автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Влияние условий эксплуатации и качества труб на долговечность магистральных нефтегазопроводов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ-ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЛИЯНИЕ -УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ .И . КАЧЕСТВА/ ТРУБ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13 Строитель«зо и эксплуатация, нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

на правах рукописи

НАСЫРОВА ГУЛЬНАР.ИЛЬГИЗОВНА

УФА 1996

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор технических наук, профессор Галлямов А. К. • - кандидат технических наук Гареев А.Г.

-ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: академик АН РБ, доктор технических наук. ■ профессор Гумеров А.Г.

кандидат технических наук, доцент Григоренко П.Н.

. . ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: . ■.'■'.

•'•'..■ АО "Уралтранснефтепродукт"

Защита, диссертации 1996 г. в /¿Гчас. . на

заседании диссертационного совета Д 063.09.02 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062. Уфа, ул. Космонавтов. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в техархиве. УГНТУ.

- ' Автореферат разослан ty^/w-tx. 199.6 г.

Ученый секретарь.диссертационного Совета, д. ф. -м. н.. проф.

Р.Н.Бахтизин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эксплуатирующиеся магистральные нефте-и газопроводы работают в сложных условиях, подвергаясь одновременному воздействию механических нагрузок и коррозионных сред. Причем их проявление носит, как правило, нестационарный характер. Это в равной мере относится и к механическим воздействиям от внутреннего давления или температурных перепадов, имеющих циклическую природу, так и к коррозии. В связи с этим возникают такие опасные виды коррозионно-механических разрушений, как коррозионная усталость и коррозионное растрескивание металла, а так же его ускоренная общая механохимическая коррозия.

Опасность коррозионно-механических разрушений состоит в недостаточной их предсказуемости и внезапности проявления (при наличии скрытых очагов). На развитие таких разрушений оказывает негативное влияние так называемая технологическая наследственность, связанная с металлургическим производством труб, строительством трубопроводов и условиями их эксплуатации (формирование остаточных напряжений, концентраторов напряжений в трубах, неметаллических включений в трубных сталях.'"нарушение целостности противокоррозионных покрытий и др.). В условиях коррозионно-механических воздействий на трубопроводы происходит значительное снижение их долговечности.

Несмотря на достигнутые успехи в деле повышения долговечности магистральных трубопроводов (МТ) в указанных условиях, вопросы влияния неметаллических сульфидных включений, остаточных напряжений и режимов катодной защиты на процессы зарождения коррозионно-механических трещин в нестационарных условиях эксплуатации изучены не в полной мере. Отсутствуют статистически апробированные математические модели некоторых видов коррозионно-механи-

ческих разрушений МТ, позволяющие прогнозировать юс долговечность. Решение таких задач имеет научное и практическое значение.

Диссертационная работа выполнялась в соответствие с комплексной программой Государственного комитета РФ по высшему образованию в рамках госбюджетной лаборатории по разработке теоретических основ диагностики коррозионного растрескивания магистральные трубопроводов; программой НИОКР РАО "Газпром" на 1993 - 1995 гг. в области защиты от коррозионного растрескивания под напряжение{/ магистральных газопроводов высокого давления.'

Целью работы является исследование влияния условий эксплуатации и металлургического качества труб на долговечность магистральных трубопроводов для разработки методов ее повышения.

Для.достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать статистику отказов магистральных газопроводов (МГ) с це-лью получения аналитической зависимости, пригодной для прогнозирования долговечности линейной части, эксплуатирующейся е условиях.коррозионно-механических воздействий, приводящих к коррозионному растрескиванию металла труб (КР).

2. Исследовать влияние на процессы зарождения коррозионно-механических трещин в'условиях малоцикловой коррозионной усталости (МКУ) магистральных нефтепроводов и КР МГ величины кольцевых растягивающих напряжений, неметаллических сульфидных включений. остаточных напряжений и режимов катодной 'защиты для разработки рекомендаций по обеспечению установленного ресурса.

3. Получить расчетную зависимость долговечности МТ от величин действующих напряжений и активности коррозионной среды в условиях общей коррозии.

Научная новизна.

- Предложена эмпирическая модель отказов Iff в условиях KP, пригодная для прогнозной оценки их долговечности. Данная модель позволила разделить газопроводы на две группы по их чувствительности к KP, зависящей от прочностных и технологических параметров трубных сталей.

- Получена расчетная зависимость, позволяющая прогнозировать долговечность магистральных, трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей механохимической коррозии.

- Количественно выявлено влияние неметаллических сульфидных включений в трубных сталях и режимов катодной поляризации на генерацию водорода и его проникновение в металл.

Практическая ценность.

- Рекомендовано ограничивать величины кольцевых растягивающих напряжений в стенке трубы значениями не более 0,7 от нормированного предела текучести трубной стали для МТ. эксплуатирующихся в условиях МКУ.

- Результаты исследований использовались при составлении инструкции РАО "Газпром" по обследованию и. ¡идентификации разрушений, вызванных коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН).

- Результаты исследований вошли составной частью' в учебное пособие, изданное по плану изданий Госкомвуза РФ и рекомендованное к использованию при' выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специализации 09.07 - "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ", а так же были включены в каталог научно-технических разработок УГНТУ-1995 г.

На защиту выносятся:

Результаты статистического анализа отказов МГ и эмпирическая модель для прогнозной оценки долговечности. Данные о влиянии режимов катодной поляризации на корро-зионно-усталостную долговечность МТ.

Зависимость долговечности МТ в условиях общей механохимичес-кой коррозии от напряженного состояния и активности среды. Данные исследований влияния неметаллических включений в трубных сталях и режимов катодной защиты на генерацию водорода.

Апробация работы. Основные результаты и положения работь докладывались и обсуждались на: ХХХХ1У-ХХХХУ1 научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых УГНТУ, Уфа.1993-1995гг.. на межгосударственной науч.-техн. конференции "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 1993 г., на II Республиканской конференции "Проблемы нефтехимической промышленности", Стерлитамак, 1993 г., 1-ой научн. конференции молодых ученых-физиков РБ, Уфа,БГУ.1994 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 113 наименований и 2 приложений. Основной материал изложен на 129 страницах, включая 24 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главз настоящей диссертационной работы приведен аналитический обзор состояния исследуемой проблемы и условий разрушений трубопроводов, вызванных одновременным действием механических напряжений и коррозионных сред. Установлено, что в подобных условиях трубопроводы наряду с ускорением общей коррозии подвержены КР и МКУ. протекающих под воздействием ряда внутренних и внешних факторов металлургического, строительно-монтажного и эксплуатационного происхождений. Так. для магистральных нефте- и продуктопроводов характерным видом разрушения является МКУ. связанная с присущей им цикличностью режимов перекачки, а для МГ -КР, зарождающееся со стороны внешней поверхности трубы и проявляющееся в основном в пределах 25...30-километровой зоны от компрессорных станций (КС).

Используемая в настоящее время в мировой практике технология изготовления труб включает определенную последовательность операций, приводящих к неравномерному распределению остаточных деформаций и напряжений в трубах, которые согласно теории механохими-ческой коррозии усиливают протекание коррозионных процессов. Кроме того зарождению очагов и локализации коррозионно-механического' зазрушения способствует наличие на поверхности металла концентраторов напряжений (сварные швы, дефекты, вызванные операцией калибровки труб путем экспандирования и др.).

Особо следует отметить влияние на развитие коррозионно-меха-шческих разрушений труб микроконцентраторов напряжений, в роли ■соторых могут выступать неметаллические включения, поры и др. 3 тстности. по мнению некоторых авторов сульфидные включения (МпБ) -¡грают двоякую роль: точечных концентраторов напряжения и генераторов водорода при контакте металла с коррозионными средами. Во-юрод в металлах, в свою очередь, способствует их наводорожива-шю и замедленному разрушению под влиянием длительного действия

растягивающих напряжений. Вместе с тем. вопросы о количественно! влиянии таких включений на долговечность труб, з том числе по; воздействием токов катодной защиты, и глубине проникновения генерируемого водорода в трубные стали в настоящее время остаютсз открытыми. Проведенный в работе анализ показызает, что возможность генерации водорода, достаточного для поддержания процесса КР, получила экспериментальное подтверждение только для случае взаимодействия стали, аномально загрязненной сульфидными включениями, с серной кислотой. Для оценки такой возможности при контакте трубных сталей с реальными грунтовыми приэлектродньил электролитами требуется постановка специальных исследований.

В связи с тем, что основное внимание в данной диссертационной работе уделяется изучению влияния условий эксплуатации нефтегазовых магистралей и металлургического качества труб на долговечность МТ, этап их сооружения в контексте всей работы рассматривается менее подробно, хотя роль этой стадии в обеспечении долговечности трубопроводов в исследуемых условиях з работе показана.

В процессе эксплуатации реальные ИТ подвергаются воздействию нестационарных режимов перекачки, случайных динамических нагрузок, коррозионных сред и др. Их влияние, в первую очередь, проявляется в местах концентраторации напряжений, где значения растягивающих механических напряжений превышают расчетные. В связи с этим показано, что повышение долговечности магистральных трубопроводов может быть достигнуто как за счет снижения цикличности воздействия внутреннего давления в трубопроводе , так и за счет уменьшения негативного злияния концентрации напряжений. Недостаточно, на взгляд автора, уделяется внимания также и обоснованию выбора величины начального коэффициента использования несущей способности металла труб.

Таким образом, аналитический обзор' состояния исследуемой

проблемы свидетельствует .о недостаточной исследованности части вопросов, оказывающих существенное влияние на долговечность магистральных нефте- и газопроводов.

Вторая глава посвящена описанию методик проведения исследований.

Использованные в работе методы испытаний, регламентированные действующими стандартами, проводились в строгом соответствие с последними. Обработка экспериментальных данных осуществлялась .общепринятыми методами. 3 работе были использованы также оригинальные методы исследований.

Коррозионно-усталосткые испытания трубных сталей проводились на образцах из стали 17Г1С с концентратором напряжения в виде У-образного надреза в среде, моделирующей реальную' приэлектродную (раствор 1н.МаНС03 + 1н.Ма2С03), в условиях катодной поляризации и без нее с помощью специально разработанной электрохимической ячейки по схеме чистого изгиба с частотой 1Гц. Зарождение трещины контролировалось с помошью бинокулярного микроскопа МБС-9.

Измерение водородопроницаемости металла проводилось по Дева-натану - Стачурскому на мембранах из сталей различных марок в специально изготовленной ячейке. Поток водорода контролировался на палладированной поверхности мембраны в растворе О,1н.МаОК при потенциале 300 мВ по отношению к насыщенному каломельному электроду сравнения. Поток атомов водорода, прошедший через мембрану, соответствовал регистрируемому электрическому току.

Исследования склонности сталей к КР проводились электрохимическим методом путем снятия потенциодинамических поляризационных кривых. Эксперименты проводились с помощью специальной прижимной трехэлектродной электрохимической ячейки, которая позволяет проводить электрохимические исследования в любой точке поверхности

металлического образца. При снятии поляризационных кривых при различных температурах использовалась масляная баня, температура в которой измерялась с помощью ртутного термометра.

Наложение определенной величины потенциала и последующая его линейная развертка осуществлялась с помощью потенциостата ЕР-20А и Еариатора марки РУЗ. По полученным данным строились поляризационные кривые. В качестве критерия склонности сталей к КР были выбраны пиковые значения плотностей анодного тока.

Третья глава посвящена прогнозированию долговечности МТ. В частности.в ней приводятся результаты математического моделирования процесса КР и прогнозирования времени наработки до отказа МГ.

Известен ряд моделей, используемых для прогнозирования разрушений МГ. -В частности, известна эмпирическая зависимость длины трещины от времени приложения нагрузки, ее величины и температуры, полученная У.Л.Мерсером. Т.Н.Бейкером и др. была предложена четырехстадийная модедь развития растрескивания. Разработана также модель Р. Н. Ларкинса, основанная на законе Фарадея, согласно которой определяется величина скорости роста трещины. Однако, как показывает анализ этих моделей, они не в полной мере отражают реальные процессы и не пригодны для прогнозирования КР действующих МГ. Поэтому для построения модели, пригодной для практического использования, представлялось целесообразным применить статистические методы обработки данных по отказам МГ с учетом ранее проведенных в УГНТУ исследований механизма КР. В связи с вышеизложенным была проанализирована с помощью ЭВМ статистика разрушений некоторых МГ России и стран СНГ. При этом выборка составила около шестидесяти отказов (рис.1). Была сделана оценка вида распределения времени до отказа МГ. Для этого предварительно вычислялась суммарная статистика отказов (оценочный параметр - время до

а 4 8 12 16 т ле? 20

Рис. I. Частотная гистограмма отказов МГ

V, мм/год

Рис. 2. Нормальная вероятностная сетка интегральной скорости развития КР

разрушения МГ). Полученные величины эксцесса и эксцентриситета позволили предположить, что выборка соответствует нормальному распределению. Дополнительно проведенное тестирование с помощью критериев согласия Колмогорова-Смирнова и "Хи квадрат" показало, что с большой степенью вероятности данная выборка принадлежит нормальному закону распределения.

В связи с тем, что ранее проведенными в УГНТУ исследованиями было показано отличие з механизмах разрушения сталей различных групп прочности в условиях КР, осуществлено разделение выборок отказов МГ: изготовленных из сталей групп прочности до Х70, (17Г1С и др.-)' группа I и сталей контролируемой прокатки группы прочности Х70 - группа II. В связи с низкой представительностью данных второй группы проводился регрессионный анализ выборки отказов МГ первой группы трубопроводов.

Для построения модели отказов МГ была проведена оценка вклада различных факторов на время до их разрушения с помощью процедуры множественной регрессии, позволяющей получить модель в виде линейной комбинации воздействующих факторов. Исследования проводились с доверительной вероятностью 95%. В качестве независимых переменных использовались толщины стенок труб, температуры, расстояния до компрессорной, давления, а также модифицированные значения в виде их обратных величин. Расчеты проводились для моделей с использованием константы и без нее. Всего было рассмотрено 48 моделей. Из них была выбрана одна, имеющая наиболее высокий коэффициент детерминации. Нулевая гипотеза, проверка которой проводилась с помощью t - критерия Стьюдента и дисперсионного соотношения Фишера, оказалась справедливой для всех коэффициентов уравнения регрессии кроме коэффициента при переменной, определяющей толщину стенки трубы. В связи с этим остальные составляющие уравнения регрессии были исключены.

Дополнительная оценка правильности выбора модели проводилась также графоаналитическим методом анализа остатков, в результате которого было обнаружено, что остатки имеют распределение, близкое к нормальному, что подтверждает корректность выбора модели.

Отсутствие влияния давления на время до разрушения может 5ыть объяснено показанным в диссертации характером развития КР. соторое не требует наличия высоких уровней механических напряжений. а, в основном, лимитируется протеканием электрохимической стадии развития (это подтверждается имеющимся литературным данам, согласно которым развитие КР наблюдалось в интервале напря-*ений 0.4...0,7 от предела текучести стали).

Исключение величины, соответствующей расстоянию до КС. в работе объяснено дополнительно проведенным анализом аномальных наб-[юдений, показавшим наличие точек, сответствующих отказам МГ, неположенным на расстояниях, более чем вдвое превышающих 30-ки-:ометровую зону от КС и нарушающих однородность выборки. По-види-ому, это является причиной исключения данной переменной из ураз-ения регрессии при принятом уровне доверительной вероятности.

Исключение из конечной модели температуры может быть объяс-ено имеющимися литературными данными о низком значении энергии ктивации процесса КР.

Окончательная модель имеет вид

г = а ■ Н . (1)

це t - время до разрушения, годы;

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

Н - глубина трещины до начала механического долома, мм (в )еднем составляет 70% толщины стенки трубы)

При переходе к интегральному скоростному показателю получаем

величину скорости растрескивания, равную 1,08 мм/год.

Анализ статистики отказов с помощью предложенной модел подтвердил правомерность вышеприведенного разделения МГ на дв группы и возможность ее использования только для прогнозировани отказов трубопроводов I группы. Граница разделения этих групп п скоростному показателю КР видна из рис.2.

Для магистральных нефтепроводов, эксплуатирующихся в условия МКУ, на этапе накопления усталостных повреждений долгозечност (время до зарождения трещины) может быть определена с помощью мо дели Коффина-Мэнсона. Однако до настоящего времени не исследован влияние режимов катодной защиты на параметры этой модели, которс представляет научный и практический интерес. В связи с этим бьи проведены коррозионно-усталостные испытания трубной стали в услс виях катодной поляризации в среде, моделирующей раствор катоднь отложений, с последующей обработкой результатов на ЭВМ. УстаноЕ лено, что с увеличением по абсолютной величине значения наложер ного потенциала показатель степени m в модели Коффина-Мэнсоь уменьшается от 0,61 (0,32 В МСЭ) до 0,46 (0,94 В МСЭ). Это нахс дит отражение в увеличении времени до зарождения трещины в услс виях регламентированных значений величин поляризационных защити потенциалов.

Полученные значения показателя степени ш были использова! при проведении поверочного расчета на малоцикловую коррозио! но-усталостную долговечность трубопровода (сталь 17Г1С, 1220 12.5 мм) согласно модели Коффина-Мэнсона. При этом использовали! следующие значения показателя степени: для катоднополяризованн! стали при минимально допустимом потенциале катодной защиты 1 (минус 0,85 В МСЭ) - га = 0,48, для воздуха m = 0.5. Предварител: но проведеный расчет на прочность данного трубопровода удовлетв рил требования СНиП 2.05.06-85. При расчете МКУ долговечност;

зависящей от концентрации напряжений, использовались максимально допустимые СНиПом геометрические отклонения формы трубы от идеальной. В связи с тем, что данный нормативный документ не ставит жестких ограничений на форму сварного соединения, в частности, не оговорена величина радиуса перехода сварного шва к основному металлу, для расчета коэффициента концентрации напряжений, связанного с наличием сварного соединения, использовались наиболее часто встречающиеся на реальных трубах размеры сварных швов. Е результате проведенного расчета (ш = 0.48) число циклов до разрушения составило N = 6254, что не соответствует нормативному сроку эксплуатации нефтепровода, подвергающегося коррозионно-усталост-кому нагружению со среднестатистической частотой, соответствующей I циклу в сутки. Это связывается нами с тем, что в действующем СНиП 2.05.06-85 наряду с отсутствием расчета магистральных трубопроводов на усталость не регламентируется также величина максимально допустимых кольцевых напряжений. Для их определения был проведен поверочный расчет выбранного трубопровода на коррозион-ко-усталостную долговечность в обратной последовательности. Расчет показал, что даже при наличии катодной поляризации, максимально допустимая величина рабочего давления, при которой обеспечивалась МКУ- долговечность трубопровода, соответствующая его нормативному сроку службы, составила 4.8 МПа. Такой величине рабочего давления соответствует значение кольцевых растягивающих напряжений, равное 70% от предела текучести стали. Близкие значения - величин допустимых кольцевых растягивающих напряжений оговорены в стандартах ряда зарубежных стран (например, в Американском стандарте ASME В31.4 она составляет 0,72бт).

Таким образом установлено, что только при соблюдении режимов катодной защиты (т<0,48) и ограничении уровня растягивающих кольцевых напряжений (0,7бх) трубопровод выдерживает нормативный срок

эксплуатации в условиях МКУ.

На основании полученных результатов были построены номограм мы для различных марок сталей, позволяющие выбирать для наиболе распространенных диаметров трубопроводов соответствующие величин] допустимых давлений или толщин стенок при установленном ограничении кольцевых напряжений (рис.3).

В третьей главе диссертационной работы приведены также результаты исследования влияния механических напряжений на долговечность трубопроводов в условиях общей коррозии. Вследствие коррозии стенок сосудов давления происходит уменьшение их толщины I соответствующее увеличение кольцевых напряжений. Последние, согласно теории механохимических явлений, вызывают рост скорост! коррозии и еще большее уменьшение толщины стенок. Поэтому прогнозирование долговечности сосудов давления, базирующееся на предпосылке постоянства скорости коррозии в течение установленного ресурса. дает изначально завышенное ее значение. Поэтому возникает необходимость в анализе изменения кольцевых напряжений, связанного с коррозионным воздействием. При таком анализе нами полученс выражение

сЗб/сП=б2-У0-а/(б0-б0), (2)

где б0 - начальное напряжение в стенке;

50 - начальная толщина стенки;

6 - текущее значение напряжений в стенке при коррозионноь воздействии;

У0 - скорость коррозии без учета влияния на нее напряжений (характеризует активность среды);

а - коэффициент механохимической активности (а=ехр(бту/ЕТ)).

В связи с тем, что на данном этапе исследований контролиро-

Р.ЫПа

12

Р.МПа

1В

А - - 820 мм

" Р.МПа 10

17 21 25 О , ММ

— 720 ■ - 023

1423

Х65

Р.МПа

13

— 720

• - 820

17 21 25 сГ, ММ

13

17

21 23

(Г . ым

Рис. 3. . Номограммы для определения рабочих параметров МГ

21 25 /. ММ

вание текущих значений напряжений в стенке трубопровода представляет сложную инженерную задачу, расчет ведется в запас прочности относительно предельного состояния металла, соответствующего достижению предела текучести.

После решения дифференциального уравнения (2) получа.ем выражение, связывающее в явном виде фактическую долговечность трубопровода (П. напряженное состояние (б0/бт) и активность коррозионной среды, выраженную через величину начальной скорости коррозии (У0)

1 - б0/бт 50

I ------------ ■ — (3)

а У0

Полученная зависимость позволяет управлять фактической долговечностью (О трубопровода за счет рационального выбора материала (бг). величин начальной толщины стенки трубы (б0), коэффициента использования несущей способности (бо/бт) и средств противокоррозионной защиты (У0).

Четвертая глава посвящена исследованию влияния металлургического качества труб на долговечность МТ. В ней приведены результаты исследований роли сульфидных включений в трубных сталях и катодной поляризации МТ в генерации водорода.

В связи с тем. что некоторые исследователи связывают зарождение КР с наличием в металле труб неметаллических сульфидных включений (СВ). которые рассматриваются как потенциальные генераторы водорода даже в нейтральной и щелочной средах, представленных грунтовыми приэлектродными электролитами, были проведены исследования распределения СВ по периметру труб, их влияния на стой-

кость к КР и вклада сульфидов в генерацию водорода. В результате исследований было установлено характерное распределение включений по периметру труб, связанное с принятой технологией их изготовле-_ ния. Показано, что в условиях, моделирующих натурные, сульфидные включения ведут себя химически инертно. Методом Баумана было выявлений отсутствие генерации сероводорода при воздействии на поверхность стали реальной и модельной сред. Вместе с тем, показано, что в упрочненных сталях контролируемой прокатки группы прочности Х70, даже небольшое количество неметаллических включений может привести к возникновению внутренней концентрации напряжений и, соответственно, увеличить эффективную скорость, роста трещин, развивающихся вследствие превалирования механического фактора.

Для более глубокого изучения возможного влияния СВ на процессы КР МТ проводились электрохимические исследования. При этом в качестве объектов исследования использовались карбонильное железо и сталь А12, содержащие 0,002% и 0,16% серы соответственно. В качестве коррозионных сред использовались реальная и модельная карбокат-бикарбонатные среды. Результаты исследований показали, что процесс КР в настоящее время не может быть однозначно объяснен в рамках механизма растворения СВ. В электрохимическом отношении СВ в условиях опыта.не оказали влияния на протекание КР и могут рассматриваться только как инертные неметаллические включения, увеличивающие поля внутренних механических напряжений.

Также изучалась возможность генерации водорода путем разложения воды при электрохимических процессах в условиях катодной защиты. Оценивались количество водорода и его проницаемость. Количество водорода определялось по методу Деванатана-Стачурского. а его проницаемость - путем изучения диффузии водорода через мембраны различных толщин, изготовленные из различных сталей ( 6 марок трубных сталей), .отобранных из очагов разрушений реальных

МГ. Результаты анализировались с точки зрения теории диффузии водорода. Определялся коэффициент диффузии D из аналитической зависимости, которая получена путем решения уравнения второго закона Фика при соответствующем выборе граничных условий, характеризующих поставленную задачу. Для случая диффузии водорода из слоя конечной толщины h через мембрану толщиной х при граничных условиях

N(x>0, 0)=0, . N(0, t)0)=No

• распределение концентрации водорода за время t принимает вид

N(x, t)=N0/2[erf(il+x)/2|/Dt + erf(h-x)/2(/Dt], (4)

где D - коэффициент диффузии; erf - функция ошибок Гаусса; N0 - начальная концентрация.

Вычисленные коэффициенты диффузии водорода для различных об-

• разцов железа и сталей свидетельствуют о том. что при незначительной его генерации в области регламентированных значений потенциалов катодной защиты в реальных приэлектродных электролитах водород способен проникать на глубину не более 0.4 миллиметра. Показано, что количество водорода, прошедшее через исследованные образцы, согласно закону Фарадея для полученных потоков водорода в области потенциалов катодной защиты (Ю-13 моль/см2) на два по-р'ядка ниже, чем в электролитах, вызывающих растрескивание МТ, например, таких как сероводородсодержащие среды (Ю-11 моль/см2). Таким образом, установлено, что регламентированный режим катодно? защиты практически не снижает надежности трубопровода вследствие возможного наводороживания стали в результате разложения воды.

Проведено изучение влияния различных видов термической обра-

ботки (отжиг, нормализация, закалка) на чувствительность металла труб и' их сварных соединений к КР на образцах отечественных и импортных труб. В результате проведенных исследований была установлена низкая чувствительность трубных сталей к термообработке, по-видимомму. вследствие малого содержания в них углерода. Вместе с тем. было установлено, что чувствительность основного металла и зон сварного соединения к КР для всех исследованных сталей все же снижалась после нормализации в 1.2...1.5 раза по отношению к исходному состоянию, очевидно, вследствие стабилизации равновесной структуры. Остальные виды термообработок способствовали изменению чувствительности отдельных зон сварного соединения или основного металла. Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности применения термообработки труб и их сварных соедине-1 ний с целью повышения их стойкости к КР.

Проведено исследование остаточных напряжений в трубах, образующихся вследствие так называемой технологической наследственности, на катушке прямошовной электросварной трубы из стали 17Г1С (820 х 10 мм) длиной 250 мм. После разрезания катушки вдоль образующей. диаметрально противоположной заводскому сварному шву, произошло раскрытие стыка на величину порядка 0.04 м (соответствует величине остаточных напряжений, равной 160 МПа)., Это свидетельствует о том, что величина остаточных напряжений металурги-ческого происхождения в реальных трубах оказывается того же по-эядка, что и кольцевые растягивающие напряжения от внутреннего цавления.

Проводилось также исследование неоднородности остаточных ипряжений по периметру трубы на такой же катушке прямошовной электросварной трубы. Полученные данные свидетельствовали о гетерогенности как механических, так и электрохимических свойств металла. В частности, на участках поверхности трубы вблизи заводе-

кого сварного шва отмечена повышенная твердость металла (НУ) и связанная с этим его более высокая коррозионная активность. Это свидетельствует о повышенной склонности таких участков к локальной коррозии и коррозионно-механическим разрушениям.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Методами математической статистики построена эмпирическая модель развития отказов магистральных газопроводов в условиях коррозионного растрескивания, реально отражающая кинетику развития процесса и позволяющая прогнозировать долговечность МГ. Полученная модель позволила разделить магистральные газопроводы на две группы по их чувствительности к КР, зависящей от прочностных и технологических параметров трубных материалов, и показала ее применимость для труб групп прочности до Х70.

2. Установлено, что обеспечение нормативного ресурса магистральных нефтепроводов, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой коррозионной усталости, достигается при соблюдении регламентированных режимов катодной защиты и ограничении . величин кольцевых растягивающих напряжений в стенке трубы значениями не более 0,7 от нормированного предела текучести трубной стали. Построены номограммы, позволяющие выбирать соответствующие давления и размеры труб.

3. Получена расчетная зависимость, позволяющая прогнозировать долговечность магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей коррозии, ускоренной действующими механическими напряжениями: Показано, что при реально действующих в стенке трубы напряжениях (остаточных металлургического происхождения и от внутреннего давления перекачиваемого продукта) фактическая долговечность в таких условиях может быть снижена почти на порядок.

Это требует на проектируемых и действующих трубопроводах принятия соответствующих мер противокоррозионной защиты.

4. Выявлено' характерное распределение неметаллических сульфидных включений в трубных сталях по периметру труб. . связанное с принятой технологией их изготовления. Показано, что включения не являются генераторами водорода вследствие своей химической инертности в. реальных призлектродных средах: • Установлено, что генерация водорода как элемента, охрупчивающего сталь, возможна лишь при разложении воды токами катодной защиты. Показано, что при регламентированных ее режимах количество образующегося водорода .на два порядка ниже генерируемого в средах, вызывающих' растрескивание труб.

Основные положения диссертации опубликованы в. следующих работах:

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

2. Абдуллина Г.И. Формирование остаточной напряженности труб в процессе их изготовления //XXXXIV научн.-техн. конф.: Тез. докл. - Уфа:' УНИ, 1993,- С. 61/

3. Влияние сульфидных включений в трубных сталях на стресс-коррозию магистральных газопроводов /Гареев А. Г. , Абдуллина Г. И.

и др.- Газовая промышленность. - 1993. - N11. - С.29-30.

4. Коррозионное растрескивание магистральных газопроводов Западной Сибири /Гареев А.Г., Абдуллина Г.И. и др.: Тез. докл. Межгос. научн.-техн.конф."Нефть и газ ' Западной Сибири"-Тюмень: Тюменский индустриальный институт,1993.-С. 144-145.

5. Гареев А.Г.. Абдуллина Г.И. Роль сульфидных включений 'в коррозионном растрескивании труб-// II Республиканская конф,-

"Проблемы нефтехим. пром-ти": Тез. докл. - Стерлитамак: Стерлита-макский рабочий, 1993.-С. 6.

' 6. Насырова Г. И., Гареев А.Г.', Галлямов А.К. Прогнозирование времени наработки до отказа магистральных трубопроводов, подверженных коррозионному ' растрескиванию // XXXXV научн.-техн. КОНф. : Те'З. ДОКЛ. - Уфа: УГНТУ, 1994,- С. 14.

'7. Насырова Г.И., Гареев А.Г., Галлямов А.К. Исследование стойкости защитных покрытий //XXXXVI науч.-техн. конф,-: Тез. докл.- Уфа: УГНТУ, 1995,- С.101.

8. Насырова Г.И.. Гареев А.Г., Галлямов А.К. Влияние термической обработки на чувствительность трубных сталей к коррозионному растрескиванию //XXXXVI науч.-техн: конф.: Тез. докл.-Уфа: УГНТУ. 1995': - С. 150.'

9. Инструкция по обследованию и идентификации разрушений, вызванных коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН). -М.: РАО. "ГАЗПРОМ",. 1994.- 18 с. '.

• 10. :Гареев А.Г., . Насырова Г.И. Прогнозирование коррозион-но-усталостной долговечности магистральных трубопроводов . //Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Тр. ИН-та/ ИПТЭР. - 1994. , - С.55-57.

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

12. Насырова Г.И., Гареев А.Г. Прогнозирование. усталостной долговечности катоднозащищенных сооружений//Тез. докл. 1-ой научной .конф. молодых ученых физиков РБ.-Уфа:- БГУ,- 19S5.-C.50.

Соискатель -----

Подписано к печати 06.02.96. Тирад 100 экз. Заказ 108.. Ротапринт ЖГУ. 450064,' г. Уфа, Космонавтов, I-