Сопротивляемость газопроводов стресс- коррозионному разрушению в процессе эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Ю.В. Казаков, инженер-механик, ООО «Эр Ликид Восток», e-mail: [email protected]; А.Е. Зорин, к.т.н., начальник отдела инструментального контроля ЭАЦ «Оргремдигаз», ОАО «Оргэнергогаз», e-mail: [email protected]; Н.Е. Зорин, к.т.н., научный сотрудник, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», e-mail: [email protected]

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ГАЗОПРОВОДОВ СТРЕСС-КОРРОЗИОННОМУ РАЗРУШЕНИЮ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В статье рассмотрены некоторые подходы к определению причин образования стресс-коррозионных дефектов. На основе анализа результатов диагностических обследований линейной части магистральных газопроводов показано, что причина образования стресс-коррозионных дефектов не связана с наличием каких-либо конкретных дефектов металла или самой трубы, а должна определяться особенностями структурного состояния трубной стали, сформировавшегося в результате металлургического и технологического передела. На основе анализа дислокационной структуры показано, за счет каких механизмов происходит ускоренное развитие дефектов в местах концентрации напряжений и дефектов структуры.

Ключевые слова: газопровод, стресс-коррозия, диагностика, дислокационная структура.

Стресс-коррозионное разрушение газопроводных труб обычно определяется как образование сетки параллельно ориентированных трещин на внешней поверхности трубы, распространяющихся перпендикулярно направлению действия максимальных напряжений. Как правило, трещины ориентированы в продольном направлении относительно оси трубы, что обусловлено определяющим в большинстве случаев действием напряжений, создаваемых внутренним давлением перекачиваемого продукта.

При изучении механизма и возможных причин зарождения стресс-коррозионных дефектов и, как следствие, последующего разрушения газопроводов [1-6] очень часто предполагается связь возникшего разрушения с наличием различного рода отклонений по химическому составу металла, его механическим свойствам, наличием в локальной области металлургических дефектов, дефектов структуры, дефектов, связанных с технологией производства труб, и т.д. Подобные отклонения

обычно обнаруживаются при изучении в лабораторных условиях металла труб с мест аварийных разрушений газопроводов в процессе эксплуатации, после гидравлических переиспытаний и сравнения полученных результатов с характеристиками металла труб из аварийного запаса. В частности, анализ характеристик металла с мест аварий показывает [1, 3, 6], что в очаге разрушения, как правило, значительно снижена пластичность и несколько превышены прочностные характеристики, такие как предел текучести и временное сопротивление, повышена твердость. По химическому составу могут быть значительные превышения по содержанию вредных примесей, сере и фосфору, недостаток или резкое превышение основных легирующих элементов (кремния и марганца), а также загрязненность примесными элементами, неметаллическими включениями и т.д.

Очевидно, что подобные отклонения должны приводить к снижению кор-розионно-механической прочности

металла вследствие сильной деградации структуры и, соответственно, снижения пластических свойств и появления склонности к хрупкому разрушению, а также структурной неоднородности. И появление при этом стресс-коррозионных дефектов, представляющих собой микрохрупкое разрушение металла стенки газопровода под воздействием коррозионной среды и напряжений в конструкции, может быть объяснено именно наличием данных отклонений.

Однако появление стресс-коррозионных дефектов на газопроводах невозможно связать с наличием каких-либо конкретных типов дефектов металла или самой трубы либо определенных отклонений по структурному или химическому составу металла. А в некоторых случаях в зонах образования стресс-коррозионных дефектов какие-либо отклонения от стандартных характеристик металла ни по свойствам, ни по структуре вообще не обнаруживаются. Помимо лабораторных исследований металла труб, подверженных стресс-

■А

I 16

£ (г

Ъп £

I 5

£ ^

КС

—I "I I—I——

О й

1—1 1 1 I—■■■'—Г"

Перетопят ЕЯ -

тгх.

4-

КС

а)

К'З: Н 3 1.-1 Ь

V

чаг то к I 1«) п 11 г ■ вал» ки

—г---I—г

и-. ■л «1 л а -г-* ™ -л

1*ч"1 гт> ^ чу чр чу

^Ч С Л 1Л £ чй-7Г чу *

КП(14б|]

20

а ш 16

£

12

ШТ

□

-

1

А

о ч

КС

I

Пере изоляция 2012 г

4-»

1 1 Т I I I -Г' гч

К'

К

•О т} Ш ф

о

ч

±0

я;

а =

о

ч

<Гч1

ш г+>

1Л

■с

о ас ф ю

б)

К31Ш1.4)

УЧ1 СI ои I П} га и проводя г К я

КП I 1461 ^

Рис. 1. Распределение стресс-коррозионных дефектов на участке газопровода: а) ВТд 2001 г.; б) ВТд 2007 г.

коррозии, одним из основных источников информации о закономерностях стресс-коррозионного процесса, а также об определяющих данный процесс условиях и факторах, являются результаты диагностических обследований газопроводов.

В настоящее время в наиболее полной мере оценить стресс-коррозионное состояние системы магистральных газопроводов позволяют результаты внутритрубной дефектоскопии (ВТД) и отбраковки труб в процессе проведения капитального ремонта газопроводов. Значительная протяженность линейной части магистральных газопроводов позволяет оценить склонность к образованию дефектов КРН на газопроводах,

эксплуатирующихся в различных природно-климатических условия и при различных условиях нагружения, в частности в зависимости от расстояния до компрессорной станции, а регулярность проведения обследования (до одного раза в три года) на наиболее поврежденных участках позволяет частично оценить развитие процесса во времени.

На рисунке 1 приведено распределение дефектов на участке проведения внутритрубной дефектоскопии (1341,4-1461 км) магистрального газопровода, по данным,полученным в 2001 и 2007 гг.

Как видно на рисунке, дефекты распределены неравномерно и практически

все локализованы на участках, располагающихся в пределах 20 км от компрессорный станции. Особенностями режимов эксплуатации данных участков являются повышенное давление, температура эксплуатации, а также присутствие циклических нагрузок различной частоты и асимметрии, связанных с работой оборудования компрессорной станции. Подобное нагружение, как известно, приводит к ускоренному развитию трещиноподобных дефектов как в инактивных внешних условиях, так и в условиях коррозионного воздействия [7].

Применение в 2007 г. при проведении ВТД более совершенного оборудования привело к выявлению большего коли-

www.neftegas.info

\\ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ \\ 45

Рис. 2. Распределение отказов МГ, связанных со стресс-коррозией, в зависимости от удаленности от КС

чества дефектов, однако на распределение дефектов по длине участка это не повлияло.

Несмотря на то что внутритруб-ные снаряды имеют ограниченную чувствительность к обнаружению стресс-коррозионных дефектов и с их помощью удается обнаруживать только крупные, развитые дефекты, результаты, приведенные на рисунке 1, позволяют говорить о наличии зон, обладающих специфическим набором свойств и параметров металла, самой трубы либо условий эксплуатации, определяющих, по всей видимости, ускоренное развитие в этих местах стресс-коррозионных дефектов в сравнении с соседними участками. В случае несвоевременного проведения ремонтных работ очевидно, что именно развитие одного из этих дефектов приведет к разрушению трубопровода. А исследования характеристик металла в этих зонах или очаге вызванного ими разрушения будут показывать в большинстве случаев наличие дефектов структуры металла,технологии про-

изводства труб,исходных дефектов поверхности и т.д., что подтверждается результатами приведенных выше исследований. Либо исследование условий эксплуатации трубопровода будет показывать наличие непроектных нагрузок и воздействий. В 2012 г. рассматриваемый участок был частично отремонтирован методом переизоляции (рис. 1). При проведении диагностических работ были выявлены многочисленные стресс-коррозионные дефекты, глубина которых в основном не превышала 10-15% толщины стенки трубы. Анализ характера и распределения выявленных дефектов показал, что растрескиванию могут быть подвержены как локальные участки трубопроводов протяженностью в несколько труб, так и протяженные участки, достигающие нескольких сотен метров, с дефектами почти на каждой трубе. При этом отдельные зоны растрескивания могут по длине достигать всей длины трубы, а в ширину - половины ее окружности. При рассмотрении локальных участков трубопровода, подверженных КРН, как

правило, обнаруживаются дефектные зоны, глубина которых значительно превышает глубину основного количества дефектов, что свидетельствует об ускоренном развитии трещин в этих зонах по сравнению с остальными. Резюмируя отмеченные особенности появления и развития дефектов КРН, можно сказать, что развитие стресс-коррозионного процесса на начальной стадии [8] аналогично коррозионному процессу, возможность реализации которого определяется доступом электролита к поверхности металла и созданием в данной среде требуемого потенциала. Только в случае со стресс-коррозией требуются более сложные условия, определяемые большим числом внешних факторов. А с точки зрения самой конструкции возможность стресс-коррозионного растрескивания, по всей видимости, связана с наличием определенного структурного состояния металла, характерного для всего класса таких конструкционных материалов, как трубные стали, и реализуется при условии создания на поверхности металла специфических условий, обеспечивающих возможность локализации анодного процесса, и наличия напряжений в конструкции, превышающих некоторую пороговую для данных условий величину.

В дальнейшем скорость развития дефектов и переход к стадии ускоренного роста будут определяться сопротивляемостью металла труб коррозионно-механическому разрушению, которая, в свою очередь, зависит как от собственной дефектности металла в зоне разрушения (дефектов поверхности металла и дефектов структуры), так и от условий нагружения и напряженно-деформированного состояния на данном участке трубопровода. К примеру, какие-либо

Рис. 3. дислокационная структура исследованных образцов (увеличение х 30 000)

а) дислокационная структура образца № 1 (характерна по всей толщине образца);

б) дислокационная структура центральной части образца № 2 и частично встречающаяся на его наружной поверхности;

в) дислокационная структура по всей толщине образца № 3 и на наружной поверхности образца № 2

конкретные металлургические или технологические дефекты трубы при реализации стресс-коррозионного разрушения становятся, как правило, местами локализации и ускоренного протекания процесса. Зависимость скорости роста стресс-коррозионных дефектов от условий нагружения хорошо подтверждается статистикой отказов магистральных газопроводов (рис. 2). Как видно на рисунке, количество отказов, связанных со стресс-коррозией, экспоненциально увеличивается с уменьшением расстояния до места выхода газа с компрессорной станции. Как уже отмечалось ранее, условия нагружения участков, прилегающие к КС, характеризуются высокочастотными циклическими нагрузками с небольшой амплитудой, повышенной температурой и давлением. При этом, как показывают результаты отбраковки труб при капитальном ремонте линейной части магистральных газопроводов, на участках, подверженных в данных условиях стресс-коррозии, дефекты в достаточном количестве могут присутствовать на всем протяжении между компрессорными станциями. Рассматривая отдельно влияние механических факторов, связанных с

особенностями нагружения газопровода, на скорость развития стресс-коррозионных дефектов, очевидно, что в случае близости дефектов к компрессорной станции, ускорение роста дефектов будет связано с задействованием усталостного механизма развития. То есть в условиях сложного квазистатического нагружения сформировавшиеся стресс-коррозионные трещины, достигая определенной глубины, определяющей их чувствительность к данным внешним условиям нагружения, становятся концентраторами напряжений, в которых происходит преимущественное накопление металлом поврежденности, что в конечном итоге приводит к исчерпанию пластичности металла в этой области и ускорению роста дефектов.

Для наглядного подтверждения реализации на газопроводах указанных процессов были проведены исследования дислокационной структуры металла [9], поскольку накопление металлом поврежденности характеризуется эволюцией его дислокационной структуры.

Исследования производились посредством электронной микроскопии метал-

ла на трех различных образцах: образец № 1 - из трубы стали 17Г1С, Ду 1200 мм, находящейся в аварийном запасе; образец № 2 - из трубы стали 17Г1С, Ду 1200 мм, после 21 года эксплуатации; образец № 3 - из той же трубы, что и образец № 2, но вырезанный из металла под коррозионной каверной диаметром 40 мм и глубиной 25% толщины стенки. Для проведения электронной микроскопии использовался микроскоп ЛЕМ200СХ с ускоряющим напряжением 120 кВ. Заготовки в виде пластинок толщиной ~0,3 мм вырезались электроэрозионным способом параллельно наружной поверхности металла с расстояния от поверхности в ~0,1 мм, а также с шагом в 2 мм по всей толщине образцов. Далее образцы механически утонялись до толщины ~0,1 мм и окончательно утонялись методом электролитической полировки в стандартном для материалов на основе железа электролите. Результаты исследований приведены на рисунке 4. Дислокационная структура образца № 1 характеризуется наличием одиночных дислокаций низкой плотности и отсутствием их скоплений (рис. 3а). Данная структура наблюдается по всей толщине образца.

пдв^попьсшм вдийэлгсд

Су СИГНАЛ

U-v

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ

СИЗ-ИП - ctanuHH »;а г ОДНОЙ пащкцц

с импульсным преобразованием

различных модификаций

КИП ít, КИП-ЛП - стойки центрально-

нэыернтельного пункта чэ полимерных и^риапт

* Е-^Яп&Эр Евпоинтичвни выПртННПОИ

* EVSÉI^El ■ выпрямители с ручным упрлилечнвм

* Слаки диадно-резистчэрные

* £¿iíí)- электгродремлив полчриюирчмыс

* - м ета п л и чес кие стой ни ДОНТ рОП ü MO-VIIMfl-p и тс п ь «ого ti у н N.T3

4 ЕСЗШЗ ыедиосупьфатные эл*кгроды сравнений

* ЕШ5№ ■ frnoktí пластннчшди на торов

CHQpOtTM Щфрозни

А ЭрЕЗЗН ЕЮФО - И iUOpMT(í1M ПйТенциаЛйы

цифровые

->ас с и II, 3 tS У J Т г. Ст а и по пол ь. 2 - к КЛ-га - j ,1 г ,1;; ih-:.i н л рон- щ, Ы .1

Теп.: |£Ь51) TT.-9fl.3-2., H.lS.ÚS, 7T.ST 16

Süífr; ТГН-7А

E-TlRii: iniflrítlngOflIgnittF.ni:

Дислокационная структура поверхности образцов № 2 и 3 представляет собой псевдоячеистые формирования, состоящие из практически бездефектных участков размером ~0,3-0,5 мкм и стенок (дислокационных скоплений высокой плотности) толщиной в 2-3 раза меньшей (рис. 3в). Однако на поверхности образца № 2 встречаются также участки с меньшей плотностью дислокаций и меньшей выраженностью ячеистой структуры (рис. 3б), которые по мере отдаления от наружной поверхности начинают преобладать. На поверхности образца № 3 такие участки не наблюдаются, и даже по мере отдаления от наружной поверхности дислокационная структура, приведенная на рисунке 3в, является доминирующей. Полученные результаты однозначно свидетельствуют о кардинальных изменениях, произошедших в дислокационной структуре металла газопровода в процессе его эксплуатации. Причем безотносительно того, в течение какого времени газопровод эксплуатировался с коррозионной каверной, можно говорить о том, что изменения дислокационной структуры металла под дефектом еще более ярко выражены. Таким образом, результаты эксперимента подтверждают, что уровень и характер нагрузок, которые воспринимает газопровод в процессе эксплуатации, являются достаточными для того, чтобы

в его металле происходило накопление повреждений, и в первую очередь в зонах концентрации напряжений. При этом наличие в этих зонах металлургических дефектов, дефектов структуры, остаточных напряжений или других факторов, снижающих трещиностой-кость, будет способствовать еще большему ускорению процесса повреждаемости и исчерпания ресурса металла. В результате на участках газопроводов, эксплуатирующихся в условиях воздействия непроектных нагрузок или повышенного нестационарного нагружения, сложного напряженно-деформированного состояния или имеющих значимую металлургическую или технологическую дефектность элементов, будет происходить образование большего количества и на более ранних этапах эксплуатации дефектов значительной глубины по сравнению с соседними участками, подверженными в данных условиях стресс-коррозии. Наличие подобной неоднородной поврежден-ности, вызванной различной сопротивляемостью стресс-коррозионному разрушению в процессе эксплуатации участков по длине газопровода, может стать основой для формирования системы мониторинга стресс-коррозионного состояния, базирующейся на контроле наиболее поврежденных участков, а также подходов к оценке степени опасности выявляемых стресс-

коррозионных дефектов и технического состояния газопроводов.

Литература:

1. Канайкин В.А. Диагностика коррозионных повреждений магистральных газопроводов / Под ред. В.Ф. Чабуркина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 104 с.

2. Арабей А.Б., Есиев Т.С. Актуальные вопросы производства труб с повышенной стойкостью к стресс-коррозии // Проблемы системной надежности и безопасности транспорта газа: Сб. науч. тр. - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2008. - 332 с.

3. Канайкин В.А., Матвиенко А.Ф. Разрушение труб магистральных газопроводов: Современные представления о коррозионном растрескивании под напряжением. - Екатеринбург, 1997. - 102 с.

4. Салюков В.В., Медведев В.Н., Тухбатуллин Ф.Г. и др. Влияние технологии производства труб на их предрасположенность к коррозионному растрескиванию под напряжением.

- М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 116 с.

5. Репин Д.Г., Лисин В.Н., Спиридович Е.А., Никитина Н.Е. Влияние технологии изготовления труб большого диаметра на возможность их КРН // Газовая промышленность.

- 2008. - № 7. - C. 74-75.

6. Отт К.Ф. Стресс-коррозия на газопроводах. Гипотезы, аргументы и факты. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - 70 с.

7. Зорин Н Е. Экспериментальная оценка работоспособности труб магистральных газопроводов при циклическом нагружении: Дисс. на соискание ученой степень канд. техн. наук: 24.00.19. - Москва, 2010. - 149 с.

8. Казаков Ю.В., Зорин Н.Е. Особенности кинетики развития стресс-коррозионного процесса // Нефть, газ и бизнес. - 2012. - № 10. - С. 62-66.

9. Зорин А.Е. Причины возникновения тре-щиноподобных дефектов на газопроводах // Газовая промышленность. - 2012. - № 5. - С. 54-57.

Anticorrosive protection

Y.V. Kazakov, piping and mechanical engineer, Air Liquide Vostok LLC; A.E. Zorin, Candidate of Technical Sciences, head of division, Subsidiary Joint-Stock Company Orgenergogaz JSC; N.E. Zorin, Candidate of Technical Sciences, research scientist, Gazprom VNIIGAZ LLC

Gas pipelines resistance to stress-corrosion cracking in the process of operation

Many studies to determine causes of stress-corrosion cracking (SCC) evidence that SCC-defects may be associate with the defects of structure, composition deflection, defects of pipe form and other defects. In this article on base of main pipeline in-pipe inspection and rebuilding result analysis was elucidated that possibility of SCC-defects formation is determined the features of pipeline steel due to metallurgical and technological production pipe processes. The non-stationary tension in pipeline wall results in micro damage accumulation and, as a consequence, increasing the rate of SCC-defects proceed, especially, in regions with defects of structure and other. This correlation was confirmed examination of metal dislocation structure.

Keywords: gas pipeline, stress-corrosion cracking, diagnostic, dislocation structure

References:

1. Kanaykin V.A. Diagnostika korrozionnykh povrezhdenyi magistral'nykh gazoprovodov (Diagnostics of main gas pipelines corrosion damage) / Under the editorship of V.F. Chaburkin - Moscow: Publishing House of Bauman MSTU, 2000. - 104 p.

2. Arabey A.B., Yesiev T.S. Aktual'nye voprosy proizvodstva trub s povyshennoi stoikost'yu k stress-korrozii (Topical issues of increased stress-corrosion resistance pipe production) // Problems of gas transportation system reliability and safety: Collection of scientific papers - Moscow: VNIIGAZ LLC, 2008. - 332 p.

3. Kanaykin V.A., Matvienko A.F. Razrushenie trub magistral'nykh gazoprovodov: Sovremennye predstavleniya o korrozionnom rastreskivanii pod napryazheniem (Main gas pipelines failures: Modern concepts of stress corrosion cracking). - Yekaterinburg, 1997. - 102 p.

4. Salyukov V.V., Medvedev V.N., Tukhbatulin F.G. et al. Vliyanie tekhnologii proizvodstva trub na ikh predraspolozhennost' k korrozionnomu rastreskivaniyu pod napryazheniem (Impact of pipes production technology on their tendency for stress corrosion cracking). - Moscow: Information and Advertising Center of Gazprom LLC, 2007. - 116 p.

5. Repin D.G., Lisin V.N., Spiridovich Ye.A., Nikitina N.Ye. Vliyanie tekhnologii izgotovleniya trub bol'shogo diametra na vozmozhnost' ikh KRN ( Impact of large diameter pipes production technology on the possibility for their stress corrosion cracking) // Gas industry. - 2008. - No. 7. - P. 74-75.

6. Ott K.F. Stress-korroziya na gazoprovodakh. Gipotezy, argumenty i fakty (Stress corrosion on gas pipelines. Hypotheses, arguments and facts). - Moscow: Information and Advertising Center of Gazprom, 1998. - 70 p.

7. Zorin N.Ye. Eksperimental'naya otsenka rabotosposobnosti trub magistral'nykh gazoprovodov pri tsiklicheskom naagruzhenii (Experimental evaluation of the main gas pipes cyclic operability): Thesis for Doctor of Science Degree: 24.00.19. - Moscow, 2010. - 149 p.

8. Kazakov Yu.V., Zorin N.Ye. Osobennosti kinetiki razvitiya stress-korrozionnogo protsessa (Kinetics peculiarities of stress corrosion process development) // Oil, gas and business. - 2012. - No. 10. - P. 62-66.

9. Zorin A.Ye. Prichiny vozniknoveniya tretshinopodobnykh defektov na gazoprovodakh (Causes for crack-like defects appearance on gas pipelines) // Gas industry. - 2012. - No. 5. - P. 54-57.