СТРЕСС-КОРРОЗИЯ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

УДК 622.692.4

М.Ф. Сунагатов, к.х.н., генеральный директор Экспертно-производственного центра «Трубопроводсервис»

П.В. Климов, к.т.н., первый заместитель генерального директора АО «Интергаз Центральная Азия»

А.К. Гумеров, к.т.н., старший научный сотрудник ГУП «ИПТЭР» РБ

Р.Р. Шафиков, начальник отдела ЭАЦ «Оргремдигаз» ДОАО «Оргэнергогаз»

СТРЕСС-КОРРОЗИЯ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР

Как известно [1, 2], более половины всех аварий на магистральных газопроводах (МГ) происходит по причине стресс-коррозии. При этом металл трубопровода неравномерно охрупчивается и растрескивается, в большинстве случаев начиная с наружной поверхности [3-11]. На некоторых участках трубопроводов за 20...25 лет эксплуатации трещины достигают середины толщины стенки, что соответствует исчерпанию всех предусмотренных проектами запасов прочности. После этого происходит разрыв трубы, выброс газа под большим давлением, самовозгорание с высотой пламени до десятков метров. Как правило, фрагменты трубопровода оказываются раскрытыми и выброшенными на несколько десятков метров от места разрыва.

Под воздействием высокой температуры выжигается поверхность земли (иногда до ста метров и более от очага разрушения). Таким образом, стресс-коррозия магистральных газопроводов представляет собой большую опасность как для самих трубопроводов, так и для окружающей среды и населения. Механизм протекания стресс-коррозии отличается от других видов коррозии и разрушения. На скорость протекания стресс-коррозии влияют разные факторы, на первый взгляд, никак не связанные друг с другом. Все это определяет важность изучения данного явления и актуальность разработки эффективных мер противодействия. В мире со стресс-коррозией магистральных газопроводов впервые столкнулись в 60-х годах, в нашей стране - в 80-х годах прошлого века. Казалось бы, что за это время, учитывая важность и масштабность явления, должны были решить проблему окончательно. Но вплоть до последнего времени актуальность проблемы только растет, а окончательное решение отодвигается на неопределенное время. Естественно, возникают вопросы: в чем дело? почему так?

Как нам кажется, дело не в недостатке исследователей, знаний, средств на решение проблемы, а в человеческом факторе в разных проявлениях. Приведем некоторые, наиболее видимые из них:

1) Для окончательного решения данной не очень сложной научно-технической проблемы требуется преодолевать и решать значительно больше организационных трудностей, часто искусственного характера. Методы, технологии, машины, материалы - все то, что необходимо применить на магистральных газопроводах, требует не только изложения сути и обоснования эффективности, но и повторных испытаний, экспертиз, согласований, разрешений на применение и т.д. Даже после всего этого еще не факт, что по-настоящему эффективные методы будут использованы на практике. Вмешаются «коммерческие» интересы должностных лиц и курируемых ими ООО, ЗАО и т.д.

2) До руководителя, который имеет возможность и обязан организовать решение проблемы, информация о природе и механизмах явления, о путях решения

доходит многоступенчато, через «сито» подчиненных ему лабораторий, отделов, департаментов, институтов. На каждой ступени информация частично теряется и искажается; в итоге ему (руководителю) не удается принимать правильные и эффективные организационные решения по проблеме в целом.

3) Постепенно сформировалась система управления, когда практически все заняты составлением друг другу справок, планов, отчетов, актов, протоколов и других аналогичных документов внутреннего пользования (бумаг). При этом все очень заняты, с трудом успевают составлять документы. А за решение конкретной проблемы: защиты от стресс-коррозии - никто лично не отвечает, хотя более значительной проблемы и нет на магистральных газопроводах.

4) В последние годы наметились признаки искусственного увеличения объема ремонтных работ на магистральных газопроводах. Создается ощущение, что факт существования проблемы стресс-коррозии кое-кем используется как средство отмывания денег.

32 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № В \\ август \ 2010

Рис. 1 - Излом стенки трубы при стресс-коррозионном разрушении МГ

5) Сами ученые и специалисты не едины в своем представлении о причинах и механизмах явления. Первая группа специалистов включает тех, кто имеет четкое представление о механизмах и способах защиты от стресс-коррозии, но их немного и голос их негромкий.

Вторая группа включает тех, у кого не сформировалась своя модель стресс-коррозии, поэтому слушает многоголосый хор других «специалистов», не имея возможности выделить истину. В этом хоре самый громкий голос у тех, кто ближе к финансовым потокам. Третья группа включает тех, для кого важнее сам процесс исследований, а не результат. Они понимают, что с момента решения данной проблемы финансирование исследований в этом направлении прекратится.

Список проявлений человеческого фактора в этом вопросе можно продолжить. Но перейдем к рассмотрению сути проблемы и путей ее решения. Во-первых, сразу возникают вопросы: почему на магистральных газопроводах стресс-коррозия происходит, а на других трубопроводах (нефтепроводах, нефтепродуктопроводах, промысловых трубопроводах, в системе газораспределения) стресс-коррозия не наблюдается? почему на резервуарах и другом оборудовании нефтегазового комплекса стресс-коррозия не замечена? в чем отличительная особенность магистральных газопроводов? Как показывает простейший анализ отличительных особенностей, магистральные газопроводы (на тех участках, где обнаруживается стресс-коррозия) имеют большие диаметры и эксплуатируются под большими рабочими давлениями. Это приводит к тому, что механические напряжения в стенке МГ значительно выше, чем на всех других трубопроводах. От действия рабочего давления

кольцевые (окружные) напряжения больше осевых примерно в два раза. Это объясняет тот факт, что большинство обнаруженных стресс-коррозионных трещин ориентировано в продольном направлении (перпендикулярно большим окружным напряжениям). На участках трубопроводов, проложенных по трассе со сложным рельефом, где имеются участки упругого изгиба, возникают значительные изгибные напряжения, которые ориентированы в продольном направлении. При равных других условиях эти напряжения тем выше, чем больше диаметр трубопровода. Это объясняет тот факт, что на некоторых таких участках МГ появляются стресс-коррозионные трещины, ориентированные в окружном направлении (перпендикулярно большим продольным напряжениям). Таким образом, одним из факторов, определяющих условия развития стресс-коррозии, является наличие высоких растягивающих напряжений в стенке трубопровода. По-видимому, чем ближе напряжения к пределу текучести металла, тем быстрее развивается стресс-коррозия.

Следующий вопрос: почему стресс-коррозия развивается с наружной поверхности газопровода? Действительно, как видно на рисунке 1, где показаны изломы стенки МГ после разрушения от стресс-коррозии, металл стенки трубы охрупчен и рас-трескан со стороны наружной поверхности. Металл со стороны внутренней поверхности сохранился в пластическом состоянии.

В этом можно убедиться и по результатам испытаний образцов, вырезанных из стенки трубы (рисунок 2). На поверхности образцов до испытаний не было видно трещин. Они появились на внешней поверхности при испытании на растяжение.

WWW.NEFTEGAS.INFO

Если бы стресс-коррозия определялась только уровнем механических напряжений (которые одинаковы по толщине стенки трубы), то охрупчивание и растрескивание происходили бы одинаково интенсивно по всей толщине стенки трубы. То, что процесс развивается только со стороны внешней поверхности, дает повод предположить, что на внешней поверхности трубопровода происходит какой-то отличительный процесс, а стресс-коррозия является только следствием этого процесса. Если разобраться с этим процессом, то, возможно, сумеем получить способ управления стресс-коррозией, следовательно, способ тормозить процесс.

Тот факт, что металл охрупчивается, приводит к мысли, что в металл проникают какие-то элементы (атомы, молекулы, что-то еще) со стороны внешней поверхности и блокируют дислокации (известно, что пластичность металлов обеспечивается подвижностью дислокаций). Проникать в металл другие элементы (углерод, азот, водород и др.) могут только при высоких температурах, сопоставимых с температурой плавления. При обычных температурах, при которых происходит эксплуатация МГ, никакие молекулы не могут проникать в металл (во всяком случае, скорости возможного проникновения молекул не сопоставимы с теми явлениями, которые наблюдаются при стресс-коррозии). Проникающей способностью обладают элементарные частицы: протоны, нейтроны, а-частицы и другие. Но таких частиц много, и они везде существуют в виде радиационного фона, а стресс-коррозия происходит не везде. Следовательно, надо искать источники элементарных частиц на поверхности подземных трубопроводов (кстати, описанный вид стресс-коррозии происходит только на подземных участках МГ). Такой источник существует, и он связан с электрохимической защитой трубопроводов.

Как известно, подземные трубопроводы находятся под двойной защитой от коррозии: изоляционное покрытие плюс электрохимическая защита. Последняя состоит в том, что трубопровод поддерживается под электрическим потенциалом порядка - 1-3 вольт по отношению к грунту. Это замедляет электрохимические процессы, приводящие к растворению металла в местах с нарушенной изоляцией. Но это - по норме; фактически картина несколько другая. Большинство МГ имеет пленочную изоляцию, нанесенную в полевых условиях. При укладке и засыпке трубопровода в траншее пленочное покрытие сползает вниз вместе с грунтом и образует множество гофр на уровне ниже горизонтального диаметра сечения. Кроме того, клеящий слой в течение короткого времени теряет адгезионные свойства, и пленка отслаивается от поверхности трубопровода. Таким образом, пленочное покрытие превращается в своеобразную оболочку, внутри которой находится трубопровод, а между трубой и оболочкой находится грунтовая вода. Распределение электрического потенциала в такой системе будет совершенно отличаться от той, которая должна быть по норме. В грунтовой воде много всяких ионов, в том числе катионов водорода (Н+), которые окружены полярными молекулами воды. Эти образования имеют общий положительный заряд и поэтому притягиваются к отрицательно заряженной поверхности трубы. Там катион водорода получает недостающий электрон от металла, становится атомом, освобождается от

\\ № В \\ август \ 2010

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 8 \\ август \ 2010

своего окружения. При этом единственный электрон атома водорода, будучи валентным, продолжает входить в состав электронного облака металла, а оставшееся ядро представляет не что иное, как протон, то есть элементарную частицу. Далее эта элементарная частица (протон) может легко проникать вглубь металла, создавая новые объединения с другими элементами. Наиболее вероятны объединения с атомами углерода, водорода, кислорода. Все такие объединения приводят к искажениям кристаллической решетки металла, которые и являются причиной блокировки дислокаций. Снижение подвижности дислокаций приводит к снижению пластичности металла, то есть к охрупчиванию. Кроме того, накапливаясь в металле, такие образования приводят к росту внутренних напряжений, которые складываются с внешними напряжениями и приводят к растрескиванию.

Другие элементы (кроме водорода) не могут привести к такому результату, так как ни один из них при потере валентного электрона не становится элементарной частицей, способной проникать в металл при обычной температуре. Таким образом,вторым обязательным условием протекания стресс-коррозии, на наш взгляд, является наличие источника атомарного водорода на поверхности металла труб. Кроме рассмотренного источника (грунтовая вода + ЭХЗ) могут быть другие источники атомарного водорода, например, сероводород или продукты жизнедеятельности бактерий (биокоррозия).

Рис. 2 - Образец охрупченного металла после испытания на растяжение (вид со стороны наружной поверхности трубы)

Естественно, на скорость стресс-коррозии влияет множество факторов, например: солевой состав и влажность грунта, кислотность, температурный режим, вибрации, остаточные напряжения в трубопроводе, напряжения от всех видов нагрузок. Поэтому разные ученые, занимаясь одной и той же проблемой, часто приходят к разным умозаключениям и выводам [3-11]. В этом состоит еще одно проявление человеческого фактора.

Авторы не настаивают на абсолютной истинности предложенного механизма протекания стресс-коррозии МГ. Но с точки зрения данного механизма легко объясняются все наблюдаемые особенности и закономерности. Если этот механизм верен, то он дает и ключ к выработке эффективных методов борьбы со стресс-коррозией. Наши оппоненты (в последнее время их становится все меньше) на основании анализа статистических данных, опубликованных в докладах Ростехнадзора [1, 2], утверждают, что стресс-коррозия является свойством сугубо магистраль-

ных газопроводов. Это слабое утверждение по следующим причинам. На малонагруженных МГ, где рабочие напряжения не превышают половины предела текучести металла, стресс-коррозия также наблюдается редко. На магистральных нефтепроводах и неф-тепродуктопроводах стресс-коррозию предпочитают не замечать, чтобы не создавать себе проблем (человеческий фактор). Но это не значит, что явления нет. Несколько аварий, обследованных при нашем участии, а также другими специалистами, показали, что стресс-корозия все-таки происходит, но носит локальный характер (на концентраторах напряжений). Поэтому такие разрушения обычно относят к другим причинам, приведшим к появлению этих самых концентраторов напряжений: дефект сварки, брак строительства, некачественный ремонт, низкое качество металла, заводской брак (если эти причины проследить глубже, то тоже придем к человеческому фактору). Другие оппоненты считают, что со стресс-коррозией следует бороться путем создания специальных марок сталей.

140054, Московская обл., г. Котельники, Дзержинское шоссе, д. 4 e-mail: [email protected]

[email protected] www.arieipolimer.ru

У

(Я

Тел./Факс: +7 (495) 777-13-88

Поставка стальных труб диаметром от 32 до 530 мм с антикоррозионным двух- и трехслойным полиэтиленовым покрытием, а также футляров в изоляции ВУС (из б/у труб) для проколов

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

Не будем спорить, наверное, так тоже можно. У разных марок сталей разная структура, разные запасы пластичности. Это, несомненно, окажет влияние на скорость протекания процессов, приводящих к стресс-коррозии. Но само явление не будет исключено, пока не исключатся условия протекания стресс-коррозии (высокие механические напряжения + источники атомарного водорода). Кроме того, останется вопрос: как защитить существующие трубопроводы? Если предложенный механизм верен, то защита трубопровода от стресс-коррозии должна строиться на исключении источника атомарного водорода с поверхности трубопровода. Поскольку изоляционное покрытие и ЭХЗ исключать нельзя, остается подбирать более эффективные изоляционные покрытия. Причем покрытия должны обладать высокой технологичностью, чтобы можно было восстанавливать изоляцию на действующих МГ.

Действительно, в этом направлении ведутся работы многими предприятиями, особенно последние 10-20 лет. Ведется жесткая конкурентная борьба за рынки сбыта своей продукции. При этом опять же во всем блеске проявляется человеческий фактор. При выборе изоляционных материалов выдвигается целый ряд требований, которые, несомненно, направлены на обеспечение качества. Но в этом ряду требований часто не выделяется самое важное и необходимое качество - способность противостоять стресс-коррозии длительное время. В итоге, выбор падает на такие изоляционные покрытия, которые набрали максимальное количество баллов по совокупности не самых основных характеристик (прочность покрытия, нетоксичность, невысокая стоимость и т. д.), где основному показателю не нашлось места. Спрашивается: кто создал такие нормы оценки? Конечно же, те организации, которые выпускают или продвигают на рынок свои изоляционные материалы (человеческий фактор). В качестве одного из перспективных предложений следует рассмотреть свойства нефтеполимера «асмол» (асфальтосмолистый олигомер) [12]. Как показали исследования, механизм защитного действия этого материала складывается из нескольких составляющих:

1) создания на поверхности металла физического барьера для грунтовой воды и ее компонентов(обычное свойство всех изоляционных покрытий);

2) образования адгезионной связи покрытия с металлом трубы за счет химического взаимодействия входящих в состав асмола функциональных групп - радикалов (другие изоляционные материалы химической адгезией не обладают);

3) насыщения поверхности металла атомами углерода, что смещает электрохимический потенциал металла в сторону более инертного состояния (этим свойством другие покрытия не обладают).

Главное отличительное свойство асмола состоит в том, что со временем его защитные свойства не ослабевают, а усиливаются. Адгезия обеспечивается не клеящим слоем, как у большинства других изоляционных материалов, а самим асмолом, который химически активен по отношению к металлу. Химическая активность изоляционного материала по отношению к металлу трубы до сих пор считалась недопустимой и именно за это свойство асмол подвергается критике (человеческий фактор). Однако, как оказалось, химическая активность приводит к образованию дополнительного защитного слоя толщиной 30...50 микрон (подобно алюминию, который защищает себя прочной оксидной пленкой). Со временем толщина и плотность этого слоя повышаются. Он становится непроницаемым для ионов водорода, отягощенных окружением полярных молекул воды. Таким образом, химическая активность асмола в данном случае является ценным положительным свойством. Накопленные к настоящему моменту сведения позволяют утверждать, что данное изоляционное покрытие способно затормозить коррозию подземных трубопроводов не только по механизмам потери металла (общую и язвенную коррозию), но и по механизму стресс-коррозии.

Таким образом,при правильном разрешении проблем, связанных с человеческим фактором в разных проявлениях, за относительно короткое время и максимально эффективно можно решить и проблемы защиты МГ от стресс-коррозии. Для этого имеются все необходимые предпосылки.

Литература:

1. Государственные доклады о состоянии промышленной безопасности опасных производственных объектов, рационального использования и охраны недр Российской Федерации в 2001-2003 годах. - М.: ГГТН РФ, 2002-2004.

2. Отчеты о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 20042008 годах. - М.: ГГТН РФ, 2004-2009.

3. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой А.В. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов. - Уфа: Гилем, 2003. - 100 с.

4. Асадуллин М.З., Усманов Р.Р., Аскаров Р.М. и др. Коррозионное растрескивание труб магистральных газопроводов. // Газовая промышленность, 2000. - №2. 38-39. с.

5. Болотов А.С., Розов В.Н., КоатесА.К. и др. Коррозионное растрескивание на магистральных газопроводах. // Газовая промышленность, 1994. - №6. 12-15. с.

6. Галиуллин З.Т., Веслинг Д. Обзор исследований по коррозионному растрескиванию под напряжением, проведенных с 1996 по 1998 гг. Семинар по коррозионному растрескиванию трубопроводов под напряжением. - М.: 1998. 5-11. с.

7. Мазель А.Г. О стресс-коррозии газопроводов. // Газовая промышленность, 1993. - №7. 36-39. с.

8. Отт К.Ф. Стресс-коррозия на газопроводах. Гипотезы, аргументы и факты./ Обзорная информация. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - 73 с.

9. Притула В.В. Механизмы и кинетика стресс-коррозии подземных газопроводов. / Тем. Обзор. Сер. Защита от коррозии в газовой промышленности. - М.: ИРЦ Газпром, 1997. - 56 с.

10. Сергеева Т.К., Турковская Е.П.., Михайлов Н.П.., Чистяков А.И. Состояние проблемы стресс-коррозии в странах СНГ и за рубежом. Обзорная информация. Серия: Защита от коррозии оборудования в газовой промышленности. - М.: ИРЦ «Газпром», 1997. - 99 с.

11. Public Inquiry Concerning. Stress Corrosion Cracking on Canadion Oil and Gas Pipeling. MH-2-95 Report the Inquiry. November, 1996. National Energy Board.

12. Черкасов Н.М., Гладких И.Ф., Гумеров К.М., Субаев И.У. «Асмол» и новые изоляционные материалы для подземных трубопроводов. - М.: Недра, 2005. -155 с.

Ключевые слова: магистральный газопровод, стресс-коррозия, человеческий фактор, изоляционное покрытие, асмол.

36 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № S \\ август \ 2010

КАЧЕСТВО ПРОФЕССИОНАЛАМ

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

ГАЗОПРОВОДЫ

НЕФТЕПРОВОДЫ

ТЕПЛОПРОВОДЫ

ВОДОПРОВОДЫ

ТРУБОПРОВОДЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

нктердалы для изоляции и ремонта линеиных участков трубопроводов

1 -д» 1 tm

"ifa

■ l-jji-

материалы для изоляции стыков,

-'котадифтводов трубопроводов

материалы для ремонта покрытий

ООО «ГЕФЕСТ-РОСТОВ» 344064, г. Ростов-на-Дону, пер. Технологический, д. 5 8 (863) 277-44-01,277-77-93 Торговый Дом, Москва 8 (499) 148-17-13,148-49-03 Торговый Дом, Ростов-на-Дону 8 (863) 277-77-93,277-44-01 e-mail: [email protected]

www.gefestrostov. ru

I