- № 11.-С.29-30.

20.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г., Абдуллина Г.И. Коррозионное растрескивание магистральных газопроводов Западной Сибири //Меж-

государств, научн.-техн. конф."Нефть и газ Западной Сибири": Тез. докл.-Тюметть: Тюменский индустриальный институт, 1993.-С.144-145.

21.Гареев А.Г., Абдуллина Г.И. Роль сульфидных включений в кор-. розиокном растрескивании труб//П Республиканской конф. "Проблемы нефтехим. пром-ти": Тез. докл. - Стерлитамак: Стерлитамакский рабочий, 1993.-С.6.

22.Гареев А.Г., Насырова Г.И. Прогнозирование коррозионно-усталостной долговечности магистральных трубопроводов //Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Тр. ин-та ИПТЭР.-1994,- С.55-58.

23.Гареев А.Г., Насырова Г.И. Прогнозирование долговечности оборудования, эксплуатирующегося в условиях общей механохимической коррозии//Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов Тр. ин-та ИПТЭР,- 1994. С.58-59.

24.Гареев А.Г.. Абду;ьлин Н.Г., Г.И. Насырова. Долговечность металлического оборудования в условиях общей механохимической корро-зии//Г1роблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Тр. ин-та ИПТЭР,- 1995.-С.94-95.

25.Гареев А.Г., Насырова Г.И. Прогнозирование времени до разрушения магистральных трубопроводов в условиях коррозионного растрес-киваншг//Т1роблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Тр. ин-та ИПТЭР - 1995.-С.96-99.

26.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г. Прогнозирование отказов магистральных трубопроводов// Тез. докл. II Всероссийской научн-техн. конф - Уфа: УГНТУ.-1995.-С. 118.

27.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г. Математическая обработка результатов лабораторных работ с использованием ЭВМ,- Уфа. - УГ'НГУ, 1995 г,-16 с.

28.Гареев А.Г. Воздействие вибрации на коррозионное растрескива-

]ше магистральных трубопроводов/ЛЛроблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Тр. ин-та ИПТЭР.- 1995.-С.100-104.

29.Абдуллин И.Г., Худяков М.А., Гареев А.Г. Методика распета электросварных конструкций, работающих в условиях малоцикловой коррозионной усталости//Каталог научно-технических разработок.-Уфа: УГНТУ.-1996.-С.90.

30.Гареев А.Г. Изучение развития трещины с помощью моделей нелинейных систем// Тез. докл. II Всероссийской научн-техн. конф.- Уфа: УТНТУ.-1996.-С. 37 - 38.

31.Гареев А.Г. Прогнозирование, времени до разрушения магистральных трубопроводов в условиях коррозионно-механических воздей-ствийУ/Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики: Межвуз. сб. научн. ст.- Уфа: УГНТУ.-1996.-С. 171 - 174.'

32.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г. Способ определения времени эксплуатации сооружения в условиях коррозионного карбонатного растрес-кивания//Патент России №2058545 СЮ1 N17/00, Б.И. 11 1996.

33.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г., Насырова Г.И. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов методами неразрушающего кон-троля//Каталог научно-технических разработок.-Уфа: УГНТУ.-1996,-С.45.

34.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г., Насырова Г.И. Методика оценки остаточного ресурса трубопроводов//Каталог научно-технических разработок.-Уфа: УГНТУ.-1996.-С.49.

35.Гареев А.Г., Абдуллин И.Г. Прогнозирование коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов //Нефть и газ: Межвуз. сб. научн. ст. -Уфа: УГНТУ, 1997.-Вып.1.-С.163-165.

Соискатель

А.Г. Гареев

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ГАРЕЕВ АЛЕКСЕЙ ГАБДУЛЛОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальности 05.15.13

сйлуатация нефтегазо-

проводов, баз и хранилищ;

05.^7.14& Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии

И -г Л

7

СЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Соискатель: Научный

А.Г. Гареев /7 консультант:

I/ доктор технических

с наук, профессор

И.Г. Абдуллин

Уфа 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................5

1. КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ..........................................................................................16

1.1. Проявление на магистральных газопроводах России и СНГ ... 16

1.2. Проявление на зарубежных магистральных газопроводах.......43

1.3. Физико - механические и электрохимические свойства металла очаговых зон.............................................................................46

1.4. Участки локализации КР магистральных газопроводов..........50

1.5. Влияние металлургического качества стали на процесс КР.... 52 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1............................................................................69

2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КР................................................72

2.1. Модели, используемые при прогнозировании КР.......................72

2.2. Предварительный анализ статистики разрушений

магистральных газопроводов................................................................75

2.3. Построение феноменологической модели...................................80

2.4. Построение статистической модели разрушения

магистральных газопроводов................................................................85

2.5. Апробация модели............................................................................95

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2............................................................................98

3. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ..................................................99

3.1. Особенности химического и электрохимического поведения железа и стали в водных растворах солей угольной кислоты......100

3.2. Изучение КР в рамках карбонатной теории...............................104

3.3. Изучение КР по методике нагружения образцов с постоянной

скоростью................................................................................................105

3.4. Изучение КР в условиях, моделирующих натурные................111

3.5. Развитие представлений о природе и механизме КР................114

3.6. Роль вибрационного нагружения магистральных газопроводов в коррозионном растрескивании.........................................................128

3.7. Альтернативные механизмы КР...................................................140

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..........................................................................141

4. КОНТРОЛЬ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ...................................................143

4.1. Обнаружение трещин с помощью внутренней инспекции магистральных газопроводов..............................................................143

4.2. Метод акустической эмиссии......................................................145

4.3. Наружная инспекция магистральных газопроводов...............146

4.4. Переиспытания избыточным давлением....................................146

4.5. Методы замедления КР..................................................................148

4.6. Технологические методы предотвращения КР..........................152

4.7. Металлургические методы предотвращения КР.......................154

4.8. Разработка метода диагностики очагов КР...............................161

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4..........................................................................171

5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ К0РР03И01IIIO-MEXAI1ИЧЕСКИХ РАЗРУШЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЛЬСИРУЮЩИХ НАГРУЗОК...............................................................173

5.1. Модели, используемые для прогнозирования малоцикловой коррозионной усталости......................................................................175

5.2. Методика проведения коррозионно-усталостных испытаний! 85

5.3. Анализ результатов коррозионно-усталостных испытаний... 190

5.4. Поверочный расчет магистрального трубопровода на

прочность в условиях воздействия циклических нагрузок...........194

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5..........................................................................205

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ОБЩЕЙ КОРРОЗИИ...................................................................................206

6.1. Прогнозирование долговечности трубопроводов в условиях общей механохимической коррозии..................................................206

6.2. Прогнозирование остаточного ресурса трубопроводов,

подверженных язвенной коррозии......................................................212

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6...........................................................................217

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................218

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................222

ПРИЛОЖЕНИЯ

245

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее важных задач трубопроводного транспорта углеводородов, является сокращение риска возникновения аварийных ситуаций. Ее решение позволит снизить безвозвратные потери транспортируемых продуктов, улучшить экологическую обстановку, предотвратить разрушения инженерных сооружений и обеспечить таким образом оптимальное функционирование трубопроводных систем. Актуальность данной проблемы связана с высокой частотой отказов магистральных трубопроводов, приводящих в ряде случаев к катастрофическим последствиям. Следует ожидать снижения надежности трубопроводных систем в процессе эксплуатации в связи с накоплением внутренних и внешних повреждений, естественным старением как самого металла, так и трубопроводных коммуникаций в целом, воздействием внешних сил.

Наиболее опасными для линейной части трубопроводных систем, обеспечивающих магистральную транспортировку углеводородов, являются коррозионное растрескивание (КР), зарождающееся на внешней, ка-тоднозащшценной поверхности труб, коррозионная усталость и общая коррозия усиленная воздействием механических напряжений. Причем, первый вид коррозионно-механических разрушений характерен для магистральных газопроводов, второй - магистральных нефте- продуктопро-водов. Проявление третьего вида разрушений наблюдается при контакте напряженного металла с агрессивной средой, в частности, в системах сбора и транспорта сырых неподготовленных углеводородов.

Несмотря на то, что рассмотрению двух последних видов коррози-онно-механических разрушений трубопроводов посвящен ряд известных публикаций, разработка и апробация новых подходов к прогнозированию и повышению долговечности трубопроводных систем в указанных условиях получили дальнейшее развитие, в том числе в работах автора.

В последние годы одной из основных проблем в магистральном транспорте природного газа явилась проблема КР металла труб. В связи с этим в работе основное внимание обращено на рассмотрение вопросов идентификации, прогнозирования и диагностики этого, относительно нового, вида разрушения трубопроводов. Это связано, в первую очередь, с тем, что ряд вопросов прогнозирования долговечности магистральных газопроводов, эксплуатирующихся в условиях КР, а также диагностики очагов их разрушения в настоящее время изучен недостаточно.

В диссертации на основании обобщения отечественного и зарубежного опытов борьбы с проявлением коррозионно-механических разрушений, теоретических и экспериментальных исследований автора, включая изучение очаговых зон разрушения магистральных нефте- газопроводов, разработаны методы прогнозирования наиболее характерных для трубопроводного транспорта отказов.

В первой главе рассматриваются основные внешние проявления КР магистральных газопроводов, места локализации растрескивания, особенности развития трещин в очаговой зоне разрушения, влияния металлургического качества стали на процесс КР.

Во второй главе анализируются достоинства и недостатки ранее предложенных моделей прогнозирования долговечности магистральных газопроводов в условиях КР. На основании результатов исследований металла очаговых зон и статистики отказов предложена новая модель, пригодная для прогнозирования времени наработки до отказа магистральных газопроводов, эксплуатирующихся в условиях КР.

В третьей главе приводятся современные представления о механизме КР, методы лабораторного моделирования этого явления, описаны процессы, протекающие под отслоившейся изоляцией при катодной защите

магистральных трубопроводов, освещены вопросы влияния среды и прочности стали на протекание КР. Особое внимание уделено электрохимическому поведению стали в очаговых зонах разрушения магистральных газопроводов. Впервые приводятся новые подходы к механизму КР.

Четвертая глава посвящена современным методам обнаружения очагов растрескивания, предотвращения образования и замедления распространения трещин. При этом проведена систематизация имеющихся методов контроля КР и дан анализ их эффективности. Рассмотрены новые, эффективные методы диагностики участков магистральных газопроводов, подверженных КР.

Пятая глава посвящена прогнозированию разрушений магистральных трубопроводов, подверженных коррозионной усталости.

В шестой главе приведены методы прогнозирования трубопроводов, подверженных общей механохимической коррозии. Там же приводятся методы оценки остаточного ресурса трубопроводов, имеющих повреждения в стенке трубы в виде коррозионных язв.

Общая блок-схема прогнозирования коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов приведена на рис. 1.

Проблеме прогнозирования долговечности трубопроводов и других металлоконструкций, эксплуатирующихся в исследуемых условиях, большое внимание было уделено в работах таких отечественных и зарубежных ученых таких как О.М. Иванцов, Ф.Ф. Ажогин, Э.М. Ясин, Л.Я. Цикерман, В.Ф. Новоселов, П.И. Тугунов, З.Т. Галиуллин, И.Г. Абдул-лин, В.Д. Черняев, М.И. Волский, О.И. Стеклов, Г.В. Карпенко, МП. Анучкин, В.П. Когаев, О.Н. Романив, В.Т. Трощенко, Р.Н. Паркинс, Э.М. Гутман, Р. Р. Фесслер, Дж.Ф. Кейфнер, Г. Улиг, Д.Ф. Джонс и др.

Прогнозирование коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов

Коррозионное растрескивание

Коррозионная усталость

Общая механохи-мическая коррозия

внешние появления я участки локализации

Элекрохимичес-кие свойства -металла очаго вых зон

Физико-механические свойства металла очаговых зон

Анализ статистики отказов

Воздействие циклических напряжений

Изучение

механизма

КР

Лабораторное

моделирование

КР

Построение

модели

разрушения

Механизм КР

Модель развития КР

Определение параметров расчетных моделей

Построение

модели

разрушения

Построение и проверка модели разрушения

Определение остаточного ресурса

Модель накопления усталостных повреждений

Модель развития трещины

Прогнозирование и диагностика коррозионного растрескивания

Прогнозирование коррозионной усталости

Прогнозирование механо-химической коррозии

Рис.1. Блок схема прогнозирования коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов

Несмотря на достигнутые успехи в области прогнозирования разрушений магистральных трубопроводов, вызванных проявлением корро-зионно-механических воздействий, некоторые вопросы остаются открытыми. Среди них можно выделить следующие:

1. Недостаточно изучены особенности проявления коррозионно-механических разрушений линейной части магистральных трубопроводов.

2. Не в полной мере раскрыта природа отдельных видов коррозион-но-механических разрушений.

3. Необходимы более углубленные статистические исследования разрушений магистральных трубопроводов с целью разработки моделей прогнозирования долговечности трубопроводных систем в условиях кор-розионно-механических воздействий.

4. Необходимы дополнительные исследования для выявления роли катодной защиты и влияния ее режимов на развитие коррозионно-механических разрушений.

5. Требуют дальнейшего развития и совершенствования методы диагностики очагов коррозионного растрескивания.

6. Необходимы дополнительные исследования по прогнозированию остаточного ресурса магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей механохимической коррозии.

В связи с вышеизложенным целью работы является разработка методов прогнозирования долговечности линейной части нефтегазовых трубопроводных систем в условиях коррозионно-механических воздействий, способствующих развитию коррозионного растрескивания, коррозионной усталости и общей механохимической коррозии металла труб.

Реализация этой цели в диссертационной работе осуществляется путем постановки и решения следующих основных задач:

1. Изучить характерные внешние проявления КР магистральных газопроводов, физико-механические и электрохимические свойства металла очаговых зон разрушений с целью получения исходных данных для построения модели развития трещин.

2. Исследовать статистику отказов магистральных газопроводов по причине КР и построить феноменологическую и статистическую модели прогнозирования долговечности линейной части.

3. Исследовать влияние и роль катодной поляризации, неметаллических включений в трубных сталях и вибрационных нагрузок на зарождение и развитие КР магистральных газопроводов.

4. На основе выявленного механизма возникновения КР магистральных газопроводов разработать метод диагностики их участков, подверженных растрескиванию.

5. Разработать метод прогнозирования долговечности магистральных нефте- и продуктопроводов в условиях коррозионной усталости с учетом стадий накопления усталостных повреждений, зарождения и развития трещин и влияния на них катодной поляризации металла труб.

6. Разработать метод прогнозирования долговечности трубопроводов в условиях общей механохимической коррозии.

Работа выполнялась в соответствии с:

• координационным планом АН СССР на 1986-1990 гг. по направлению "Коррозия и защита металлов", шифры 2.7.3.2. "Развитие теоретических основ защиты металлов от коррозионно-механических процессов (Коррозионная усталость и растрескивание)";

• сводным планом научно-исследовательских, проектно-

конструкторских и технологических работ по сварочной науке и технике ГКНТ СССР, научного совета по проблеме "Новые процессы сварки и сварочные конструкции" АН УССР, ИЭС им. Патона на 1988 г., раздел 02, тема 01, этап 6Б "Карбонатное коррозионное растрескивание сварных соединений труб магистральных газопроводов";

• научно-технической программой ГКНТ СССР 0.73.01 на 1985-1990 гг. "Разработать, освоить и внедрить в промышленном производстве новые высокоэффективные технологические процессы, материалы и средства защиты металлов от коррозии". Задание Н 3. "Разработать рекомендации по повышению эффективности методов противокоррозионной защиты металлических изделий и конструкций, основанные на учете специфики их эксплуатации, для использования в народном хозяйстве;

• программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 1993-1995 гг. в области защиты от коррозионного растрескивания под напряжением магистральных газопроводов высокого давления, реализуемой под эгидой Российского акционерного общества "Газпром";

• в рамках госбюджетной лаборатории Госкомвуза по разработке теоретических основ диагностики коррозионного растрескивания трубопроводов электрохимическими методами (1994-1995 гг.);

• целевой научно-технической программой "Надежность и безопасность сложных систем" АН РБ на 1996 - 1998 гг.

При участии автора проведено исследования металла и выданы заключения о причинах разрушения следующих магистральных газопроводов: "Средняя Азия - Центр"

- Тулейское ЛПУ (150,153 км);

- Кульсаринское ЛПУ (607, 618 км);

- "Надым - Пунга - Н.Тура", 3-я очередь (1049 км);

- "Парабель - Кузбасс", (129, 136, 301 км);

- "Уренгой - Грязовец"(523 км);

- "Уренгой - Петровок" (738 км);

- технологической обвязки КС "Октябрьская" газопровода "Уренгой Центр I";

"Уренгой - Помары - Ужгород"; "Уренгой - Новопсков".

Научная новизна.

• впервые установлен стадийный характер КР магистральных газопроводов, состоящий в чередовании взаимосопряженных механических и электрохимических этапов развития разрушения;

• впервые количественно показано, что в условиях катодной защиты сульфидные включения в трубных сталях в количествах, допускаемых действующими нормативно-техническими документами, инертны по отношению к приэлектродным грунтовым электролитам и не вызывают дополнительной генерации водорода, способной инициировать растрескивание металла;

• на основании анализа статистики отказов магистральных газопроводов и изучения механических и электрохимических свойств металла очаговых зон разрушения построена новая модель развития КР, позволяющая реально прогнозировать время до разрушения;

• установлено, что процесс КР магистральных газопроводов может быть описан в рамках теории растворения вершины коррозионной трещины при воздействии растяги�