Коррозионное растрескивание под напряжением магистральных газопроводов. Методы диагностики и прогнозирования
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) зарождается на внешней катодно-защищенной поверхности труб, поэтому ее обнаружение сопряжено с рядом сложностей. Причем применяемыми в настоящее время методами могут быть обнаружены не все очаги растрескивания. Это приводит к развитию трещин и возникновению аварийных разрушений после проведения диагностических мероприятий.
Переиспытание избыточным давлением (стресс-тест)
Старейшим методом обнаружения очагов КРН является переиспытание избыточным давлением. В 70-е годы XX века наибольшее количество очагов КРН в США было выявлено именно этим методом. При этом было обнаружено, что оптимальным давлением при переиспытании является давление, вызывающее напряжение в стенке трубы, равное 1,1·?0,2 (?0,2 – условный предел текучести стали). В настоящее время эти разработки используются германскими инженерами для диагностики КРН в Европе и России. В отечественных нормативах предельное напряжение снижено до 1,0·?0,2, что уменьшает степень выявляемости дефектов.
При реализации этого метода необходимо:
- оборудовать пункты закачки и выпуска воды;
- утилизировать использованную воду;
- осушить газопровод от воды или конденсата.
Однако не все очаги КРН выявляются этим методом. Иногда аварии возникали сразу после проведения стресс-теста. Это в первую очередь связано с тем, что в очаговой зоне может находиться колония трещин, и в процессе приложения дополнительной нагрузки происходит перераспределение напряжений между ними. При этом напряжения не действуют на самые мелкие трещины. На рис. 1 показана колония трещин, обнаруженная в очаговой зоне разрушения газопровода. На рис. 2 приведены результаты компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния для этой колонии.
Методами механики разрушения был рассчитан остаточный ресурс трубопровода, имеющего одиночные трещины и их колонию. Результаты расчета приведены на рис. 3 и 4.
Как видно из приведенных графиков, остаточный ресурс труб, изготовленных из стали Х70 с колонией трещин выше, чем с одиночной трещиной. То есть колония трещин в очаге КРН менее подвержена чисто механическому воздействию по сравнению с одиночной трещиной. Для выявления таких дефектов требуется большее давление испытаний или необходимость проведения повторных переиспытаний. Обнаруженная особенность объясняет механизм разрушения газопроводов, подверженных КРН, после проведения стресс-теста.
Внутритрубная диагностика
В настоящее время наиболее широко распространенный метод выявления очагов КРН – внутритрубная диагностика. При этом используются магнитные снаряды, создающие поперечное намагничивание. Ультразвуковые дефектоскопы показали свою неэффективность в связи с необходимостью использования жидкости для контакта датчика с металлом. При проведении обследования участка магистрального газопровода длина, запускаемого в трубу снаряда с разделительными поршнями составила около 2-х км. Магнитные снаряды, создающие продольную намагниченность, используются только для обнаружения общей коррозии, целостности сварных стыков и «поперечного» КРН.
Основным недостатком метода является невозможность определить КРН на ранних стадиях, когда глубина трещины не превышает 0,2·? (? – толщина стенки трубы). Хотя имеются сообщения об обнаружении трещин глубиной 1,0·?.
Наружная дефектоскопия
Наиболее трудоемким методом обнаружения очагов КРН является наружная дефектоскопия. Это связано с вскрытием трубопровода и проведения контроля в шурфе в нижней части трубы. До реализации программы по полной переизоляции отдельных участков газопроводов данный метод использовался только при выборочных шурфовках, проводимых после обследований газопроводов или при осмотре участков, прилегающих к разрушившимся в результате аварий.
Трещины выявляются с помощью вихретокового, магнитного, капиллярного и визуального методов. Наибольшее распространение получил вихретоковый метод, позволяющий обнаруживать трещины даже не снимая противокоррозионную изоляцию с трубы.
Электрометрический метод обнаружения очагов растрескивания
Электрометрический метод, предложенный УГНТУ в начале 90-х годов XX века, основан на изучении электрохимического поведения стали в очаговой зоне КРН. Для этого метода отсутствует минимальный предел определения глубины трещины. С его помощью определяются все места, где возникли условия, необходимые для развития растрескивания. Он может применяться как дополнение к плановым электрометрическим обследованиям трассы и не требует применения дополнительного оборудования. Результаты используются при планировании переизоляции участков и проведения наружной дефектоскопии. Метод показал свою эффективность на Урале, Западной Сибири и Казахстане.
Прогнозирование времени до разрушения газопроводов, подверженных КРН
Для прогнозирования времени до разрушения газопроводов, подверженных КРН используются вероятностные зависимости, а также соотношения, которые могут быть получены только после разрушения конкретного участка газопровода. Время до разрушения может быть определено через эффективную скорость растрескивания vэфф по формуле, предложенной А.Г. Гареевым в начале 90-х годов XX века.
где T - абсолютная температура;
R - универсальная газовая постоянная;
k - предэкспоненциальный нормирующий множитель;
?- толщина стенки трубы;
а - эмпирический коэффициент, характеризующий параметры КРН;
t - время до отказа газопровода;
b - длительность стадии образования приэлектродной среды;
? - напряжение;
?0,2 – предел текучести стали.
Указанная зависимость получена на основании обработки статистики отказов магистральных газопроводов, проложенных в различных регионах.
