Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование влияния напряженно-деформированного состояния на стресс-коррозионные процессы в трубопроводах

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Носков, Сергей Владимирович

Введение

Глава 1. Анализ условий и причин стресс-коррозионного разрушения магистральных трубопроводов

Глава 2. Анализ нагрузок и воздействий, способствующих стресс-коррозионному разрушению

2.1. Воздействие температуры

2.2. Воздействие при перемещениях грунта

2.3. Предварительный изгиб трубопровода при сооружении

2.4. Внутреннее давление

2.5. Классификация линейных участков трассы нефтепроводов в зависимости от интенсивности нагрузок и воздействий

2.6. Характерные периоды работы нефтепровода при эксплуатации

2.7. Определение амплитуд колебаний рабочего давления в нефтепроводах

2.8. Частоты нагружений

Глава 3. Кинетика механохимических реакций трубных сталей в коррозионных средах под действием механических напряжений

3.1. Механохимическая активность вещества

3.2. Кинетика механохимического растворения трубных сталей при упругой деформации оболочки трубопровода

3.3. Методика оценки влияния механических напряжений на скорость стресс-коррозии

3.4. Моделирование траекторий стресс-коррозионного разрушения оболочки магистрального трубопровода

Глава 4. Исследования коррозионного растрескивания трубных сталей под действием механических напряжеий

4.1. Влияние металлургических факторов на стойкость трубных сталей к коррозионному растрескиванию под действием механических напряжений

4.1.1. Влияние предела текучести

4.1.2. Состав стали

4.1.3. Остаточные напряжения

4.2.Электрохимическая модель образования питтингов на внутренней поверхности оболочки трубопровода

4.3. Оценка влияния механических напряжений на зарождение и развитие трещин в стенке оболочки магистрального трубопровода

Глава 5. Исследование макроскопической электрохимической неоднородности (гетерогенности) металла магистральных трубопроводов

5.1.Деформационные изменения электродного потенциала стального трубопровода

5.2. Макроэлектрохимическая гетерогенность на контакте двух различно деформированных участков трубопровода

5.3. Электрохимическая гетерогенность сварных соединений магистральных трубопроводов

5.4. Коррозионная усталость сварных соединений магистральных трубопроводов

5.5. Практические меры по защите стальных оболочек магистральных трубопроводов от стресс-коррозии

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование влияния напряженно-деформированного состояния на стресс-коррозионные процессы в трубопроводах"

Под термином «стресс-коррозия» принято подразумевать процесс коррозионного растрескивания трубных сталей под напряжением (КРН), развивающийся как на внешней поверхности подземных магистральных трубопроводов, защищенной изоляционным покрытием, так и на внутренней, не имеющей изоляции.

Появление данного вида разрушения магистральных трубопроводов около 40 лет назад в нашей стране и за рубежом оказалось полной неожиданностью, поскольку растрескиванию подвергались весьма пластичные трубные стали в электролитах, не относящихся к числу коррозионно-активных. Тем не менее, довольно скоро с момента своего появления проблема стресс- коррозии приобрела актуальность и до настоящего времени представляет собой одну из наиболее острых проблем, возникающих при транспортировке природного газа и нефтепродуктов по трубопроводным магистралям большого диаметра.

К настоящему времени накоплен некоторый опыт по борьбе с этим разрушительным процессом, собраны статистические данные по авариям и отказам на магистральных трубопроводах, связанным с КРН. Быстрыми темпами развиваются методы приборной диагностики и применения специальных аппаратных комплексов по выявлению и ранней диагностике стресс- коррозии. Созданы и проходят апробацию зарубежные и отечественные снаряды- дефектоскопы, позволяющие не только обнаруживать места скоплений продольно ориентированных трещин, но и определять их размеры.

Во многом благодаря комплексу мер предупредительного характера в последнее время существенно снизилась аварийность на некоторых участках магистральных газопроводах. Так, совместными усилиями специалистов «Тю-ментрансгаза», ВНИИгаза, ВНИИСТа удалось переломить критическую ситуацию, сложившуюся в районе Краснотуринска. Здесь при проведении реконструкции шестиниточного коридора магистрального газопровода внедрены многие научные разработки и рекомендации, направленные на предотвращение аварий.

Однако, с ростом продолжительности эксплуатации магистральных трубопроводов в нашей стране ситуация с коррозионным разрушением труб под действием механических напряжений с каждым днем усугубляется и становится весьма тревожной. Статистика свидетельствует о том, что интенсивность стресс коррозионных аварий растет. Только на магистральных газопроводах за период 1986-200 г произошло 96 аварийных разрушений, а наибольший рост аварийности наблюдался за последние 5 лет. При этом потери природного газа из-за стресс- коррозии превышают потери по всем остальным причинам [73]. Более того, наблюдается опасная тенденция к дальнейшему расширению географии стресс-коррозионных разрушений. Так, в 1998 году произошло 4 аварии на ПО «Баштрансгаз», где ранее случаи КРН не отмечались.

Это происходит потому, что в значительной степени эффективность практических мер по предотвращению стресс- коррозионных аварий сдерживается из-за отсутствия четких и ясных представлений о механизме и закономерностях развития стресс- коррозионного процесса, а многие факты и случаи растрескивания не находят адекватного научного обоснования в рамках выдвинутых моделей КРН.

В связи с этим вопросы связанные с исследованием влияния напряженно-деформированного состояния на стресс-коррозионные процессы в трубопроводах, находящихся в эксплуатации длительное время становится весьма актуальными.

В настоящей работе проведен анализ условий и причин, нагрузок и воздействий, способствующих стресс-коррозионному разрушению. Приводятся результаты исследований: кинетики механохимического растворениятрубных сталей при упругой деформации оболочки трубопровода; коррозионное растрескивание под лдействием механических напряжений; макроскопическая электрохимическая неоднородность металла трубопроводов.

В заключении проведенной работы приводятся практические меры по защите оболочек магистральных трубопроводов от стресс-коррозии. 3

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Носков, Сергей Владимирович

152 Выводы

1. Основные причины стресс-коррозионного разрушения стальных магистральных трубопроводов связаны: с малым сопротивлением трубных сталей хрупкому разрушению, их физической неоднородностью (гетерогенностью) на внутренней и наружной поверхностях труб, загрязненностью металла труб неметаллическими включениями, высокой чувствительностью экспандиро-ванного металла к различным концентраторам напряжений.

Хрупкому стресс-коррозионному разрушению способствует также полосчатость структуры трубных сталей с характерным появлением различных надрывов и несплошностей по ферритным полоскам (строчкам), загрязненным неметаллическими включениям.

2. На скорость эволюции стресс-коррозионного разрушения стальных трубопроводов влияет интенсивность изменения градиента внутреннего давления перекачиваемого продукта во времени.

Особенно это характерно для нефтепроводов, по которым перекачиваются практически несжимаемые жидкости, при смене режима перекачки в зависимости от комбинации включенных насосов или производительности трубопровода.

3. Резкие изменения величины избыточного давления ведет к уменьшению равновесной концентрации атомов в металле, активированных механическим воздействием, т. е. к пространственной локализации механохимиче-ского эффекта (ускорения растворения деформированного металла), которая является, таким образом, термодинамически неизбежной.

4. Скорость стресс-коррозионного разрушения трубных сталей определяется ускорением их анодного растворения в коррозионно-активной среде под действием механических напряжений.

5. Долговечность тонкостенных оболочек магистральных трубопроводов в условиях механохимической коррозии существенно зависит от исходной прочности стали труб и их геометрических размеров, соотношения главных напряжений. При заданном начальном коэффициенте использования несущей способности («коэффициенте запаса») долговечность ниже у высокопрочных сталей и трубопроводов большого диаметра. Это обусловлено резким усилением механохимического эффекта в высокопрочных трубных сталях при механических напряжениях большой интенсивности.

6. Коррозионное разрушение трубных сталей под действием механических напряжений представляет собой термофлуктуационный процесс распада связей и генерации зародышевых трещин в зонах поверхности труб с электрохимической гетерогенностью. Увеличение энергии поверхностных атомов на участках, где нарушено пассивное состояние, приводит к возрастанию скорости перемещения дислокации, являющейся термически активированным процессом.

На участках, где пассивное состояние сохраняется, энергия поверхностных атомов уменьшается из-за образования пассивирующих слоев. Вследствие этого на запассивированной поверхности движение дислокаций затормаживается. На границе, отделяющей пассивную поверхность от активированной, дислокации, движущиеся в области, где металл находится в активном состоянии, блокируются. При этом образуется плоское скопление дислокаций (линий, вдоль которых нарушено правильное чередование атомных плоскостей), являющееся зародышем трещины.

7.Образование микротрещины в результате случайных термофлуктуаций приводит при низких напряжениях к делокализованному (распространенному в объеме оболочки трубопровода) накоплению высокой концентрации трещин. Эти трещины располагаются в стенке трубопровода хаотически. При случайном и близком соседстве нескольких микротрещин они объединяются и образуют кластер - укрупненную трещину. Вокруг этого очага разрушения действуют настолько высокие очаги напряжения, что они нарушают делока-лизацию.

Рост очага разрушения представляет собой последовательное поглощение укрупненной трещиной зарождающихся перед ней так называемых "коррелированных" микротрещин. Такой механизм роста сохраняется до момента, когда напряжение в вершине трещины достигает значения теоретической прочности, после чего наступает атермическое распространение магистральной трещины через всю толщину стенки трубопровода со скоростью, близкой к скорости звука.

Роль коррозионной среды при этом сводится к облегчению формирования условий образования зародышевых трещин (на первом этапе). А на втором -к электрохимическому растворению перемычек между магистральной трещиной и зародышами. Кроме того, диффундирующий водород создает перед магистральной трещиной зоны повышенной хрупкости.

8. Разработаны практические меры по защите стальных оболочек магистральных трубопроводов от стресс-коррозии.

155

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Носков, Сергей Владимирович, Тюмень

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Магистральные газопроводы: особенности проявления КРН. Физика металлов, 1992, № 6, с. 18-20.

2. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание высокопрочных сталей. -М., Металлургия, 1970.

3. Антонов В.Г., Кантор М.М., Яковлев С.Е. Стресс-коррозионные разрушения магистральных газопроводов. Там же, с. 117-119.

4. Березин B.JL, Шутов В.Е., Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1971.-200 с.

5. Бетехтин В.И., Владимиров В.И. Кинетика микроразгружения кристаллических тел // Проблемы прочности и пластичности твердых тел. Д.: Наука, 1979. С. 142-154.

6. Васильев В.Ю. Защита металлов. 1982. т. 13, № 2, с. 195.

7. Волгина Н.И., Сергеева Т.К. Остаточные напряжения и сопротивление стресс-коррозии металла прямошовных и спираль-ношовных труб. Семинар по коррозионному растрескиванию трубопроводов под напряжением. М.: ИРЦ Газпром, 1999, с. 103-115.

8. Волгина Н.И., Сергеева Т.К., Салюков В.В. Распределение остаточных напряжений и сопротивление стресс-коррозии в трубах большого диаметра. Газовая промышленность, 1999, № 4, с. 49-51.

9. Галеев В.Б. и др. Анализ причин разрушения действующих нефте- и продуктопроводов. ВНИИОЭНГ. Сер. Транспорт и хранение нефтепродуктов. М. 1972. 77 с.

10. Галеев В.Б., Сощенко Е.М., Бобрицкий Н.В. Анализ причин разрушения магистральных трубопроводов. НТО "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов" № 7,1964.

11. Герасимов В.В., Монахов А.С. Материалы ядерной техники. 2-е изд. М.: Энергоиздат, 1982.

12. Герасимов В.В., Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание аусте-нитных нержавеющих сталей. М.: Металлургия, 1976.

13. Горбатых В.П., Середа Е.В. Оценка разброса значений скорости распространения коррозионной трещины // Тезисы докл. Всесоюз, конф. "Химия теплоносителей и физико-химические процессы в АЭУ". Л., 1984. М.: ЦНИИатом-информ, 1984. С. 28-29.

14. Горбатых В.П., Середа Е.В. Пленочно-дислокационная модель коррозии под напряжением элементов АЭС из аустенитных сталей // Теплофизика ядерных энергетических установок: Межвузовск. сб. науч. трудов. Свердловск: изд. УПИ, 1984. С. 100-106.

15. Горбатых В.П., Середа Е.В. Оценка результатов ресурсных испытаний аустенитной стали в условиях коррозии под напряжением // Теплоэнергетика. 1984. № 10. С. 22-25.

16. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М.: ИЛ, 1948. 583 е., ил.

17. Гутман Э.М., Зайнуллин Р.С., Шаталов А.Т. и др. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа. М.: Недра, 1984.76 с.

18. Гутман Э. М., Зайнуллин Р. С., Зарипов Р. А. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, 1977, № 9, с. 3 - 5.

19. Гутман Э. М., Амосов Б. В., Худяков М. А. Нефтяное хозяйство, 1977, № 8, с. 59-62.

20. Дмитриев В.Ф., Мурзаханов Г.Х., Филиппов Г.А. Оценка остаточного ресурса нефтепровода и планирование его капитального ремонта. «Строительство трубопроводов». 1119. № 3. с. 21-24.

21. Злочевский А.Б., Экспериментальные методы в строительной механике, М., Стройиздат, 1983, 192 с.

22. Иванов В.А., Носков С.В. Электрохимическая гетерогенность сварных соединений трубопроводов. // Сборник научных трудов «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» Тюмень: ТюмГНГУ, 2002 г. - с.28-37.

23. Иванов В.А., Носков С.В. Макроскопическая электрохимическая гетерогенность металла магистрального трубопровода. // Известия ВУЗов, «Нефть и газ», №1, 2003 г. с.64-71.

24. Иванова B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979.

25. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 е., ил.

26. Иванов А.Г. О природе катастрофических разрушений трубопро-водов//Докл. АН СССР.- 1985.-Т.155, № 2.- С. 357-360.

27. Иванцов О.М. 'Темный лик" стресс-коррозии. Строительство трубопроводов, 1993, № 6, с. 10-16.

28. Исследование малоцикловой прочности при высоких температурах. Под ред. С. В. Серенсена. М.: Наука, 1975, 124 е., ил.

29. Карпенко Г.В. Прочность стали в коррозионной среде.-Киев, Наукова Думка, 1963.

30. Карпов С.В., Хороших А.В., Сергеева Т.К. Металловедческий мониторинг труб со стресс-коррозионными дефектами. Там же, с. 198-200.

31. Катаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П., Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность, М.: «Машиностроение», 1985. 224 с.

32. Коттрелл А.Х. Дислокация и пластическое течение в кристаллах: Пер. с англ. / Под ред. А.Г. Рохштадта. М.: Гос. науч.техн. изд-во лит. по черным и цветным металлам, 1958.

33. Крау Ю., Хирт Ф. Коррозионное растрескивание нержавеющих сталей в водных средах с низкой концентрацией хлоридов // Экспресс- информация ВИНИТИ. Сер. Коррозия и защита металлов. 1980. № 5. С. 10-11.

34. Курочкин В.В. Прогнозирование ресурса и капитального ремонта магистрального нефтепровода. Диссертация к.т.н., М. 2000. 111с.

35. Курочкин В.В., Дмитриев В.Ф., Некоторые вопросы оценки ресурса трубопровода, «Транспорт и хранение нефтепродуктов», № 8, М., 1999, с. 20.

36. Лубенский А.П., Чебурахтин Н.А., Лубенский С.А. О причинах коррозионного растрескивания под напряжением магистральных газопроводов. Там же, с. 120-121.

37. Мазель В.Г. Водород фактор коррозионного растрескивания трубопроводов. Строительство трубопроводов, 1992, № 9, с. 23-26.

38. Мазель В.Г. О стресс-коррозии газопроводов. Строительство трубопроводов, 1993, № 7, с. 36-39.

39. Методика определения остаточного ресурса трубопроводов с дефектами, определяемыми внутритрубными инспекционными снарядами, М.: АК "ТРАНСНЕФТЬ", 1994.- 36 с.

40. Мороз Л.С. // Физика металлов и металловедение. 1962. Т. 13, № 6. с. 912.

41. Носков С. В., Иванов В. А. Механическая активность вещества. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» Тюмень: ТюмГНГУ. 2001, с. 15-21.

42. Носков С. В., Пономарева Т. Г. Моделирование траекторий стресс-коррозионного разрушения трубопровода. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» Тюмень: ТюмГНГУ. 2002, с. 17 - 27.

43. Носков С.В., Пономарева Т. Г. Анализ условий и причин стресс-коррозионного разрушения магистральных трубопроводов. «Нефть и газ» 1/2003, с.64-71.

44. ОСТ 108.901.01-79 Металлы. Методы испытаний на коррозионное растрескивание применительно к атомной и тепловой энергетике. М.: Госстандарты, 1979.

45. Отт К.Ф. Стресс-коррозия на газопроводах. Гипотезы, аргументы и факты. М., ИРЦ Газпром, 1998. - 72 с.

46. Отт К.Ф. Функции неметаллических включений в жизненном цикле сталей газопроводных труб. Газовая промышленность, 1993, №7, с. 32-35.

47. Отт К.Ф. Материалы статистической обработки информации по стресс-коррозии газопровода./Шестая Международная деловая встреча "Ди-агностика-96". Ялта, апрель 1996 г. М.: ИРЦ Газпром, 1996, с. 90-93.

48. Петров В.А. Термодинамический подход к микромеханике разрушения твердых тел // ФТТ. 1983. Т. 25, № 10. С. 3110-3113.

49. Потак Я.М. Высокопрочные стали. М., Металлургия, 1972.

50. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевскнй Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. Л.: Наука, 1974,

51. Регель В.Р., Слуцкер А.И. Кинетическая природа прочности // Физика сегодня и завтра. М.: Наука, 1973. С 90.

52. Розенфельд И. Л. Коррозия и защита металлов. М.: Металлургия, 1970, 448 е., ил.

53. Рябченков А.В., Никифорова В.М. Роль электрохимических факторов в процессе коррозионного растрескивания сталей // Коррозия и защита металлов в машиностроении. М.: Машгиз, 1959. С. 9 12.

54. Свонн П.Р. Коррозия конструкционных материалов водоохлаждаемых реакторов: Пер. с англ. / Под ред. В.П. Коровина.М.: Атомиздат, 1965. С. 206.

55. Серафимович Л.П. Статистическая обработка опытных данных. Томск: изд. Томск, политехи, ин-та, 1980.

56. Сергеева Т.К. Турковская Е.П., Михайлов И.П., Чистяков А.И. Состояние проблемы стресс-коррозии в странах СНГ и за рубежом. Обзор, информация. Сер. "Защита от коррозии оборудования в газовой промышленности" М., ИРЦ Газпром, 1997. -101 с.

57. Скугорова Л.П. Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ: Учеб. пособие для вузов.-.2-е изд., перераб. и доп.т- М.: Недра, 1989.343 е.: ил.

58. Стеклов О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.: Машиностроение, 1976, 200 е., ил.

59. Стеклов О.И., Есиев Г. С, Тычкин И.А. Развитие системного подхода к анализу стресс-коррозионной повреждаемости магистральных газопроводов. Обз. инф. Сер. Защита от коррозии оборудования в газовой промышленности. М.: ИРЦ Газпром, 2000.

60. Сурков Ю.П., Рыбалко В.Г., Павлов М.Ю., Сычева Т.С. Зарождение трещин при коррозионном растрескивании газопроводов. Физика металлов, 1994, с. 147-151.

61. Тартаковский Г.А. Некоторые причины разрушения подземных трубопроводов. М.: Недра, 1965.

62. Тухбатуллин Ф.Г. и др. Обследование и ремонт магистральных газопроводов, подверженных КРН. ООО «ИРЦ Газпром», Сер. Транспорт и подземное хранение газа. М. 2001. С. 60.

63. Черняев В.Д., Галлямов А.К., Юкин А.Ф., Бондаренко П.М. Трубопроводный транспорт нефти в сложных условиях эксплуатации. М.: Недра, 1990. -231 с.

64. Щелочная хрупкость и повышение стойкости аппаратуры глиноземного производства/ Под общей ред. В.И.Артемьева и О.И.Стеклова. М., Цветметинформация, 1971,-87с.

65. Ямалеев К.М., Старение металла труб в процессе эксплуатации нефтепроводов, М., ВНИИОЭНГ, 1990, 64 с.

66. Hudar S.J., Page R.A. Analisis of oxide during environment assisted crack growth // Corrosion. 1983. Vol. 39, N 7. P. 285-290.

67. Juan J.Gonzalez, Alexander Bentolila. PDVSA study suggest neutral pH soil not an SCC contributor. Pipe Line & Gas, 2000, № 6, p.25-29, № 7, p.65-68.

68. Kermani M., Sculley J.G. Fractographic aspects of the stress corrosion cracking of U-brass in 15 N ammonia solutions // Corrosion Sci. 1979. Vol. 19, № 5. p. 489-506.

69. Lendriks A.J. Stress-Corrosion Crackinn of Stainless Steel and Nickel Alloys//Journ. of Inst, of Met. 1973. Vol. 101. p. 224-232.

70. Parkins R.N., Markworth A.Y., Holbrook Y.H., Fessler R.R. Hydrogen gas evolution from cathodically protected surfaces. Corrosion, 1985, v. 41, № 7, p. 389-397.

71. Pugh E.N. // Proc. Conf. Fund. Aspects of Stress Corrosion Cracking. Sept. 11-15, 1967. Ohio, Texas. NACE. 1969. p. 118.

72. Tromans D., putting . Corrosion, 1965, v. 21, № 5, p. 143 160.

73. Stress Corrosion Cracking (SCC). Report of the Inguiry. Canada, 1996.

74. VOilbVi" ? J11A i 1 ГОСУДАРСТВЕННА БИБЛИОТЕКА»о i^em ^ - оз*