CC BY
88
УДК 622.641.4:614.8
Лубенский С.А.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ С УЧЁТОМ РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аварии магистральных газопроводов (МГ) высокого давления могут вызывать взрывы, пожары, нарушение жизнеобеспечения населения и устойчивой работы объектов экономики страны. Около 40 % таких аварий обусловлено разрушением металла труб, вызванного внешней коррозией: общей и локальной - коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН). Защитные покрытия труб МГ не могут обеспечить абсолютную защиту наружной поверхности по следующим причинам: возможный брак в процессе изготовления, повреждения при транспортировке с завода на трассу, при строительстве (монтаже), деструкции и старении в процессе эксплуатации. Катодная защита не предотвращает возникновения КРН металла труб. Использование геоинформационных технологий и системных подходов позволит прогнозировать возникновение аварий МГ по причине коррозии металла труб в различных регионах России.
Ключевые слова: разрушение, магистральный газопровод, коррозионное растрескивание под напряжением, прогнозирование.
S. Lubenskiy
USING THE INFORMATION AND ANALYTICAL MODELS FORECASTING PROCESS OF CORROSION GAS MAIN PIPELINES UNDER SERVICE CONDITIONS
Accidents at the gas main pipeline of a high pressure can be the reasons of explosions, fires, destruction of equipment, buildings, roads and other objects. About 40 % of total accidents are the result of external corrosion: general and local that is stress corrosion cracking. Protective coating of gas main pipelines cannot provide a 100% protection of external surface by such reasons as production, transportation and constructional defects, coating aging and destruction under service condition. Cathodic protection doesn't prevent stress corrosion cracking of metal pipes. Using geoinformational technologies and systems approach allow forecasting gas main accidents in different regions of Russia.
Keywords: destruction, gas main, stress corrosion cracking, forecasting.
Введение
Аварии газопроводов высокого давления могут вызывать взрывы, пожары, нарушение жизнеобеспечения населения и устойчивой работы объектов экономики страны. Около 40 % таких аварий обусловлено разрушением металла труб, вызванного внешней коррозией: общей и локальной - коррозионным растрескиванием под напряжением.
Один из первых, точно установленных случаев разрушения металла труб по причине КРН произошел в августе 1977 года на магистральном газопроводе Средняя Азия - Центр (2-я нитка), диаметром 1220 х 12,5 мм. МГ эксплуатировался с октября 1969 года. Изоляция выполнена би-тумно-резиновой мастикой типа МБР-Н1-90-летняя. Трубы - производства Челябинского трубопрокатного завода, сталь 17ГС.
Грунт в месте аварии - твёрдый суглинок. Всего за период с 1977 по 1983 г. на данном участке газопровода, длиной около 4 км, произошло пять аварий, причинами которых явилось образование коррозионных трещин на поверхности металла труб.
Аварии МГ по причине коррозии происходили на трубах с плёночной и битумной изоляцией. Все разрушения происходят в местах нарушения целостности защитного покрытия, т. е. там, где возможен непосредственный контакт грунтового электролита с поверхностью металла труб. Защитные покрытия труб МГ не могут обеспечить абсолютную защиту наружной поверхности по следующим причинам: возможный брак в процессе изготовления, повреждения при транспорти-
ровке с завода на трассу, при строительстве (монтаже), деструкции и старении в процессе эксплуатации.
Опыт эксплуатации МГ показывает, что катодная защита обеспечивает защиту только от общей и язвенной коррозии, но не предотвращает возникновения КРН металла труб.
Уменьшение сечения металлических конструкций, вызываемого общей коррозией, относительно легко заметить при проведении обследований. Напротив, такой вид локальной коррозии как КРН может развиваться на участках с отслоившейся или разрушившейся изоляцией в виде межкристаллитных и транскристаллитных трещин без видимых признаков образования продуктов коррозии.
Обследование внутритрубными инспекционными снарядами (ВИС) позволяет получить наиболее объективную информацию о состоянии труб подземных газопроводов [1]. Однако наряду с высокой стоимостью такого обследования и объёмными подготовительными работами, немаловажен и тот факт, что не все МГ (в первую очередь, находящиеся длительное время в эксплуатации) могут быть подвергнуты внутритрубной дефектоскопии (ВТД) из-за своих конструктивных и технологических особенностей.
ВТД достаточно достоверно обнаруживает и идентифицирует тип дефекта, но в отдельных случаях может иметь место пропуск даже опасного дефекта. Например, при обследовании газопровода Торжок - Минск - Иванцевичи-2 в 2002 г. на одной из труб не были обнаружены стресс-коррозионные дефекты. После вскрытия газопровода при визуальном и приборном обследовании труб были обнаружены стресс-коррозионные дефекты, наибольший из которых имел длину 1500 мм и глубину 4 мм [2].
Возможные пути повышения эксплуатационной надежности МГ
Многолетние наблюдения за состоянием МГ показывают, что коррозионное разрушение подземных сооружений по природе является вероятностным процессом.
Не существует корреляции между сроком службы объекта и каким-либо одним параметром, определяющим состояние металла труб или окружающей среды. Для прогнозирования мест возникновения аварий по причине коррозии необходим учёт значительного количества разнообразных факторов, влияющих на процесс разрушения газопроводных труб, и, в первую очередь, факторов, характеризующих состояние подземной части трубопроводов. При этом трубопровод необходимо рассматривать как сложную систему, включающую три составляющих: внутренние факторы (температура, давление и т. д. транспортируемого газа), труба и изоляционное покрытие -внешняя среда.
Они находятся во взаимодействии, которое в конечном итоге и определяет степень надежности работы газопровода.
Для повышения эксплуатационной надежности МГ необходимо не только вскрыть существующие причинно-следственные связи между этими составляющими, но и иметь возможность исследовать их одновременно в пространстве и во времени, а также в различных пространственно-временных масштабах. Это особенно актуально ввиду большой протяжённости газотранспортной сети ОАО «Газпром», которая составляет более 150 тыс. км, и аварии газопроводов происходили в отдалённых один от другого регионах, отличающихся по климатическим, геологическим, почвенным, гидрографическим, инфраструктурным и другим условиям, - на Северном Урале, Поволжье, Тюменской, Курганской областях, Республике Коми. Кроме того, в 2011 - 2020 годах планируется строительство МГ Ямал - Европа. Только в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке предусматривается построить более 7000 км МГ [3], до 2020 г. необходимо реконструировать около 27,5 тыс. км. Помимо строительства и реконструкции проводится обследование состояния действующих МГ с целью определения участков, наиболее склонных к разрушению.
В настоящее время одним из эффективных инструментов, обеспечивающих консолидацию разнообразной по виду, содержанию и форме информации, позволяющих учитывать территори-
альные особенности и осуществлять пространственно-временной анализ может стать разработка информационно-аналитических моделей (ИАМ).
В лаборатории анализа аварийности и гражданской защиты ООО «Газпром ВНИИГАЗ» на базе геоинформационной автоматизированной системы мониторинга и прогнозирования ЧС на объектах ОАО «Газпром» (ГИСАМП «Газ ЧС») были разработаны ИАМ участков МГ и газопроводов-отводов с целью зонирования территорий по степени опасности возникновения аварий по причине коррозии металла труб.
Зонирование позволит более обоснованно принимать решения по выбору безопасных трасс, а также более обоснованно осуществлять выбор первоочередных участков газопроводов для проведения обследования их состояния и выявления наиболее склонных к разрушению участков.
Такие модели являются информационной основой для проведения пространственно-временного анализа, для выявления региональных особенностей с дальнейшим зонированием территории России по степени вероятности возникновения аварий МГ по причине коррозии металла труб.
Этапы разработки и основная структура ИАМ
Исходя из поставленных целей ИАМ должна обеспечивать решение следующих задач:
выявление участков МГ, на которых возможно возникновение аварий по причине коррозии;
определение участков для первоочередного проведения диагностических работ, включая внутритрубную дефектоскопию (ВТД), планово-предупредительных и текущих ремонтов труб, а также работ по замене изоляционного покрытия и реконструкции систем электрохимической защиты (ЭХЗ);
оптимальный выбор труб при капитальном ремонте, реконструкции и новом строительстве с учётом соотношения «уровень угрозы - уровень защиты»;
оценка возможных затрат на ликвидацию последствий аварий при организации ремонтно-восстановительных работ и т. д.;
планирование проведения исследовательских работ на участках действующих МГ.
На предварительной стадии разработки ИАМ был проведён анализ условий эксплуатации участков МГ, на которых происходили аварии, и выявлены значимые факторы, влияющие на процесс разрушения металла труб по причине общей и локальной коррозии. При этом были использованы акты расследований аварий (около 1300 актов за период с 1971 по 2010 г.), топографические и геологические карты различного масштаба, в частности, 1:200 000 и объяснительные записки к ним, отчёты о проведении ВТД, результаты лабораторных исследований, а также нормативно-техническая документация (Технические условия на трубы (ТУ), СНиПы и т. д.) и другие справочные материалы.
На базе векторной электронной карты России масштаба М 1: 200 000 была разработана картографическая модель газотранспортной сети (ГТС) ОАО «Газпром», где каждый объект ГТС имеет строгую координатную привязку. Для получения дополнительной информации, дающей более полное описание внешней среды в тех местах, где имели место аварии на МГ и газопроводах-отводах использовались также карты других как более крупных, так и более мелких масштабов. Эти карты представлены в единой системе координат и высот, унифицированы и согласованы между собой по условным знакам.
Для реализации системного подхода к оценке коррозионной опасности МГ с учётом многопланового и разнонаправленного влияния на это состояние широкого спектра факторов разработана структура данных, включающая три информационных блока, один из которых содержит информацию с характеристиками внутренней среды, второй - информацию с характеристиками труб и изоляционного покрытия, третий - информацию с характеристиками внешней среды. Возможность формирования ИАМ конкретного участка газопровода на основе данных, содержащихся в указанных блоках, была реализована путём использования так называемых унифицированных линейных координат. Унифицированные линейные координаты обеспечивают однозначную привяз-
ку любой информации к конкретным точкам трасс МГ в соответствии с идентификационным признаком «Газопровод - километр трассы (пикет)». Используя данный идентификационный признак можно оперативно формировать интегрированные характеристики участков МГ на базе разнородной (текстовой, табличной, картографической), разноплановой и разномасштабной информации, получаемой из разных источников, что существенно расширяет аналитические возможности и повышает достоверность оценок.
Блок с характеристиками внутренней среды включает информацию о составе и температуре транспортируемого газа, проектном давлении, разрешённом давлении, давлении на момент отказа.
Блок с характеристиками трубы и изоляционного покрытия - завод-изготовитель, номер ТУ, характеристика технологии производства и контроля качества труб, конструкция трубы, химический состав и механические свойства, тип изоляционного покрытия, технологии нанесения изоляционного покрытия, результаты коррозионно-механических испытаний образцов труб. В него входят так же сведения о проводимых ремонтных работах, реконструкции, проведении ВТД (указаны места проведения работ, длительность, причины и т. д.).
Эта информация при ремонте и реконструкции позволяет проводить более обоснованный выбор труб для замены на участках, где происходили аварии по причине КРН, а также более обоснованно формировать аварийный запас труб для этих участков. По мере накопления информации вносятся дополнения и изменения (в частности при изменении технологических процессов изготовления листового проката или труб).
В данный блок включена информация о трубах, разрушившихся по причине коррозии и трубного брака, данные металлографических и фрактографических исследований металла разрушившихся труб. Источником такой информации являются акты расследования аварий, которые содержат, в частности, описание состояния поверхности труб (расположение очага разрушения, глубину коррозионных дефектов, их расположение относительно шва и т. д.).
Представленные данные могут быть использованы при оценке остаточного ресурса действующих МГ в конкретных регионах.
Блок с характеристиками внешней среды - географические координаты, климатический район, профиль трассы, рельеф, тип растительности, тип грунта и его химический состав, химический состав грунтовых вод, гидрологический режим, безморозный период и характеристика снежного покрова, преобладающее направление ветра, оледенение и вечная мерзлота, сейсмичность, геоморфология, тектоника, наличие промышленных объектов и их техногенных выбросов, наличие сельскохозяйственных угодий, результаты электрохимических измерений, выполненных в грунтах непосредственно на месте аварии и в лабораторных условиях.
При разработке данного блока необходимо учитывать, что процессы взаимодействия поверхности металла газопроводных труб с компонентами грунтов носят сложный комплексный характер. В частности, наблюдается тенденция к повышению уровня основных водоносных горизонтов, увеличение запасов подземных вод и значительное увеличение годовых сумм осадков в течение последних 10 - 15 лет [4]. Кроме того, могут изменяться поверхностный и грунтовый стоки, русловой режим пересекаемых рек и ручьев [5]. Соотношение между подземными стоками и грунтовыми водами зависит от климатических и геоморфологических условий. Этим и обусловливается различие в химическом составе грунтовых вод.
В условиях влажного климата развиваются интенсивные процессы инфильтрации подземного стока, сопровождаемые выщелачиванием почв и горных пород.
Напротив, в условиях засушливого теплого климата в сухих степях, пустынях и полупустынях инфильтрация периодически сменяется испарением. При слабой дренируемости равнин подземный сток в них не развивается и в расходной части баланса грунтовых вод преобладает испарение. По этой причине происходит засоление грунтов, что объясняет значительное число аварий МГ, связанных с разрушением труб по причине общей и язвенной коррозии.
Магистральные газопроводы, работающие под давление от 30 до 70 атм и транспортирующие высококалорийное углеводородное топливо, относятся к числу опасных производственных объектов и аварии на них могут сопровождаться взрывами и пожарами, поэтому ИАМ содержит дополнительный информационный блок, включающий параметры распространения поражающих факторов аварий, экономического и экологического ущербов при разрушении линейной подземной части МГ. В него входят также функциональная схема разрушившегося участка, информация об объектах, находящихся в непосредственной близости от места разрушения (до 1 км). Информация данного блока может быть использована также при принятии решения о выборе места для размещения аварийного запаса на трассе газопровода и трубах, которые будут применены при проведении ремонтно-восстановительных работ.
Заключение
Наиболее трудоёмким этапом создания ИАМ явилось наполнение информационных блоков. В настоящее время модель включает информацию о более 1200 участках МГ, на которых происходили аварии по различным причинам. Информационная база моделей находится в актуальном состоянии, она постоянно уточняется и дополняется по мере поступления новой информации об авариях, проведении диагностических, ремонтных работ и т. д.
Состав полей ИАМ расширяется по мере выявления новых значимых факторов и постановки новых задач.
Использование геоинформационных технологий и системных подходов при оценке влияния региональных особенностей на аварийность линейной части МГ даёт возможность провести зонирование территории РФ по степени опасности возникновения аварий по причине коррозии на газопроводах ОАО «Газпром», что позволит принимать более обоснованные решения при выборе превентивных мероприятий по снижению аварийности газопроводов на всех стадиях их жизненного цикла от проектирования до ликвидации, включая работы по реконструкции и ремонту.
С использованием разработанной ИАМ был выполнен сравнительный анализ условий эксплуатации участков МГ, на которых происходили аварии по причине общей и локальной коррозии, и участков, на которых данных аварий не происходило. В результате удалось установить, что одной из главных причин возникновения КРН на МГ является взаимодействие поверхности металла труб с грунтовыми электролитами, содержащими агрессивные компоненты (органические кислоты и их соли, соединения серы различной степени окисления, соединения селена, свинца).
Использование ИАМ позволило составить перечень труб (как отечественных, так и зарубежных заводов производителей), подверженных КРН, что позволяет при проведении реконструкции и ремонтно-восстановительных работ, а также строительстве новых газопроводов избегать использования труб, изготовленных по тем же ТУ, что и трубы, на которых происходили аварии, связанные с КРН.
Проведённые с помощью ИАМ исследования причин аварий МГ, связанных с коррозией металла труб, позволили сделать заключение, что основными факторами, влияющими на возникновение разрушений, является наличие в грунтовом электролите коррозионно-агрессивных веществ и состояние изоляционного покрытия.
Литература
1. Временные методические рекомендации по выявлению участков МГ, подверженных КРН. - Ухта, 2001. С. 40.
2. Харионовский В.В. Стресс-коррозия магистральных газопроводов: методы, объёмы, эффективность диагностирования / В.В. Харионовский //Газовая промышленность. - 2005.-№ 7. - С. 14 - 17.
3. Гриб Н. Узкое место / Н. Гриб // Нефтегазовая вертикаль. - 2005. -№ 7. - С. 60 - 61.
4. Найденов В.И. Гидрология суши: новый взгляд /В.И. Найденов //Вестник российской академии наук - 2001. - Т. 71, № 5, С. 405 - 414.
5. Ельников В.В. Обеспечение надежности функционирования линейной части МГ / В.В. Ельников, В.И. Алексеев, Е.В. Деянова и др. // Газовая промышленность. - 2001. - № 3. - С. 12-14.
