CC BY
31
УДК 621.644.07:620.194.22
Ключевые слова:
подземный
магистральный
газопровод
высокого давления,
коррозионное
растрескивание
под напряжением,
анализ параметров
повреждений,
данные
внутритрубной
диагностики,
геометрические
характеристики
повреждений.
Keywords:
buried high-pressure trunk gas pipeline, stress corrosion cracking,
analysis of defects' parameters, data of in-tube inspection, dimensional properties of defects.
Р.В. Агиней, С.С. Гуськов, В.В. Мусонов, Р.А. Садртдинов, В.А. Лапин
Исследование геометрических параметров и особенностей расположения стресс-коррозионных повреждений на магистральных газопроводах
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН, стресс-коррозия), по данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, является одной из основных причин аварий на подземных магистральных газопроводах высокого давления. КРН - трудно прогнозируемое и опасное явление. Это обусловлено большим количеством факторов зарождения и роста трещин [1]. Известно, что на формирование повреждений КРН оказывают влияние механические напряжения, коррозионная среда, тип и металлургические особенности трубной стали, состояние поверхности труб, электрохимические условия [2]. Тем не менее в настоящее время причины возникновения и особенности динамики развития повреждений КРН изучены не в полной мере.
Для исследования причин возникновения и развития повреждений КРН необходима информация о параметрах реальных повреждений, развивающихся на действующих магистральных газопроводах. Данные такого рода, собранные путем обработки результатов внутритрубной диагностики (ВТД), анализировались, например, в работах [3-5]. Однако по результатам ВТД выявляется лишь небольшое количество повреждений КРН, что обусловлено их геометрическими параметрами [6]. Например, по опубликованным ранее данным [3-5], в ходе ВТД выявляется лишь от 0,1 до 4,6 повреждений КРН на 1 км обследованной трубы. В то же время известно, что при диагностическом обследовании в процессе капитального ремонта магистральных газопроводов на отдельных участках можно выявить до нескольких сотен повреждений КРН на 1 км обследованной трубы. Таким образом, значительный интерес представляет исследование особенностей расположения повреждений КРН, выявленных в ходе диагностического обследования при капитальном ремонте подземных газопроводов.
С целью установления закономерностей расположения повреждений КРН и определения их геометрических характеристик изучены параметры повреждений КРН, диагностированных при капитальном ремонте участков подземных магистральных газопроводов с наружным диаметром 1420 мм, эксплуатируемых ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород»: рассчитано относительное количество труб разных типов с повреждениями КРН на участках обследования; определены их геометрические характеристики; построены распределения повреждений КРН по значениям угловой ориентации, глубины, условной площади повреждения, расстояния до продольного шва для разных типов труб; проанализированы особенности расположения повреждений КРН на участках обследования. Рассмотрены шесть участков газопроводов длиной 5,3-19,3 км. Общая протяженность исследованных участков составляет 62,0 км. Проанализированы результаты диагностического обследования 5560 труб, из которых 1382 одношовных (1Ш), 3701 двухшовная (2Ш), 477 спиралешовных (СШ). Из рассмотренных 5560 труб на 4388 трубах обнаружены повреждения, в том числе на 3121 трубе - повреждения КРН. Общее количество представленных в ведомостях обследования повреждений - 16590, из них повреждений КРН - 10661. Толщина стенки t рассмотренных труб типа 1Ш лежит в диапазоне от 15,2 до 20,8 мм, превышая 17,5 мм в 15 % случаев (208 труб); средняя толщина стенки 4р1Ш = 16,5 мм. Применительно к трубам типа 2Ш t попадает в диапазон 15,2-19,5 мм, превышая 17,5 мм в 2 % случаев (80 труб); 2Ш = 16,0 мм. У труб типа СШ t изменяется от 15,4
до 16,6 мм; tср СШ = 16,1 мм. В целом в 95 % рассмотренных случаев / < 17,5 мм.
Для автоматизированной обработки результатов диагностических обследований разработано оригинальное специализированное программное обеспечение (рис. 1). В качестве исходных данных в программе используются стандартные ведомости повреждений труб. Программное обеспечение позволяет рассчитывать следующие величины (отдельно для труб разных типов): общее количество труб, количество поврежденных труб, количество труб
с повреждениями КРН, общее количество повреждений, общее количество повреждений КРН, минимальную, максимальную и среднюю толщины стенок труб, максимальную смакс и среднюю сср глубины трещин, максимальную •макс и среднюю s условные площади повреждений КРН (s = ab, где a - длина дефекта; b -ширина дефекта), максимальный умакс и средний уср условные объемы повреждений КРН (v = sc = abc). Кроме того, программное обеспечение позволяет получать данные для построения распределений повреждений КРН
Рис. 1. Главное окно программного обеспечения обработки результатов диагностических обследований
Геометрические характеристики повреждений КРН
Участок 1 Участок 2 Участок 3
1Ш 2Ш СШ 1Ш 2Ш СШ 1Ш 2Ш СШ
Смакс= мм 4,0 3,0 3,5 2,1 - - 5,0 6,0 0,7
сср, мм 0,70 0,69 0,78 0,56 - - 0,62 0,58 0,70
•W м2 1,79 11,33 1,54 44,27 - - 7,84 14,91 0,04
v м2 0,086 0,238 0,061 0,209 - - 0,145 0,206 0,036
10-3 м3 1,61 6,08 2,31 22,57 - - 7,84 17,89 0,03
V«,,, Ю-3 м3 0,073 0,151 0,063 0,121 - - 0,120 0,162 0,025
Участок 4 Участок 5 Участок 6
1Ш 2Ш СШ 1Ш 2Ш СШ 1Ш 2Ш СШ
Смакс' мм 1,2 3,5 - 4,0 6,6 - 4,5 4,0 0,9
сср, мм 0,59 0,73 - 0,81 0,84 - 0,54 0,55 0,63
•W м2 0,26 0,92 - 0,98 14,90 - 6,22 14,89 0,03
V м2 0,047 0,053 - 0,033 0,156 - 0,128 0,308 0,020
10-3 м3 0,13 0,46 - 2,45 45,96 - 13,01 37,21 0,01
V^ 10-3 м3 0,027 0,038 - 0,033 0,212 - 0,119 0,300 0,012
по следующим параметрам: угловая ориентация повреждения, глубина трещин, условная площадь повреждения, расстояние до продольного шва.
Значения с, 5 и V могут использоваться для характеристики поврежденности участка газопровода. Результаты расчета максимальных и средних значений величин с, 5 и V для каждого участка обследования (отдельно для труб разных типов) представлены в таблице. Отметим, что на участке 2 имеются трубы только типа 1Ш, на участке 5 - только трубы 1Ш и 2Ш. На остальных участках присутствуют трубы всех трех типов. На участке 4 на трубах СШ повреждения КРН не обнаружены.
По всем типам труб наибольшее значение смакс составляет 6,6 мм (участок 5, 2Ш); Смакс.1 ш = 5,0 мм (участок 3); смаж;.Сш = 3,5 мм (участок 1). На участках 1 и 6 максимальная глубина трещин наблюдается на трубах типа 1Ш, а на участках 3-5 - на трубах типа 2Ш (см. таблицу). Значения сср на участках обследования лежат в диапазоне от 0,54 (участок 6, 1Ш) до 0,84 мм (участок 5, 2Ш). Значение сср на трубах СШ больше, чем на трубах других типов. В то же время не наблюдается какой-либо закономерности в соотношении значений сср1Ш
-ср.2Ш
: например, на участках 1 и 3 с
> С ср.1Ш ср.2Ш>
а на участках 4-6 сср.1Ш < сср.2Ш (см. таблицу). Характерно, что на всех участках, где имеются
| 0,16 (и
Ц °,14
и
§ 0,12
| 0,1°
о 0,08
■-Ч
и
0,06
о
° 0,04 к
д
« 0,02
— Все типы труб — 1Ш — 2Ш _ — СШ
9 10 11 12
Угловая ориентация, ч
Рис. 2. Распределение повреждений КРН по значениям угловой ориентации
| °,4°
Ц 0,35
и
§ °,3° с
°,25
о °,2° &
13
° °,1° -
°,°5
| — Все типы труб — 1Ш — 2Ш
— СШ
°,5
1,°
1,5
2,°
2,5
3,°
3,5
4,° с, мм
Рис. 3. Распределение повреждений КРН по значениям глубины трещин
0
°
°
трубы типа 1Ш и 2Ш (участки 1, 3-6), 5макс, 5ср, умакс, уср для одношовных труб меньше, чем для двухшовных.
В ходе работы построены распределения повреждений КРН по значениям угловой ориентации (рис. 2), глубины (рис. 3), условной площади повреждения (рис. 4) как для всех стресс-коррозионных поражений, выявленных на участках обследования, так и отдельно для повреждений КРН, расположенных на трубах 1Ш, 2Ш и СШ. Кроме того, для всех типов труб и отдельно для труб 1Ш и 2Ш построены распределения повреждений КРН по значениям расстояния до продольного шва (рис. 5). Анализ указанных диаграмм позволяет сделать следующие выводы. Распределения
повреждений КРН по значениям угловой ориентации для труб 1Ш и 2Ш имеют максимумы в районе 3 и 9 ч и достаточно близки друг другу. Распределение повреждений КРН по значениям угловой ориентации труб СШ имеет максимумы в районе 3, 5 и 8 ч и существенно отличается от первых двух распределений.
Около 40 % повреждений КРН для всех типов труб имеют угловую ориентацию в диапазонах 2,5-3,5 и 8,5-9,5 ч по условному циферблату; около 60 % - в диапазонах 2,0-4,0 и 8,0-10,0 ч. Угловую ориентацию в диапазонах 5,0-7,0 и 11,0-1,0 ч имеют лишь около 10 % повреждений КРН. Наибольшее количество повреждений расположено в районе 3 и 9 ч.
£ 0.
и о С
,28
,24 ,20 ,16
С,
I
ю ° 0,08 о к
Д 0,04
I — Все типы труб — 1Ш - — 2Ш — СШ _
0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0, тс. 4. Распределение повреждений КРН по значениям условной площади дефектов
«
и «
X
и ,
Л И
о
а -
0 -
1
ю о н о
к -
£ 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Расстояние до продольного шва, мм
Рис. 5. Распределение повреждений КРН по значениям расстояния до продольного шва № 3 (27) / 2016
| Все типы труб
— 1Ш
2Ш
Л/ /V
V
0
2
Распределения повреждений КРН по глубине для труб всех трех типов имеют максимумы в районе 0,2; 0,5; 0,8 и 1,0 мм. Особенно ярко выражен максимум в районе 0,5 мм. Около 40 % повреждений КРН имеют глубину в диапазоне 0,5-0,6 мм; около 60% - в диапазоне 0,4-0,7 мм; для 90 % повреждений КРН глубина не превышает 1,1 мм. Максимум в районе 0,2 мм рассматривать некорректно, так как величина с находится в зоне погрешности измерений.
Распределения повреждений КРН по 5 для труб 1Ш и 2Ш имеет максимум в районе 0,010,02 м2. На распределении для труб СШ такого максимума не наблюдается. Приблизительно в 40 % случаев условная площадь повреждений КРН не превышает 0,02 м2; в 65 % случаев 5 < 0,04 м2; для 90 % случаев 8 < 0,17 м2.
Применительно к одношовным и двух-шовным трубам распределения повреждений КРН по значениям расстояния до продольного шва различаются существенно: 48 % повреждений расположены на расстоянии не более 200 мм от продольного шва; 63 % - не более 400 мм от продольного шва. Кроме того, имеется слабо выраженный максимум в районе 750-800 мм. На распределении для одношов-ных труб не наблюдается достаточно выраженных характерных особенностей, кроме несколько повышенного количества повреждений КРН на расстоянии до 100 мм от продольного шва. Распределение в диапазоне 100-1600 мм близко к равномерному. На расстоянии не более 200 мм от продольного шва расположено 16 % повреждений КРН; на расстоянии не более 400 мм от продольного шва - 26 % повреждений КРН. Полученные данные свидетельствуют о том, что на двухшовных трубах повреждения КРН развиваются преимущественно в районе продольных сварных швов, что может быть связано как с наличием остаточных механических напряжений в околошовных зонах, так и с более благоприятными условиями для отслаивания изоляционного покрытия в районе продольных сварных швов. Для труб 1Ш указанная зависимость менее выражена по сравнению с трубами типа 2Ш.
* **
Таким образом, проведенный анализ результатов диагностических обследований участков магистральных газопроводов с наружным диаметром 1420 мм и общей протяженностью 62,0 км показал, что КРН -основной тип повреждений на рассматриваемых участках газопроводов. Поражения стресс-коррозией обнаружены на 3121 трубе из рассмотренных 5560 труб. Среднее количество повреждений КРН на единицу длины газопровода на рассмотренных участках составило 172 км-1.
Наибольшее значение глубины трещины на участках обследования составило 6,6 мм (двух-шовные трубы). Для одношовных труб максимальная глубина трещины составила 5,0 мм; для спиралешовных - 3,5 мм. Для 90 % повреждений КРН на МГ ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» максимальная глубина трещин не превышает 1,1 мм, что меньше 0,1 толщины стенки для всех исследованных труб и в целом согласуется со статистикой других газотранспортных обществ ПАО «Газпром» [7].
На всех участках, где имеются одношовные и двухшовные трубы, максимальные и средние значения условной площади и условного объема повреждений КРН для одношовных труб меньше, чем соответствующие значения для двухшовных труб. Этот результат свидетельствует о влиянии конструкции и технологии формовки труб на кинетику развития процессов КРН.
Распределения повреждений КРН по значениям угловой ориентации для одношовных и двухшовных труб имеют максимумы в районе 3 и 9 ч. Угловая ориентация приблизительно 60 % повреждений КРН попадает в диапазоны 2,0-4,0 и 8,0-10,0 ч. Угловую ориентацию 1,0; 5,0-7,0 и 11,0 ч имеют лишь около 10 % повреждений КРН.
На расстоянии не более 200 мм от продольного шва расположены 48 % повреждений КРН двухшовных труб и 16 % повреждений КРН одношовных труб. Таким образом, на двух-шовных трубах повреждения КРН развиваются преимущественно в районе продольных сварных швов, что может быть связано с наличием повышенных остаточных механических напряжений в околошовных зонах.
Список литературы
1. Спиридович Е.А. Повышение надежности магистральных газопроводов в условиях коррозионного растрескивания
под напряжением: автореф. дис. ... д.т.н. 25.00.19 / Е.А. Спиридович. - М., 2014. - 50 с.
2. Александров Ю.В. Разработка методологии эффективного предупреждения разрушения длительно эксплуатируемых газопроводных систем, подверженных стресс-коррозии: автореф. дис. ... д.т.н. 25.00.19 /
Ю.В. Александров. - Ухта, 2013. - 43 с.
3. Долгов И. А. Оценка изменения стресс-коррозионной поврежденности по результатам повторной внутритрубной дефектоскопии / И.А. Долгов, В.А. Горчаков, Ю.П. Сурков
и др. // Дефектоскопия. - 2007. - № 1. -С. 16-26.
4. Садртдинов Р.А. Особенности развития процесса КРН на участке газопровода
по результатам повторной внутритрубной дефектоскопии / Р.А. Садртдинов, В.Г. Рыбалко, Д.В. Новгородов // Дефектоскопия. - 2012. -№ 7. - С. 27-35.
5. Стеклов О.И. Оценка уровня пороговых напряжений коррозионного растрескивания в системе магистральных газопроводов / О.И. Стеклов, Д.П. Варламов // Трубопроводный транспорт: теория
и практика. - 2012. - № 3. - С. 4-9.
6. Соловей В.О. Оценка работоспособности газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением: автореф. дис... к.т.н. 25.00.19 / В.О. Соловей. - М., 2010. - 24 с.
7. Алимов С.В. Концепция диагностирования и ремонта магистральных газопроводов
в регионах с высокой предрасположенностью к стресс-коррозии / С.В. Алимов, А.Б. Арабей, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2015. - № 724 (спецвыпуск). - С. 10-15.
