CC BY
42
УДК 621.644.07:620.194.22
С.В. Рыбалко, В.Г. Рыбалко, Т.А. Ефремов
Опыт мониторинга технического состояния труб, оставленных в эксплуатации со стресс-коррозионными повреждениями
В настоящее время в условиях постоянно возрастающих объемов ремонтов трубопроводов, а также увеличения количества выявляемых повреждений коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) имеет смысл рассматривать все успешно апробированные способы прогнозирования долговечности газопровода, повышения эффективности и оптимизации затрат на проведение диагностики и ремонта труб [1-3]. Следует отметить, что до 2013 г. в отношении ремонта труб с повреждениями КРН использовались достаточно разнообразные подходы, но в настоящее время нормативная база и политика ведущих надзорных органов однозначны: трубы с повреждениями КРН предписывается демонтировать. Начальным этапом образования поверхностных трещин является возникновение повреждения - концентратора напряжений - чаще всего в виде скопления коррозионных поражений [4-5] в местах нахождения коррозионно-активных неметаллических включений вследствие контакта почвенного электролита со стенкой трубы (рис. 1). Развивается такое повреждение под воздействием внешней коррозионной среды и напряжений.
Рассмотрим природу этих напряжений более подробно. В результате несовершенства технологии формовки и выплавки стали в стенках свежеизготовленной трубы присутствуют остаточные напряжения [6]. В процессе эксплуатации трубы из-за внутреннего давления газа добавляются фактически действующие кольцевые напряжения, а из-за воздействия сезонных и эксплуатационных нагрузок на трубопровод -изгибные напряжения. При отсутствии изгибных нагрузок, а также при снижении давления дефект перестает развиваться и переходит в состояние общей коррозии.
Развитие процесса КРН может приводить к разрушениям газопроводов, зачастую сопровождающимся возгоранием транспортируемого газа. Такие аварии влекут за собой существенный материальный и техногенный ущерб. Поэтому прогнозная оценка состояния газопровода с точки зрения развития процесса КРН, а также разработка
Ключевые слова:
трубопровод, коррозионное растрескивание под напряжением, оценка остаточного ресурса трубы.
Keywords:
pipeline, stress corrosion cracking,
estimating residual life of a tube.
•'"v. 'I •
V 1
I '"Л*
Рис. 1. Этапы образования поверхностных трещин:
а - неметаллические включения, направленный шлиф с поверхности стенки трубы, ><125; б - образование питтинга, поперечный шлиф стенки трубы, ><1500; в - зарождение и развитие трещины от питтинга, поперечный шлиф стенки трубы,
х1500
а
методов контроля этого процесса достаточно актуальны.
Наиболее перспективно и экономически обосновано активное предотвращение различных инцидентов, аварий и чрезвычайных ситуаций на основании результатов диагностики. При обнаружении, правильной идентификации и определении размеров повреждений КРН решается вопрос о степени их опасности и целесообразности ремонта либо удаления [1]. Для принятия решения с учетом линейных размеров трещин и механических свойств металла трубы выполняются расчетные оценки остаточного ресурса трубы со стресс-коррозионными повреждениями. В качестве источника напряжения принимается внутри-трубное давление.
Повреждения КРН, как правило, имеют достаточно сложную пространственную конфигурацию (рис. 2), не всегда поддающуюся аппроксимации с учетом механизма взаимодействия близко расположенных трещин в колонии, например, для оценки возможного
изменения линейных размеров трещин. Однако нередко газотранспортная организация вынуждена эксплуатировать трубы с повреждениями КРН, например по причинам временного отсутствия возможности подъезда техники к месту ремонта или нецелесообразности замены труб. В этом случае представляется актуальной организация выборочного контроля (мониторинга) оставленных в эксплуатации зон стресс-коррозионных повреждений.
Для этого по заданию ООО «Тюмен-трансгаз» специалистами ООО «НПП «Нефте-газдиагностика» (ранее - ООО «Экспертиза») совместно с сотрудниками Института физики металлов УрО РАН (ИФМ) разработаны методика и приборные средства контроля состояния повреждений: прибор МВН-3М для измерения напряжений в изделиях из трубных сталей и закладные датчики МВН-3 (рис. 3). Указанный набор технических средств позволяет выполнить комплексную оценку размеров повреждения, так как можно одновременно оценивать раскрытие берегов трещины путем
Рис. 2. Структура повреждения КРН: а, б - варианты распределения трещин на поверхности стенки трубы; в - сложная конфигурация профиля трещин
регистрации магнитных полей рассеяния и измерять ее глубину вихретоковым методом.
Созданию оборудования предшествовали совместные с ООО «Тюментрансгаз» и ИФМ научно-исследовательские работы, в ходе которых в том числе проведены электронно-фрактографические исследования поверхности разрушения повреждений КРН, выявлены особенности их зарождения, развития, поэтапного роста, взаимодействия и долома [7-8]. Обнаружено явление стабилизации коротких трещин, выражающееся в прекращении роста, коррозионном растворении и затуплении вершины трещины. Наличие стабилизации повреждений и практическое отсутствие новых трещин за межинспекционный период подтвердил также анализ данных повторной внутритруб-ной дефектоскопии [7-8]. Указанное наблюдение позволило выделить новое специальное понятие - стабилизированные дефекты КРН.
К настоящему времени закладные датчики применялись для контроля дефектов КРН в ходе эксплуатации газопровода, а также в процессе проведения стендовых гидравлических испытаний (статических и циклических) для сравнительной оценки состояния (глубина трещин, раскрытие) оставшихся повреждений после ремонтов трубы сваркой и муфтами и для оценки эффективности видов ремонта. Трубопровод, поврежденный КРН, имеет в большинстве случаев несколько групп
Рис. 3. Датчики МВН-3 и коммутирующее устройство
трещин, которые могут различаться глубиной и протяженностью единичных повреждений, поэтому предварительно проводится расчет критических размеров трещин и остаточного ресурса, по результатам которого определяется повреждение с минимальным ресурсом. Впоследствии участок, на котором расположено это повреждение, назначается контрольным, и туда устанавливаются закладные датчики МВН-3.
т ж ел о\
П П Т Т «П
Номер замера
Рис. 4. Гидравлические стендовые испытания
500
400
й «
300
_ Режим нагружения: ■ 0-75 кгс/см2 ■ 0-94 кгс/см2 ■ 0-104 кгс/см2
■ ■
■
—
<
200
100
1983 (230) 1983 (231) 2714 (232) 2714 (233)
Номер трубы (номер датчика)
Рис. 5. Оценка эффективности ремонта труб с трещинами КРН композитными муфтами:
на трубе № 1983 с исходными повреждениями датчики установлены на трещины глубиной
3-4 мм на удалении от зоны ремонта; на отремонтированной трубе № 2714 датчик 232 установлен между двумя зонами ремонта на трещину глубиной 4-5 мм, датчик 233 - вблизи кольцевого шва между швом и композитной муфтой на трещину глубиной 4-5 мм
0
Отработка технологии контроля первоначально осуществлялась в процессе стендовых гидравлических испытаний (рис. 4), в ходе которых проводилась экспериментальная оценка несущей способности трубы диаметром 1400 мм с повреждениями КРН, в том числе после ремонта наплавкой, а также закрепления стенки трубы кольцевыми металлическими, стеклопластиковыми и композитными муфтами. Датчики МВН-3, установленные непосредственно на трубу, позволили контролировать развитие повреждений КРН, тем самым обеспечивая возможность определения эффективности различных методов ремонта.
Выполнены сравнительные испытания труб с глубокими (4-5 мм) трещинами КРН в «исходном» состоянии (после эксплуатации) и после ремонта разными способами -наплавкой, стеклопластиковыми и композитными муфтами. При ремонте муфтами датчиками контролировались трещины, выходящие за границы зоны ремонта; при ремонте наплавкой датчики устанавливали на оставшиеся трещины, расположенные за границами наплавки. Оказалось, что с ростом внутритрубного давления пропорционально растет и сигнал датчиков, расположенных над «исходными» повреждениями (рис. 5). Это связано с изменением геометрии повреждения, главным образом -с раскрытием берегов трещины. В то же время
происходит перераспределение магнитного потока с изменением магнитного поля рассеяния. При этом после ремонта муфтами с ростом внутритрубного давления сигнал датчиков над трещинами меняется незначительно, что свидетельствует о сохранении геометрии повреждения вследствие повышения жесткости этого
участка в результате ремонта.
***
Контролируя размеры трещины в стенке трубы после ремонта разными способами и по результатам испытаний, можно разработать рекомендации по выбору материалов и технологии ремонта.
Работа по организации мониторинга трещин выполнена на трех участках газопровода, где после диагностики труб диаметром 1400 мм в протяженных шурфах обнаружены и были временно оставлены без ремонта участки с трещинами глубиной 3-4 мм и протяженностью до 120 мм. Над трещинами и рядом на участке без трещин установили датчики МВН-3, организовав их мониторинг в течение года. В результате обнаружена нестабильность состояния трещин, связанная с сезонными колебаниями и неустойчивостью грунта на участках выполнения шурфовок. Нестабильность выразилась в подъеме сигнала датчиков в весенне-летний период и последующем возврате в исходное
состояние зимой как следствие таяния грунта и соответствующей перегрузки участков трубопроводов. В одном случае после годового цикла наблюдений обнаружилось остаточное изменение величины сигнала, вызванное неупругими эффектами в вершине трещины вследствие пластической деформации при перегрузке. По результатам контроля была произведена замена поврежденной трубы.
Результаты контроля состояния трещин позволяют оптимизировать выбор мероприятий, необходимых для последующей безопасной эксплуатации участка газопровода со стресс-
коррозионными повреждениями. В случае стабильного состояния в течение длительного времени повреждение может быть оставлено в газопроводе под наблюдением. В противном случае при его развитии в результате, например, значительных сезонных колебаний уровня действующих в трубопроводе напряжений изменения будут зафиксированы и повреждение вовремя удалено.
Таким образом, контроль трещин с применением закладных датчиков позволяет использовать дополнительные эффективные инструменты планирования и ремонта трубопроводов.
Список литературы
1. 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.
2. Бабкин С.А. Мониторинг стресс-коррозионной дефектности магистральных газопроводов / С.А. Бабкин, Д.П. Варламов, Г.С. Корзунин
и др. // Дефектоскопия. - 2012. - № 12. -С. 3-18.
3. Бабкин С.А. Анализ стресс-коррозионной дефектности по результатам многократной внутритрубной диагностики / С.А. Бабкин // Дефектоскопия. - 2013. - № 9. - С. 35-40.
4. Алимов С.В. Диагностика коррозионного растрескивания газопроводов: атлас / С.В. Алимов, И.А. Долгов, В.А. Горчаков
и др. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 84.
5. Реформатская И.И. Влияние структурно-фазовых неоднородностей углеродистых и низколегированных трубных сталей на развитие локальных коррозионных процессов / И.И. Реформатская, В.В. Завьялов, А.И. Подобаев // Защита металлов. - 1999. -№ 5. - С. 472-479.
6. Арабей А.Б. Влияние особенностей технологии производства труб на стойкость к коррозионному растрескиванию
под напряжением / А. Б. Арабей, Т.С. Есиев, И.В. Ряховских и др. // Газовая промышленность. - 2012. - № 2 (670). -С. 52-54.
7. Рыбалко С.В. Мониторинг труб, оставленных в эксплуатации с дефектами КРН /
С.В. Рыбалко, В.Г. Рыбалко // Материалы 32-го тематического семинара «Диагностика оборудования и трубопроводов КС». - 2013. -С. 2.
8. Хороших А.В. Результаты мониторинга стресс-коррозионных трещин в действующем газопроводе / А.В. Хороших, В.В. Кремлев, Ю.П. Сурков и др. // Дефектоскопия. - 1999. -№ 7. - С. 33-40.
