Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах 13
1.1 Общие представления о КРН применительно к газопроводам 13
1.2 Внешние проявления КРН 15
1.3 Факторы, формирующие КРН
1.3.1 НДС металла труб 19
1.3.2 Состояние изоляционного покрытия 23
1.3.3 Грунтовые электролиты 24
1.3.4 Металлургические факторы 1.4 Диагностика КРН 26
1.5 Выявление потенциально опасных участков по признаку КРН
и оценка их НДС 31
1.6 Прогнозирование остаточного ресурса газопроводов, эксплуатирующихся в условиях КРН 34
1.7 Ремонт газопроводов, подверженных КРН 36
1.8 Методы замедления и предотвращения КРН 36
1.9 Проявление КРН за рубежом 50
Выводы по главе 1 53
ГЛАВА 2. Основные закономерности распространения коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах 54
2.1 Влияние расстояния от компрессорной станции на подверженность газопроводов различным типам КРН 54
2.2 Влияние степени упрочнения трубных сталей на подверженность газопроводов КРН 66
2.3 Влияние расстояния от компрессорной станции на подверженность газопроводов КРН в различных регионах 75
Выводы по главе 2 81
ГЛАВА 3. Математическая модель развития коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах 83
3.1 Модели, используемые для прогнозирования разрушений в условиях КРН 83
3.2 Изучение возможности использования аппарата линейной механики разрушения для прогнозирования КРН з
3.3 Использование времени до разрушения как параметра модели развития КРН 89
3.4 Построение модели развития КРН, учитывающей эксплуатационные и металлургические факторы 94
Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Выявление поперечного коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах 104
4.1 Представления о механизме и специфике развития трещин КРН 104
4.2 Анализ материалов расследования аварий по причине поперечного КРН
4.2.1 Общая характеристика разрушений 111
4.2.2 Аварии на газопроводе Уренгой-Петровск 113
4.2.3 Особенности проявления поперечного КРН на примере аварии, произошедшей на 267 км газопровода Челябинск-Петровск
4.3 Причины образования и развития поперечного КРН 126
4.4 Метод выявления потенциально опасных участков, склонных к поперечному КРН, по признаку повышенных (непроектных) напряжений
4.4.1 Основные положения 130
4.4.2 Расчетные нагрузки и воздействия 132
4.4.3 Проверка на прочность 133
4.4.4 Первичная оценка напряженного состояния 137
4.4.5 Экспериментальные замеры напряжений в шурфах 139
4.5 Технология выявления потенциально опасных участков, склонных к поперечному КРН, средствами ВТД 144
4.5.1 Выявление поперечного КРН средствами ВТД (до 2011 года)... 145
4.5.2 Модернизация внутритрубных снарядов, развитие методики обработки информации 147
4.5.3 Результаты промышленного применения метода выявления потенциально опасных участков, склонных к поперечному
КРН, при анализе данных ВТД (2011 - 2014 годы) 148
4.5.4 Перспективы оценки напряженного состояния, основанной на данных ВТД 150
Выводы по главе 4 152
ГЛАВА 5. Выявление, оценка ндс и ремонт потенциально опасных участков по признаку поперечного коррозионного растрескивания под напряжением 156
5.1 Алгоритм выявления, оценки НДС и, при необходимости, ремонта
потенциально опасных участков по признаку поперечного КРН 156 5.2 Методика расчета НДС потенциально опасных участков
по признаку поперечного КРН 160
5.2.1 Постановка задачи 160
5.2.2 Теоретические основы 161
5.2.3 Общие допущения 163
5.2.4 Особенности задания конфигурации участка трубопровода... 165
5.2.5 Построение математической модели участка трубопровода... 167
5.2.6 Условия локального и общего равновесия конечно-элементной модели трубопровода 169
5.2.7 Условия локального и общего равновесия конечно-разностной модели трубопровода 172
5.2.8 Особенности алгоритма численного решения задачи 176
5.2.9 Анализ равновесного состояния трубопровода. Определение деформаций, напряжений, сил, моментов 1 5.2.10 Нагрузки и воздействия на подземный трубопровод. Анализ возможных случаев его взаимодействия с грунтом 182
5.2.11 Критерии опасности напряженного состояния трубопровода.. 189
5.3 Технология ремонта корректировкой НДС потенциально опасных участков по признаку поперечного КРН 191
5.4 Упрощенная методика расчета изгибных напряжений на упруго искривленных участках трубопровода 193
5.5 Реализация метода выявления потенциально опасных участков по признаку поперечного КРН в промышленных масштабах 194
5.5.1 Участки газопровода Челябинск-Петровск, 341 км 194
5.5.2 Участок газопровода Челябинск-Петровск, 342 км 198
5.5.3 Исследование НДС участка газопровода Уренгой-Новопсков, 1817 км 202
5.5.3.1 Картина НДС участка с упруго-искривленными трубами... 206
5.5.3.2 Картина НДС участка с трубами, металл которых находится в пластической зоне 213
5.5.3.3 Оценка НДС участка газопровода Уренгой-Новопсков, 1817 км 215
Выводы по главе 5 219
ГЛАВА 6. Торможение коррозионного растрескивания под напряжением на капитально отремонтированных газопроводах 221
6.1 Физико-математическая модель «стресс-теста» газопровода с дефектами КРН 221
6.2 Исследование гидродинамики «стресс-теста» газопровода с дефектами КРН 227
6.3 Оценка влияния «стресс-теста» на механические свойства и сопротивление трубных сталей КРН 245
6.4 Технология реабилитации капитально отремонтированных газопроводов, подверженных КРН 255
6.4.1 Структурная схема диагностики, ремонта и реабилитации газопроводов 255
6.4.2 Реабилитация труб при стресс-тестовом нагружении 255
6.4.3 Особенности «стресс-теста» газопроводов после капитального ремонта 259
6.4.4 Обоснование протяженности контрольного участка газопровода 261
6.4.5 Определение протяженности контрольного участка газопровода 263
6.4.6 Определение параметров нагруженности труб в полевых условиях 265
6.4.7 Определение меры дефекта труб 269
6.4.8 Определение критерия долговечности труб 270
6.4.9 Определение скорости подъема давления
6.4.10 Оценка остаточного срока службы газопроводов после капитального ремонта и реабилитации 275
6.4.11 Моделирование параметров «стресс-теста» газопроводов 281
6.4.12 Устройство для стресс-испытаний газопроводов 281
6.5 Оценка влияния различных технологий испытаний газопроводов
на их целостность 285
Выводы по главе 6 288
ГЛАВА 7. Предотвращение коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах 290
7.1 Исследование металла очаговых зон КРН 290
7.2 Исследование стойкости трубных сталей к КРН
2 7.2.1 Метод растяжения образцов в модельной среде с низкой скоростью деформации 299
7.2.2 Электрохимические методы 301
7.3 Исследование влияния химических реагентов на чувствительность трубных сталей к КРН 318
7.3.1 Снижение чувствительности трубных сталей к КРН
с помощью модифицирования приэлектродной среды 318
7.3.2 Исследование влияния ингибиторов КРН на характеристики грунтовок 321
Выводы по главе 7 324
Основные выводы и рекомендации 325
Список использованных источников 330
Список сокращений и условных обозначений
- Факторы, формирующие КРН
- Влияние степени упрочнения трубных сталей на подверженность газопроводов КРН
- Использование времени до разрушения как параметра модели развития КРН
- Особенности проявления поперечного КРН на примере аварии, произошедшей на 267 км газопровода Челябинск-Петровск
Введение к работе
Актуальность работы
Единая система газоснабжения России является крупнейшей в мире по объему оказываемых товаротранспортных услуг. При этом надежность поставок газа на внутренний рынок, а также в страны ближнего и дальнего зарубежья зависит, прежде всего, от работоспособности магистральных газопроводов (МГ). В последние годы главной проблемой, влекущей нарушение их целостности, является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН, стресс-коррозия). Как показывает статистика, большинство аварийных разрушений происходит именно по этой причине. К тому же доля отказов из-за КРН продолжает расти (в 2001 г. - 30 %, в 2005 г. - 42 %, в 2010 г. - до 70 %), а география его присутствия - расширяться. В 1990-х годах КРН проявлялось, в основном, в северных и центральных областях нашей страны. В начале 2000-х оно добралось до южных регионов. Сегодня КРН уже наблюдается в зоне вечной мерзлоты, что ранее считалось невозможным.
Все это происходит потому, что до сих пор не выработаны исчерпывающие методы борьбы с данной проблемой, а многие подходы не находят адекватного научного обоснования и имеют ряд серьезных недостатков.
К примеру, весьма низкой по отношению к КРН остается достоверность существующих диагностических средств. В особенности это относится к его наиболее опасной малоизученной разновидности - поперечному КРН (пКРН), которое, независимо от размеров, не выявляется при внутритрубной дефектоскопии (ВТД). Как следствие - отсутствуют превентивные технологии ремонта потенциально опасных участков, подверженных такому типу растрескивания.
Также отмечается ограниченность нормативных документов по оценке долговечности МГ, подверженных КРН. В случае постепенных отказов вычисление показателей надежности проводится в предположении только пуассоновского потока событий, тогда как статистический ряд аварий по причине КРН зачастую описывается распределением, близким к нормальному.
Кроме того, до настоящего времени остается достаточно нерешенных вопросов в области торможения и предотвращения КРН. Нормативные указания по проведению «стресс-теста» (одного из основных методов, останавливающих развитие КРН) разработаны применительно к новым, строящимся трубопроводам и абсолютно не учитывают их специфику после капитального ремонта (КР). Это при том, что объемы КР МГ значительно превосходят темпы их строительства. Ко всему прочему, широкое освоение технологических методов предупреждения КРН практически подавило разработку металлургических подходов, а также способов его ингибирования.
Существование такой разноплановой проблемы, как КРН, являющейся угрозой энергетической безопасности целого ряда государств, требует выработки комплекса качественно новых мер по борьбе с этим явлением, что подтверждает актуальность темы диссертационного исследования.
Цель работы - обеспечение надежности МГ на основе разработки и внедрения комплекса методов выявления, торможения и предотвращения КРН.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
-
Исследовать отраслевую статистику аварий МГ по причине КРН, определить основные закономерности распространения различных типов растрескивания;
-
На основе полученных данных рассмотреть применимость известных моделей развития КРН и предложить новый подход, приемлемый для прогнозирования долговечности МГ с учетом ранее не изученных факторов;
-
Изучить материалы расследования аварий из-за пКРН, структурные изменения и физико-механические свойства металла очаговых зон разрушений; выявить особенности проявления пКРН, причины его возникновения и развития; оценить применимость к этому явлению существующих средств диагностики;
-
Разработать, научно обосновать и апробировать метод выявления потенциально опасных участков (ПОУ), предрасположенных к пКРН, с первичной оценкой и, при необходимости, корректировкой их напряженно-деформированного состояния (НДС);
-
Разработать, научно обосновать и апробировать превентивную технологию ремонта ПОУ по признаку пКРН, исключающую условия для его образования; предусмотреть возможность реализации этой технологии без остановки транспорта газа;
-
Разработать, научно обосновать и апробировать технологию стресс-испытаний, способствующую торможению неотбракованного КРН на газопроводах после капитального ремонта;
-
Разработать, научно обосновать и апробировать методы предотвращения КРН, основанные на металлургических подходах и его ингибировании.
Методы решения поставленных задач
В работе использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследований, физическое и математическое моделирование процессов, положения механики разрушения и строительной механики, теорий прочности и упругости, гидродинамики, химии и электрохимии.
Научная новизна результатов работы
-
По результатам анализа отраслевой статистики аварий построена новая математическая модель развития КРН, учитывающая ранее не изученное влияние напряжений в стенке трубы, ее температуры и степени упрочнения стали, что позволяет прогнозировать долговечность МГ в действительных условиях их эксплуатации.
-
Базируясь на изучении характерных внешних проявлений пКРН, структурных изменений и физико -механических свойств металла очаговых зон разрушений, впервые установлены принципиальные отличия пКРН от продольного (прКРН), причины его образования и развития. Выявлено, что
частота аварий из-за пКРН не связана с расстоянием от компрессорной станции (КС) и подчиняется нормальному закону распределения. пКРН проявляется в случае, когда изгибные (продольные) напряжения превышают кольцевые. «Благоприятными» факторами для образования таких напряжений являются отступления от проектных решений, брак строительно-монтажных работ (СМР) и др., где имеются условия для осадки (прогиба) МГ в процессе эксплуатации. Увеличение прогиба приводит к гарантированному образованию поперечной магистральной трещины и ее безостановочному росту до аварии. Доказано, что при высоком уровне изгибных напряжений (0,7 от предела текучести и более) механический долом (аварийное разрушение) может произойти без стадии медленного роста трещины. Это коренное различие с прКРН делает невозможным обнаружение пКРН современными диагностическими средствами, включая ВТД.
-
В качестве альтернативы ВТД впервые разработан и научно обоснован метод выявления ПОУ по признаку повышенных изгибных напряжений, основанный на анализе проектной, исполнительной и эксплуатационной документации (поиск отступлений от проектных решений, выражающихся в несовпадении профилей трубной плети и траншеи, и др.). Кроме того, впервые предложен алгоритм выявления таких ПОУ и первичной оценки их НДС средствами ВТД, потребовавший модернизации внутритрубного оборудования.
-
Посредством развития методов математического моделирования, а также численно-аналитического решения задач разработана и научно обоснована новая методика расчета НДС ПОУ, предрасположенных к пКРН, отличающаяся возможностью оценки напряженного состояния на участках с отводами холодного гнутья (ОХГ), т.е. в зонах, где чаще всего возникает главный разрушительный фактор - максимальные изгибные напряжения, а существующие методики не работают.
-
Применительно к предложенной методике расчета НДС ПОУ по признаку пКРН впервые разработана и научно обоснована превентивная технология их ремонта без остановки транспорта газа, основанная на корректировке пространственного положения участка в плоскости изгиба, что позволяет снизить изгибные (продольные) напряжения до нормативных значений и, соответственно, исключить условия для образования пКРН.
-
Впервые разработана физико-математическая модель распределения напряжений и деформирования трубопровода с дефектами КРН при «стресс-тесте». На основе исследований гидродинамики впервые разработана и научно обоснована технология «стресс-теста» для торможения неотбракованного КРН на отремонтированных МГ. Установлены оптимальные параметры нагружения труб с ослабленным сечением управляемыми гидравлическими ударами, что позволяет сохранить допустимый запас их пластичности и исключить возможность неконтролируемого разрушения. В результате предложены алгоритмы контроля параметров испытаний и управления их режимами, ставшие отличительной особенностью разработанного устройства для
проведения «стресс-теста». Выполнена количественная оценка влияния волновых явлений на поток испытательной среды. Найдена аналитическая зависимость, пригодная для оценки остаточного срока службы подверженных КРН МГ после их ремонта и реабилитации.
-
Экспериментально установлено, что стойкость высокопрочной трубной стали к КРН существенно зависит от параметров деформационно-термической обработки, рациональный выбор которых позволяет повысить эту структурно-чувствительную характеристику до 1,2 раза.
-
Для более достоверной оценки стойкости стали к КРН предложено использовать изменение энергии активации, являющейся, в отличие от известного критерия - пикового тока анодного растворения, не относительным, а абсолютным барьером, за которым происходит образование КРН.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, новые математические и физические модели, методики расчетов, методы диагностики, технологии ремонта и испытаний, а также устройства, вошедшие в комплекс разработанных мер по борьбе с КРН на МГ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректностью использования современных теоретических и экспериментальных методов, физического и математического моделирования процессов, положений механики разрушения, теорий прочности и упругости, гидродинамики, химии и электрохимии, а также апробацией полученных результатов при диагностике, капитальном и ямочном ремонте МГ.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработанная технология реабилитации капитально отремонтированных газопроводов методом «стресс-теста», способствующая торможению КРН, а также выравниванию деформационных свойств труб с различными остаточными напряжениями, используется ОАО «Оргэнергогаз» при испытании МГ. С 2012 года протяженность испытанных с ее помощью участков составила более 1100 км.
Разработанная технология выявления ПОУ, склонных к пКРН, с 2011 года используется в ЗАО «НПО «Спецнефтегаз» при оценке данных ВТД. В результате на МГ ООО «Газпром трансгаз Уфа» (ГТУфа), ООО «Газпром трансгаз Чайковский», ООО «Газпром трансгаз Югорск» было выявлено и отремонтировано 55 очагов пКРН, являющихся аварийно опасными. При этом суммарный экономический эффект составил 799,37 млн руб.
Результаты работы отражены в одном отраслевом стандарте и двух ведомственных нормативных документах, охватывающих весь комплекс практических мер по борьбе с КРН.
Полученные патенты на методы диагностики, способы ремонта и испытания, а также устройства (конструкции) использовались при разработке методик, технологий и образцов новой техники, относящихся к сфере диагностики, капитального и ямочного ремонта МГ, в т.ч. в условиях КРН.
Практическая ценность основных результатов диссертации подтверждена соответствующими справками об их внедрении.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на пяти научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (ИПТЭР, г. Уфа, 2005-2007, 2013, 2014 гг.), научно-технической конференции «Актуальные проблемы работы предприятий газовой отрасли в современных условиях» (ООО «Самаратрансгаз», г. Самара, 2005 г.), двух Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (г. Уфа, 2005, 2006 гг.), Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (ТюмГНТУ, г. Тюмень, 2007 г.), Седьмой Международной деловой встрече «Диагностика - 2007» (г. Екатеринбург, 2007 г.), отраслевом совещании «Итоги работы газотранспортных обществ по эксплуатации линейной части магистральных газоконденсатопроводов и ГРС ОАО «Газпром» за 2007 год и задачи на 2008 год. Положительный опыт, проблемы» (ООО «Газпром трансгаз Сургут», г. Сургут, 2007 г.), XII и XIII Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (ИПТЭР, г. Уфа, 2012, 2013 гг.), V Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS - 2013)» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», г. Москва, 2012 г.), VI и VII Международных конференциях «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (г. Бечичи, Черногория, 2012 г.; г. Сочи, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в нефтегазовом комплексе» (г. Уфа, 2014 г.), VIII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (г. Новополоцк, Республика Беларусь, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 научных работ, в т.ч. 29 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 2 монографии, 3 отраслевых и ведомственных нормативных документа, 12 патентов Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 279 наименований. Изложена на 364 страницах, содержит 140 рисунков и 41 таблицу.
Факторы, формирующие КРН
Влияние степени упрочнения трубных сталей на подверженность газопроводов КРН
В настоящее время основным признаком, по которому причину отказа отождествляют с КРН, является наличие на внешней поверхности труб колоний, как правило, продольных трещин.
Признаки КРН обнаруживаются либо при разрыве газопровода, либо по результатам его обследования с помощью различных методов дефектоскопии (ультразвуковых, магнитных, вихретоковых). В общем случае КРН представляет собой колонию трещин на поверхности трубы, вытянутую, как правило, в продольном направлении, образованную совокупностью единичных (в некоторых случаях объединившихся) полуэллиптических продольных трещин. Чаще всего такие дефекты выявляются в нижней половине сечения трубы, а также вблизи продольных швов, в т.ч. на границе сплавления [95, 111, 215].
Направление роста или преобладающая ориентация стресс-коррозионных трещин определяется схемой напряженного состояния нагруженной трубы, а именно направлением растягивающих напряжений. Поскольку в трубе, нагруженной только внутренним давлением, максимальные растягивающие напряжения имеют кольцевую ориентацию, трещины в большинстве известных случаев развиваются в продольном направлении. Однако характер (расположение) поверхностного растрескивания зависит от фактического напряженного состояния трубы. Например, изгиб нитки газопровода или его просадка может служить причиной появления КРН кольцевой ориентации [18, 19,95,201].
Можно выделить два вида (представляющие собой крайние случаи) несквозных трещин, различающихся по форме. К первому относятся трещины, как правило, без каких-либо ответвлений. Обычно такие трещины весьма широкие, пространство между их берегами заполнено продуктами химического взаимодействия грунта с металлом. Наиболее примечательная особенность трещин данного типа - затупленная форма вершины, которую можно объяснить локализацией пластического течения вблизи вершины трещины, являющейся концентратором напряжений. Пластическая деформация увеличивает радиус кривизны вершины трещины, т.е. приводит к ее затуплению. Локальные напряжения тем самым уменьшаются. Указанные процессы стабилизируют трещину, она становиться малоспособной к росту [51, 95, 111].
Наиболее характерными особенностями трещин второго типа являются признаки их активного состояния: значительно меньшая ширина раскрытия, возможные изменения направления роста при сохранении основного направления распространения, более острая вершина и ветвление, расхождение отдельных ветвей на расстояние, превышающее размер зерна.
По-видимому, существование двух видов трещин можно объяснить различными значениями локальных внутренних напряжений, под действием которых происходит развитие КРН. При относительно низких значениях действующего напряжения скорость роста трещины меньше, а процессы электрохимического растворения ее берегов продолжительнее. В результате этих процессов трещина становится шире, а ее вершина затупляется. Чем больше действующее напряжение, тем быстрее трещина растет, а длительность процессов растворения ее берегов уменьшается [37, 50, 111].
В зависимости от электрохимических свойств среды, контактирующей с поверхностью трубы (т.е. в зависимости от того, является ли эта среда кислой или щелочной), КРН разделяется на развивающееся при нейтральном рН и высоких значениях рН ( 9) (к примеру, последнее нередко фиксируется на газопроводах США [273, 274, 276, 277]). Веществами, стимулирующими этот вид КРН, являются карбонаты-бикарбонаты; разрушение определяется как межзерное.
В почти нейтральных средах (рН 5,0...7,5) КРН реализуется посредством транскристаллитного распространения трещин. Такое КРН характерно для газопроводов России и Канады [51, 52, 95, 147], в т.ч. для газопроводов ГТУфа [177].
Таким образом, в условиях малоагрессивной среды развитие стресс-коррозионных трещин аналогично распространению при чисто механическом разрушении [95].
Согласно [2, 4, 37, 51, 52, 80, 170], отказы по причине КРН имели место на газопроводах, проложенных в глинах, суглинках, песках, карбонатных и скальных породах.
Характерным для КРН является локализация очагов разрушения вблизи КС (повышение температуры трубы, давления газа, вибрационные воздействия компрессоров); в местах с высоким уровнем грунтовых вод (благоприятные условия для отслоения изоляции на опорных поверхностях труб под воздействием гидростатического давления и протекания электрохимических реакций) [3, 4, 20, 46, 51, 52, 92, 93, 95, 102, 111, 134, 135, 147, 148, 177, 215, 257].
Отказы отмечались на МГ, имеющих температуру перекачиваемого продукта 10...60 С и номинальные расчетные кольцевые напряжения в стенке трубы 0,45...0,65 предела текучести стали от [52].
Общепринятым методом исследования КРН является анализ материалов расследования аварий [46, 52, 93, 95, 111, 147, 220, 277]. Излом в месте начала разрушения отражает стадию стабильного развития трещин. Кроме того, как правило, на поверхности трубы вблизи магистральной трещины наблюдается заметное количество отдельных изолированных трещин разных размеров, которые характеризуют стадию повреждаемости, предшествующую образованию сквозной магистральной трещины, т.е. могут служить источником дополнительной информации об особенностях эксплуатационной повреждаемости.
Альтернативой могут служить исследования в лабораторных условиях методом выращивания стресс-коррозионных трещин. Однако достоверных сведений о таких исследованиях ни в России, ни за рубежом не найдено.
Большинство обзорных материалов ориентированы на КРН, под которым подразумевается исключительно его продольная разновидность [3, 4, 20, 46, 51, 52, 85, 92, 93, 95, 111, 134, 135, 147, 148, 152, 177, 215, 273, 274, 276, 277]. При этом сравнительно новое, малоизученное направление - пКРН - нашло отражение только в публикациях специалистов ГТУфа, где аварии из-за него составили 60 % от общего их числа. Первые зарубежные публикации по пКРН относятся к 1998 году [37, 277], в России - к 2002 году [18].
По сей день в выводах и обобщениях современных исследователей КРН не разделяется на продольное и поперечное [4, 46, 51, 52, 85, 93, 95, 102, 111, 134,135,152,215].
По мнению специалистов [3, 52, 54, 95, 102, 134, 135, 215], КРН (без разделения на подвиды) в своем возникновении и развитии проходит три стадии: зарождение трещины, ее медленное развитие, механический долом.
Время протекания первой и третьей стадий в значительной степени «уступает» длительности второй. Кроме того, первая стадия не представляет практического интереса, т.к. ее регистрация современными средствами диагностики невозможна. Третья стадия тоже не представляет интереса ввиду ее скоротечности. Единственная возможность обнаружить КРН приходится на относительно медленную вторую стадию.
Использование времени до разрушения как параметра модели развития КРН
Как следует из таблицы 2.9, уровень значимости для рассматриваемых экспоненциальных распределений не превышает 0,05, что с доверительной вероятностью 95 % не позволяет их использование для описания статистики аварий. Для нормального распределения он значительно превышает 0,05, поэтому оно может быть использовано для описания распределения аварий по трассе МГ.
График отклонений квантилей теоретических распределений от экспериментальных данных (рисунок 2.15) подтвердил правомерность использования нормального распределения для описания привязки КРН к КС.
Как следует из анализа приведенных данных, статистика аварий описывается с помощью нормального распределения. Такой вид распределения не характерен для разрушений отечественных [3] и зарубежных [216] МГ. Это свидетельствует о том, что наряду с воздействиями только эксплуатационных факторов, таких как температура, давление, вибрация, на кинетику развития разрушения оказывают влияние и другие факторы, в частности степень упрочнения стали. По-видимому, у таких сталей пороговые характеристики растрескивания находятся ниже параметров нормально эксплуатирующегося МГ.
В связи с тем, что распределение аварий МГ, изготовленных из чрезмерно упрочненных сталей, отличается от распределения общего количества аварий вследствие прКРН, была проанализирована статистика аварий МГ, изготовленных только из умеренно упрочненных сталей, произошедших по причине этих дефектов.
Следует отметить, что величины эксцентриситета и эксцесса находятся вне пределов -2...2. В нашем случае распределение отказов не может быть описано с помощью нормального распределения. Тест Шапиро-Вилка показал, что уровень значимости для нормального распределения составил только 9,99-10 16, что значительно меньше 0,05, необходимого для нормального распределения с доверительной вероятностью 95 %. Другими словами, существует функциональная связь между количеством аварий и расстоянием от КС. Нормальная вероятностная сетка (рисунок 2.16) подтверждает сказанное. Причем наибольшее отклонение от нормальности наблюдается на первых километров от КС.
Повышение безопасности эксплуатации ЛЧМГ связано со своевременным проведением диагностических и ремонтных мероприятий, включая ВТД, «стресс-тест», электрометрические методы диагностики, переизоляцию трубопроводов на участках МГ, подверженных КРН. Поэтому вопросы, связанные с выявлением таких участков и разработкой на этой основе планов диагностики КРН и проведения ремонтных работ, являются актуальными. В главе приводятся данные о подверженности МГ КРН в различных регионах страны. Проанализированы причины отклонения распределения аварий по трассе МГ от общей статистики в ряде регионов [195]. Для этого были обработаны данные по отказам ЛЧМГ с использованием методов математической статистики [48, 180], включая приемы разведочного анализа [179]. Обобщенные результаты предварительной обработки статистических данных в виде «ящиков с усами» приведены на рисунке 2.20. Общая статистика аварий
Результаты исследования показали, что распределение аварий по трассе не является равномерным. Медиана и выборочное среднее смещены в сторону КС, что объясняется более жесткими условиями работы МГ вблизи КС (повышенная температура и давление). Это свидетельствует об идентичности развития КРН в СССР в 80-е годы [3] и за рубежом в 70-е годы XX века [216]. Однако в ряде регионов имеется отклонение от этой закономерности. Так, причиной отклонения на Востоке Западной Сибири является широкое использование при строительстве МГ чрезмерно упрочненных сталей группы прочности К60, 17Г2СФ (без ограничения предела прочности). Известно, что порог трещиностоикости напрямую связан с прочностными характеристиками сталей. По-видимому, условия, необходимые для протекания КРН таких сталей, выполняются не только на выходе из КС, но и по всей трассе. Ограниченное использование таких сталей (14Г2САФ, 17Г2СФ) на Европейском Севере, наряду с умеренно упрочненными, привело к незначительному смещению подверженности МГ КРН в зависимости от расстояния от КС. Отклонение же от отмеченной особенности на Юге Европы может быть связано с повышенной температурой транспорта газа, а также протеканием аномального растворения, зафиксированного на МГ Казахстана и приграничных с Россией участках МГ «Средняя Азия - Центр» (САЦ) [50]. Типичное проявление аномального растворения металла труб приведено на рисунках 2.21 и 2.22.
Для нахождения аналитической зависимости распределения аварий по трассе МГ выбирались функции распределения. Далее с помощью регрессионного анализа подбирались их параметры. Всего была протестирована принадлежность выборок 46 распределениям. В качестве критерия выбора использовался критерий согласия Колмогорова-Смирнова (а = 0,05). В результате тестирования было установлено, что для описания распределения отказов в зависимости от расстояния от КС могут быть использованы следующие распределения: однопараметрическое экспоненциальное, описывающее разрушения при неизменном воздействии деградационного фактора; двухпараметрическое экспоненциальное, описывающее разрушения при неизменном воздействии деградационного фактора и имеющее нижний пороговый уровень; нормальное, описывающее разрушения, происходящие под воздействием нескольких факторов. Характеристики перечисленных распределений приведены в таблице 2.13.
Особенности проявления поперечного КРН на примере аварии, произошедшей на 267 км газопровода Челябинск-Петровск
Из материалов расследования аварии: «Трещина на очаговом участке длиной 695 мм развивалась хрупко со стороны наружной поверхности трубы практически перпендикулярно к ней с образованием хрупкого (камневидного) излома с вязким до ломом к внутренней поверхности трубы. Максимальная глубина хрупкой составляющей трещины до 12 мм. Очаг разрушения находился в нижнем полупериметре трубопровода на 6 часах».
На рисунке 4.3 видно, что зарождение магистральной трещины произошло по концентратору напряжений - риске, глубиной до 0,5 мм. На внутренней поверхности по обоим «берегам» раскрывшейся трещины имеются утяжины, долом произошел при утонении стенки до 10... 13 мм, на длине 30...40 мм. Там же схематично изображена сетка разнонаправленных трещин: вдоль и поперек оси трубы, с максимальной глубиной до 8 мм.
Одновременное сосуществование на одном месте продольных и поперечных трещин можно объяснить следующим образом. Согласно [95, 111, 112], условия для возникновения продольных трещин КРН создаются как проявление металлургической наследственности трубных сталей по содержанию неметаллических включений. КРН подвержены отдельные локальные участки, так называемые «плато» с аномальным содержанием неметаллических включений (свыше 2-х баллов). Так как направление проката листа располагается вдоль полосы, то и неметаллические включения располагаются преимущественно вдоль оси трубы, по ее поверхности. При высоком уровне кольцевых напряжений, растягивающих наружную поверхность трубы и сжимающих внутреннюю, «цепочка» неметаллических включений создает относительно благоприятные условия для зарождения трещин продольного направления. В отличие от кольцевых, вектор сил изгибных напряжений (при пКРН) направлен поперек проката листа, поэтому для возникновения пКРН изгибные напряжения должны серьезно превышать кольцевые.
Из обстоятельств аварии трудно утверждать, какой вид КРН (продольный или поперечный) возник раньше, но вероятнее всего из-за увеличения, со временем, стрелки прогиба продольные напряжения перевесили кольцевые, что и привело к отказу по причине пКРН. В рассматриваемом случае катализатором разрушения явился концентратор напряжений в виде неглубоких (до 0,5 мм) поперечных рисок, которые пришлись на место с максимальными изгибными напряжениями.
Представляют интерес результаты визуального и инструментального обследования дефектной трубы, примыкающей к разрушившейся трубе. На рисунке 4.4 приводится эскиз этой трубы с дефектами КРН.
Показательна направленность дефектов КРН. На участке, непосредственно примыкающем к аварийной трубе, имеет место ярко выраженный дефект пКРН, возникший при отсутствии концентраторов напряжений. На некотором отдалении (около 4 м) присутствуют восемь очагов прКРН. Одновременного наличия продольных и поперечных трещин (как в разрушившейся трубе) нет, они разделены. Протяженность трещины пКРН составила 250 мм при глубине 4...6 мм; максимального прКРН - 700 мм, при глубине 6...8 мм. Обращает внимание относительно малая длина поперечной трещины при глубине до 1/3 толщины стенки и отсутствие концентратора напряжений. Вероятнее всего это место максимальных продольных напряжений.
Разнонаправленность трещин указывает, что векторы напряжений в пределах одной трубы могут быть также разнонаправлены: ближе к месту разрушения продольные напряжения формируются с преобладанием изгибных напряжений, с другой стороны трубы превалируют кольцевые от внутреннего давления. Получается, что пКРН, в отличие от продольного, носит сосредоточенный характер и имеет конкретную привязку к максимуму изгибных напряжений.
Таким образом, предварительные результаты анализа материалов аварии МГ Уренгой-Петровск на 1853 км свидетельствуют о следующих особенностях пКРН: - для возникновения пКРН необходим высокий уровень изгибных напряжений, воздействующих в продольном направлении и значительно превышающих кольцевые от внутреннего давления, что вызывает появление сетки трещин поперечного (кольцевого) направления и практически одновременное формирование магистральной трещины. В этом отношении пКРН опаснее продольного, где магистральная трещина может формироваться относительно продолжительный период времени, но так и не сформироваться, потому что каждая новая трещина в сетке многочисленных трещин будет частично снимать напряжения; - при наличии концентраторов напряжений (риски, поперечная коррозия, сварные стыки и т.п.) пКРН «выбирает» это место для своего возникновения и развития, а при их отсутствии очаг зарождения дефекта совпадает с максимальной амплитудой изгибных напряжений.
Для более углубленного анализа образцы трубы, разрушившейся при аварии, были подвергнуты металлографическим исследованиям.
Металлографические исследования проводились с помощью металлографического микроскопа МИМ-8М при двухсоткратном увеличении. Предварительно продольные и поперечные шлифы полировались и травились тампонным методом в насыщенном спиртовом растворе пикриновой кислоты [22]. Так определялся характер распространения трещин в поперечном и продольном направлениях. Производилась оценка загрязненности металла неметаллическими включениями и выявление его микроструктуры.
Структура металла трубы (рисунок 4.5) представляет собой феррит-перлит с полосчатостью 5А балла [62]. Величина действительного зерна соответствует 7-8 баллу [61]. Для структуры характерна разнозернистость (наиболее крупные зерна соответствуют 7 баллу, наиболее мелкие -10 баллу).