Исследование интенсивности напряжений в процессе коррозионного растрескивания стали магистральных газопроводов

АННОТАЦИЯ

Роль напряжений в процессе коррозионного растрескивания обусловлена наличием внутритрубного рабочего давления газа, создающего кольцевые растягивающие напряжения. Лабораторными опытами и эксплуатационными наблюдениями показано, что напряжения влияют на зарождение и, возможно, на скорость развития трещин. В настоящее время не ясно существование порогового напряжения (коэффициента интенсивности напряжений К_th), определяющего граничные условия появления растрескивания. Доводом в пользу данного подхода – наличия пороговых условий для начала развития зародышей трещин, может являться отсутствие аварий по причине коррозионного растрескивания на входных трубопроводах «низкой» стороны компрессорных станций. В данной статье проводится определение зависимости глубины трещин коррозионного растрескивания под напряжением от всей длины зоны растрескивания магистрального газопровода Ямбург-Елец 1.

ABSTRACT

The role of stresses in the process of corrosion cracking is due to the presence of in-line working pressure of the gas, which creates annular tensile stresses. Laboratory experiments and operational observations have shown that stresses affect the initiation of cracks and, possibly, the rate of crack development. At present, the existence of a threshold voltage (the stress intensity factor Kth), which determines the boundary conditions for the occurrence of cracking, is not clear. An argument in favor of this approach - the presence of threshold conditions for the initiation of the development of nuclei of cracks, can be the absence of accidents due to corrosion cracking on the inlet pipelines of the “low” side of the compressor stations. This article determines the dependence of the depth of stress corrosion cracking under stress on the total length of the cracking zone of the Yamburg-Yelets gas pipeline 1.

Ключевые слова: магистральный газопровод, коррозионное растрескивание, трещина, внутренние напряжения.

Keywords: main gas pipeline, corrosion cracking, crack, internal stresses.

Введение. Коррозионное растрескивание трубной стали является результатом одновременного выполнения трех условий: попадания на поверхность трубы активной коррозионной среды, склонности металла трубы к растрескиванию и наличия растягивающих напряжений. Существует большое число попыток установить вид грунтового электролита или тип и показатели грунта, способствующие растрескиванию подземных газопроводов. В настоящее время растрескивания, наблюдающиеся в системе газопроводов ОАО «Газпром», квалифицируются как растрескивания в почти нейтральной среде (рН£7). Известно также, что характеристики среды в месте растрескивания газопровода чаще всего не отличаются от среды, присутствующей в окрестностях не растрескавшегося газопровода (хотя инициирующая роль среды в данной проблеме не вызывает сомнения, поскольку в отсутствие таковой растрескивание не развивается или прекращается) [1].

Значение склонности трубного материала (трубной стали) к растрескиванию подтверждается, например, тем, что первые попытки воспроизвести этот тип разрушения на образцах в лабораторных условиях (при идентичных средах и условиях нагружения) в некоторых случаях оказались безуспешными для тех сталей, которые в условиях эксплуатации демонстрировали склонность к растрескиванию. Данная ситуация была решена практически путем использования образцов, изготовленных из металла аварийной трубы, потрещавшей в условиях эксплуатации. Этот факт свидетельствует о том, что чувствительность трубных сталей к коррозионному растрескиванию в условиях эксплуатации магистрального газопровода (МГ) определяется не маркой стали, т.е. средним марочным составом, а менее контролируемыми технологическими особенностями (вероятно, наличием малых примесей). В пользу этого свидетельствует связь мест зарождения стресс-коррозионных трещин с наличием поверхностных неметаллических включений, а также избирательность растрескивания трубной поверхности (локализация зоны растрескивания). Весьма вероятно, что склонность трубной стали к растрескиванию, имеет комплексную технологическую природу, т.е. отражает исходное состояние или качество труб и трубного листа.

Условия зарождения трещин под напряжением. Роль напряжений в процессе коррозионного растрескивания обусловлена наличием внутритрубного рабочего давления газа, создающего кольцевые растягивающие напряжения. Лабораторными опытами и эксплуатационными наблюдениями показано, что напряжения влияют на зарождение трещин и, возможно, на скорость развития трещин. В настоящее время не ясно существование порогового напряжения (коэффициента интенсивности напряжений К_th), определяющего граничные условия появления растрескивания. Доводом в пользу данного подхода – наличия пороговых условий для начала развития зародышей трещин, может являться отсутствие аварий по причине коррозионного растрескивания на входных трубопроводах «низкой» стороны компрессорных станций.

Сформулированные условия возникновения коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) определяют возможность возникновения этого процесса, однако они не являются достаточными для реализации этой возможности в виде появления стресс-коррозионных трещин; многими авторами отмечается, что признаки трещин КРН наблюдаются в среднем в 4% труб от общей длины газопроводов. Наличие трещин КРН не означает, что они служат причиной аварийного разрыва, даже в том случае, если растрескивание в зоне аварийного разрыва имело место. Поэтому для идентификации КРН как причины отказа МГ необходима систематизация отличительных признаков механизма КРН, выявляющихся при аварийном разрыве [2]. При этом следует принимать во внимание, что разрыв газопровода по причине КРН предполагает механическое разрушение газопровода вследствие потери несущей способности труб с трещинами из-за уменьшения толщины стенки трубы в месте растрескивания, т.е. механической перегрузки дефектной трубы. Таким образом, собственно механизм КРН реализуется не в акте аварийного разрыва, а ему предшествующих событиях (возникновении и росте стресс-коррозионных трещин). Поэтому задача идентификации признаков КРН по факту разрыва означает определение признаков КРН, предшествующих разрыву трубопровода, и установление причинно-следственной связи между разрывом и возникновением трещин КРН.

Определение причин растрескивания трубной стали. Совокупность полученных сведений, характеризующих аварийный газопровод, место аварии и характер аварийного излома, образовавшегося при разрыве газопровода, позволяет указать общие отличительные признаки аварии, вызванной наличием КРН [2]:

- Как правило, аварийный разрыв по причине КРН происходит при соблюдении номинальных контролируемых условий эксплуатации (рабочем давлении и температуре газа, соблюдении ЭХЗ); место очага разрыва может иметь отслоение защитной изоляции при сохранении ее сплошности. Механические свойства металла в зоне растрескивания практически всегда удовлетворяют требованиям ТУ, а размеры очаговой трещины соответствуют расчетным значениям для рабочего давления газа. Проявление КРН не сопровождается изменением исходных механических свойств трубного металла или охрупчиванием.

Дефект, образующийся при коррозионном растрескивании, представляет собой зону растрескивания, образованную большим количеством (в некоторых случаях несколькими сотнями) единичных и взаимодействующих между собой продольных полуэллиптических трещин длиной до (100-150) мм и глубиной (рисунок 1, а), соизмеримой с толщиной стенки трубы (рисунок 1, б). Обнаруживается тенденция к увеличению глубины трещин с ростом их поверхностной длины (рисунок 2). При этом величина общей зоны растрескивания имеет больший продольный размер, в некоторых случаях соизмеримый с длиной аварийной трубы, при независимости максимальной глубины трещин от общей длины зоны растрескивания (рисунок 3). Множественный характер растрескивания при продольной ориентации единичных трещин КРН представляет одну из отличительных особенностей рассматриваемого коррозионно-механического разрушения газопровода [4, 5].

Рисунок 1, а – Характер распределения стресс-коррозионных трещин по длине

Рисунок 1, б – Характер распределения стресс-коррозионных трещин по глубине

Анализ результатов. Наблюдается четко выраженное зональное строение излома КРН: наличие стадии стабильного медленного роста трещин (со скоростью около 1 мм/год), отличающейся отсутствием макроскопической пластической деформации (хрупким видом излома) и окисленной поверхностью, и наличие стадии вязкого дорыва (среза), приводящего к разгерметизации трубопровода.

Излом на стадии стабильного роста трещин КРН имеет бороздчатое строение, отражающее направление преимущественно хрупкого роста трещин КРН и признаки взаимодействия (объединения) соседних единичных трещин.

Для повреждаемости газопроводов механизмом КРН характерна избирательность растрескивания: трещины обнаруживаются на малой части труб (единичных трубах) и чаще локализованы в пределах одной трубы, располагаясь в нижней половине сечения трубы вблизи продольного шва. В месте разрыва, обусловленного наличием трещин КРН, практически не наблюдаются признаки чисто коррозионного поражения поверхности механизмом язвенной коррозии. Одновременное присутствие на трубной поверхности признаков КРН и коррозионных механизмов повреждаемости указывает на возможность изменения коррозионной активности внешней среды газопровода. Соотношение между длиной и глубиной трещин КРН для четырех дефектов показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Соотношение между длиной и глубиной трещин КРН для четырех дефектов МГ Ямбург-Елец 1

Рисунок 3. Зависимость глубины трещин КРН от общей длины зоны растрескивания по данным внутритрубной диагностики. Газопровод Ямбург-Елец 1.

Выводы. Расположение зародышевых дефектов (неметаллических включений или механических концентраторов) в поверхностном слое трубного металла, количество которых в процессе эксплуатации не увеличивается, обуславливает расположение и размеры будущих колоний трещин коррозионного растрескивания, которые определяются начальным состоянием труб или поверхностного слоя трубного металла. В отсутствие указанных концентраторов химического или механического происхождения стресс-коррозионные трещины в условиях действующей эксплуатации не образуются.

Список литературы:
1. Сравнение результатов магнитной и ультразвуковой диагностики газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию / Ю. П. Сурков, А. В. Хороших, В. Г. Рыбалко, С. Л. Ваулин // Дефектоскопия. 1997. № 12. С. 49-57.
2. Возможные причины избирательности коррозионного растрескивания труб подземных магистральных газопроводов / Ю. П. Сурков, В. А. Горчаков, Р. А. Садртдинов, В. Г. Рыбалко, Д. В. Новгородов, А. Ю. Сурков // Дефектоскопия. 2005. №6. С. 90-95.
3. Буклешев Д. О. Экспериментальное и металло-фрактографическое исследование образования и роста коррозионных трещин под напряжением в сварных элементах магистральных трубопроводов / Д. О. Буклешев // Энергоэффектиность как индикатор научно-технического и экономического потенциала общества. Нижний Новгород : НОО «Профессиональная наука», 2018. С. 88-133.
4. Диагностика коррозионного растрескивания газопроводов / С. В. Алимов, И. А. Долгов, В. А. Горчаков, А. Ю. Сурков, Ю. П. Сурков, В. Г. Рыбалко. Екатеринбург : Изд-во. Наука УрО РАН, 2004. 84 с.
5. Буклешев Д. О., Яговкин Н. Г. Экспериментальное моделирование коррозии околошовных зон трубопроводов при наличии внутренних напряжений / Д. О. Буклешев, Н. Г. Яговкин // Трубопроводный Транспорт. Теория и практика. М. : ВНИИСТ, 2016. № 5(57). С. 22-35.