Введение к работе
Актуальность проблемы
Газоснабжение, как и электро-, водоснабжение, является весьма необходимым атрибутом современной цивилизации.
Основной технической системой газоснабжения являются трубопроводные сети газораспределения и газопотребления. Далее в тексте автореферата под термином «газопроводы» подразумеваются трубопроводы подземного и надземного исполнений газораспределительных организаций. К настоящему времени их протяженность превышает 850 тысяч километров, что в 4 раза больше протяженности магистральных газо-, нефте- и нефтепродуктопроводов вместе взятых.
По этим сетям доставляется природный газ непосредственным потребителям: промышленным предприятиям, тепловым электростанциям, населению страны для обеспечения бытовым газом.
Распределение и потребление природного газа осуществляются с помощью городских, сельских и межпоселковых газопроводов. Условия эксплуатации, характер нагружения этих газопроводов существенно отличаются от магистральных.
Газификация городов России началась в 50-ых годах прошлого столетия, и к 2010 году протяженность газопроводов, отработавших 40 и более лет, приблизится к 22 тыс. километров.
Единовременный вывод из эксплуатации таких газопроводов и замена их на новые не реальны и не рациональны. Поэтому продление жизненного цикла «старых» трубопроводов, используя остаточный запас эксплуатационной и функциональной работоспособности, приобретает исключительно важное практическое значение. Работоспособность газопровода определяется состоянием, при котором в данный момент времени его эксплуатационные параметры (назначения и надежности) находятся в пределах, установленных технической документацией.
В неработоспособное состояние газопроводы могут перейти вследствие отказов, а предельное состояние наступает тогда, когда они не удовлетворяют эксплуатационным требованиям.
Причинами отказов являются в основном коррозионный износ и имеющиеся на стенках трубопроводов локальные дефекты различного происхождения, снижающие несущую способность трубопроводов, а также старение (ухудшение физического состояния) металла труб в процессе долговременного воздействия эксплуатационных нагрузок.
Перечисленные причины отказов, кроме последней, относятся к числу хорошо изученных. Разработаны методы обнаружения локальных дефектов и технологии восстановительного ремонта.
Раскрытие процессов и механизмов деградации свойств металла длительно эксплуатируемых газопроводов входит в число актуальных задач оценки работоспособности газопроводов и перехода их в неработоспособное состояние.
Выход из работоспособного состояния объектов систем газоснабжения может произойти также из-за воздействия природных факторов, например наведенных на газопровод токов от удара молнии. Появляется необходимость предотвращения подобных повреждений.
Совокупность перечисленных задач составляет предмет исследований решаемой проблемы по определению работоспособности длительно эксплуатируемых газопроводов системы газоснабжения.
В настоящее время достигнуты определенные успехи в изучении закономерностей старения металла долговременно эксплуатировавшихся магистральных нефте- и газопроводов. Тем не менее, эта проблема приобретает все большее значение в связи с рядом научных и инженерных проблем.
На сегодняшний день можно считать общепризнанной концепцию о том, что процесс старения металла происходит, и это явление надо учитывать при определении безопасного ресурса эксплуатации трубопроводов. Эта точка зрения в восьмидесятых годах прошлого столетия была высказана учеными ВНИИСПТнефть (ныне ГУП «ИПТЭР», г. Уфа). В результате дальнейших исследований было установлено, что при длительной эксплуатации магистральных нефтепроводов под действием циклических и статических нагрузок в металле происходят структурные изменения, сопровождающиеся упрочнением и охрупчиванием окрестностей локальных дефектов, структурно-неоднородных областей.
Применительно к системе газоснабжения, относящейся к опасным производственным объектам, подобные исследования практически отсутствуют. Поэтому проблема оценки работоспособного состояния технических систем газоснабжения и определения безопасных сроков их эксплуатации является весьма актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами Академии наук Республики Башкортостан:
- «Нефтегазовый комплекс и экология Республики Башкортостан» (2005-2007 гг.);
- «Интенсификация нефтегазоизвлечения трудноизвлекаемых запасов углеводородов, разработка и внедрение обновленных технологий и технических средств в нефтегазовых отраслях» (2006-2008 гг.);
- «Инновационные технологии, используемые при проведении геолого-разведочных работ, добыче, переработке полезных ископаемых в Республике Башкортостан» (2008-2010 гг.).
Цель работы - установление безопасного ресурса длительно эксплуатируемых газопроводов и оценка их перехода в неработоспособное состояние.
Основные задачи работы:
оценка деградации механических свойств углеродистых и низколегированных газопроводных сталей в процессе длительной эксплуатации;
исследование изменений физического состояния (тонкой структуры) металла и определение причин и процессов, обусловливающих их;
изучение структурной природы образования дополнительных напряжений и их влияния на строение границ между зернами различных фаз;
разработка методики определения остаточного ресурса газопроводов с учетом процессов, вызывающих деградационные изменения свойств металла;
разработка технического устройства для обеспечения взрыво- и пожарной безопасности объектов систем газоснабжения.
Методы решения поставленных задач
Для оценки изменения механических свойств металла наряду со стандартными использовались специальные более чувствительные методы испытаний, такие как расхождение берегов концентратора напряжений, длительные испытания образцов на установке рычажного типа. Несущую способность образцов определяли с помощью измерения истинного напряжения, соответствующего моменту разрушения, как структурно чувствительного параметра прочности.
Для определения изменений тонкой структуры металла применялись методы рентгеноструктурного анализа (метод прецизионных определений параметра решетки, методы определения напряжений по уширениям и смещениям интерференционных линий), методы электронной микроскопии, в том числе идентификации вновь образуемых фаз, методы фрактографии для изучения дефектов, трещин и изломов. Нами разработан специальный рентгеноструктурный метод для определения количества распавшегося цементита. 3D, «объемные», параметры деформационных рельефов определяли лазерным сканирующим микроскопом «LSM-5-Exciter».
Причины деградации физического состояния металла объяснены, основываясь на современных представлениях о структурном механизме деформационного старения, дислокациях и пластическом течении в кристаллах.
Научная новизна
1. Впервые установлено, что при длительной эксплуатации газопроводов деградация механических свойств металла связана со стадийным характером изменения его тонкой структуры. Вначале протекают процессы усталости и деформационного старения, приводящие к замедленному разрушению (постепенному снижению прочности при нормальных температурах). Происходят генерация дислокаций, образование линий и полос скольжения, распад цементита, уход атомов углерода в тетраэдрические пустоты объемно-центрированных кубических (ОЦК) решеток феррита, образование и рост зародышей новых карбидных частиц.
2. Показано, что замедленное разрушение металла труб происходит в результате ослабления сил межзеренных связей. Эволюция дислокационной структуры от сетчатой до клубковой, увеличение плотности дислокаций, скопление дислокаций одного знака приводят к деформации кристаллов и возникновению дополнительных напряжений в кристаллах. Скопление примесных атомов, образование зародышей новых карбидных фаз
сопровождаются упрочнением границ зерен и окрестностей дефектов.
3. Обосновано снижение сопротивляемости деформационно-состаренных металлов труб газопроводов хрупкому разрушению и коррозии в результате локализации напряжений, обусловленных превращениями тонких структур, образованием охрупченных областей. Получена формула
для определения интегрального коэффициента старения, характеризующего охрупчивание металла труб.
4. Установлены аналитические зависимости связи электрических параметров изолирующего сгона с его геометрическими размерами и диэлектрическими свойствами изоляционного материала.
Достоверность полученных результатов
Результаты исследования тонкой структуры и деградации механических свойств металла труб были получены на основе обширного экспериментального изучения образцов из углеродистых и низколегированных газопроводных сталей, прослуживших различные сроки.
Металлографические исследования проводились на всех структурных уровнях (макро-, мезо- и микро-) различными методами (цифровая макросъемка, оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, электронно-микроскопические, лазерно-сканирующие и энергодисперсионные исследования) в лабораториях ГУП «ИПТЭР» и Института проблем сверхпластичности металлов РАН.
Теоретические обобщения выполнены на основе полученных экспериментальных данных и использования известных положений ранее проведенных фундаментальных исследований.
Они хорошо согласуются с данными, полученными для магистральных нефтепроводов.
На защиту выносятся:
-
методики определения основных параметров, которые характеризуют деградацию механических свойств металла труб в зависимости от времени эксплуатации;
-
результаты исследования процессов усталости и деформационного старения металла труб длительно эксплуатируемых газопроводов;
-
результаты исследования замедленного разрушения металла деформационно-состаренных труб и роли межфазных границ в этих процессах;
-
структурная природа снижения истинного напряжения металла труб при длительной эксплуатации газопроводов, характеризующего ухудшение их реального физического состояния;
-
роль локализации напряжений, обусловленной превращениями тонкой структуры, в снижении способности металла труб сопротивляться хрупкому разрушению и коррозии;
-
методика определения остаточного ресурса газопроводов (сроков последующей безопасной эксплуатации);
7. зависимости электрических параметров изолирующего сгона от геометрических размеров его конструктивных элементов и диэлектрических свойств полимерных материалов.
Практическая ценность и реализация результатов работы
-
Установлены закономерности деградации механических свойств металла труб, подверженных длительному воздействию эксплуатационных нагрузок, которые использованы для расчетного прогнозирования безопасного ресурса работоспособности газопроводов.
-
Разработана методика определения количества распавшегося цементита в металле труб газопроводов для разных периодов эксплуатации. Установлены основные структурные изменения, уменьшающие трещиностойкость металла труб и его сопротивляемость коррозии.
-
Разработана методика определения остаточного ресурса газопроводов (времени последующей безопасной эксплуатации) с учетом процессов, вызывающих деградационные изменения свойств металла труб. Выполненные по этой методике расчеты показывают, что даже после длительной эксплуатации остается еще определенный безопасный ресурс работоспособности трубопроводов системы газоснабжения.
-
Изолирующий сгон, при установке которого на газопроводах обеспечивается защита объектов газоснабжения от прямых ударов молнии, ограничиваются блуждающие токи до безопасных значений, внедрен в ОАО «Газ-Сервис» (Республика Башкортостан). Методика расчетного определения времени замедленного разрушения используется в ГУП «БашНИИнефтемаш».
-
Результаты исследований положены в основу опубликованных монографий, использованы при разработке обучающихся программ, учебно-методических и нормативных материалов по обеспечению промышленной безопасности, используются в Инженерном центре «Техника» при подготовке руководителей предприятий и специалистов в области промышленной безопасности.
Апробация работы
Результаты научных исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на:
- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» в рамках Международной специализированной выставки «Нефть. Газ. Технологии-2004» (Уфа, 2004 г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (Уфа, 2004 г.);
- IV и V международных научно-технических конференциях «Сварка. Контроль. Реновация» (Уфа, 2004, 2005 гг.);
- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России (Уфа, 2007 г.);
- международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 2008 г.);
- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2008» (Уфа, 2008 г.).
Диссертационная работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании секции «Безопасность нефтегазохимического оборудования и трубопроводов» Ученого совета ГУП «ИПТЭР», протокол № 4 от 6 мая 2009 г.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 50 научных трудах, в том числе в 7 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 13 монографиях и отдельных изданиях.
Личный вклад автора
Обосновал актуальность диссертационной работы, сформулировал задачи исследований. Автору принадлежат решение задач данной работы, обобщение результатов исследований, определение научной новизны и практической значимости. Руководил всеми этапами выполнения экспериментов, участвовал в их проведении и внедрении результатов в практику.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 107 наименований, и 4 приложений. Изложена на 241 странице машинописного текста, содержит 65 рисунков, 31 таблицу.
