автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка методов формирования системы мониторинга состояния линейной части магистральных газопроводов в условиях стресс-коррозионных воздействий

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им» И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи УДК 621691.4:620.193/197

РОМАНЕНКО Светлана Вмевтеаовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ СТРЕСС-КОРРОЗИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.15.13 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

^ Научные руководители: д.т.н., профессор Васильев Г.П к.т.н. Сергеева Т.К.

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

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

Глава I. АНАЛИЗ КОМПЛЕКСНЫХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ И УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИОННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ............................................. 11

1.1. Анализ влияния коррозионных воздействий на состояние газотранспортной системы России .......................................... 11

1.2. Современные подходы к решению обеспечения надежности магистральных газопроводов, эксплуатирующихся в условиях коррозионно-механических воздействий ........................... 23

1.3. Принципы построения системы мониторинга состояния газопроводов в условиях коррозионных воздействий ............... 32

ГЛАВА И. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА ФАКТОРОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ГАЗОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОРРОЗИОННЫХ СРЕД............................................. 40

2.1. Анализ факторов, определяющих склонность газопроводных конструкций к разрушениям при воздействии коррозионных сред ................................................................................. 40

2.2. Исследование методов оценки изменения свойств металла трубы с точки зрения развития коррозионных процессов ..... 49

2*3. Исследование методов оценки влияния свойств металла

трубы в зависимости от условий нагружения трубопровода в процессе эксплуатации ............................................................. 62

2.4, Анализ эффективности альтернативных методов оценки коррозионного состояния газопроводов в процессе эксплуатации .......................................................................................... 73

Глава III. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ ............................................................................. 85

3.1. Формализация задачи построения прогнозных моделей коррозионных процессов участков магистральных газопроводов.............................................................................................. 85

3.2. Систематизация коррозионных факторов методом экспертных оценок ............................................................................... 93

3.3. Концептуальная модель мониторинга коррозионной устойчивости газопроводов .............................................................. 105

Глава IV. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ ...................................................................... 115

4.1. Статистические исследования явления коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах ........................................................................................... 115

4.2. Экспертная оценка реализации КРН по альтернативным механизмам ................................................................................... 126

4.3. Экспериментальные исследования по определению меха-

низма КРН....................................................................................................................................................................138

4.4. Построение модели комплексного мониторинга состояния

газопроводов в условиях КРН ..................................................................................................161

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................................................................173

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

175

ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения надежности газопроводных систем актуальна с момента их создания. Традиционно в рамках этой проблемы рассматриваются вопросы конструктивной надежности газопроводов, как сложной технической системы и их функциональной надежности, с точки зрения обеспечения режимных параметров перекачки газа.

Современные требования к эксплуатационной надежности газопроводов диктуют необходимость комплексного подхода как к проектированию и строительству магистральных газопроводов, так и к диагностике, техническому обслуживанию и ремонту. В течение срока эксплуатации неоднократно осуществляется их ремонт с заменой оборудования компрессорных станций, отдельных участков линейной части, изоляционного покрытия труб и т.д. Благодаря этому обеспечивается конструкционная надежность технологических объектов при увеличении сроков их эксплуатации. Однако, осуществление всех вышеуказанных мероприятий не позволяет избежать непрерывного роста удельного веса газопроводов, достигающих нормативного срока службы. Действующие по срокам ввода в эксплуатацию газопроводы распределены следующим образом: 42,5 % из них или 47310878 км было сооружено до 1980 г.; 80-е годы характеризуются интенсивным строительством магистральных газопроводов (МГ) во всем мире. В России и странах бывшего Советского Союза за период с 1980 по 1987 гг. было введено в эксплуатацию 39268845 км что составило 35,2 % общей протяженности действующих в настоящее время линий. После 1987 г. построено 24833751 км (или 22,3 %) подземных трубопроводов.

Статистика отказов МГ за анализируемый период 30 лет свидетельствует, что из общего числа отказов на долю коррозионных воздействий, приходится в среднем 45%. Причем, на газопроводах диаметром 1420 мм

этот показатель превышает 56%. В работах ведущих специалистов отрасли [2,6,28,32,47] неоднократно отмечалось, что за весь период развития газовой промышленности не удалось полностью решить проблему защиты газопроводов от коррозии.

Большие проблемы защиты МГ от коррозионного воздействия грунта возникли на МГ, введенных в эксплуатацию в 80-х годах в связи с применением для их изоляции ленточных покрытий в полевом исполнении. Первые газопроводы диаметром 300-500 мм имели в основном битумный тип покрытия, обеспечивающий более эффективную и долговечную защиту, или полиэтиленовые липкие ленты, наносимые на трубы в полевых условиях. Многолетним анализом состояния изоляции магистральных газопроводов установлено, что битумные покрытия могут сохранять свою защитную способность более 30 лег. Срок службы покрытий на основе полиэтиленовых липких лент в основном составляет 7-10 лет. По истечении этого срока такое покрытие неудовлетворительно защищает трубопровод от коррозионного воздействия грунта. Важно отметить неблагоприятные тенденции в изменении соотношения МГ с битумными и полиэтиленовыми ленточными покрытиями по годам. Бели до 1980 г. протяженность газопроводов с пленочным и битумным типом покрытия была соизмерима 25309,865 км и 21627,973 км, соответственно; то за период строительства МГ с 1980 по 1987 гг. протяженность сооруженных газопроводов с пленочным покрытием значительно превысила протяженность газопроводов с битумным типом покрытия (37994,429 км - пленочное и 842,916 км - битумное). Сооруженные после 1987 г. 24138,701 км газопроводов почти полностью были изолированы пленочным покрытием. Битумный тип покрытия имело менее 500 км МГ этого периода строительства. До 2015 г. в дополнение к действующих газопроводам планируется ввести до 40-45 тыс. км новых. Расширение существующей газотранспортной сети требует создания и внедрения новых техно-

логий и оборудования для:

• строительства новых газопроводов, и прежде всего для Ямальской газотранспортной системы, с учетом более высокого уровня надежности;

• реконструкции и технического перевооружения действующих газопроводов;

• повышения надежности и эффективности эксплуатации действующих газопроводов.

Принципиальное отличие задач повышения эффективности и надежности газопроводных систем на современном этапе состоит в необходимости структурных и технологических изменений во всем, неразрывно связанном комплексе технологических процессов диагностики, технического обслуживания, ремонта и реконструкции газопроводов без нарушений режимов их эксплуатации и при обязательном обеспечении высокого уровня их функциональной надежности.

Применительно к коррозионному фактору, современные требования обеспечения надежности газопроводов определяют необходимость создания

V* V

отраслевой системы мониторинга, позволяющей с использованием результатов диагностики производить объективную оценку состояния газопровода

ТХ V V

В условиях коррозионных воздействии мониторинг состояния газопровода представляет комплексную систему мер, направленных на противокоррозионную защиту всех элементов газопровода

Для этого весь процесс создания газопроводов и их эксплуатации должен претерпеть существенные изменения. На протяжении всего жизненного цикла, начиная с технического задания на проектирование и до вывода газопровода из эксплуатации, следует исходить из требований сохранения определенного уровня работоспособности конструктивных элементов газопровода в любой заданный момент эксплуатации.

Критерии предельного состояния основных рабочих параметров, противокоррозионной защиты, изоляционных покрытий и металла труб должны определять нормативы исходных и эксплуатационных (на протяжении всего жизненного цикла) характеристик газопровода (металла труб, материала и конструкции изоляционного покрытия и т.д.) в том числе его системы электрохимической защиты (тип и конструкцию защитных установок и их анодных заземлений, рабочие режимы тока защиты и защитных потенциалов и т.п.), а также регламенты внутритрубной дефектоскопии, электрометрических измерений, металлографических исследований, регламенты сбора, обработки и использования материалов по статистике аварийных разрушений газопроводов и данных коррозионного мониторинга.

Учитывая, что каждый источник информации обладает определенным уровнем достоверности, связанным с техническими возможностями метода получения информации, достоверную оценку коррозионного состояния магистральных газопроводов можно получить при условии создания стройной системы сбора и обработки данных на базе отраслевого мониторинга, построенного на единой методологической системе прогнозирования, анализа и оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов. Таким образом, задача коррозионного мониторинга заключается в формировании и оценке первоначального состояния газопровода на стадии проектирования и строительства, определении степени отклонения системы от первоначального состояния и характера возникших изменений в процессе эксплуатации и прогнозировании вероятного коррозионного состояния системы и причин ее отказов в будущем.

В этой связи необходимо совершить переход от локальных, зачастую не связанных между собой, работ по оценке состояния отдельных трубопроводов или отдельных участков трубопроводов к организации комплексной системы обеспечения эксплуатационной надежности газопроводов, бази-

рующейся на единых методологических, научных и организационных подходах как в рамках всей трубопроводной сети, так и на протяжении всего жизненного цикла эксплуатации газопроводов, что требует разработки новых научных и технических подходов.

Результатом функционирования системы отраслевого мониторинга являются обеспечение проектного срока службы и при необходимости увеличение сроков службы трубопроводного транспорта за проектные пределы.

Настоящая работа направлена на разработку научно-обоснованных методов создания системы мониторинга состояния газопроводов в условиях коррозионных воздействий на основе анализа взаимосвязи основных физических явлений и механизмов, проявляющихся при эксплуатации газопроводов и системного обобщения методов количественной оценки динамики развития коррозионных процессов. Разработана комплексная модель для мониторинга состояния газопроводов, эксплуатирующихся в этих условиях.

В методологическом плане исследования отражают следующие основные аспекты:

1. Формализация основных положений построения системы мониторинга состояния газопроводов в условиях коррозионных воздействий для предупреждения отказов и продления сроков службы газопроводов на основе проведенного анализа состояния и причин аварийности линейной части магистральных газопроводов.

2. Разработка методологии комплексного интегрированного анализа динамики изменения параметров эксплуатационной надежности газопроводных систем, эксплуатируемых при воздействии коррозионных сред.

3. Исследование функциональных параметров и технического состояния магистральных газопроводов в условиях коррозионного растрескивания под напряжением.

4. Построение методики практической реализации результатов мониторинга состояния газопроводов в условиях коррозионного растрескивания под напряжением.

Глава I, АНАЛИЗ КОМПЛЕКСНЫХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ И УЧАСТКОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ, ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИОННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ

1.1. Анализ влияния коррозионных воздействий на состояние газотранспортной системы России

Система магистральных газопроводов России начала развиваться с 1946г., с момента окончания строительства газопровода «Саратов-Москва». На сегодняшний день суммарная протяженность магистральных газопроводов России составляет около 170 тыс. км, основная часть из которых приходится на территорию Западной Сибири.

Состояние системы газоснабжения России в делом можно охарактеризовать следующим образом. Средний возраст газопроводов отрасли приближается к 16 годам; 30 % газопроводов имеет возраст более 20 лет; газопроводы со сроком службы более 30 лет составляют 20% от общей протяженности; 2,5 % газопроводов по протяженности служат более 40 лет. Учитывая перспективы добычи газа в России, в том числе Западной Сибири, к 2016 году возникает потребность либо реконструировать, либо продлевать срок эксплуатации системы газопроводов. Объемы необходимых восстановительных работ постоянно растут, в капитальном ремонте нуждается треть эксплуатируемых газопроводов, а около 5% их следует полностью заменить^]. При этом в последние годы объемы восстановительных работ на газопроводах становятся сопоставимыми с их объемами по строительству новых газопроводов.

По величине диаметра применяемых труб эксплуатируемые газопроводы можно разделить натри основные группы:

I - газопроводы диаметром 1420-1020 мм;

II - газопроводы диаметром 820-720 мм;

Ш - газопроводы диаметром менее 720 мм.

Протяженность газопроводов I, II, III групп составляет, соответственно, 9184974 (56,6%), 14825,092 (9,1%) и 55755,533 км (34,3%). К газопроводам III группы отнесены выкидные линии, газопроводы-отводы, газопроводы коммуникаций КС и СГТХГ и т.д.

По типу изоляционного покрытия эксплуатируемые газопроводы можно подразделить на три группы: газопроводы с пленочным, битумным и смешанным типом покрытия. Под смешанным типом покрытия следует понимать чередование пленочного и битумного покрытий на коротких участках газопроводов или применение покрытий на пленочно-битумной основе. Протяженность газопроводов с пленочным покрытием составляет 106891162 км (или 65,8% от общей протяженности газопроводов), с битумным покрытием - 32335315 км (19,9%) и смешанным типом покрытия -23203888 км (14,3%).

Начиная с 2016 года, восстановление газопроводов, отработавших свой срок, будет не целесообразным, так как с этого периода начинается падающая добыча газа с годовыми объемами падения, близкими к объемам вывода газопроводов из эксплуатации.

Анализ статистических данных показывает, что особое место среди внешних воздействий, оказывающих наибольшее влияние на эксплуатационную надежность магистральных газопроводов, занимает наружная коррозия. Применительно к коррозионному фактору, трубопроводы нового поколения должны, как и современные, иметь комплексную защиту, включающую электрохимическую защиту и изоляционные покрытия. В отрасли действует система электрохимической защиты, которая осуществляет

тодную защиту от коррозии более 165 тыс. км газопродукгопроводов, магистральных газопроводов (более 145 тыс. км), коммуникаций газовых промыслов и газоперерабатывающих заводов.

Электрохимическая защита обеспечивается посредством 17487 установок катодной защиты, мощностью от 0,6 до 5 кВт каждая, 513 установок дренажной защиты, 37069 установок протекторной защиты. Для электроснабжения установок катодной защиты в эксплуатации находятся более 26 тыс. км линий электропередач напряжением 6-10 кВт. В целом защищенность от коррозии подземных металлических сооружений ОАО «Газпром» в 1995 г. составила 97,73 %. В соответствии с Программой по электрометрическим обследованиям состояния противокоррозионной защиты магистральных газопроводов и других коммуникаций, ОАО «Газпром» обследовано 28200 км газопродукгопроводов, из них 1750 км самыми современными способами контроля защищенности, что позволило определить уровни защищенности и дефекты изоляционного покрытия на о