CC BY
46
Резвых В.А., Чирков Ю.А.*, Кушнаренко Е.В.*
УЭСП «Оренбурггазпром», ‘Оренбургский государственный университет
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ ТРУБ, КОНТАКТИРУЮЩИХ С СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДОЙ
Представлена методика испытания натурных образцов труб, контактирующих с сероводородсодержащей средой, позволившая уточнить влияние формы нетрещиноподобных дефектов на сопротивление разрушению от внутреннего давления в трубе и сопоставить с расчетными значениями.
В настоящее время большинство трубопроводов ООО «Оренбурггазпром» проработало более 25 лет. Определение технического состояния трубопроводов проводится путем внутри-трубного диагностирования снарядами - дефектоскопами и наружного неразрушающего контроля.
Оценку нагруженности дефектных участков трубопроводов осуществляют расчетными методами согласно действующей нормативной документации, с учетом фактической геометрии и размеров трубопровода, вида и величины выявленных дефектов и вызываемой ими концентрации напряжений, а также результатов экспериментальных исследований напряженно-дефермированного состояния и измерения физико-механических свойств металла.
Для уточнения прочностных характеристик металла труб и определения количественных характеристик сопротивления разрушению от внутреннего давления сероводородсодержащей среды в трубах были проведены натурные испытания образцов труб.
В качестве объекта испытаний были взяты катушки труб 0 57 х 4 мм; 0 89х4 мм; 0 108х6,2 мм; 0 168х11 мм; 0 219х7 мм; 0 377х10,5 мм; 0 720х20 мм из стали типа сталь 20 трубопроводов, используемых для транспортировки нефтегазоконденсатных сероводородсодержащих сред.
Натурные испытания труб проводили на установке, состоящей из насосной станции (нагружающего устройства), бокса с вытяжной вентиляцией и консольного крана. Контроль давления производили с помощью трех образцовых манометров с диапазоном измерений: 0 - 2,5; 0 + 60 и 0 + 200 МПа.
В целях безопасности условий испытания установка оборудована боксом, в котором размещали испытуемые трубы. Бокс состоит из стальной цилиндрической обечайки 0 1420х17 мм, заглубленной в бетон и днища со сливным
отверстием. Из нижней части бокса производится отток газов в систему вытяжной вентиляции. В поддон засыпается слой извести на случай нейтрализации испытательного раствора, находящегося внутри испытуемой трубы. С помощью крана бокс накрывается выпуклой сферической крышкой 0 1420х20 мм.
Для регистрации изменения сопротивления тензодатчиков, наклеиваемых на дефектные участки труб, использовали цифровой автоматический тензоизмеритель (ЦАТ), состоящий из автоматического 100 позиционного прецизионного переключателя АП-3 и цифрового тензо-измерителя (ЦТИ).
Перед проведением испытаний выполняли обезжиривание внутренних поверхностей труб и сборку специальных заглушек, вентилей, пробок и т. п.
Испытания проводили в следующем порядке. Внутреннюю полость испытуемых труб заполняли сероводородсодержащим раствором -5% раствор №0 в дистиллированной воде с добавлением 0,5% ледяной уксусной кислоты, насыщенный сероводородом, приготовленным согласно NACE TM 0177-96 [1].
Трубы выдерживали с раствором при внутреннем давлении, создающим напряжения в металле 0,6 от. Необходимое давление рассчитывали по минимальному нормативному пределу текучести металла испытуемых труб равному 220 МПа.
После достижения необходимого давления перекрывали все вентили, открывающие доступ в испытуемые трубы и осуществляли выдержку 120 часов, затем сбрасывали давление до нуля, и производили смену сероводородсодержащего раствора. Выдержку катушек труб с раствором осуществляли в течение 720 часов.
После этого освобождали испытуемые трубы от раствора и наносили посередине длины трубы искусственные дефекты - надрез дисковой фрезой, а в диаметрально противопо-
ложном направлении - лыску. Лыска имитировала равномерное утонение стенки трубы, а надрез - локальное.
Глубину надреза и лыски (Ь) выполняли равной половине толщины стенки катушки трубы, а длину - равной наружному диаметру трубы, не считая длин выходов фрезы, которые зависели от толщины стенки трубы и применяемого инструмента для получения надреза (таблица 1).
Образцы труб с дефектами заполняли сероводородсодержащим раствором NACE и выдерживали еще 720 часов при вышеуказанных условиях.
Перед проведением испытаний труб до разрушения сбрасывали давление и на поверхность лыски и над надрезом, посередине длины искусственных дефектов труб, наклеивали по три тензодатчика с базой 20 мм.
Затем производили нагружение, заполненных сероводородсодержащим раствором труб, до давления, равного 1,25 Рраб и выдерживали 10 мин. Сбрасывали давление до 0,1 Рраб и также выдерживали 10 мин. Вновь поднимали давление до 1,25 Рраб , выдерживали 10 мин и сбрасывали до 0,1 Рраб с выдержкой 10 мин. Всего циклов нагружения-разгрузки - 10. После проведения циклических нагружений осуществляли визуальный, капиллярный и ультразвуковой контроль металла дефектных участков труб. Появления трещин не обнаружили.
После этого вновь поднимали давление до 1,25 Рраб и далее производили ступенчатое нагружение до разрушения испытуемых труб, поднимая каждый раз давление на 5 МПа с выдержкой по одной минуте. На тензоизмерителе от деформации тензодатчиков фиксировали появление деформаций металла трубы в области лыски и в надрезе.
При увеличении внутреннего давления в испытуемых трубах наблюдали появление пластических деформаций в области дефектов. Первые пластические деформации обнаруживали в зоне надрезов, при этом фиксировали давление
Таблица 1.
Толщина стенки, 8 , мм Радиус фрезы, Я, мм Ширина фрезы, 1, мм
До 5 30 1,5
6 - 10 40 2
11 - 17 40 2,5
СЧ •I- ОО 60 3
2 0-1 •I- 3 60 4
и выдерживали 5 минут. На надрезе с повышением давления, после достижения т в металле, наблюдали резкое увеличение деформаций, а после фиксации давления - постепенное уменьшение деформаций. Это объясняется раскрытием надреза за счет течения металла в зоне концентрации напряжений в надрезе, а после остановки увеличения давления и поддержки его постоянным, зона пластических деформаций увеличивается и приближается к равномерной по остаточной толщине катушки трубы, при этом надрез несколько закрывается. В процессе снижения давления линия графика изменения деформаций идет несколько круче по сравнению с линией нагружения в упругой области, что свидетельствует о возникновении пластических деформаций сжатия в надрезе при разрушении испытуемой трубы. В результате упрочнения (наклепа) металла в зоне пластических напряжений линия графика деформаций при нагружении поднимается еще круче, чем при разгру-жении. Пластические деформации начинают развиваться при достижении величины давления, превышающего предыдущий уровень нагружения. Циклическое нагружение испытуемых образцов в области пластических деформаций проводили несколько раз, пока не происходило разрушение.
В центральной зоне дефекта типа лыска отсутствует концентрация напряжений по остаточной толщине стенки, вследствие плавного утонения металла труб по окружности и большой осевой протяженности. Поэтому пластические деформации на лыске наступали при большем внутреннем давлении, которое соответствует возникновению напряжений равных пределу текучести наводороженного металла трубы, чем при давлении в надрезе (таблица 2). Отношение давления текучести металла на лыс-ке к давлению в надрезе (Рл/Рн) представляет собой коэффициент концентрации напряжений К 8 в остаточной толщине металла надреза. Среднее значение К 8 равно 1,385 (таблица 2), которое условно определяет потенциальную опасность дефектов типа локальных механических или коррозионных повреждений, расположенных вдоль оси трубопровода по линии, например, группы точечных коррозионных язв, по отношению к общей коррозии, имеющей тот же линейный размер вдоль оси трубопровода. Опасность усугубляется при частых перепадах давления, которые должны учитываться в расчетах на малоцикловую усталость.
Таблица 2
Диаметр и толщина стенки трубы, мм Давление текучести металла трубы в дефекте Р /Р Рл/Рн Давление разрушения при гидро-испытанияx Рраз, МПа Истинный предел текучести металла О т и МПа Расчетное давление разрушения трубы с дефектом по пределу текучести материала Р /Р раз' раз и Р /Р раз раз н
Надрез Рн, МПа Лыска Рл, МПа Истинное Рраз и, МПа Норматив Рраз н, МПа
57x4 24,5 34 1,38 46 312 36,6 31,6 1,25 1,45
89x4 12 15 1,25 21,0 303,8 21,0 18,5 1 1,14
89x4 13 18 1,38 21,5 364,5 24,4 18,5 0,88 1,16
108x6 12 18 1,5 29,4 285 25,4 23,9 1,16 1,23
168x11 17,5 25 1,4 56,4 327,2 35,0 29,0 1,61 1,94
219x7 7,5 10,5 1,4 16,3 307,5 14,4 12,5 1,13 1,31
377x10,5 7,5 - - 15,3 - - 10,7 - 1,43
720x20 - 15,5 - 21,0 310 19,5 16,7 1,08 1,26
1,385 315,7 1,16 1,36
Все разрушения испытуемых труб произошли по надрезу. При этом в надрезе трубы 0 377x10,5 мм наступили значительные пластические деформации. Для этой трубы коэффициент равный отношению Р /Р - величи-
^ раз расч н
ны разрушающего давления при испытании к величине расчетного давления разрушения, которую определяли по модифицированной методике В3Ш [2-3] относительно нормативного предела текучести 260 МПа, составил 1,43. Среднее значение этого коэффициента для других отрезков труб составило 1,38 (таблица 2). Поэтому считаем, что результаты испытаний трубы также показательны.
Полученное значение коэффициента концентрации напряжений К 8 = 1,385 в остаточной толщине металла надреза показывает возможность эксплуатации труб с общей коррозией (область испытуемых труб с лыской) большей глубины, чем глубины коррозионных повреждений, расположенных вдоль оси трубопровода по линии, например, группы точечных коррозионных язв (область испытуемых труб с надрезом).
Проведены циклические испытания трубы 0 720x20 мм с водородными расслоениями, вырезанной из соединительного газопровода транспортирующего сероводородсодержащие среды. Согласно результатам обследования области расслоений трубы обнаружено расслоение с наибольшими геометрическими размерами: длиной вдоль оси трубы 220мм, перпендикулярно оси трубы 160 мм и средней глубиной залегания по стенке трубы 8 12 мм (рисунок 1).
Испытуемая труба выдержала 500 циклов нагружения нормативным расчетным далени-
ем Рн=8,7 МПа, затем проводили испытания ее на прочность при нагружении до величины давления 1,25Рн со сбросом давления до 0,1Рн, 100 циклов. Затем проводили нагружение до величины давления 1,5Рн со сбросом давления до 0,1Рн, 10 циклов и до величины давления 1,75 Рн со сбросом давления до 0,1Рн, 10 циклов. После того, как испытуемая труба выдержала все циклические нагрузки, ее нагружали до разрушения. При давлении 21,0 МПа труба разрушилась в области расслоения. Зона разрушения имеет размеры ~ 1400x200мм и ориентирована вдоль оси трубы (рисунок 2). Испытуемая труба разрушилась при давлении в 2,41 раза превышающем нормативное рабочее давление - и в 3,18 раза превышающем проектное давление - 6,6 МПа.
Свойства металла трубы согласно испытаниям образцов: временное сопротивление разрыву 8 в =440 МПа, предел текучести 8 т=310 МПа. нормативные: 8 в =440 МПа , 8 т=260 МПа.
Коэффициент равный отношению Р /Р
т т г раз расч
н величины разрушающего давления при испытании к величине расчетного давления разрушения, определяемого с учетом истинного предела текучести наводороженного металла (установленного в ходе гидравлических испытаний на лыске), составил 1,17 (таблица 2). наименьшее значение этого коэффициента равное 0,88 получено для катушки трубы O 89x4 мм, которая имела посередине кольцевой сварной шов, проходящий через дефекты. Считаем, расчетное значение разрушающего давления завышено относительно разрушающего давления, полученного в ходе гидроиспытаний. Пос-
леднее обусловлено завышением истинного предела текучести, на определение которого повлиял сварной шов как минибандаж, а также другие характеристики металла сварного соединения (предел текучести, пластические свойства).
В целом результаты проведения коррозионно-механических испытаний труб с надрезом позволяют утверждать, что разрушающее давление достаточно точно устанавливается по модифицированной методике B31G имея небольшой запас, если использовать в расчетах истин-
ный предел текучести металла труб, транспортирующих сероводородсодержащие среды. При использовании нормативного предела текучести получаем занижение в 1,36 раза величины расчетного разрушающего давления относительно истинного разрушающего давления.
Проведенные коррозионно-механические испытания труб позволяют обосновать применения методики B31G для определения потенциальной опасности нетрещиноподобных дефектов трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды.
Список использованной литературы:
1. NACE Standard TM 0177-96. Standard Test Method Laboratory Testing of Metals for Resistance to Specific Forms of Environmental Cracking in H2S Environments. - 32 p.
2. ANSI/ASME B 31 G-1984. Manual For Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines. - ASME. - New York.
3. Гафаров H.A., Гончаров A.A., Кушнаренко B.M. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений. - M: Недра - 1998. - 437 с.
