Статьи
Контакты
+7 (49621) 2-73-68+7 (495) 221-84-78; факс: +7 (49621) 3-04-25Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Теплосеть
Коллектор теплосети
Клапан
Отсечной клапан на газопроводе
Дефект
Не правильно выполненный демонтаж элемента трубопровода
Арматура
Отсечное устройство на газопроводе

Стресс-коррозия магистральных газопроводов

Sunagatov

Приводится логическая цепь размышлений и выводов, раскрывающая природу стресс-коррозии на магистральных газопроводах. Предлагаются способы защиты от стресс-коррозии, основанные на исключении источников атомарного водорода на поверхности металла действующих магистральных газопроводов.

 

Система магистральных нефте- и газопроводов оказывает существенное влияние на экологическую обстановку, что особенно заметно при авариях. Поэтому изучение механизмов явлений, приводящих к авариям, имеет важное научное и практическое значение.

Анализируя опыт эксплуатации магистральных трубопроводов, можно выделить три наиболее значимые причины их разрушения: коррозионный износ, усталость (или малоцикловое разрушение), стресс-коррозия. Все другие явления менее значительны, но могут оказывать ускоряющее действие на те или иные механизмы разрушения (например, старение металла, которое выражается в снижении пластичности, ускоряет усталость).

Наиболее грозное из перечисленных явлений на магистральных газопроводах (МГ) — стресс-коррозия. Стресс-коррозия с каждым годом прогрессирует. К 2000 г. — моменту утверждения последних редакций СНиП 2.05.06—85* и СНиП III -42—80* на МГ количество разрушений по причине стресс-коррозии составляло 30 %, а в настоящее время — более 50 %. Однако строительными нормами и правилами не предусматривается защита магистральных трубопроводов от этого явления. Такие слова, как стресс-коррозия или коррозионное растрескивание под напряжением, в этих документах отсутствуют.

При стресс-коррозии металл газопроводов неравномерно охрупчивается и растрескивается, в большинстве случаев начиная с наружной поверхности. На некоторых участках за 20–25 лет эксплуатации глубина трещин достигает половины толщины стенки, что соответствует исчерпанию всех запасов прочности, предусмотренных нормами и проектами. После этого происходит разрыв трубы, выброс газа под большим давлением, самовозгорание с высотой пламени до нескольких десятков метров. При взрыве фрагменты трубопровода оказываются выброшенными на большие расстояния от места разрушения; выжигается поверхность земли, иногда до 100 м и более от очага разрушения. Таким образом, стресс-коррозия МГ представляет собой большую опасность как для самих трубопроводов, так и для окружающей среды и населения.

Механизм протекания стресс-коррозии отличается от механизмов протекания других видов коррозии. Анализ большого количества разрушений показал, что на стресс-коррозию влияют факторы, на первый взгляд никак не связанные друг с другом. Поэтому эксперты, исследуя разрушения МГ, проложенных в разных при-родноклиматических условиях, эксплуатирующихся при разных режимах, находящихся под воздействием разных факторов, приходили к совершенно различным результатам и делали иногда противоречивые выводы. Сами эксперты тоже отличаются и опытом, и образованием, и приверженностью к разным теориям (человеческий фактор). Только этим можно объяснить тот факт, что до сих пор не установлены общепризнанные механизмы протекания стресс-коррозии на МГ, не разработаны способы защиты.

В мире со стресс-коррозией впервые столкнулись более 100 лет назад при сооружении и эксплуатации крупнотоннажных судов. Тогда причину связывали с морской водой. Затем стресс-коррозия проявилась на силовых элементах атомных станций. Причину связывали с радиационным облучением. Потом наиболее часто стресс-коррозия стала проявляться на теплоэнергетическом оборудовании ТЭЦ. Там причину связывали с действием на металл перегретого водяного пара.

В химической промышленности стресс-коррозия проявилась на сосудах, работающих под давлением, в которых хранится водород. Это стимулировало исследования взаимодействия металлов с водородом. Результаты исследований помогли понять причины растрескивания некоторых сварных швов (если сварка выполняется во влажной среде, то в сварочной дуге молекулы воды разлагаются на кислород и водород, затем водород проникает в расплав металла).

Когда стресс-коррозия стала происходить на МГ (в мировой практике — 60-е годы, в России — 80-е), разные специалисты связывали это с различными факторами: c климатическими условиями, рельефом местности, температурой, вибрацией, составом грунтов, даже с микробиологическим составом почвы. Одним из нерешенных оставался вопрос: почему стресс-коррозия не происходит на нефтепроводах, хотя условия их эксплуатации не отличаются от газопроводов? Этот вопрос многих исследователей приводил к выводу, что причина стресс-коррозии находится в перекачиваемом продукте — природном газе. Но тут же возникал другой вопрос: почему стресс-коррозия не наблюдается на газопроводах системы газораспределения, хотя продукт тот же самый?

Не сумев ответить на эти простые вопросы, решили, что механизм стресс-коррозии МГ не установлен. И такое состояние, похоже, всех устраивает. Никто особо не выражает тревогу по этому поводу. Существующие недостатки системы легко и удобно списать на неизученное явление.

Нами (наивными людьми) создана цельная теория стресс-коррозии МГ, которая дает ответы на все поставленные вопросы. Она оказалась несложной и будет изложена ниже. Пока остановимся на проявлениях человеческого фактора, связанных с данной проблемой.

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 задачи приходится преодолевать большие организационные трудности, часто искусственного характера. Любые методы, материалы, технологии, которые рекомендуется использовать на МГ (в том числе позволяющие бороться со стресс-коррозией), требуют 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. Развернется конкурсная борьба, в основном только по цене. Вмешаются «коммерческие» интересы влиятельных лиц и курируемых организаций.

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 не удается принимать правильные и эффективные организационные решения.

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

4. В последние годы наметились признаки искусственного увеличения объема ремонтных работ на МГ. Создается ощущение, что факт существования «неизученной» проблемы стресс-коррозии кое-кем используется как средство добывания денег.

5. Сами ученые и эксперты не едины в своем представлении о причинах явления; их можно разделить на три группы:

первая включает тех, кто имеет четкое представление о механизмах явления и способах защиты от стресс-коррозии, но их немного;

вторая — тех, у кого не сформировалась своя модель стресс-коррозии, поэтому слушают многоголосый хор других «специалистов», не имея возможности выделить истину. В этом хоре самый громкий голос у тех, кто ближе к финансовым потокам;

третья объединяет тех, для кого важнее сам процесс исследований, а не результат. Они понимают, что с момента решения данной проблемы финансирование исследований в этом направлении прекратится.

6. Чем больше людей, рассуждающих о стресс-коррозии, тем сложнее что-то изменить. Все считают себя знатоками: что-то слышали, читали акты, видели разрушение. Чем больше людей владеет какой-то (может даже ложной) информацией, тем сложнее ее изменить, поправить. Видимо, закон инерции применим не только к движущимся физическим массам, но и к информации.

7. В общем-то, положение дел устраивает всех. Привыкли. Зачем что-то менять.

Перейдем к изложению физической модели явления стресс-коррозии.

Попытаемся ответить на вопросы:

1. Почему на МГ стресс-коррозия наблюдается, а на других трубопроводах (нефте-, нефтепродуктопроводы, промысловые, в системе газораспределения) нет?

2. Почему на резервуарах и другом оборудовании нефтегазового комплекса стресс-коррозия не замечена?

3. В чем отличительная особенность МГ?

Как показывает простейший анализ, МГ (на тех участках, где обнаруживается стресс-коррозия) имеют большой диаметр и эксплуатируются под большим рабочим давлением. Это приводит к тому, что механические напряжения в стенке МГ значительно выше, чем в стенках других трубопроводов. От действия рабочего давления кольцевые (окружные) напряжения больше осевых примерно в 2 раза. Это объясняет тот факт, что большинство обнаруженных стресс-коррозионных трещин ориентировано в продольном направлении — перпендикулярно наибольшим окружным напряжениям (рис. 1).

ris1_treshiny_na_trubeНа 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, почему на некоторых таких участках МГ появляются стресс-коррозионные трещины, ориентированные в окружном направлении (перпендикулярно наибольшим продольным напряжениям).

Таким образом, один из факторов, определяющих условия развития стресс-коррозии, — наличие высоких растягивающих напряжений в стенке трубопровода. По-видимому, чем ближе напряжения к пределу текучести металла, тем быстрее развивается стресс-коррозия. Этот вывод содержится во втором названии явления — коррозионное растрескивание под напряжением.

Но почему стресс-коррозия развивается на наружной поверхности газопровода?

Действительно, как видно на рис. 2, где показан излом стенки МГ после разрушения от стресс-коррозии, металл стенки трубы охрупчен и растрескан со стороны наружной поверхности. Металл со стороны внутренней поверхности сохранился в пластическом состоянии. В этом можно убедиться и по результатам испытаний на растяжение образцов, вырезанных из стенки трубы: на их поверхности до испытаний не было видно трещин, они появились на внешней поверхности при испытании (рис. 3).

ris2-3_izlom_ohrupchivanieЕсли бы стресс-коррозия определялась только механическими напряжениями (которые одинаковы по толщине стенки трубы), то охрупчивание и растрескивание происходили бы одинаково интенсивно по всей толщине стенки трубы. То, что процесс развивается только с внешней поверхности, дает повод предположить, что там происходит какой-то процесс, а стресс-коррозия — следствие этого процесса.

Тот факт, что металл охрупчивается, приводит к мысли, что в металл проникают какие-то элементы (атомы, молекулы) со стороны внешней поверхности и блокируют дислокации (известно, что пластичность металлов обеспечивается подвижностью дислокаций). Молекулы таких элементов, как углерод, азот, водород и других, проникать в металл могут только при высоких температурах. При температурах эксплуатации МГ это не возможно. Проникающей способностью обладают элементарные частицы: протоны, нейтроны, α -частицы и др. 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 наружной поверхности подземных трубопроводов (кстати, описанный вид стресс-коррозии происходит только на подземных участках МГ). Такой источник существует, и он связан с электрохимической защитой (ЭХЗ) трубопроводов.

Как известно, подземные трубопроводы находятся под двойной защитой от коррозии: изоляционное покрытие плюс ЭХЗ. Последняя состоит в том, что трубопровод поддерживается под электрическим потенциалом от –3 до –1 В по отношению к грунту. Считается, что это замедляет растворение металла в местах с нарушенной изоляцией. Но фактически картина несколько другая.

Большинство МГ имеет пленочную изоляцию, нанесенную в полевых условиях. При укладке и засыпке трубопровода пленочное покрытие сползает вниз вместе с грунтом и образует множество гофр на уровне горизонтального диаметра сечения и ниже. 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 — грунтовая вода. Распределение электрического потенциала в такой системе будет совершенно отличаться от того, которое должно быть в теории и согласно норме.

В грунтовой воде много всяких ионов, в том числе катионов водорода Н+, которые окружены полярными молекулами воды. Эти образования имеют общий положительный заряд, поэтому притягиваются к отрицательно заряженной поверхности трубы. Там катион водорода получает недостающий электрон от металла, становится атомом, освобождается от 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, т.е. элементарную частицу, которая 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, затрудняющим движение дислокаций. Снижение подвижности дислокаций приводит к снижению пластичности металла, т.е. к охрупчиванию. Кроме того, накапливаясь в металле, такие образования способствует 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, второе обязательное условие протекания стресс-коррозии — наличие источника атомарного водорода на поверхности металла труб.

Кроме рассмотренного источника атомарного водорода (грунтовая вода и ЭХЗ), могут быть и другие, например сероводород или продукты жизнедеятельности бактерий (биокоррозия).

Естественно, на скорость стресс-коррозии влияет множество факторов, отмеченных многими исследователями, 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 приходили к разным умозаключениям и выводам. В этом состоит еще одно проявление человеческого фактора.

Не настаивая на абсолютной истинности предложенного механизма развития стресс-коррозии МГ, хочется подчеркнуть, что 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, утверждают, что стресс-коррозия — свойственна сугубо МГ. 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 нефте-и нефтепродуктопроводах стресс-коррозию предпочитают не замечать, чтобы не создавать себе проблем (человеческий фактор). Но это не значит, что явления нет. Несколько аварий показали, что стресс-корозия все-таки происходит и на нефтепроводах, но носит локальный характер (на концентраторах напряжений). Поэтому таким разрушениям обычно приписывают другие причины, приведшие к появлению этих самых концентраторов напряжений: дефект сварки, строительный и заводской брак, некачественный ремонт, низкое качество металла. Если эти причины проследить глубже, то тоже приходим к человеческому фактору.

Некоторые оппоненты считают, что со стресс-коррозией следует бороться путем создания специальных марок стали. Не будем спорить, наверное, так тоже можно. У разных марок сталей разная структура, запасы пластичности. Это, несомненно, окажет влияние на скорость протекания пр оцессов, приводящих к стресс-коррозии. Но само явление не будет устранено, пока не исключены условия его протекания (высокие механические напряжения и источники атомарного водорода). Кроме того, остается вопрос: как защитить существующие трубопроводы?

Если предложенный механизм верен, то защита трубопровода от стресс-коррозии должна строиться на удалении источников атомарного водорода с поверхности трубопровода. Поскольку изоляционное покрытие и ЭХЗ исключать нельзя, остается подбирать более эффективные изоляционные покрытия. Все современные заводские изоляционные покрытия способны обеспечить необходимую защиту. На старых трубопроводах возможна защита с помощью покрытия «Асмол» и «Лиам». Оказалось, что только эти материалы обладают высокой адгезией к металлу, которая, к тому же, растет со временем. Они также имеют ингибирующее свойство, что «включает» дополнительный механизм защиты. Эти материалы давно известны, их свойства изучены. На опытных участках проведены десятки (может и сотни) вскрытий, все результаты положительны. Но до широкого применения этих материалов для защиты МГ дело так и не доходит. Кроме человеческого фактора это ничем не объяснимо.

Любое опасное явление на трубопроводах и способы защиты от него должны быть отражены в нормах проектирования, строительных нормах и правилах. Однако, как показывает анализ документов, действующие в настоящее время строительные нормы и правила не содержат никаких упоминаний о стресс-коррозии, не предлагают мер по защите МГ от этого вида разрушений. При эффективном разрешении проблем, связанных с человеческим фактором, можно было бы за относительно короткое время ликвидировать этот недостаток. Для этого имеются все предпосылки.

Журнал «Безопасность труда в промышленности» №9 за 2011 г. www.safety.ru

 

Источник: http://www.safeprom.ru/articles/detail.php?ID=15248