CC BY
22влияние упругой энергии сжатого газа
на развитие коррозионных и коррозионно-механических трещин в магистральных газопроводах
УДК 622.691.4
К.Д. Басиев, д.т.н., проф., ФГБОУ ВО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(Государственный технологический университет)» (Владикавказ, РФ)
К.М. Дзиоев, ООО «Стройгазконсалтинг» (Санкт-Петербург, РФ), [email protected]
А.Д. Алборов, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(Государственный технологический университет)»
Т.М. Дзуцев, ФГБОУ ВО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет)», [email protected]
Разработана методика оценки склонности трубных сталей и сварных соединений к зарождению коррозионных и стресс-коррозионных трещин. Рассмотрены результаты исследования закономерностей развития поверхностных полуэллиптических трещин при циклическом нагружении и действии коррозионных сред. Развитие поверхностных трещин изучалось в зависимости от уровня рабочих напряжений, коррозионных сред, термодеформационного цикла сварки и степени жесткости напряженного состояния. Определение коррозионной и стресс-коррозионной трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений выполнялось на разработанных образцах, которые моделируют не только геометрию трубы и напряженное состояние, но и весь комплекс технологической наследственности металла труб. Проведены исследования влияния запаса упругой энергии газа на коррозионные и стресс-коррозионные разрушения магистральных газопроводов и предложена модель развития поверхностных дефектов в зависимости от запаса упругой энергии сжатого газа. Выявлено, что упругая энергия сжатого газа в магистральном газопроводе в 4,25 раза больше энергии в нефтепроводе, зависит от диаметра и давления, при этом склонность к стресс-коррозионным повреждениям газопроводов возрастает с увеличением диаметра трубы. Увеличение запаса упругой энергии в газопроводе способствует накоплению повреждений и активизирует процессы коррозионного растрескивания под напряжением. Выявлена связь между величиной удельной упругой энергии сжатого газа и скоростью роста параметров трещины. Полученные результаты позволяют прогнозировать степень опасности трещин и определять запас прочности дефектной трубы. Анализ результатов свидетельствует о том, что трубопроводы диаметром 1220 и 1420 мм в большей степени склонны к стресс-коррозии, что, возможно, связано с большой накопленной энергией сжатого газа.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: КОРРОЗИЯ, СТРЕСС-КОРРОЗИЯ, МАГИСТРАЛЬНЫЙ ГАЗОПРОВОД, НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, УПРУГАЯ ЭНЕРГИЯ, ПОВЕРХНОСТНАЯ ТРЕЩИНА.
Наиболее опасным дефектом магистральных газо- и нефтепроводов, эксплуатирующихся в сложных природно-климатических условиях, испытывающих воздействие двухосного напряженного состояния и циклических нагрузок, являются коррозионные и стресс-коррозионные повреждения.
Использование для газопроводов большого диаметра стали по -вышенной прочности позволило увеличить давление перекачиваемого газа. Газопроводы диаметрами 1420 и 1220 мм накапливают значительное количество энергии перекачиваемого газа, а также энергии упругой деформации стенки трубопровода и
представляют серьезную опасность вследствие коррозионного и стресс-коррозионного разрушения.
Для изучения и анализа условий коррозионных и стресс-коррозионных разрушений трубопроводов наряду с напряженным состоянием металла трубы, воздействием коррозионно-активных сред не-
Basiev K.D., Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Federal State Budgetary Eductional Institution of Higher Education "North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University)" (Vladikavkaz, Russian Federation)
Dzioev K.M., Stroygazconsulting LLC (Saint Petersburg, Russian Federation), [email protected] Alborov A.D., Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Federal State Budgetary Eductional Institution of Higher Education "North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University)"
Dzutsev T.M., Federal State Budgetary Eductional Institution of Higher Education "North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University)", [email protected]
Influence of elastic strain energy of compressed gas on the development of corrosion and mechanical-corrosion cracks in the main gas pipelines
The methodology for estimating the tendency of pipe steels and welded joints to the generation of corrosion and stress-corrosion cracks is developed. The results of studying the regularities of the development of surface semielliptic cracks under cyclic loading and the action of corrosive media are considered. The development of surface cracks was studied depending on the level of working tensions, corrosive media, thermal deformation welding cycle and the degree of rigidity of the stressed state. The corrosion and stress-corrosion cracking resistance of pipe steels and welded joints was carried out on the developed samples, which simulate not only the geometry of the pipe and the stressed state, but also the entire complex of technological heredity of the pipe metal.
The investigations of the influence of the reserve of gas elastic strain energy on corrosion and stress-corrosion destruction of main gas pipelines were carried out and the model for the development of surface defects, depending on the storage of the elastic strain energy of the compressed gas was proposed. It is revealed that the elastic strain energy of the compressed gas in the main gas pipeline is 4.25 times higher than the energy in the pipeline, it depends on the diameter and pressure, and the tendency to stress-corrosion damage of gas pipelines increases with the increase in the diameter of the pipe. Increasing the reserve of elastic strain energy in the gas pipeline contributes to the accumulation of damages and activates the processes of stress-corrosion cracking. The relationship between the value of the specific elastic strain energy of the compressed gas and the rate of the crack parameters growth is revealed.
The obtained results allow to predict the degree of danger of cracks and to determine the safety margin of the defective pipe. Analysis of the results suggests that pipelines with a diameter of 1220 and 1420 mm have greater tendency to stress corrosion, that is probably connected with the large accumulated energy of the compressed gas.
KEYWORDS: CORROSION, STRESS-CORROSION, MAIN GAS PIPELINE, STRESSED STATE, ELASTIC STRAIN ENERGY, SURFACE CRACKS.
обходимо рассмотреть влияние запаса упругой энергии газа в трубопроводе.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Запас удельной потенциальной энергии в газопроводе зависит от диаметра трубы и величины рабочего давления:
сР Р
а
где d - диаметр трубы, м; Рг - давление газа, МПа; Ра - атмосферное давление, МПа.
На рис. 1 представлены графики зависимости упругой энергии сжатого газа от давления при разных диаметрах трубы.
Приведенный график хорошо коррелируется с данными зависимостей стресс-коррозионных повреждений труб от диаметров
70
a z 60
s: CO ОЭ 50
E К c= Ш e 40
s 1_ E
CD z to и 30
m к ■a
та аз 20
Сn
сэ 10
0
3 4 5 6 7 Давление, МПа Pressure, МРа
О, ММ D, mm
—1420 — 1220 — 1020
10
Рис. 1. Зависимость упругой энергии сжатого газа от давления при разных диаметрах трубопровода
Fig. 1. Dependence of the elastic strain energy of compressed gas on pressure for different pipeline diameters
инспектируемых газопроводов [1] (рис. 2).
Анализ результатов (см. рис. 2) свидетельствует о том, что трубопроводы диаметром 1220 и 1420 мм в большей степени склон -ны к стресс-коррозии. Возможно, это связано с большой накоплен -ной энергией сжатого газа.
Энергия в нефтепроводе суммируется из двух слагаемых. Одна часть обусловлена упругими свойствами нефти, вторая - гидростатическим давлением:
U
н 8£ н
(2)
где Рн - давление нефти, МПа; Е = 1,35109 Н/м2 [2].
Энергия в нефтепроводе, обусловленная гидростатическим давлением,равна
U
н 4 н
(3)
На рис. 3 представлена зависимость отношения энергии газа к энергии нефти в трубопроводе диаметром 1420 мм от давления. Приведенный график свидетельствует о том, что при давлении 7,1 МПа удельная энергия газопровода в 4,25 раза больше, чем в нефтепроводе.
Проведенные исследования посвящены моделированию процессов зарождения и роста поверхностных трещин в стенках газопроводов и позволяют получить графики для определения критических размеров развивающейся трещины.
Процесс развития поверхностной трещины представим в виде модели, состоящей из двух после -довательно соединенных пружин А и В (рис. 4).
Колебательное движение массы т описывается следующим дифференциальным уравнением [3]:
сРх, ёх.
+ М Л + ^+ = (4)
где х1(1) - перемещение массы т; х0, х1 - величина сжатия пружины А X << х0), м; t - время, год; р - ко -
о ш
™ Тл
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
3198
1227
154
■ I
530 720 1020 1220 Диаметр газопровода, мм Gas pipeline diameter, mm
Рис. 2. Распределение дефектов стресс-коррозии по диаметрам труб с 2000 по 2010 г.
Fig. 2. Distribution of stress-corrosion defects by pipe diameters from 2000 to 2010
Sä®
S Ë -g- К
I g 's a
й S 2 S
ta
5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
/
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Давление газопровода или нефтепровода, МПа Pressure of the gas pipeline or oil pipeline, MPa
Рис. 3. Зависимость отношения удельных упругих энергий газа и нефти от относительного давления в трубопроводах
Fig. 3. Dependence of the ratio of specific elastic strain energies of gas and oil on the relative pressure in pipelines
а m В
Щ/ШЛШШ-
Рис. 4. Модель влияния запаса упругой энергии сжатого газа на развитие повреждений в стенке газопровода
Fig. 4. Model of the influence of the reserve of elastic strain energy of compressed gas on the development of damages in the wall of the gas pipeline
эффициент внутреннего (вязкого) сопротивления, м; к1 - жесткость пружины А, Н/м; к0 - жесткость пружины В, Н/м.
Решение дифференциального уравнения (4) с нулевыми начальными условиями имеет следующий вид:
A U', МДж Щ, MJ 0,016
0,012 0,008 0,004 0
/
/
/
/
/
2
1(
daldN, мм/цикл daldN, mm/cycle 0,05
f, год
О
0,04 0,03 0,02 0,01 О
/
1 л— 1 /
(
1
30
100
а) a) б) b)
Рис. 5. Диаграммы для определения Дс: а) изменение удельной упругой энергии, сосредоточенной на дефекте, расходуемой на его развитие с течением времени; б) кинетическая диаграмма усталостного разрушения образца - фрагмента газопровода
Fig. 5. Diagrams for determination of Дс: a) change in the specific elastic strain energy concentrated on the defect and expended on its development over time; b) kinetic diagram of fatigue failure of the sample - a fragment of gas pipeline
Xj(t) = -e~2m'
2mA, iq + k0
^sin At +
ki + ko J ki + ko где
wl^
и
4m2'
(6) a = (0,68±0,04)^tf
При t -* oo формула (5) асимпто тически приближается к следую щей формуле:
кх.
при 0 0,4,
(10)
у _ "10
(7)
Численное значение x0 опреде-ляется из выражения
*0 =
2Д U
(8)
где ДЦ - удельная потенциальная энергия газа в трубопроводе, сосредоточенная на трещине.
Коэффициент жесткости пружины А, имитирующий упругие свойства сжатого газа, определен по закону Бойля - Мариотта и равен
при 0 < 0,4.
k = P.2I,
(9)
где I - полудлина трещины, м.
В процессе устойчивого развития трещина принимает овальную форму, которую приближенно
Из (12) и (13) определяем ДГ: h
AF= 0,68fc1Ca^gAa.
(14)
Следовательно, жесткость корпуса трубы, содержащей трещину, равна
(15)
Изменение энергии, которая сосредоточена на участке трубы с трещиной и расходуема на раз -витие дефекта, равна
А(Г
х2 к^
(16)
можно считать полуэллиптической. В общем случае полуэллиптической трещины в полосе (5) имеется следующие приближенное выражение для коэффициента интенсивности напряжений (с погрешностью менее 10 %) [4]:
где х1 определяется по формуле (7).
Удельную упругую энергию, сосредоточенную на дефекте и расходуемую на его развитие, также можно выразить через прирост размеров дефекта по формуле, приведенной в [5]:
4 к2
au; = з^дс,
(17)
где кК - вязкость разрушения, МПа^м; а - глубина трещины, м; Л - толщина стенки газопровода, м.
Жесткость корпуса стенки трубы определяется из условия равновесия (10) и напряжений от давления газа в трубе:
„,.„ к.г РН-Ы Уз 2Мм
где Дс - прирост площади дефекта, м2.
Приравнивая (16) и (17), получаем значение прироста размеров дефекта по поверхности или по глубине трубы:
Дс =
ЪЕ кп
к2-х 2 *1 Ло
4^2 + к0Г
(18)
(11)
(12)
где Г - кольцевое усилие, действующее в стенке трубы от давления газа в трубе, Н.
Придадим величинам Рйг/2 и а приращения:
(13)
Для определения Дс необходимо воспользоваться расчетно-экс-периментальными данными по изменению упругой энергии (рис. 5а) и кинетической диаграммой усталостного разрушения для стали Х70 (рис. 5б). На рис. 5а, 5б точки 1 и 2 соответствуют значениям коэффициентов интенсивности напряжений 40 и 70 МПа^м соответственно.
Используя зависимость (18) и рис. 5а, 5б, получим графики пре -дельно и условно допускаемых размеров дефектов по энергетической теории (рис. 6, кривые 1 и 2 соответственно).
Аналогичную задачу по определению условно допускаемых размеров дефектов получим с по-
s?
<3 о
РГ«
3 ей о
Е
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
7
\
2
3
200
400
600
1000
Длина дефекта, мм Defect length, mm
Рис. 6. Результаты расчета размеров предельно допустимых дефектов коррозионного растрескивания под напряжением
Fig. 6. Results of calculation of the dimensions of the maximum permissible defects of stress-corrosion cracking
мощью теории механики хрупкого разрушения [5], по формуле (19) и проведем сопоставление с результатами, полученными по энергетической теории:
а2 „ „„ Р{ё-2И) „
0,75/с1Г—+0,48 . "• п_2л_ 9)
,,_Р(£/-2/О . .а' (19) ' ~ 2й - к1С + кс-
где Р - давление в газопроводе, МПа; к1 - коэффициент интенсивности напряжений, МПаУм.
Приведенное неравенство (19) позволяет рассчитывать допускаемые размеры дефектов по поверхности и глубине для магистральных газопроводов с учетом их диаметра, толщины стенки, марки стали, рабочего давления и к = 40 МП Ум (см. рис. 6, кривая 3).
Предельно и условно допустимые размеры дефекта, полученные энергетическим методом, достаточно хорошо согласуются с условно допустимыми размерами дефекта, полученными с использованием теории механики хрупкого разрушения.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что они могут быть использованы при оценке степени опасности дефекта. Сопоставление критической трещины с размерами развивающейся трещины при лабораторных испытаниях делает возможным определение запаса дефектной трубы по уровню дав -ления и принятие обоснованного
решения о последующих действиях [6, 7]: немедленное удаление дефектного места или его ремонт тем или иным способом; сохранение прежних условий эксплуатации газопровода в течение определенного срока (гарантированного остаточного ресурса) с последующим повторным внеплановым обследованием дефектного места; сохранение прежних условий эксплуатации до проведения очередного планового обследования участка газопровода (при восстановлении состояния изоляционного покрытия и параметров электрохимической защиты).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Упругая энергия сжатого газа в магистральном газопроводе в 4,25 раза больше энергии в нефтепроводе. Упругая энергия сжатого газа в газопроводе зависит от диаметра и давления, а склонность к стресс-коррозионным повреждениям газопроводов возрастает с увеличением диаметра трубы. Предложена модель роста поверхностных трещин в зависимости от запаса упругой энергии сжатого газа, позволяющая определить предельно и условно допустимые размеры трещин. Предельно и условно допустимые размеры дефекта, полученные методом оценки энергии, позволяют более точно прогнозировать развитие поверхностных трещин в магистральных газопроводах. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по гидравлике / под ред. В.А. Большакова. Киев: Издательское объединение «Вища школа», 1977. 280 с.
2. Гутер Р.С., Янпольский А.Р. Дифференциальные уравнения. М.: Высшая школа, 1976. 303 с.
3. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 6 40 с.
4. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. 712 с.
5. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. М.: Недра, 2000. 467 с.
6. Алимов С.В., Долгов И.А., Горчаков В.А. и др. Диагностика коррозионного растрескивания газопроводов. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 84 с.
REFERENCES
1. Handbook of Hydraulics. Edited by V.A. Bolshakov. Kiev, Publishing Association "Vishcha Shkola", 1977, 280 p. (In Russian)
2. Guter R.S., Yanpolsky A.R. Differential Equations. Moscow, Vysshaya Shkola, 1976, 303 p. (In Russian)
3. Cherepanov G.P. Mechanics of Brittle Fracture. Moscow, Nauka, 1974, 640 p. (In Russian)
4. Rabotnov Yu.N. Mechanics of Deformable Solid. Moscow, Nauka, 1988, 712 p. (In Russian)
5. Kharionovsky V.V. Reliability and Resource of Gas Pipeline Constructions. Moscow, Nedra, 2000, 467 p. (In Russian)
6. Alimov S.V., Dolgov I.A., Gorchakov V.A., et al. Diagnostics of Corrosion Cracking of Gas Pipelines. Ekaterinburg, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2004, 84 p. (In Russian)
