Исследование процесса коррозионного растрескивания магистральных газопроводов

Д. О. БУКЛЕШЕВ, Н. Г. ЯГОВКИН










ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.644.07
ББК 39.7
     Б90



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, академик МАНЭБ Яговкин Герман Николаевич;
кандидат химических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и управление качеством» ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» Сумарченкова Ирина Александровна




     Буклешев, Д. О.
Б90 Исследование процесса коррозионного растрескивания магистральных газопроводов : монография / Д. О. Буклешев, Н. Г. Яговкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 108 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1431-9

           Показаны исследования металла труб после аварийных разрушений магистральных газопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) и в процессе стендовых испытаний труб магистральных газопроводов (МГ) с дефектами КРН.
           Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами безопасности магистральных трубопроводов.

УДК 621.644.07
                                                             ББК 39.7












ISBN 978-5-9729-1431-9

     © Буклешев Д. О., Яговкин Н. Г., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.............................................5
1. ВИЗУАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ КРН МГ........................12
2. МЕХАНИЗМ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ...............................................25
3. ПРОЦЕСС КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ГАЗОПРОВОДОВ.............................................32
 3.1. Условия зарождения трещин КРН......................32
 3.2. Развитие одиночных стресс-коррозионныхтрещин при лабораторном моделировании КРН..................37
 3.3. Кинетические признаки развития одиночных трещин в условиях эксплуатации.............................38
 3.4. Характеристика средних скоростей стресс-коррозионных трещин ... 40
 3.5. Условия сквозного дорыва стенки трубы..............41
4. ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ТРУБ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ.....................................48
 4.1. Выбор объектов контроля............................48
 4.2. Обследование исходного состояния дефектных катушек.53
 4.3. Проведение гидроиспытаний плети до разрыва при 110 кгс/см² 63
 4.4. Гидроиспытания реконструированной плети........80
 4.5. Оценка критических размеров дефектов, вызвавших разрушение трубы при гидравлических испытаниях.................81
5. ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ТРУБ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ.....................................83
 5.1. Объекты и методы обследования......................83
 5.2. Расчетная оценка состояния дефектов при нагружении трубопроводов внутренним давлением......................89
 5.3. Оценка состояния дефектов трубопроводов в процессе испытаний с помощью оптических и магнитных измерений..............92
6. ИСКУССТВЕННЫЕ ТРЕЩИНОПОДОБНЫЕ ДЕФЕКТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ..............................100
ВЫВОДЫ..................................................102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................105

3

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Исследования выполнялись путем анализа данных, полученных при исследованиях металла труб после аварийных разрушений магистральных газопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) и в процессе стендовых испытаний труб магистральных газопроводов (МГ) с дефектами КРН.
     В процессе исследования проводился металло-фрактографический анализ структурного состояния труб и особенностей развития трещин КРН. Для аттестации состояния дефектов при нагружении труб внутренним давлением использовались магнитоиндукционные датчики, предварительно откалиброванные на образцах с трещинами разной глубины.
     В результате исследования установлено значение минимального (порогового) размера дефекта («цепочки» питтингов), от которого способна расти трещина под действием механического фактора. Показано, что расположение зародышевых дефектов в поверхностном слое трубного металла, количество которых в процессе эксплуатации не увеличивается, обуславливает расположение и размеры будущих колоний трещин коррозионного растрескивания, которые определяются начальным состоянием труб или поверхностного слоя трубного металла. Произведенная оценка линейных размеров аварийных трещин для газопроводов с разным сроком наработки (до 14 лет) показывает линейную зависимость между общим временем наработки до аварии и максимальной глубиной «очаговой» трещины. Эта зависимость соответствует средней скорости трещин КРН 1,15 мм/год. Результаты стендовых испытаний труб с дефектами показали, что фактически отсутствует специфика в поведении под нагрузкой внутренним давлением труб с трещинами КРН, отличная от труб с искусственными продольными надрезами. Критические размеры трещин с приемлемой для оценочных расчетов точностью описываются одной зависимостью, устанавливающей соответствие размеров трещин с размерами трубы, внутренним давлением и прочностью трубной стали.

4

                ВВЕДЕНИЕ





     Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) является разновидностью коррозионной повреждаемости металлов, развивающейся под воздействием определенной коррозионно-активной среды и статических или низкочастотных циклических напряжений растяжения (приложенных или остаточных) путем образования трещин без выраженных признаков сопутствующей разрушению пластической деформации и наличия продуктов коррозии. Коррозионное растрескивание магистральных газопроводов вызвано действием грунтового электролита на наружную поверхность трубы, находящейся под рабочим внутритрубным давлением газа.
     Предприятия, эксплуатирующие систему магистральных газопроводов, могут обнаружить наличие для них проблемы КРН либо при разрыве действующего газопровода, либо в случае проведения обследования газопровода. В любом случае перед предприятиями возникает вопрос о возможности и безопасности дальнейшей эксплуатации (наличии не выявленных дефектов) или необходимость диагностики дефектов КРН. Общая задача диагностики КРН включает оценку текущего состояния газопровода (наличия, размеров и расположения стресс-коррозионных дефектов) и прогноз возможного изменения состояния газопровода при его последующей эксплуатации (как в случае обнаружения дефектов, так и при их отсутствии на момент конкретного обследования). Обнаружение дефектов КРН требует оценки их опасности и определения необходимости принятия каких-либо действий - от возможности продолжить эксплуатацию при сохранении обнаруженных неопасных дефектов в течение определенного срока (гарантированного ресурса дефектной трубы) до необходимости срочного удаления или ремонта поврежденного (дефектного) места.
     Для оценки возможности получения определенных ответов следует достаточно ясно представлять специфику дефектов КРН магистральных газопроводов [1,2].

5

Рисунок 1, а - Поверхность дефекта, образованного стресс-коррозионными трещинами

Рисунок 1, б - Признаки взаимодействия и объединения соседних трещин КРН

6

     В общем случае дефект КРН образован скоплением продольных (относительно оси трубы) трещин коррозионного растрескивания («полем трещин») (рисунок 1, а), имеющих различную длину и глубину (рисунок 1, б).
     При этом более длинные трещины образованы последовательным объединением нескольких близко расположенных единичных (коротких) трещин, произошедшим на стадии стабильного развития дефекта КРН. Наблюдаемая картина растрескивания указывает на локализацию мест зарождения стресс-коррозионных трещин на поверхности трубы, не имеющую прямой связи с повреждением изоляционного покрытия поверхности трубы, а отражающую неоднородность поверхностного состояния металла трубы. В некоторых случаях стресс-коррозионные трещины могут зародиться на поверхностных дефектах технологического происхождения (механических концентраторах напряжений), что влияет на конфигурацию (вид поверхности) дефекта КРН.


Длина, мм
Рисунок 1, в - Геометрические размеры продольных трещин, образующих дефект КРН

     Очевидно по определению КРН, что процесс растрескивания и вид возникающей совокупности трещин, образующих дефект КРН, будет зависеть как от расположения мест зарождения (зародышей стресс-коррозионных трещин), что определяет причину локализации растрескивания 7

на поверхности трубы, так и от схемы действующих растягивающих напряжений, определяющих направление развития зародышевых трещин. Последнее наглядно проявляется в тех случаях, когда на газопровод помимо рабочего давления газа действуют дополнительные (конструктивные или технологические) напряжения (рисунок 2).


Рисунок 2, а - Изменение ориентации трещин КРН под влиянием сварочных напряжений

     Картина растрескивания (рисунок 1), а именно наличие на дефектной поверхности трещин разных размеров (от минимальных до максимальных) или глубины, может иметь различную причину: либо она может являться следствием непрерывно продолжающегося процесса растрескивания, в ходе которого появляются новые трещины КРН, а также растут


8

уже зародившиеся - до тех пор, пока не произойдет разрыв трубы, либо после «исчерпания» имевшихся зародышей процесс растрескивания может развиваться только за счет роста и взаимодействия (объединением) первоначально зародившихся трещин без появления новых (при постоянстве прочих внешних факторов, влияющих на КРН). В первом случае сделанная оценка означает повреждаемость, прогрессирующую с ростом наработки газопровода, а факт произошедшей аварии газопровода означает начало его перехода в наиболее опасную фазу повреждаемости. Во втором случае действие процесса КРН будет с наработкой «затухать» по мере исчерпания зародышей трещин - по крайней мере, до начала необратимого изменения прочностных свойств трубного металла.


Рисунок 2, б - Отклонение общей ориентации дефекта КРН от продольного направления, вызванное действием на трубу дополнительной (нерабочей) нагрузки

     Продолжающееся развитие зародившихся трещин КРН может приводить к возникновению дефекта критических размеров (будущей магистральной трещины), способного вызвать разрыв эксплуатируемого газопровода вследствие потери несущей способности дефектной трубы. Как правило, магистральная трещина - непосредственная причина разрыва -образована объединением многих стресс-коррозионных трещин и по этой

9

причине имеет достаточно сложный профиль и конфигурацию, что затрудняет расчетную оценку условий разрыва или дорыва стенки трубы.
     Изложенный материал показывает, что общая задача диагностики КРН магистральных газопроводов может включать, по крайней мере, три стадии:
     -       оценку возможности возникновения КРН в зависимости от состояния газопровода, контролируемых условий его эксплуатации и условий внешней среды (раннюю диагностику КРН, прогнозирующую возможность и условия зарождения трещин);
     -       определение возникших (имеющихся) стресс-коррозионных трещин (наличия, расположения и размеров дефектов КРН) и возможной скорости их роста;
     -       оценку влияния дефектов КРН на несущую способность дефектных труб (с учетом механических свойств трубного металла и условий эксплуатации газопровода), определяющую опасность обнаруженных дефектов и условия разрыва трубы.
     Оценка возможности развития КРН основывается, главным образом, на сопоставлении зафиксированных случаев проявления КРН с географическими особенностями трассы газопровода, некоторыми показателями грунта в зоне растрескивания, а также общими соображениями о возможном механизме коррозионного растрескивания, на основании которых могут быть выделены потенциально-опасные участки газопроводов. В настоящее время остается неясным, насколько получаемые оценки размеров опасного участка (масштаб прогнозной оценки) сопоставимы с локализацией растрескивания.
     Диагностика трещин КРН является классической задачей дефектоскопии, ориентированной на конкретный вид объектов (подземные газопроводы значительной протяженности) и достаточно определенный вид дефектов (преимущественно наружные поверхностные трещины продольной ориентации). Спецификой диагностики растрескивания газопроводов также является множественный характер растрескивания, что определяет требуемый уровень разрешающей способности используемых средств и методов диагностики, а также необходимость получения количественных данных о размерах обнаруживаемых трещин, в особенности для определения скорости роста трещин КРН [3-5].

10

     Оценка опасности дефекта основывается на сведениях о размерах трещин, образующих дефект КРН, возможной скорости роста и взаимодействия трещин в процессе их роста, а также условиях потери несущей способности дефектной трубы. В настоящее время точное аналитическое решение последней задачи невозможно ввиду сложной структуры магистральной трещины, а достоверность возможных оценок зависит в большей степени от точности определения размеров трещин и их поведения под нагрузкой, нежели от приближенности используемых методов расчета.
     В соответствии с Техническим заданием - Этап 2. «Испытания труб с дефектами КРН для определения показателя трещиностойкости», состав работ включал:
     -       экспериментальное определение порогового уровня напряжений развития дефектов;
     -       экспериментальное определение условий разрушения труб с искусственными и естественными дефектами КРН путем проведения стендовых испытаний;
     -       оценка характеристик трещиностойкости для искусственных и естественных дефектов.
     Систематизация и анализ данных выполняется по результатам работ, выполненных ранее на объектах ООО «Тюментрансгаз» (ООО «Газпром трансгаз Югорск»).
     Представляемый далее материал отражает собственный опыт диагностики КРН, приобретенный при решении практических задач эксплуатации системы магистральных газопроводов газотранспортных предприятий. Большая часть приведенного фактического материала получена по системе магистральных газопроводов предприятия «Тюментрансгаз», для которой ранее других выявилось наличие проблемы КРН и последовательно проводилось опробование различных методов диагностики.

11