УДК 620.179.14
СТРЕСС-КОРРОЗИЯ В ТРУБАХ РАЗНОГО ДИАМЕТРА ПРИ ДЕФЕКТОСКОПИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
А.А. Базилевский, Г.С. Корзунин, А.Ф. Матвиенко
Анализ результатов диагностики состояния труб магистральных газопроводов выполнен на базе данных внутритрубной магнитной дефектоскопии магистральных газопроводов для оценки опасности выявленных дефектов и обоснования проведения регулярной (через 3—5 лет) внутритрубной инспекции.
Ключевые слова: дефектоскопия, магистральный газопровод, стресс-коррозия.
Стабильность поставок газа потребителям как Российской Федерации, так и стран Восточной и Западной Европы, а также Балканского региона неразрывно связана с надежностью работы единой системы газопроводов ОАО "Газпром". Протяженность сети магистральных трубопроводов составляет около 210 тыс. км. Созданный запас по мощности единой российской газотранспортной системы позволяет наращивать ее производительность, но за прошедший период срок эксплуатации в среднем для всей системы газопроводов достиг 25—35 лет, а отдельных ниток — до 40 лет. Опыт эксплуатации трубопроводов нефтегазового комплекса в течение такого продолжительного периода времени свидетельствует о том, что возможно досрочное исчерпание проектного ресурса, проявляющееся аварийным отказом из-за недостатков в изготовлении труб и проведении строительно-монтажных работ газопроводов. Вследствие естественного старения в трубах появляется большое количество различных дефектов, что приводит к возрастанию интенсивности аварийных отказов. И среди всех этих дефектов самыми опасными являются стресс-коррозионные повреждения, возникающие в трубах при одновременном воздействии коррозионной среды и приложенных растягивающих напряжений.
Проблема поражения магистральных трубопроводов дефектами стресс-коррозии актуальна с 1965 года, когда произошла первая авария на восточном побережье в США вследствие многочисленного коррозионного растрескивания внешней поверхности металла трубы под отслоившейся изоляцией. Исследованиями, проведенными учеными России, США, Японии, Германии, Канады, Австралии, Ирана, Пакистана, проблема образования и развития стресс-коррозионных дефектов до сих пор не решена, но установлены основополагающие факторы, определяющие развитие стресс-коррозии, их оказалось около десяти. Среди этих факторов нас интересует влияние разных диаметров инспектируемых трубопроводов на возникновение и развитие стресс-коррозии.
Дефекты стресс-коррозии — это колонии, состоящие из большого количества параллельных друг другу коротких трещин (около 10—20 мм) на наружной поверхности труб. Отдельные колонии по ширине достигают от 100 до 200 мм, по длине — от 350 до 600—800 мм и нескольких метров, но в этом случае наблюдается подряд несколько колоний. Колонии трещин ориентированы параллельно продольной оси трубы как в прямошовных трубах (в направлении прокатки), так и спирально-шов-
Андрей Алексеевич Базилевский, руководитель группы ВЭД ЗАО "НПО "Спецнеф-тегаз", Екатеринбург. Тел. (343) 378-40-42, 89122688274.
Геннадий Семенович Корзунин, доктор техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 267-29-59. E-mail: Korzunin@imp.uran.ru
Анатолий Филиппович Матвиенко, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ЗАО НПО "Спектр", Екатеринбург, Тел. (343) 378-40-54.
ных трубах (под углом в направлении прокатки). Колонии стресс-коррозионных трещин свободно пересекают и спиральные сварные швы, и кольцевые, переходя из одной трубы в другую.
В процессе развития стресс-коррозии увеличивается длина (до 10— 20 мм) и глубина (до 50 % ^ каждой отдельно взятой трещины. При достижении критической длины и глубины трещины смежные параллельные трещины начинают сливаться в одну магистральную трещину, а при достижении ею критической длины и глубины происходит катастрофическое разрушение трубопровода. Длина разрушения трубопровода включает длину колонии стресс-коррозионных трещин и зону дорывов (кинетического распространения вязкого разрушения в каждую сторону от колонии).
Внутритрубная инспекция осуществляется исходя из приоритетов, определяемых потребностями газотранспортных предприятий, поэтому распределение ее объемов по диаметрам газопроводов на практике осуществляется крайне неравномерно.
Анализ активного периода работы дефектоскопов типа ДМТП с 2000 по 2010 гг. [1—6] показал, что наблюдается явная зависимость стресс-коррозионного повреждения труб от диаметров инспектируемых газопроводов. На газопроводах диаметром 426 мм очагов стресс-коррозии не обнаружено, 530 мм — 1 дефект; 720 мм — 154 дефекта; 1020 мм — 301 дефект; 1220 мм — 1227 дефектов; 1420 мм — 3198 дефектов (рис. 1). В частности, при увеличении диаметра труб в 3,5 раза (от 400 до 1400 мм), толщина стенок труб изменяется в 1,5—2 раза в зависимости от прочностных характеристик металла (от 6,0 до 18,0 мм), давление транспортируемого газа увеличивается в 1,5 раз (от 5,4 до 7,5 МПа), изменяется и ряд других параметров, включая и способ изготовления труб (двухшовные, одношовные, спиральношовные).
Диаметр, мм
Рис. 1. Распределение дефектов стресс-коррозии по диаметрам труб.
Напряжения, присутствующие в трубах газопроводов диаметром 1420 мм с толщиной стенки около 15,7 мм, рассчитанные по схеме нагру-жения внутренним давлением с учетом плоского напряженного и объемно-деформированного состояний в стенке, выше текучести трубных сталей. Именно в первой половине участка газопровода напряжения выходят за пределы текучести сталей, используемых в нефтяной и газовой
промышленности: Х70 — 441 МПа; 10Г2ФБ — 441 МПа; 10Г2БТ — 461 МПа; 10Г2Т — 461 МПа (Харцызский трубный завод, прямошовные трубы из стали контролируемой прокатки с заводской изоляцией, лист импортной и отечественной поставок) [7—10].
Для одинаковых толщин стенок труб нагрузка на единицу их площади возрастает при разном диаметре труб: 426 мм (при толщине стенки трубы t = 6—10 мм, внутритрубном давлении рабочего газа Р = 5,4 МПа); 530 мм (t = 6—10 мм, Р = 5,4 МПа); 720 мм (t = 8—12 мм, Р = 5,4 МПа); 1020 мм (t = 10,5—14,0 мм, Р = 5,4 МПа); 1220 мм (t = 12,0—14,5 мм, Р = 5,4 МПа); 1420 мм (t = 15,8—18,0 мм, Р = 7,5 МПа). Из проведенных статистических исследований следует, что минимальная толщина стенки труб является наиболее существенным фактором для образования стресс-коррозии (рис. 2).
70
60-
50
40
е
13
S 30
м
е
t4 20
ю
С
10
65
22
10
_L
J_С
~1 I
1420 1220 1020 720 Диаметр, мм
530
Рис. 2. Объем произведенной внутритрубной инспекции для газопроводов диаметром 530—1420 мм, Q — количество дефектов.
2
1
0
Согласно нормативным документам, действующим в различных странах, расчет толщины стенки труб производится на основании рабочего давления в трубопроводе, диаметра, предусмотренных нормами коэффициентов безопасности эксплуатации трубопровода и параметров прочности для металла труб. В зарубежных стандартах (например, ASME D31.8, DIN 2470) прочностной расчет стенки труб выполнен по величине условного предела текучести стали. Отечественные нормативы (СНиП 2.05.06—85) [10] предусматривают расчет толщины стенки по величине предела прочности металла труб (нормативное значение временного сопротивления на разрыв). Поскольку в расчетных соотношениях толщина стенки изменяется обратно пропорционально используемому параметру прочности, то меньшее по величине значение предела текучести определяет большую толщину стенки труб. Таким образом, зарубежными стандартами обеспечивается больший запас прочности и больший по времени инкубационный период до возникновения стресс-коррозии соответственно. И наоборот, российский норматив предусматривает использование в мощных магистральных трубопроводах сверхтонких труб. Известно, что именно конструкция тонкостенной трубы становится более уязвимой и восприимчивой к различным поверхностным и внутри-стенным неоднородностям и дефектам.
Как показывает статистика, наибольшие объемы инспекции проводятся на газопроводах диаметром 1420 мм (рис. 1). Превалирующее количество дефектов стресс-коррозии в абсолютном исчислении — 89 % от общего числа выявленных — наблюдается на газопроводах диаметрами 1220 и 1420 мм.
Для однозначности оценки дефектности газопроводов различных диаметров, вне зависимости от объема инспекций, проведем анализ по удельной величине — количеству дефектов, приходящихся на единицу длины газопровода.
20
15
о т к
£10
л
о Ко
19
12
4
1 1
1020
1220 Диаметр, мм
1420
Рис. 3. Удельная зависимость количества дефектов стресс-коррозии от диаметра труб газопроводов.
5
0
Диаграмма, представленная на рис. 3, показывает, что наибольшая стресс-коррозионная дефектность — 19 шт/100 км — наблюдается на газопроводах диаметром 1220 мм, далее следуют газопроводы диаметром 1020 мм — 12 шт/100 км, а минимальное — 4 шт/100 км — выявлено на газопроводах диаметром 1420 мм.
Получен неожиданный вывод: на газопроводах диаметром 1420 мм наименьшее удельное количество выявленных дефектов свидетельствует о неоднозначности влияния фактора диаметра труб на процесс образования стресс-коррозии. Поэтому проведем поэлементное рассмотрение данного фактора.
Соотношение, учитывающее предельные параметры нагружения и параметры трубы как конструкции, определяется котельной формулой
а = PD/2t, (1)
где Р — рабочее давление в газопроводе, МПа; D — диаметр труб газопроводов, мм; t — толщина стенки труб, мм; а — напряжение разрушения, МПа.
Параметры труб в уравнении (1) можно выразить через коэффициент
k = D/2t, (2)
который является величиной, обратно пропорциональной параметру конструкционной жесткости трубы — t/D.
Из графика (рис. 1) видно, что основная масса дефектов наблюдается на газопроводах большого диаметра, поэтому проведем детальный анализ только для этих труб.
Изменения количественных значений параметров на эксплуатирующихся в настоящее время газопроводах: диаметра (1020, 1220 и 1420 мм), рабочего давления транспортируемого продукта (5,5; 5,5; 7,5 МПа), толщины стенок труб (9,0; 10,5; 15,7 мм), уровеня действующих напряжений (311,7; 319,5; 339,2 МПа), конструкционных факторов трубы к (56,7;
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.