Магистральных газопроводов

1.1. Проявление КР на магистральных газопроводах России и СНГ

С середины восьмидесятых годов эта проблема еще более обострилась в связи с появлением случаев КР на Урале, Западной Сибири,. Востоке и Юго-Востоке Европейской части России [2, 37, 42, 64, 70, 77, 154]. В настоящее время наибольшее число разрушений газопроводов России происходит на Урале и Западной Сибири, где ему подвержены магистральные газопроводы, эксплуатирующиеся ПО "Тюменьтрансгаз", "Томсктрансгаз", "Уралтрансгаз", "Пермь-трансгаз". Кроме того, имеются сообщения [И] о наличии признаков КР на магистральных газопроводах ПО "Сургутгазпром".

коррозионного покрытия, напряжения и температуры стенки трубы, характера грунта, наличия катодной защиты, расстояния до компрессорной [2, 7, 23, 25, 27. 51, 103. 104]. При этом анализировались физико-механические и электрохимические свойства металла очаговых зон, расположение и топография трещин, неоднородность чувствительности металла к КР по периметру трубы, сопутствующие коррозионные процессы. В результате анализа было выявлено, что КР имело место как на трубах отечественного производства (Челябинский, Харцызский и Волжский трубопрокатные заводы), изготовленных из сталей марок 14Г2САФ, 15Г2С, 17ГС, 17Г1С, 17Г2СФ, так и на трубах, поставляемых по импорту фирмами Германии, Японии, Франции из сталей групп прочности Х60, Х65. Х70. Отказы возникали на катодно-защищенных магистральных газопроводах, сформированных из прямошовных и спирале-шовных труб диаме'рром 1020-1420 мм с толщиной стенки 9-18 мм, имеющих резинобитумную или пленочную изоляции. Характерный внешний вид разрушения магистрального газопровода вследствие КР приведен на рис. 1. Топография трещины приведена на рис. 2.

трещины; 3) механический долом. Межкристаллитный механизм зарождения трещин связан с выявленной значительной повреждаемостью границ зерен карбонат-бикарбонатной средой, образующейся в приэлектродном слое катодно-поляризуемой поверхности трубы. Как это было показано в результате проведенных исследований [1, 214], прямое воздействие солей угольной кислоты на сталь при наличии поляризации вызывало селективное травление границ зерен. На сталях группы прочности Х70 чаще наблюдается транскристаллитный механизм образования трещин на' первом этапе развития, вероятно, вследствие, более интенсивного влияния механического фактора на процесс разрушения стали. На втором этапе, при растворении металла, трещина развивается в основном перпендикулярно поверхности трубы. Причем следует отметить, что первый и второй этапы обычно обратимо чередуются. На третьем этапе разрушение происходит по вязкому механизму под углом примерно 45" к поверхности трубы (плоскость действия максимальных касательных напряжений). Причем на магистральных газопроводах, подвергнутых переиспытанию избыточным давлением, разрушение может происходить по схеме: 1 -2-3-2-3 [4].

1.2. Проявление КР на зарубежных магистральных газопроводах

Отказы отмечались на магистральных газопроводах, имеющих температуру перекачиваемого продукта 10-60° С и номинальные расчетные кольцевые растягивающие напряжения в стенке трубы 0,45-0,65 предела текучести (стт). Причем, как правило, отсутствовала явная зависимость времени до разрушения от величины напряжения в стенке трубы. Минимальное время до разрушения составляет около пяти лет.

Таким образом, обнаружено, что испытания образцов с постоянной скоростью деформации эффективны для изучения механо-химического поведения стали в нейтральных и кислых средах и менее эффективны в щелочных средах. Для щелочных сред результаты, пригодные для практического использования, могут быть получены только при повышенных температурах испытаний, что подтверждается данными зарубежных исследователей [214]. Последнее может служить серьезным недостатком метода в связи с невозможностью получения достоверных результатов для их реализации на магистральных газопроводах Западной Сибири и Урала. Кроме того, максимальная механохимическая активность наблюдается при растягивающих напряжениях, превышающих предел текучести. Поэтому результаты, получаемые с помощью данной методики, можно переносить на реальные объекты с определенной степенью осторожности вследствие эксплуатации инженерных сооружений, таких как магистральные газопроводы в области механических напряжений, не превышающих предел теку-

Как показывает проведенный анализ известных на сегодняшний день причин возникновения коррозионного растрескивания, до настоящего времени не выявлены все факторы, вызывающие этот вид отказов магистральных газопроводов. В частности, нет объяснения отсутствия жесткой привязки трещин к концентраторам напряжения геометрического и физического происхождений, таким, как вмятины, задиры, царапины, сварные швы, неметаллические включения, что характерно для других известных видов КМР (например, коррозионная усталость). Трещины, как правило, зарождаются на практически бездефектной поверхности металла. Случаи КР имеют место только на магистральных газопроводах и не наблюдаются на магистральных трубопроводах, построенных из таких же труб для транспорта жидких углеводородов (нефтепроводы, продуктопроводы и др.), даже если они проложены в одном технологическом коридоре. Это, очевидно, связано с разным характером нагружения этих трубопроводных систем ("жесткое" -для магистральных нефте- и продуктопроводов, "мягкое" - для магистральных газопроводов).

Обнаружение трещин с помощью дефектоскопа, движущегося внутри трубы, связано с определенными трудностями. Дефектоскопы указанного типа были разработаны для обнаружения дефектов и расслоений металла, общей и язвенной коррозии [121,122]. Применительно к КР сложно отличить трещины от других дефектов. Кроме того, не все трещины могут быть зарегистрированы-в связи с малой чувствительностью диагностических комплексов указанного типа к продольным трещинам. Специально разработанный ультразвуковой дефектоскоп для поиска продольных трещин прошел проверку в США только на магистральном нефтепроводе (КР проявляется только на магистральных газопроводах) [221]. Последнее, по-видимому, связано с трудностью обеспечения акустического контакта между стенкой трубы и искателями. По данным национального совещания по безопасности магистральных газопроводов США 1994 года [121,122], дефектоскопы указанного типа, так же как и применение систем телемеханики и автоматики, не могут существенно снизить риск возникновения аварийной ситуации на магистральных газопроводах. Существен-

пряжениям в стенке трубы 100-110% от сертифицированного предела текучести стали в течение короткого промежутка времени. При этом предварительно осуществляется более длительная выдержка при давлениях, соответствующих напряжениям в стенке трубы на 15-20% хниже стт. Такой режим испытаний обеспечивает максимальную безопасность проводимых работ и максимальную "выжигаемость" дефектов. Выбор указанного режима был основан на исследованиях А.Р. Даффи и Ж.М. Мак-Клура [2], показавших, что протяженные дефекты при напряжениях, соответствующих пределу текучести стали, но меньше критических для данного вида дефекта, не развиваются. Наибольшее количество трещин выявляется при напряжениях в стенке трубы 0,9-1,1 <тт, то есть напряжениях, достигающих величины "текущего напряжения". Однако в ряде случаев разрушения трубопроводов происходят и после таких переиспытаний. То же самое отмечается и в нашей стране. С целью выяснения причин этого явления были проведены металлографические исследования темплетов очаговых зон КР (рис. 30), отобранных на магистральных газопроводах после переиспытаний избыточным давлением [4]. При этом было установлено, • что для трещин не превышающих критические размеры, при переиспытаниях происходило изменение механизма их развития от хрупкого к вязкому (от вершины трещины под углом около 45° начинала подрастать вязкая трещина). При дальнейшей эксплуатации магистральных газопроводов трещина КР развивалась по хрупкому или смешанному механизмам. Причем для трещин небольшого размера характерен хрупкий механизм их дальнейшего развития вследствие КР, а для глубоких трещин — вязкий механический долом. Таким образом, избыточные механические напряжения при переиспытаниях изменяли хрупкий механизм разрушения на более энергоемкий - вязкий. Причем образовавшаяся вязкая трещина либо вызывала разгерметизацию трубы вследствие вязкого долома и '.'выжигала" таким образом дефект, либо останавливалась в своем развитии, и в дальнейшем, при эксплуатации магистральных газопроводов, инициировала продолжение процесса КР. Кроме того, как показал проведенный анализ разрушений, в очаговых зонах, как правило, присутствовали не одиночные трещины, а их система. В этом случае отмечалось отличие механизма воздействия избыточных давлений на развитие разрушения. Так, проведенные исследования ряда очагов КР, имеющих систему трещин, показали,

Следует отметить, что исследования коррозионной усталости сталей в условиях катодной поляризации, выполненные ранее, проводились или в условиях, приближенных к катодной защите морских сооружений [117. 134, 199, 223], или давали трудно '?чтер-претируемые результаты [115, 229]. В частности, исследовательскими группами, изучающими влияние циклических напряжений на процесс КР под руководством А. Мендозы и Е. Вендлер-Калч [177, 229], вблизи поверхности образцов обнаружены трещины глубиной, не превышающей десятков микрометров. Их скорость роста, как это было показано Дж. Биверсом и др. [115], снижается по мере развития разрушения. В результате изучения влияния циклической нагрузки на величину порогового напряжения КР с помощью экстраполяции длины трещины P.P. Фесслером [139] обнаружено ее снижение по мере уменьшением частоты нагружения с 10"3 до 10"* Гц. Однако полученные значения пороговых напряжений не соответствуют наблюдаемым на реальных магистральных газопроводах уровням напряжений, при которых развивается КР. Следует отметить, что практически во всех исследованиях влияния циклического напряжения на процесс КР образцы не доводились до разрушения [139]. При полном же разрушении образцов, проведенном Т.Н. Бейкером и др. [112-114] по "стандартной" для КР методике Дж. Биверса и др. [115], обнаружено, что трещины распространялись под углом 45° , что является признаком вязкого разрушения, а не КР, для которого характерен хрупкий механизм распространения трещин. Результаты этих исследований косвенно подтверждают факт о различии механизма КР и МКУ.

Наиболее опасными видами КМР для линейной части трубопроводных систем, обеспечивающих магистральную транспортировку углеводородов, являются коррозионное растрескивание (КР) металла, зарождающееся на внешней, катодно-защищенной поверхности труб, коррозионная усталость и общая коррозия, усиленная воздействием механических напряжений (механохимичес-кая коррозия). Причем первый вид коррозионно-механических разрушений характерен для магистральных газопроводов, второй - магистральных нефтепродуктопроводов. Проявление третьего вида разрушений наблюдается при контакте напряженного металла с агрессивной средой, в частности, в системах сбора, транспортирующих сырые неподготовленные углеводороды.

ГЛАВА 1. КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Как показал проведенный анализ отказов линейной части магистральных газопроводов, одной из главных причин их разрушения в ряде регионов России и СНГ является коррозионное растрескивание металла труб со стороны внешней катодно-защищенной поверхности. По данным Газнадзора России, за восьмидесятые годы произошло около 50 отказов по этой причине. Актуальность данной проблемы в девяностых годах была подтверждена на заседаниях секций Научно-технического совета РАО "Газпром" по проблеме безопасности магистральных газопроводов (1993, 1996 гг. [64]).

В начале восьмидесятых годов КР впервые было идентифицировано на газопроводах, проложенных в пустынных и полупустынных районах Средней Азии и Казахстана (газопроводные системы "Бухара —Урал", "Средняя Азия - Центр") [90]. По данным ПО "Югтрансгаз", на долю которого приходилось 20-30% от общего количества отказов линейной части магистральных газопроводов по бывшему СССР, причиной четвертой части разрушений являлось КР [48, 225]. В этом регионе высокая частота разрушений магистральных газопроводов сохраняется по настоящее время.

С целью выявления особенностей КР магистральных газопроводов в Уфимском государственном техническом университете (УГНТУ) был проведен анализ более 70 отказов газопроводов с учетом следующих данных: марки стали, изготовителей труб и стального листа, диаметра и толщины стенки трубы, вида противо-

Следует отметить, что в лабораторных условиях при изучении свойств металла отказавших магистральных газопроводов в большинстве случаев удается идентифицировать только второй и третий этап развития разрушения. Это связано с тем, что сразу после зарождения трещины начинается электрохимическое растворение металла внутри ее полости. При наличии сквозного поражения стенки трубы (свищ) третий этап разрушения может отсутствовать.

Обычно вблизи очага разрушения наблюдаются участки поверхности металла, подверженные язвенной коррозии, а в ряде случаев имеет место незначительная общая коррозия металла. Как правило, язвенная коррозия также незначительна. Глубина язв зависит от активности грунтового электролита и обычно не превышает 1-2 мм, однако в ряде случаев, например на участках с высокой минерализацией грунта, коррозионные язвы достигали глубины 3-5 мм, что приблизительно соответствовало глубине обнаруженных трещин. Интенсивной язвенной коррозии также подвержены участки магистральных газопроводов непосредственно на выходе из компрессорных. Язвы свидетельствуют о протекании коррозионных процессов в очагах КР, несмотря на наличие систе-мы катодной защиты внешней поверхности труб. Как правило, коррозионные язвы не являются инициаторами зарождения трещин, хотя могут находиться в одном очаге разрушения. Очаги язвенной коррозии и растрескивания часто располагаются в одном коридоре вдоль нижней образующей трубы под отслоившейся изоляцией (рис. 5). В связи с тем, что в очагах разрушения часто присутствуют язвы, можно предположить о наличии общего электрохимического процесса, приводящего к независимому образованию или коррозионных язв, или трещин [23]. Следует, однако, отметить, что даже при одинаковой глубине с коррозионными трещинами язвы менее опасны. Это связано с меньшей их протяженно-

Блистеринг и расслоение металла в очаге разрушения отсутствуют. Эти явления характе,}ны для разрушений магистральных трубопроводов, связанных с наводороживанием металла (сульфидное растрескивание, перезащита и др.). Отмечаемое же в ряде актов технического расследования отказов магистральных газопроводов небольшое расслоение металла часто не является таковым, а, как правило, образуется при движении магистральной трещины и является следствием допустимой в настоящее время ликвационнои неоднородности стального листа по его толщине.

В США, Австралии, Иране, Пакистане и Канаде КР явилось причиной отказов линейной части магистральных газопроводов на трубах диаметром 200-1420 мм, изготовленных из сталей групп прочности А, В, Х42, Х45, Х50, Х52, Х60, Х65 поставок различных заводов-изготовителей. Трубопроводы были проложены в грунтах различной активности с рН 4,7-12,3 (электролит, сформировавшийся под отслоившейся изоляцией, имел рН 9,6-12,3). На момент отказа температура стенки трубы некоторых газопроводов достигала 92° С, а расчетное значение кольцевых растягивающих напряжений при этом составляло 0,38-0,77 условного предела текучести трубной стали (V,.).

В научно-технической литературе нет единого мнения о наличии КР в Канаде. Опубликованный в 1992 г. отчет о проведении переизоляции участка Трансканадского газопровода [126] не позволяет сделать однозначного заключения о наличии КР. Трещины, которые можно было интерпретировать как КР, практически не были выявлены авторами работы с помощью применяемой ими методики (снятие изоляции с отложениями, последующая дефектоскопия металла и гидравлические переиспытания). Стоимость таких работ составляет 45-62% от стоимости строительства новой нитки трубопровода [45]. Как будет показано в главе 4, примененная методика поиска очагов КР недостаточно эффективна и, соответственно, не может в полной мере обеспечить безопасность магистрального газопровода. Подтверждением вышесказанного служат продолжающиеся отказы магистральных газопроводов в Канаде. Так, в июле 1955 г. КР явилось причиной практически одновременного разрушения четырех ниток Трансканадского магистрального газопровода [160, 161]. Иллюстрацией неоднозначной идентификации отказов в Канаде может служить последнее разрушение Трансканадского газопровода вблизи г. Виннипег с возгоранием газа, произошедшее 15 апреля 1996 г. [162]. Первоначально данное разрушение было отнесено к КР, однако в дальнейших [163] сообщениях оно интерпретировалось как отказ, произошедший в результате разрушения сварного соединения. По данным-официальной статистики, в Канаде все же зарегистрировано 11 случаев крупных разрушений газопроводов и 9 случаев свищей, отнесенных к КР [163]. При этом Министерство энергетики Канады планирует выделить ассигнование на новые исследования .в области КР в размере 2,3 миллиардов канадских долларов.

1.4. Участки локализации КР магистральных газопроводов