Разработка высокоэффективного метода диагностики околошовных зон сварных соединений магистральных газопроводов

Д. О. БУКЛЕШЕВ








РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ОКОЛОШОВНЫХ ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ


Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.644.07
ББК 39.7
     Б90



Рецензент:
д. т. н., профессор, профессор кафедры техносферной безопасности и управления качеством ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» Н. Г. Яговкин





     Буклешев, Д. О.
Б90 Разработка высокоэффективного метода диагностики околошов-ных зон сварных соединений магистральных газопроводов : монография / Д. О. Буклешев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 148 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1419-7

           Приводится анализ причин разрушения труб магистральных газопроводов в зонах воздействия блуждающих токов. Показано исследование влияния напряженно-деформированного состояния металла зон сварных соединений магистральных газопроводов на надежность и безопасность их эксплуатации при воздействии блуждающих токов.
           Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами безопасности магистральных трубопроводов.

                                                         УДК 621.644.07
                                                         ББК 39.7











ISBN978-5-9729-1419-7

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

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение.....................................................6
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА И ОСНОВНЫХ ПРИЧИН ФОРМИРОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
И МЕТОДОВ ИХ ДЕФЕКТОСКОПИИ..................................11
1.1. Анализ статистических данных о причинах возникновения аварий на магистральных газопроводах........................11
1.2. Механизм формирования дефектов.........................15
1.3. Классификация дефектов сварных соединений..............20
1.4. Анализметодовдиагностикикачества сварныхсоединений магистральных газопроводов и возможностей используемого для этих целей оборудования...........................25
1.5. Выводы по первой главе...........................28
ГЛАВА 2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ СТЫКОВ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ............................30
2.1. Моделированиенапряженно-деформированного состояния околошовных зон магистральных газопроводов............30
2.2. Формализация статической модели определения
   величины напряжений в околошовных зонах магистральных газопроводов...............................32
2.3. Разработкадинамическоймодели напряженно-деформированного состояния околошовных зон магистральных газопроводов.41
   2.3.1. Обработка результатов динамического моделирования.50
2.4. Динамическая модель формирования трещин при нагрузке
   эксплуатации в околошовных зонах магистральных газопроводов.... 56
2.5. Выводы по второй главе.................................62
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПА, СПОСОБА
И МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ, НАХОДЯЩИХСЯ
В  ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ...........................63

3

3.1. Принципы диагностики дефектов по наличию и координатам напряжений в ОШЗ............................................63
3.2. Разработка способа диагностики околошовных зон магистральных газопроводов..................................66
3.3. Теоретическое обоснование способа......................71
    3.3.1. Исследование зависимости скорости распространения ультразвука от величины напряжений в трубной    стали...71
    3.3.2. Разработка метода оценки величины
         внутренних напряжений в ОШЗ газопроводов при наличии блуждающих токов.......................73
3.4. Лабораторное исследование метода и способа измерения величины внутренних напряжений в околошовных зонах газопроводов................................................76
    3.4.1. Применяемое оборудование.........................77
    3.4.2. Подготовка образца контроля......................78
    3.4.3. Методика лабораторного исследования..............81
    3.4.4. Результаты измерений.............................81
    3.4.5. Обработка полученных результатов.................86
    3.4.6. Анализ результатов эксперимента..................96
3.5. Выводы по третьей главе................................97
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИМЕНИМОСТИ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ГАЗОПРОВОД БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ..............................99
4.1. Практический эксперимент применения способа при ремонте газопровода в трассовых условиях............................99
    4.1.1. Применяемое оборудование........................100
    4.1.2. Подготовка оборудования и объекта контроля......100
    4.1.3. Методика проведения эксперимента................101
4.2. Результатыизмерений...................................102
4.3. Обработка полученных результатов......................105
4.4. Анализ результатов эксперимента.......................108
4.5. Выводы по четвертой главе.............................109
Заключение.................................................111
Список литературы..........................................113
Приложение А...............................................124
Приложение Б...............................................125
Приложение В...............................................126

4

Приложение Г.......................................127
ПриложениеД........................................128
Приложение Е.......................................130
Приложение Ж.......................................131

5

            ВВЕДЕНИЕ



     Одной из основных причин аварий на магистральных газопроводах, эксплуатируемых на территории Российской Федерации (РФ), является разрушение металла с внешней стороны труб по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН). Известно, что отказы газопроводов вследствие КРН составляют 28-30 % от общего числа отказов. Особенно часто коррозионное растрескивание возникает при наличии блуждающих токов, наводимых при пересечении газопроводов с электрифицированными участками железных дорог и высоковольтными линиями электропередач. На появление дефектов КРН существенное влияние оказывает процесс электрохимической коррозии, приводящий к образованию коррозионного повреждения и язв. Возникновение КРН на внешней поверхности труб непосредственно связано с воздействием микронапряжений, возникающих в местах образования коррозионных дефектов и приводящих к трещинооб-разованию при циклической нагрузке перекачки газа.
     При диагностике сварных стыков и их зон микронапряжения определяются путем анализа распределения собственных магнитных полей рассеяния, возникающих в зонах дефектов КРН, при этом в зонах воздействия блуждающих токов погрешность результатов определения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) составляет 30-35 %, что не позволяет достоверно выявить трещиноподобные дефекты и установить локализации области зарождения КРН.
     Для повышения безопасности транспорта газа разработан метод диагностики, позволяющий снизить погрешность результатов контроля микронапряжений в зонах воздействия блуждающих токов, точно определить наличие дефектов 1-го класса опасности, достоверно оценивать необходимость в отбраковке сварных соединений после капитального ремонта или сооружения, а также определить с высокой точностью места локализации КРН и координаты дефектообразования.
     Существенный вклад в изучение причин образования КРН и поведения трубной стали в зонах разрушения внесли А. Г. Гареев, М. В. Чучкалов,

6

которые установили механизм образования КРН, разработана модель распределения напряжений газопровода с дефектами КРН. Разработкой методов выявления КРН занимались П. В. Климов, В. А. Горчаков, В. О. Соловей, ими даны рекомендации по обнаружению КРН при диагностике. Предупреждением развития КРН занимались В. Л. Онацкий, Д. Г. Репин, ими были предложены решения по предупреждению развития стресс-коррози-онного разрушения труб газопроводов. Исследование интенсивности напряжений в дефектных зонах сварных стыков магистральных газопроводов проводили А. Н. Касьянов, Л. Т. Щуланбаева, А. К. Гумеров, которые разработали модели формирования полей напряжений и деформаций в стенке трубопровода и установили зависимость интенсивности внутренних напряжений от наличия дефектов. Оценкой воздействия блуждающих токов на магистральные газопроводы занимались И. Ю. Копьев, В. А. Попов, О. Ю. Александров, А. В. Фуркин, О. В. Хариановский, ими установлена зависимость параметров коррозионных дефектов от параметров блуждающих токов и коррозионной среды, разработаны методы по снижению негативного воздействия и таким образом, наряду с существенными достижениями, вопрос диагностики сварных соединений магистральных газопроводов при воздействии на них блуждающих токов остается недостаточно исследованным.
     Тема работы и содержание исследований соответствуют пункту 12 области исследований, определяемой паспортом специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)»: «Разработка и совершенствование способов повышения безопасности производственного оборудования, технологических процессов, вспомогательных операций и условий труда работников».
     Целью работы является повышение безопасности технологического процесса транспорта газа на основе применения разработанного метода диагностики, что позволит установить координаты локализации внутренних напряжений в зонах сварных соединений магистральных газопроводов.
     Для достижения цели решались следующие задачи:
     1. Анализ причин разрушения труб магистральных газопроводов в зонах воздействия блуждающих токов.
     2. Исследование влияния напряженно-деформированного состояния металла зон сварных соединений магистральных газопроводов

7

        на надежность и безопасность их эксплуатации при воздействии блуждающих токов.
     3. Разработка метода повышения безопасности технологического процесса транспорта газа путем определения величины напряжений в околошовных зонах сварных соединений магистральных газопроводов, находящихся в зоне воздействия блуждающих токов.
     4. Применение метода диагностики и его апробация на участке магистрального газопровода «Уренгой-Новопсков» газотранспортной системы в ООО «Газпром трансгаз Самара».
     Научная новизна:
     1. Создана статическая и динамическая модели коррозионного растрескивания под напряжением зон сварных соединений, которые позволяют установить координаты дефектообразования путем определения участков инкубационного развития дефектов.
     2. Впервые разработан метод диагностики газопроводов, позволяющий повысить количество выявляемых дефектов и установить необходимость их отбраковки в зонах воздействия блуждающих токов за счет точной оценки напряженно-деформированного состояния металла элементов сварных соединений с использованием ультразвуковых исследований.
     Положения, выносимые на защиту:
     1. Обоснование существенного влияния блуждающих токов на КРН сварных соединений на основе анализа и нерешенные проблемы диагностики стресс-коррозионных трещин при наличии блуждающих токов.
     2. Модель процесса образования и роста внутренних напряжений в околошовных зонах сварных стыков магистральных газопроводов, позволяющая определить наличие и глубину коррозионного растрескивания, а также выполнять прогнозирование координат дефектообразования.
     3. Разработанные на основе динамической модели принцип, способ и метод диагностик КРН, позволяющие установить наличие дефектов зон сварных соединений и координат их образования путем оценки по величине внутренних напряжений независимо от наличия блуждающих токов.

8

     4. Применение разработанного метода диагностики зон сварных соединений, показывающего высокую точность результатов контроля при наличии блуждающих токов, в результате применения которого повышается безопасность эксплуатации и снижается количество отказов магистральных газопроводов.
     Теоретическая и практическая значимость работы
     Теоретическая значимость заключается в научном исследовании процесса формирования коррозионного растрескивания под напряжением в околошовных зонах магистральных газопроводов. Кроме того, разработанные принцип, метод и способ диагностики, использование которых позволило повысить точность оценки технического состояния околошовных зон сварных стыков при воздействии блуждающих токов, могут быть эффективно применены на других участках магистральных трубопроводов.
     Практическая значимость работы:
     1. Применение метода диагностики в ООО «Газпром трансгаз Самара» на участке магистрального газопровода «Уренгой-Новоп-сков» позволило выявить в зоне воздействия блуждающих токов на 7 % больше дефектов, чем при использовании основных методов неразрушающего контроля.
     2. Материалы исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВО СамГТУ в курсе «Обеспечение безопасности на нефтехимических предприятиях».
     Методология и методы исследования
     Методология исследования заключалась в анализе процесса коррозионного растрескивания при разной величине внутренних напряжений, оценки эффективности методов диагностики газопроводов и возможности определения величины напряжений в зонах воздействия блуждающим токов, оценки изменения параметров ультразвуковой волны в зонах деформаций трубной стали.
     При лабораторных испытаниях и практическом эксперименте использовались методы металлографического исследования и неразрушающего контроля. Для обработки результатов были применены методы выявления математических зависимостей между величинами и параметрами, методами обобщения, теории вероятности и регрессионного анализа.
     Степень достоверности и обоснованности исследования подтверждается идентичностью результатов лабораторных испытаний с результатами

9

теоретических с использованием принципов динамического моделирования и эксперимента на действующем объекте газотранспортной системы.
     Основные положения и результаты работы доложены и обсуждались на: LXII международной научно-практической конференции «Теоретические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2016); III научно-практической конференции «Актуальные вопросы обеспечения безопасности жизнедеятельности» (Самара, 2016); II международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в науке и практике» (Уфа, 2017); VI международном экологическом конгрессе «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (Самара, 2017); II Международной научно-практической конференции «Булатовские чтения» (Краснодар, 2018); Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки в современном мире» (Уфа, 2018); XIII международной научно-практической конференции «Технические и физико-математические науки» (Москва, 2018); XXIII научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (Санкт-Петербург, 2018); Международной научной конференции теоретических и прикладных разработок «Научные разработки. Евразийский регион» (Москва, 2019).

10

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА
И ОСНОВНЫХ ПРИЧИН ФОРМИРОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ ИХ ДЕФЕКТОСКОПИИ

    1.1. Анализ статистических данных о причинах возникновения аварий на магистральных газопроводах

    Под безопасностью магистрального газопровода (МГ) понимается свойство сохранять во времени в установленных пределах значения функциональных параметров: безотказности, долговечности и ремонтопригодности [6, 59, 87]. По этой причине анализ видов причин аварий на МГ в зависимости от сроков его эксплуатации является основой для проведения исследований в области повышения безопасности их эксплуатации. Распределение аварий по причинам их возникновения на основе данных, публикуемых в официальных источниках, в ежегодных отчетах Ростехнадзора за 2008-2017 гг., приведено в таблице 1.1 [19].


Таблица 1.1

Распределение аварий магистрального трубопроводного транспорта (газопроводов) по причинам возникновения за период 2008-2017 гг.

Причина аварии     2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Конструктивные                                                      
недостатки         1    0     0   0    3    1     0    0   0    1   
(брак изделия)                                                      
Брак строительства 4    8     2   2    6    3     0    0   3    0   
Коррозия            15  6     6   5    6    2     6    8   5    4   
Ошибочные действия 0    1     0   1    0    0     1    0   0    0   
персонала                                                           
Износ оборудования 0    0     0   1    0    0     0    0   0    0   

11

Окончание таблицы 1.1

Причина аварии        2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Воздействие стихийных                                                  
явлений, имеющих       0    0    0    1    0    0    0    0   0     0  
естественное                                                           
происхождение                                                          
Механическое           1    1    1    4    1    3    1    2   0     0  
воздействие                                                            

    В таблице 1.2 в столбце «Ранг» обозначена величина частоты аварий по соответствующей причине, т. е. чем меньше ранг, тем больше частота. Ранги аварийности по причинам возникновения, а также вероятности возникновения аварий газопроводов по причинам, приведены в таблице 1.2. Рассчитаем суммарное количество аварий за 2008-2017 гг. [87].


Таблица 1.2

Общее число аварий, ранги и вероятности аварий газопроводов по причинам возникновения за 2008-2017 гг.

                              Число аварий       Вероятность 
       Причина аварии         за 2008-2017 Ранг возникновения
                                  гг.              аварии    
Коррозия и КРН                     63       1       0,543    
Брак строительства                 28       2       0,241    
Механическое воздействие           14       3       0,121    
Конструктивные недостатки          6        4       0,052    
(брак изделия)                                               
Ошибочные действия персонала       3        5       0,026    
Воздействие стихийных                                        
явлений, имеющих естественное      1        6       0,009    
происхождение                                                
Износ оборудования                 1        6       0,009    

     Таким образом, анализируя данные таблицы 1.2, можно сделать вывод, что наиболее часто встречающиеся дефекты, приводящие к аварии МГ, это: коррозия металла трубы, коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) и брак строительства. Это положение подтверждает, что наибольшая вероятность возникновения аварий имеет место из-за коррозии



12

металла трубы и наличия дефектов, которые составляет 54% и 24 % от общего количества, т. е. более чем в половине случаев возникновения аварий за 10-летний период. Диаграмма с вероятностью возникновения аварий на МГ по причинам их возникновения показана на рисунке1.1.



■  Конструктивные недостатки (брак изделия)

■  Брак строительства


■  Коррозия металла трубы


  Ошибочные действия персонала при эксплуатации



Рисунок 1.1 - Вероятности возникновения аварий по причинам возникновения за2008-2017 гг. [58]


     Объединенные данные по количеству аварий по причине внутренней и наружной коррозии, а также по дефектам труб и браку строительно-монтажных работ (СМР) приведены на рисунке 1.2. Анализ их позволяет сделать вывод, что одной из основных причин аварий на газопроводах является брак (СМР) при ремонте и сооружении и коррозионное воздействие на трубы газопровода, приводящее к КРН.



Рисунок 1.2 - Диаграмма аварий по причинам их возникновения с объединенными данными по коррозии, дефектам труб и браку СМР [71] 13