Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 12
1.1 Теоретические представления о процессах коррозионного растрескивания под напряжением стальных трубопроводов 12
1.1.1 Механизм локального анодного растворения 14
1.1.2 Механизм растрескивания, инициируемый водородом 16
1.1.3 Механизм коррозионной усталости 19
1.1.4 Коррозионное растрескивание под напряжением в условиях эксплуатации магистральных газопроводов 20
1.1.5 Внешние проявления коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах 22
1.1.6 Анализ современных обобщенных моделей, описывающих коррозионное растрескивание под напряжением трубных сталей как единый процесс 1.2 Факторы, определяющие зарождение и развитие процесса коррозионного растрескивания под напряжением металла труб магистральных газопроводов 40
1.3 Анализ стресс-коррозионных повреждений магистральных газопроводов 46
1.4 Существующие подходы к эксплуатации магистральных газопроводов в регионах, предрасположенных к коррозионному растрескиванию под напряжением 1.4.1 Внутритрубное техническое диагностирование 56
1.4.2 Неразрушающий контроль с применением наружных сканеров-дефектоскопов 58
1.4.3 Техническое диагностирование в шурфах 60
1.4.4 Существующие технологии ремонта труб со стресс-коррозионными повреждениями 63
1.4.5 Недостатки ремонта труб методом контролируемой шлифовки 66
1.5 Цель и задачи исследования 69
Глава 2. Расчетная модель коррозионного растрескивания под напряжением трубных сталей в грунтовых электролитах 73
2.1 Стадийный анализ образования, развития или остановки стресс коррозионных повреждений металла труб под напряжением на основе существующих модельных представлений 73
2.1.1 Инкубационный период до зарождения микротрещин 76
2.1.2 Зарождение микротрещин 78
2.1.3 Рост индивидуальной трещины в колонии 80
2.1.4 Взаимодействие трещин в колонии 84
2.1.5 Рост магистральной трещины по механизму коррозионной усталости 85
2.1.6 Основные стадии процесса коррозионного растрескивания под напряжением 2.2 Расчетная модель оценки прочности труб со стресс-коррозионными повреждениями 90
2.3 Комплекс экспериментальных исследований, направленных на обоснование длительной работоспособности магистральных газопроводов 1 2.3.1 Определение стандартных механических характеристик, структурного и химического анализа стали 118
2.3.2 Стендовые гидравлические испытания труб и трубных плетей 118
2.3.3 Лабораторные испытания образцов-моделей 123
2.3.4 Комплекс натурных экспериментов на действующих участках магистральных газопроводов 128
Глава 3. Экспериментальное обоснование работоспособности труб со стресс-коррозионными повреждениями 130
3.1 Выбор труб и подготовка образцов со стресс-коррозионными повреждениями для исследования их работоспособности 130
3.2 Экспериментальное исследование сопротивляемости трубных сталей коррозионному растрескиванию под напряжением после длительной эксплуатации трубопровода 133
3.2.1 Проведение структурного и химического анализа, а также проверка стандартных механических характеристик на соответствие требованиям ТУ 133
3.2.2 Стендовые гидравлические испытания 134
3.2.3 Лабораторные испытания модельных образцов 144
3.2.4 Опытно-промышленные испытания труб со стресс-коррозионными повреждениями в составе действующих магистральных газопроводов 146
3.3 Исследование влияния органического ингибитора коррозии в модельном грунтовом электролите на стойкость трубной стали против коррозионногорастрескивания под напряжением 151
Глава 4. Разработка предложений по нормированию стресс коррозионных повреждений и совершенствование технологии проведения ремонта труб в трассовых условиях в составе длительно эксплуатируемых магистральных газопроводов 157
4.1 Предложения по нормированию размеров стресс-коррозионных повреждений труб в составе длительно эксплуатируемых магистральных газопроводов 157
4.2 Совершенствование технологии проведения ремонта труб со стресс-коррозионными повреждениями в трассовых условиях 161
4.3 Технико-экономическое обоснование эффективности применения усовершенствованной технологии ремонта магистральных газопроводов,
подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением 172
Заключение 178
Список использованной литературы 180
- Механизм растрескивания, инициируемый водородом
- Инкубационный период до зарождения микротрещин
- Экспериментальное исследование сопротивляемости трубных сталей коррозионному растрескиванию под напряжением после длительной эксплуатации трубопровода
- Совершенствование технологии проведения ремонта труб со стресс-коррозионными повреждениями в трассовых условиях
Механизм растрескивания, инициируемый водородом
В последнее десятилетие КРН металла труб является одним из факторов, определяющих уровень технического состояния газотранспортной системы.
Стресс-коррозия или КРН является одним из опаснейших видов повреждений труб МГ, сложность и неоднозначность которого обусловлена взаимодействием факторов специфической внешней среды, напряженного состояния, структуры и свойств металла [8, 9].
В бывшем СССР первые упоминания о КРН относятся к концу 70-х годов в связи с серией разрывов газопроводов, проложенных в пустынных и полупустынных районах Средней Азии и Казахстана (газопроводы системы Бухара-Урал и Средняя Азия-Центр). По данным ООО «Югтрансгаз», на долю которого приходилось 20 30% общего числа отказов линейной части МГ по бывшему СССР, причиной четверти разрушений была признана стресс-коррозия [10].
В России проблема КРН начинает приобретать актуальность с середины 80-х годов, когда в районах Тюменской и Томской областей произошли первые разрушения газопроводов по причине образования дефектов, идентифицированных как КРН [11].
В начале 90-х гг. аварии по причине КРН случались на трассах МГ, проходящих по территориям Западной Сибири, Урала, республики Коми, Вологодской области и т.д. [12, 13]. В конце 90-х гг. география распространения КРН существенно расширилась, охватив также и центральные регионы страны [11].
В работе [14, 15] также отмечено, что наибольшую склонность к КРН обнаруживают высокопрочные материалы, в частности, термически упрочненные арматурные стали и высокопрочная проволока.
Коррозионно-механическому разрушению подвержен широкий спектр материалов при контакте с коррозионно-активными средами различного состава в процессе эксплуатации [16, 17]. При этом авторы отмечают, что данная конкретная группа (класс) материалов является чувствительной к КРН только в определенных средах. Это связано с присутствием в коррозионной среде определенных концентраций специфических химических веществ. Например, такими веществами являются ионы аммония для латуней, ионы хлора для аустенитных нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов [16, 17]. Поэтому для определенных сред граница между чувствительностью к КРН и сопротивляемостью сплава растрескиванию может быть весьма размытой: относительно небольшие изменения химического состава среды способны перевести материал в «зону риска» и подвергнуться растрескиванию. Подробный перечень комбинаций системы «материал - среда», которые приводят к возникновению поверхностных трещин и их последующему коррозионно-механическому росту перечислены в работе [17].
Стоит отметить, что не только различные металлические изделия и конструкции подвержены коррозионно-механическому разрушению при контакте с агрессивной средой. В работе [17] отмечают случаи растрескивания стёкол в присутствии воды, а также керамических изделий и полимерных материалов при контакте с коррозионной средой.
Таким образом, явление КРН трубных сталей в контакте с грунтовыми электролитами представляет собой одну специфическую комбинацию из множества комбинаций системы «материал – коррозионная среда», которые приводят к коррозионно-механическому разрушению материала.
В рамках общепринятых модельных представлений о КРН конструкционных сталей при эксплуатации в водных средах предполагается, что развитие трещин происходит по одному из следующих ведущих механизмов [16, 17, 18, 19]: - локальное анодное растворение (АР); - растрескивание, инициируемое водородом (РИВ); коррозионно-усталостное разрушение (КУ) В работах [18, 19] на основе литературных данных обсуждается возможность проявления адсорбционного понижения прочности (АПП) при растрескивании сталей в водных средах, как отдельного самостоятельного механизма КРН. В результате, авторы приходят к заключению, что при разрушении сталей в водных растворах электролитов адсорбционные эффекты выражены слишком слабо, чтобы дать заметный вклад в стадию возникновения и развития трещин, но могут быть существенными на завершающей стадии роста коррозионных трещин, предшествующей механическому долому без участия среды.
Указанные общие механизмы в значительной степени универсальны в том смысле, что проявляются при растрескивании самых разных по химическому составу и структуре сталей. Реализация того или иного механизма КРН трубной стали в конкретных условиях эксплуатации возможна только в присутствии коррозионно-активной среды, а характер проявления зависит как от состава и свойств системы «материал - среда», так и от вида напряженно-деформированного состояния, скорости изменения нагрузки.
Ниже более подробно рассмотрим модели, учитывающие в качестве ведущих механизмом КРН сталей в водных средах локальное анодное растворение стали, водородное охрупчивание или коррозионную усталость.
При ведущей роли анодного растворения КРН связано с электрохимической неоднородностью поверхности металла: различие в величине электродного потенциала разных участков поверхности приводит к возникновению гальванических пар и, как следствие, к локализованному растворению анодных участков. Образование поверхностных трещиноподобных дефектов – зародышевых микротрещин или язв за счет анодных процессов может осуществляться различными путями, например, избирательным растворением межфазных или межзеренных границ, дефектов упаковки, полос скольжения. Последующее формирование и развитие глубоких трещин с большим аспектным отношением обусловлено высокой скоростью растворения металла в вершине трещины по сравнению со скоростью растворения стенок [20, 21]. Наиболее распространенное объяснение преимущественного растворения в вершине трещины в том, что пластическая деформация в этой области приводит к разрыву пассивирующих оксидных пленок [20]. В возникающем при этом гальваническом элементе анодом является незащищенный участок поверхности металла в вершине, а катодом – покрытые защитной пленкой стенки трещины. Растворение в вершине влечет за собой увеличение локальных напряжений и сопровождается пластической деформацией, препятствующей восстановлению защитной пленки. Последнее, в свою очередь, обеспечивает дальнейшее локальное растворение. Развитию и локализации пластической деформации в окрестностях вершины способствует, вероятно, известный хемомеханический эффект [22] – пластификация приповерхностных слоев материала под влиянием электрохимических процессов на его поверхности.
Инкубационный период до зарождения микротрещин
В тоже время опыт эксплуатации, а также анализ статистики выявления дефектов КРН показывает, что не все дефекты КРН представляют опасность в отношении снижения надежности трубопровода. В особенности это касается дефектов, глубина которых не превышает 10% от толщины стенки.
Статистический анализ распределения повреждений КРН по местоположению на поверхности трубы по результатам данных НК труб при КР показал, что колонии стресс-коррозионных трещин преимущественно выявляются по основному металлу трубы, вблизи продольного сварного шва, а также по линии сплавления, кольцевого монтажного сварного шва с ориентацией от 4 до 8 часов по условному циферблату (рисунок 14).
Месторасположения повреждений КРН на поверхности труб (характерные типы) Выявленные поперечные трещины КРН были обусловлены, в основном, воздействием изгибных напряжений, значительно превышающих кольцевые напряжения от внутреннего давления продукта. Дефекты наружной поверхности околошовной зоны кольцевого сварного шва косвенно указывали также на неудовлетворительное состояние изоляционного покрытия. Случаи образования поперечных трещин КРН наблюдались и ранее, в частности, они изучены и описаны в ряде работ [37, 97, 98, 99, 100].
В работе [101] установлена зависимость типа защитного покрытия к предрасположенности к аварийным разрушениям. Так было отмечено, что все разрушенные участки газопроводов имели покрытие из полимерных лент. Кроме того, было отмечено, что для мест аварийных разрушений участков газопроводов характерны грунты следующих типов: глины, суглинки, пески и торф.
Как уже упоминалось в разделе 1.2 стресс-коррозионные повреждения, возникающие на действующих МГ, могут иметь различное происхождение (различную физическую природу зарождения и развития), являясь результатом действия тех или иных неблагоприятных факторов на элементы и конструкции трубопроводов при их изготовлении, в процессе строительства и эксплуатации. Различаются и внешние проявления КРН: расположение на конструкции, конфигурация, число, протяженность, направление очаговых и сопутствующих трещин, характер излома и так далее.
В настоящее время в трубопроводах Единой системы газоснабжения России применяются трубы, производство которых относится к разным периодам. МГ построены из труб, которые отличаются технологией выплавки стали, термомеханическим контролируемым процессом при изготовлении листа, технологией формовки и, как следствие, различиями в структуре, механических характеристиках, что определяет их последующую стойкость против проявления КРН по данным [9, 10, 79, 102].
В качестве примера на рисунке 15 показано долевое распределение инцидентов по причине КРН, выполненных из труб с пленочной изоляцией производства ХТЗ диаметром 1420 мм, большинство из которых эксплуатируется
Сопоставление сроков службы до разрушения МГ по причине КРН показывает, что наибольшая доля аварийности для труб ХТЗ 1420х15,7 мм приходится на период 17 - 20 лет после ввода газопровода в эксплуатацию. В актах расследования аварийных разрушений труб ХТЗ по причине КРН в ряде случаев отмечается низкое качество металла и сварных соединений, что может служить причиной их относительно ранней аварийности.
Однако после 20 лет эксплуатации МГ количество аварий резко падает, после 26 лет аварийные разрушения труб ХТЗ произошли по причине дефектов КРН по линии сплавления заводского продольного шва. При этом на сегодня для большинства МГ, в составе которых эксплуатируются трубы ХТЗ, время эксплуатации составляет 28-32 года (19 лет).
Вероятно, для МГ, в составе которых эксплуатируются указанные трубы, на протяжении первых 20 лет эксплуатации характерна естественная «выбраковка» склонных к растрескиванию труб в результате отдельных аварий, устранения значимых дефектов в ходе проведения плановых диагностических обследований и ремонтов участков МГ. После чего техническое состояние таких МГ стабилизируется, что может говорить о наличии относительно небольшого количества забракованных по признаку КРН труб, а также значительном исходном разбросе механических свойств проката от партии к партии. Разрушение труб по причине КРН происходит только в случае выполнения самого неблагоприятного сочетания других параметров системы «трубная сталь – конструкция - воздействие». Кроме того, немалую роль играет не только исходный размер дефектов стресс-коррозии, но и характеристики прочности и трещиностойкости металла труб, а также условий напряженно-деформированного состояния дефекта.
При этом, анализ фактических причин аварийных разрушений МГ дефектами КРН, проведенный с учетом официальных данных крупных газотранспортных компаний [103], не подтверждал разрушение труб по причине наличия трещин КРН глубиной менее 30% от толщины стенки (рисунок 16).
Экспериментальное исследование сопротивляемости трубных сталей коррозионному растрескиванию под напряжением после длительной эксплуатации трубопровода
Согласно представленному в разделе 2.1 стадийному анализу образования, развития или остановки стресс-коррозионных повреждений металла можно заключить, что в отсутствии действия механизма коррозионного растрескивания в условиях длительного статического нагружения вершина острой трещины постепенно затупляется посредством микропластической деформации металла у вершины трещины (механизм замедленной микротекучести).
Кроме того, стабилизация трещин в соответствующей группе колоний принципиально возможна и при глубинах отдельных трещин до 20% толщины стенки трубы (при условии что «возраст» рассматриваемого участка трубопровода превышает 15-20 лет), на что указывает зарубежный опыт. Но для уверенного обоснования возможности оставления таких относительно глубоких трещин в трубопроводе необходимо определить дополнительные признаки стабилизации трещин указанного размера расчетными методами и получить экспериментальное подтверждение условий их стабилизации или возможной их реактивации.
Анализ представленных в разделе 2.1 моделей реализации процесса КРН позволил установить, что использование большинства из существующих моделей не позволяет оценить развитие стресс-коррозионных дефектов в реальных условиях эксплуатации газопровода. В основу представленных моделей в большинстве случаев заложены конкретные механизмы и причины развития стресс-коррозионных повреждений. Использование моделей, представленных в разделе 2.1, не позволяет учитывать сложное напряженно-деформированное состояние, вызванное влиянием геометрических и структурных особенностей труб на развитие дефектов КРН. Сложное напряженное состояние, возникающее в процессе эксплуатации трубопроводов в зонах образования дефектов КРН металла труб, вызвано действием эксплуатационных нагрузок и остаточных технологических напряжений в самой трубе (рисунок 34) [37, 79]. Однако, некоторые исследователи процесса КРН полагают, что главными в процессе образования стресс-коррозионных дефектов являются тангенциальные напряжения от транспортируемого газа [37], на что указывает преимущественно продольная ориентация коррозионно-механических трещин [58, 61, 134].
С целью определения опасности стресс-коррозионных трещин и оценки прочности труб с дефектами КРН (определение разрушающих нагрузок и предельных размеров дефектов) был использован двухпараметрический критерий разрушения [135, 136], учитывающий взаимодействие двух механизмов разрыва стенки трубы с дефектом. Первый механизм учитывает хрупкое разрушение, контролируемое коэффициентом интенсивности напряжений K1 и его критическим значением KC, а второй механизм учитывает вязкое разрушение Lr, контролируемое номинальными напряжениями в стенке н и значениями предела текучести т и предела прочности металла трубы в. Отличительной особенностью данного метода расчета является возможность учета совокупности нагрузок, в частности мембранных (от давления и внешних нагрузок) и локальных изгибных (связанных с отклонениями формы трубы), вызванных несовершенством геометрических особенностей в стенки трубы (сварной шов, овальности, трещины и другие особенности), что повышает достоверность проводимой оценки.
Двухпараметрический критерий описывает как предельные случаи разрушения материала - хрупкое и вязкое - так и случаи разрушения по смешанному упруго-пластическому механизму. Хрупкое разрушение контролируется коэффициентом интенсивности напряжений и его критическим значением. Вязкое разрушение контролируется номинальными напряжениями в стенке и значениями предела текучести и предела прочности металла трубы.
Предельная кривая двухпараметрического критерия может иметь различные аналитические описания. Наибольшее распространение двухпараметрический критерий получил в форме инженерного метода R6, неоднократно реализованного в виде стандартов BS, API, подтвержденного натурными испытаниями и численным моделированием [135, 137].
В методе R6 используются два безразмерных параметра нагружения, описывающие условия разрушения. Параметр Lr описывает условия вязкого разрушения и рассчитывается по формулам предельного упругопластического анализа. Параметр Kг описывает условия хрупкого разрушения и рассчитывается по формулам упругой механики разрушения. Обобщенная предельная кривая метода R6 (Level 2A в соответствии с [135]) имеет следующий вид (рисунок 35): Kr =(l-0,14 )[0,3 + 0,7e (-0,65Z6r)J, (32) - при Lr LrmaX Кг = О, (33)
Совершенствование технологии проведения ремонта труб со стресс-коррозионными повреждениями в трассовых условиях
Помимо представленных в разделе 4.1 предложений по нормированию стресс-коррозионных повреждений, проведенные в главе 3 исследования позволили разработать предложения по совершенствованию технологий ремонта труб со стресс-коррозионными повреждениями, которые заключаются в возможности оставления труб со стресс-коррозионными повреждениями глубиной менее 10% от толщины стенки в эксплуатации. При этом требуется проведение ремонтных работ, обеспечивающих исключение доступа коррозионно-активной агрессивной среды к поверхности металла. Что может быть обеспечено путем переизоляции отдельных участков МГ или труб с незначительными повреждениями КРН в трассовых условиях.
Как было отмечено в главе 1 по результатам проведения диагностических обследований автоматизированными диагностическими комплексами, в том числе наружными сканерами-дефектоскопами, участков МГ часть повреждений КРН глубиной менее 0,1t находятся ниже порога чувствительности данных приборов, и может оставаться в эксплуатации. В связи с этим ремонт таких труб выполняют путем их вырезки.
Достоверность обнаруженных повреждений и параметры наружных сканеров–дефектоскопов определены в соответствии с п. 7.3.1 [171]. В данном документе требования к глубине выявляемых трещин в металле трубы, в том числе стресс-коррозионных, составляют более 0,1t от толщины стенки трубы и длиной более 20 мм. В этой связи, даже несмотря на результаты расчетов, проведенных в соответствии с главой 2, где глубина допустимых повреждений достигает 0,2t, предложенная ниже технология будет ограничена величиной 0,1t. Сущность предлагаемого совершенствования технологии ремонта труб подземных трубопроводов со стресс-коррозионными повреждениями заключается в последовательном выполнении комплекса мероприятий: - выполняют НК участка трубопровода, на котором выявляют трещины глубиной, превышающей 0,1t; - если указанные трещины типа КРН не выявлены или глубина выявленных трещин не превышает 0,1t, контролю подвергают околошовные зоны труб; - на расстоянии 25 мм от заводского и кольцевого сварного швов проводят очистку труб от изоляции и проводят магнитопорошковый НК с целью выявления трещин; - трещины на вскрытых участках трубопровода глубиной, не превышающей 0,1t, идентифицируют на соответствие признакам КРН; - трещины глубиной, не превышающей 0,1t , с признаками КРН относят к незначительным повреждениям, а трубу с незначительными повреждениями -подлежащей ремонту; - участки трубопровода или трубы с трещинами КРН, отнесенным к незначительным повреждениям труб, подвергают финишной очистке с последующей переизоляцией. - если размеры повреждения КРН поверхности трубы превышают 0,1t, то их классифицируют как недопустимый дефект, а МГ ремонтируют путем замены старой трубы на новую трубу или трубу, восстановленную в заводских условиях. - при отсутствии признаков КРН ремонт труб с трещинами любой глубины выполняют путем замены на новую трубу или трубу, восстановленную в заводских условиях. Выполнение контроля труб и соединительных деталей МГ Для предлагаемой технологии ремонта МГ со стресс-коррозионными повреждениями проведение НК участка трубопровода возможно в двух вариантах.
В первом варианте при проведении НК используют ВТД без снятия старого изоляционного покрытия, которые обеспечивают выявление в основном металле трубы трещин, в том числе КРН, с преимущественно продольной ориентацией, глубиной более 0,1t.
При выявлении средствами внутритрубной диагностики трещин на участке МГ и идентификации их как КРН, выполняют расчеты разрешенного рабочего давления и срока наружного обследования: - если размеры повреждения КРН превышают 0,1t, его классифицируют как дефект КРН, а ремонт трубы выполняют путем замены на новую трубу или трубу, восстановленную в заводских условиях; - если размеры повреждения КРН не превышают 0,1t, трубу ремонтируют путем финишной очистки поверхности и последующей переизоляции в трассовых и/или базовых условиях; - при отсутствии КРН на отремонтированном участке МГ срок повторного внутритрубного диагностирования назначают не ранее чем через 5 лет; - допускается использование различного диагностического оборудования для наблюдения за повреждениями КРН, установленного на поверхность трубы в зоне КРН для определения скорости развития КРН и расчета сроков повторной внутритрубной диагностики.
Во втором варианте перед проведением НК сначала следует снять изоляционное покрытие со вскрытого участка трубопровода и с помощью наружных сканеров–дефектоскопов (НСД) выявить в основном металле трубы трещины глубиной более 0,1t.
Затем следует обследовать зоны труб и соединительных деталей, прилегающих к заводским сварным швам и кольцевым сварным стыкам на расстоянии 25 мм в обе стороны от них с применением магнитопорошкового НК для выявления трещин в зоне соединений. По результатам внутритрубного или наружного контроля определяют наличие или отсутствие трещин на поверхности основного металла и сварных соединений труб и соединительных деталей. При обнаружении трещин необходимо провести их идентификацию на соответствие признакам КРН и определить глубину в соответствии с [169].
При определении глубины трещин оценивают максимальную глубину зоны трещин, а также определяют местоположение повреждения на трубе.
Оценку максимальной глубины трещины проводят по результатам контролируемой шлифовки дефектной зоны или по результатам вихретокового контроля, с построением тарировочного графика. Контролируемую шлифовку проводят в местах наибольших показаний вихретокового дефектоскопа с последующей толщинометрией с использованием средств ультразвуковой толщинометрии.
Если максимальная глубина трещин с признаками КРН не превышает 0,1t, то их классифицируют как незначительные повреждения КРН.
Участки МГ и отдельные трубы с незначительными повреждениями КРН, размеры которых не превышают 0,1t, подлежат ремонту путем финишной очистки поверхности с последующей переизоляцией в трассовых или базовых условиях, в случае: - отсутствия повреждений КРН любой глубины, расположенных на расстоянии не менее 100 мм от кольцевой кромки трубы; - отсутствия других повреждений, требующих вырезки и ремонта трубы; - если максимально допустимая глубина выборки дефектных участков в пределах 100 мм от линии реза кромки трубы не превышает номинальной толщины стенки с учетом величины технологического допуска на прокат.