Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из наиболее важных задач трубопроводного транспорта углеводородов, является сокращение риска возникновения аварийных ситуаций. Ее решение позволит снизить безвозвратные потери транспортируемых продуктов, улучшить экологическую обстановку, предотвратить разрушения инженерных сооружений и обеспечить таким образом оптимальное фушшионирование трубопроводных систем. Актуальность данной проблемы связана с высокой частотой отказов магистральных трубопроводов, приводящих в ряде случаев к катастрофическим последствиям. Следует ожидать снижения надежности трубопроводных систем в процессе эксплуатации в связи с накоплением внутренних и внешних повреждений, естественным старением как самого металла, так и трубопроводных коммуникаций в целом, воздействием внешних сил.
обеспечішающих транспорт углеводородов, являются коррозионное растрескивание (КР). зарождающееся на внешней, катоднозащишешой поверхности труб, коррозионная усталость и общая коррозия усиленная воздействием механических напряжений. Причем, первый вид коррози-онно-механических разрушений характерен для магистральных газопроводов, второй - магистральных нефте- продуктопроводов. Проявление третьего вида разрушений наблюдается при контакте напряженного металла с афессивной средой, в частности, в системах сбора и транспорта сырых неподготовлегаак углеводородов.
Несмотря на то, что рассмотрению двух последних видов коррози-онно-механических разрушений трубопроводов посвящен ряд известных публикаций, разработка и апробация новых подходов к прогнозированию и повьпиешпо долговечности трубопроводных систем в указанных условиях получили дальнейшее развитие, в том числе в работах автора.
4 В последние годы одной из основных проблем в магистральном
транспорте природного газа явилась проблема КР металла труб. Поэтому в работе основное внимание обращено на рассмотрение вопросов идентификации, прогнозирования и диагностики такого, относительно нового, вида разрушения трубопроводов. Это связано, в первую очередь, с тем, что ряд вопросов прогнозирования долговечности магистральных, газопроводов, эксплуатирующихся в условиях КР, а также диагностики очагов их разрушения в настоящее время изучен недостаточно.
В диссертации на основании обобщения отечественного и зарубежного опытов борьбы с проявлением коррозиошкьмеханических разрушений, теоретических и экспериментальных исследований автора, включая изучение очаговых зон разрушения магистральных нефте- газопроводов, разработаны методы прогнозирования наиболее характерных для трубопроводного транспорта отказов.
Общая блок-схема прогнозирования коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов приведена на рис. 1.
Проблеме прогнозирования долговечности трубопроводов и других металлоконструкций, эксплуатирующихся в исследуемых условиях, большое внимание было уделено в работах таких отечественных и зарубежных ученых, как О.М. Иванцов, Ф.Ф. Ажогин, Э.М. Ясин, Л.Я. Ци-керман, В.Ф. Новоселов, П.И. Тугунов, З.Т. Галиуллин, И.Г. Абдуллин, В.Д. Черняев, М.И. Волский, О.И. Стеклов, Г.В. Карпенко, МП. Ануч-кин, В.П. Когаев, О.Н. Романив, В.Т. Трощенко, Р.Н. Паркинс, Э.М. Гутман, Р. Р. Фесслер, Дж.Ф. Ксйфнер, Г. Улиг, Д.Ф. Джонс и др.
Несмотря на достигнутые успехи в области прогнозирования разрушений магистральных трубопроводов, вызванных проявлением коррозионно-механических воздействий, некоторые вопросы остаются недостаточно изученными. Среди них можно выделить следующие:
Прогнозирование коррозионно-механнчєских разрушении магистральных трубопроводов
Коррозионное растрескивание
Коррозионная усталость
Общая мехапохи-мпческая коррозия
внешние іроявления і участки локализации
Фпзико-механїь ческие свойства металла очаговых зон
Анализ статистики отказов
Злекрохимичес кие свойства -металла очаговых зон
юздеиствие
циклических
напряжений
Определение остаточного ресурса
Изучение
механизма
Лабораторное
моделирование
Построение л проверка модели Цаэлрущення!
Механизм КР
Модель развития КР
Модель развития трещины
Проітюзирование механо-химической коррозии
Прогнозирование и диагностика <оррозионного растрескивания
Построение
модели
разрушения
Построение
[модели разрушения
Определен!!!
параметров ) расчетных 'лдодедеіі
Модель накопления уста, юстных повреждений
Прогнозирование коррозионной усганосш
Рис. 1. Блок схема прогнозирования коррозионно-механнчєских разрушений магистральных труоопроводов
-
Недостаточно изучены особенности проявления коррозионно-мехаыических разрушений линейной части магистральных трубопроводов.
-
Не в полной мере раскрыта природа отдельных видов коррозионно-механических разрушений.
-
Необходимы более углубленные статистические исследования разрушений магистральных трубопроводов с целью разработки моделей прогнозирования долговечности трубопроводных систем в условиях коррозионно-механических воздействий.
-
Необходимы дополнительные исследования для выявления роли катодной защиты и влияния ее режимов на развитие коррозионно-механических разрушений.
-
Требуют дальнейшего развития и совершенствования методы диагностики очагов коррозиошюго растрескивания.
-
Необходимы дополнительные исследования по прогнозированию остаточного ресурса магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей механохимической коррозии.
В связи с вышеизложенным целью работы является разработка методов прогнозирования долговечности линейной части нефтегазовых трубопроводных систем в условиях коррозионно-механических воздействий, способствующих развитию коррозионного растрескивания, коррозионной усталости и общей механохимической коррозии металла труб.
Реализация этой цели в диссертационной работе осуществляется путем постановки и решения следующих основных задач:
1. Изучить характерные внешние проявления КР магистральных газопроводов, физико-механические и электрохимические свойства металла очаговых зон разрушений с целью получения исходных данных для построения модели развития трещин.
2. Исследовать статистику отказов магистральных газопроводов по
причине КР и построить феноменологическую и статистическую модели прогнозирования долговечности линейной части.
3. Исследовать влияние и роль катодной поляризации, неметашппіе-
ских включений в трубных сталях и вибрационных нагрузок на зарожде
ние и развитие КР магистральных газопроводов.
-
На основе выявленного механизма возникновения КР магистральных газопроводов разработать метод диагностики их участков, подверженных растрескиванию.
-
Разработать метод прогнозирования долговечности магистральных нефте- и продуктопроводов в условиях коррозионной усталости с учетом стадий накопления усталостных повреждений, зарождения и развития 7рсщип и влияния на них катодной поляризации металла труб.
-
Разработать метод прогнозирования долговечности трубопрово-
'"Л", г; V'^ "t/-\p. ііяу f-»j>nTpi* \iov 'ірілунм ЧЧР'*КЇ\!Ї КППТ^ГУЖИ
Научная новизна:
впервые установлен стадийный характер КР магистральных газо
проводов, состоящий в чередовании взаимосопряженных механических
и электрохимических этапов развития разрушения;
« впервые количественно показано, что в условиях катодной защиты сульфидные включения в трубных сталях в количествах, допускаемых действующими нормативно-техническими документами, инертны по отношению к приэлектродным грунтовым электролитам и не вызывают дополнительной генерации водорода, способной инициировать растрескивание металла,
на основании анализа статистики отказов магистральных газопро
водов и изучения механических и электрохимических свойств металла
очаговых зон разрушения построена новая модель развития КР, позво
ляющая реально прогнозировать время до разрушения;
установлено, что процесс КР магистральных газопроводов может быть описан в рамках теории растворения вершины коррозионной трещины при воздействии растягивающих напряжений. При этом впервые количественно показано, что энергии, выделяемой при нестабильной работе и отключении системы катодной защиты, может оказаться достаточно для поддержания процесса растрескивания;
теоретически показано, что в качестве "спускового механизма" процесса КР может явиться осциллирующее поле малой амплитуды, например, вследствие вибрации;
разработан научно-обоснованный метод обнаружения (диагностики) вероятных мест КР магистральных газопроводов, базирующийся на особенностях электрохимического поведения стали в водных растворах солей угольной кислоты, формирующихся в приэлектрод-ных слоях грунтовых электролитов под воздействием токов катодной защиты;
показано, что катодная защита замедляет развитие малоцикловой коррозионной усталости металла магистральных трубопроводов, оказывая, впервые обнаруженное ее благоприятное влияние на параметры модели, описывающей стадию накопления коррозионно-усталостных повреждений и зарождения трещины;
получена новая аналитическая зависимость, пригодная для прогнозирования долговечности трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях общей механохимической коррозии.
Работа выполнялась в соответствии с:
координационным планом АН СССР на 1986-1990 гг. по направлению "Коррозия и защита металлов", шифры 2.7.3.2. "Развитие теоретических основ защиты металлов от коррозионно-механических процессов (Коррозионная усталость и растрескивание)";
сводным планом научно-исследовательских, проектно-
9 конструкторских и технологических работ по сварочной науке и технике
ГКНТ СССР, научного совета по проблеме "Новые процессы сварки и ' сварочные конструкции" АН УССР, ИЭС им. Патона на 1988 г., раздел 02, тема 01, этап 6Б "Карбонатное коррозиоішое растрескивание сварных соединений труб магистральных газопроводов";
научно-технической программой ГКНТ СССР 0.73.01 на 1985-1990 гг "Разработать, освоить и внедрить в промышленном производстве новые высокоэффективные технологические процессы, материалы и средства защиты металлов от коррозии". Задание Н 3. "Разработать рекомендации по повышению эффективности методов противокоррозионной защиты металлических изделий и конструкций, основанные на учете специфики их эксплуатации, для использования в народном хозяйстве";
» программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 1993-1995 гг. в области защиты от коррозионного растрескива-
реализуемой под эгидой Российского акционерного общества "Газпром";
в рамках госбюджетной лаборатории Госкомвуза по разработке теоретических ochor диагностики коррозионного растрескивания трубопроводов электрохимическими методами (1994-1995 гг.);
целевой научно-технической программой "Надежность и безопасность сложных систем" АН РБ на 1996 - 1998 гг.
На защиту выносятся: теоретическое обобщение известных и полученных автором результатов исследований коррозионно-механической стойкости нефтегазовых трубопроводных систем, результаты экспериментальных исследовашш и практические рекомендации по прогнозированию долговечности магистральных трубопроводов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на;
научно-технической конференции "Противокоррозионная защита
10 нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов" (Уфа, 1985);
ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов молодых ученых и специалистов УГНТУ (УНИ) (Уфа, 1984, 1989, 1990,1993-1995,1997);
Республиканских научно-технических конференциях по проблемам сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов ИПТЭР (ВНИИСПТНефть) (Уфа 1984,1986, 1988);
Всесоюзных (межгосударственных) научно-технических конференциях "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1985,1993);
I Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Проблема защиты металлов от коррозии" (Казань, 1985);
совещании по разработке мероприятий по предотвращению аварий на магистральных газопроводов из-за карбонатного коррозионного растрескивания Мингазпрома СССР (Саратов, 1986);
Республиканском научно-техническом семинаре "Проектирование и строительство систем подземных сооружений от коррозии" (Ленинград, 1986);
1 Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности" (Уфа, 1987);
научной конференции молодых ученых БФАН СССР (Уфа, 1987);
Республиканском научно-техническом семинаре "Повышение качества базовых деталей машин и аппаратов" (Курган, 1989);
Зональной научно-технической конференции "Современные проблемы коррозии и защиты металлов от коррозии в народном хозяйстве" (Уфа, 1990);
I Советско-Американском симпозиуме по стресс-коррозии газопроводов (Москва, 1990);
2nd Int. Conf. Pipeline Inspection (Moscow, 1991);
II Республиканской конференции "Проблемы нефтехимической промышленности" (Стерлитамак, 1993);
I научной конференции молодых ученых физиков РБ (Уфа, 1995);
» заседаниях секции научно-технического совета РАО "Газпром"
(Москва, 1993, 1996),
Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (Уфа, 1995);
конференциях "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий" АН РБ (Уфа, 1996, 1997);
II Всероссийской научно-технической конференции "Техішческая диагностика, промышленная и экологическая безопасность" АН технологических наук РФ (Уфа, 1996);
в совещании - семинаре ДП "Севергазпром" (Ухта. 1997).
Практическая ценность. Реализация результатов диссертации в практике эксплуатации магистральных трубопроводов осуществлена при разработке и внедрении следующих нормативно-технических и справочных документов:
"Дополнение JVal" к "Положению о расследовании причин отказов газовых объектов Министерства газовой промышленности, подконтрольных органам государственного газового надзора в СССР"', утвержденное первым заместителем министра газовой промьгаїленности в 1987 г.;
РД 39-0147103-361-86 "Методика по выбору параметров труб и поверочного расчета линейной части магистральных нефтепроводов на .малоцикловую прочность", утверждеішого начальником Главтранснефти Миннефтепрома СССР в 1986 г.;
"Основные признаки коррозионного растрескивания под напря-
12 жением металла магистральных трубопроводов", утвержденные заместителем директора ВНИИГАЗа в 1991 г.;
"Методика определения наиболее вероятных мест карбонатного коррозионного растрескивания", утвержденная заместителем директора ВНИИГАЗа в 1990 г.;
"Инструкция по обследованию и идентификации разрушений, вызванных коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН)" утвержденная правлением РАО "Газпром" в 1994 г.
Теоретические и экспериментальные результаты работы использованы при создании учебно-методического обеспечения и проведении лекционных и практических занятий для вузовских специальностей "Химическое сопротивление и защита от коррозии", "Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ", учебных планов и программ по читаемым курсам института повышения квалификации УГНТУ и Управления руководящих кадров и учебных заведений Мингазпрома СССР.
При участии автора проведены исследования свойств металла и даны заключения о причинах отказов следующих магистральных газопроводов: "Средняя Азия - Центр" (150, 153, 607, 618 км); "Надым - Пунга -Н.Тура", 3-я очередь (1049 км); "Парабель - Кузбасс" (129, 136, 301 км); "Уренгой - Грязовец" (523 км); "Уренгой - Петровок" (738 км); технологической обвязки КС "Октябрьская" газопровода "Уренгой Центр 1"; "Уренгой - Новопсков";"Уренгой - Помары - Ужгород".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, в том числе 2 монографии и 2 учебных пособия.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников и приложений, изложена на 284 страницах, включая 55 рисунков, 13 таблиц и список использованных источников из 234 наименований.
