Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние катодной защиты магистральных газопроводов на процесс развития коррозионных трещин под напряжением

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

Автореферат диссертации по теме "Влияние катодной защиты магистральных газопроводов на процесс развития коррозионных трещин под напряжением"

На правах рукописи

ПЕСИН АЛЕКСАНДР СЕМЕНОВИЧ

ВЛИЯНИЕ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НА ПРОЦЕСС РАЗВИТИЯ КОРРОЗИОННЫХ ТРЕЩИН ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень, 2005

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Кушнир Семен Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Малюшин Николай Александрович

кандидат технических наук, доцент Бачериков Александр Сергеевич

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ТУП «ИПТЭР»), г.Уфа

Защита диссертации состоится 11 марта 2005 г. в 1600 час, на заседании диссертационного совета Д 212.273 02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ по адресу 625039, г.Тюмень, ул.Мельникайте, 72.

Автореферат разослан

Челомбитко СИ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ причин аварийности магистральных газопроводов показывает, что основной причиной их отказов являются коррозионные повреждения (до 40%). При этом, общая и язвенная коррозии наблюдаются практически на всех трубопроводах, имеющих дефекты изоляции. Для борьбы с этими видами коррозии в газопроводном транспорте используется дополнительная защита - электрохимическая. Подключение катодной защиты позволяет если не остановить, то значительно замедлить общую и язвенную коррозии металла труб в местах с дефектами изоляции. Поэтому все магистральные газопроводы имеют катодную (электрохимическую защиту).

При обслуживании трубопроводов уделяется внимание наличию катодного потенциала по всей длине трассы. Разработаны эффективные методы и достаточно совершенные приборы, позволяющие по утечке защитного тока обнаруживать повреждения изоляции.

Однако в последние десятилетия (в бывшем СССР коррозионное растрескивание под напряжением было обнаружено в 80-х годах) -появился новый вид коррозионного повреждения магистральных газопроводов - коррозионное растрескивание под напряжением. Стресс-коррозия на протяжении уже 30 лет представляет собой одну из наиболее актуальных проблем при транспортировке газа как в России, так и за рубежом. Так в ООО «Севергазпром» аварии по причине коррозионного растрескивания под напряжением составляют почти 70%, а в системе магистральных газопроводов ООО «Сургутгазпром» - до 40% от общего числа аварий.

Проблеме коррозионного растрескивания под напряжением посвящены работы многих российских и зарубежных исследователей, в том числе Абдуллина И.Г., Гареева А.Г., Мостового А.В., Отта К.Ф.,

Зайнуллина Р.С., Гумерова А.Г., Гутмана Э.М., Медведева В.Н., Хажинского Г.М., Кузнецова A.M., Димова Л.А., Асадуллина М.З., Baker Т.М., Dikman P., Fessler R.R.,Wilson TJ.

Таким образом, коррозионное растрескивание под напряжением является одной из основных причин отказов и аварий на магистральных газопроводах и, как правило, развивается на внешней катоднозащищенной поверхности, а их катодная защита — одним из факторов, существенно влияющих на процесс развития трещин.

Поэтому целью настоящего исследования является: на основе исследования механизма образования и развития коррозионных трещин оценить влияние катодной защиты на развитие коррозионных трещин под напряжением в стенках магистральных газопроводов.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- изучить кинетику коррозионного процесса трещин в стенке магистрального газопровода в отсутствии катодной защиты;

- изучить динамику глубинного роста одиночной трещины в стенке газопровода при отсутствии катодной защиты;

- исследовать кинетику коррозионного процесса и динамику глубинного роста трещин в стенке газопровода при наложенной катодной защите;

- исследовать динамику развития коррозионной трещины под напряжением по её глубине;

- установить связь выявленных закономерностей динамики роста трещины с её предельной глубиной.

Научная новизна выполненных исследований

Выявлена динамика глубинного роста коррозионной трещины под напряжением в стенке магистрального газопровода в отсутствии катодной защиты. При этом получена аналитическая зависимость, позволяющая

прогнозировать кинетику коррозионного процесса (]а) для других трещин со своими значениями параметров (Гв И /), а также определить защитный потенциал и плотность тока для уменьшения скорости коррозии.

Впервые выявлено влияние катодной защиты на динамику глубинного роста коррозионной трещины. Автором получено уравнение динамики, связывающее скорость и глубину образования трещины со временем.

Практическая ценность работы

Полученные автором результаты расширяют научные познания о механизме и развитии коррозионных процессов. Это позволяет учесть влияние катодной защиты на процессы коррозионного растрескивания стенок магистральных газопроводов. Результаты исследования повышают требования к мониторингу и диагностике магистральных газопроводов.

На защиту выносятся кинетика и динамика глубинного роста одиночной стресс-коррозионной трещины при наличии и отсутствии катодной защиты.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на: научно-практической конференции по проблемам состояния и перспектив развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2002ц на международном научно-практическом семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы в нефтегазодобывающей отрасли» (г.Тюмень, 2002г.); на двенадцатой международной деловой встрече «Диагностика-2002», Турция, 2002г.; на юбилейной научно-практической конференции по перспективам развития нефтегазовых объектов Западной Сибири, г.Тюмень, ТГНГУ, 2003г.; на региональной научно-практической конференции ТГНГУ, 2004 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 117 стр., содержит _29_рисунков и _6_таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе приведен анализ технического состояния и причин отказов линейной части магистральных газопроводов Западной Сибири. Поскольку (до 40%) основной причиной отказов являются коррозионные повреждения, то автором рассмотрены их виды, включая коррозионное растрескивание под напряжением, как наиболее их опасный вид. Из выполненного анализа следует, что в настоящее время факторы, определяющие возникновение и развитие стресс-коррозионных повреждений газопроводов и степень их влияния на процесс коррозионного растрескивания изучены недостаточно. На основании этого определены основные направления исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводится описание видов коррозии (химическая, электрохимическая, биохимическая) и рассматриваются характерные особенности протекания коррозионного процесса.

Из локальной коррозии отдельно выделено коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), связанное с образованием и развитием микротрещин.

Основное внимание уделено кинетике коррозионного процесса для случая узкой несквозной трещины прямоугольного сечения, находящейся на внешней поверхности трубопровода и заполненной природным электролитом (рис1).

Указанное на рис.1 (а) расположение модельной трещины, при котором ее берега параллельны образующим трубы, соответствует наиболее опасной ситуации возможного порыва трубопровода.

Рис. 1. Расположение узкой щели на внешней поверхности трубы (а) и ее поперечное сечение в плоскости У01 (б)

В любом сечении, параллельном плоскости ХОУ, модельная трещина представляет собой прямоугольник с размерами связанными

между собой следующим соотношением:

Вершина трещины считается полуцилиндрической поверхностью с длиной и радиусом

Глубина проникновения трещины в тело трубы характеризуется величиной /, при этом трещина считается достаточно развившейся, т.е.

выполняется неравенство:

гв«1- (2)

Трещина заполнена природным электролитом, основные характеристики которого (химический состав, водородный показатель рН, удельное электрическое сопротивление и т.д.) считаются известными.

В настоящее время исследованиями ряда автором доказано, что вершина трещины находится в анодном состоянии, что обусловлено, в первую очередь, наличием растягивающих механических напряжений в стенке трубы.

Берега трещины представляют собой пространственно распределенный катод, поляризацией которого (с учетом малого значения плотности катодного тока) можно пренебречь.

Кинетика коррозионного процесса в трещине определяется потенциалом и током электролита. Вывод основных соотношений между потенциалом и токами иллюстрируется на рис.2, и опирается на следующие допущения:

- анод вершины и распределенный по берегам трещины катод образуют короткозамкнутую (через массу металла) гальваническую пару (рис.2(а));

- в поперечном сечении z — const модельной трещины поверхность электролита (вне двойного электрического слоя) считается эквипотенциальной с величиной потенциала

- ток в электролите раскладывается на две составляющие: ток по оси 02 с плотностью j3{z) и катодный ток с плотностью jK(z)> направленный нормально к берегам трещины (ток поляризации).

Тогда для двух близких поперечных сечений трещины с координатами z и z+dz на основании закона сохранения электрического заряда и закона Ома для участка справедлива следующая система дифференциальных соотношений:

где - удельное электрическое сопротивление электролита;

- полное сопротивление на границе металл-электролит;

- равновесный потенциал электролита.

Из (3)-(5) следует уравнение второго порядка для потенциала

<?<Р,

(к=

<Ь

- постоянная в 1/м),

Т-кг-<рз=-к2-(рзр,

при следующих граничных условиях:

пРи 2=0 \<Р,=<Ры, при г = 1.

(7)

(8)

Решением системы (7)-(8) является выражение для потенциала

ФУ-

г \ / \ эЬ кг

(9)

Из решения (9) и уравнений (5), (4) находятся следующие зависимости для плотностей токов /Д^), /э(2) и плотности анодного тока _/а:

Как следует из (10) и (12), кинетика коррозионного процесса в трещине (иначе говоря, токи (я) И ]а определяется разностью

потенциалов {ф^ ~ (р.^ ). В свою очередь, потенциал фэ[ находится через

перенапряжение анода или через его равновесный потенциал

Существующие в настоящее время попытки связать этот потенциал с характеристиками напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода носят, по мнению автора, не всегда последовательный характер.

В связи с этим обстоятельством в диссертации решалась обратная задача: по известному (на основе натурных наблюдений) значению плотности анодного тока установить закономерности кинетического процесса коррозии в трещине и исследовать динамику ее глубинного роста.

Как следует из формулы (12), при постоянстве напряжения в электролите плотность анодного тока также может

считаться практически постоянной со значением при выполнении следующего неравенства для глубины трещины /:

В свою очередь, плотность тока связана со средней скоростью зии соотношением:

где - плотность трубной стали;

- электрохимический эквивалент железа. По результатам натурных наблюдений ряда авторов значение

находится в диапазоне 0,25 - 1,2 мм/год, приведенные в работы расчеты кинетики модельной трещины соответствуют значению

Вводя понятие мгновенной скорости глубинного роста трещины

<ад

с/т

и учитывая, что между мгновенными значениями ./„(г) И такж

существует соотношение (14), получаем из (12) уравнение роста трещины в глубину:

Разделяя переменные в дифференциальном уравнении (16) и выполняя интегрирование, находим зависимость глубинного роста

трещины

в неявном виде:

сЬИ(т) = сЬ*/.-ехр(А1^г),

(17)

где - начальная глубина трещины.

Графический вид зависимостей ^(г) И показан на рис.3.

а) б)

Рис.3. Зависимость скорости роста трещины (а) и ее глубины (б) от текущего времени

Как следует из зависимости (17), наиболее резкое изменение величин ^(г) и /(г) приходится на начальный этап развития трещины с продолжительностью

0,43

х,=

кУ„

(18)

кср

Ценность соотношения (16) заключается в том, что, определив (по значению Укор) плотность анодного тока для одной трещины, можно

предсказать кинетику коррозионного процесса (т.е. значение ]а) для

Г И /.

другой трещины со своими значениями параметров

По известному значению У^ может быть найдена не только

величина Уд, но и э.д.с. Е гальванопары.

Поскольку для короткозамкнутой гальванопары ее э.д.с. Е равняется сумме перенапряжений анода и катода, а для

слабополяризуемого катода то

Найденное значение Е позволяет определить защитный потенциал, необходимый для уменьшения скорости коррозии.

В третьей главе приводится классификация способов защиты от коррозии и практические способы их реализации.

Среди вариантов электрохимической защиты (ЭХЗ) рассматривается катодная защита, как наиболее часто применяющийся метод замедления коррозии подземных трубопроводов (рис.4).

При локальном повреждении изоляции имеет место прямой контакт грунта с внешней поверхностью трубопровода, вследствие чего наблюдается резкое увеличение плотности тока приводящее к

уменьшению тока коррозии. Эффективность катодной защиты

характеризуется степенью защиты

способом:

К.

защ'

определяемым следующим

где - плотности анодного тока до и после катодной защиты.

Иллюстрация воздействия катодной защиты проводится с помощью коррозионных диаграмм, где показано, что при наложенной защите происходит смещение потенциала коррозии в область более

отрицательных значений, что приводит к уменьшению анодного тока.

Рассмотрено влияние наложенной катодной защиты на кинетику коррозионного процесса в модельной трещине (рис.5 (а)).

а) б)

Рис.5. Картина растекания токов в электролите и металле при наложении управляемого внешнего потенциала и расчетная схема

для определения токов и потенциала электролита (б)

Воздействие анодного заземлителя катодной защиты в зоне локального повреждения имитируется электрическим полем двух электродов, при этом на время «забывается» анодное состояние вершины трещины, т.е. вся поверхность контакта щели с электролитом считается катодом.

Для получения основных соотношений используется расчетная схема (рис.5(б)), в которой по сравнению с рис.2(б) изменено направление тока на противоположное. Тогда система уравнений для описания

кинетики электрохимического процесса в трещине выглядит следующим образом:

где - плотность тока обмена катода;

-тафелевская константа для катода. Изменение выражения для плотности jt по сравнению с (5) связано со значительной поляризацией катода в рассматриваемом случае.

Из системы (21) выводится следующее нелинейное уравнение для потенциала

где

л Рэ •

<Р-.

эр

- постоянная с размерностью В/м2.

Что касается граничных условий, то в главе рассматриваются граничные условия 1-ого рода:

Величина (рй определяется естественным потенциалом (Ркт подземного трубопровода и защитным потенциалом станции

катодной защиты (СКЗ)

<Ро=<Р<ш-<Р*щ+К

(24)

и для реальных условий эксплуатации подземных магистральных газопроводов лежит в диапазоне

Нахождение значения производится следующим образом.

Плотность катодного тока в вершине трещины определяется

уравнением Тафеля для катода, переписанном в следующем виде:

Эта же плотность тока может быть связана с плотностью тока ]а, рассмотренной во второй главе, через степень защиты

Таким образом, по заданному значению степени защиты из

(27) и (26) может быть найдено значение (рэ1

Решением системы (22)-(23), названым 1-ым решением, является следующее неявное выражение для

Поскольку справочное значение тафелевской константы равно

0,052 В, то уже для значения ^>о=0,ЗЯ (с учетом того, что ^>э(<0) практически реализована физическая бесконечность, что позволяет получить из (29) следующее соотношение между глубиной щели и потенциалом

характерная длина, смысл которой поясняется

Условие (30) имеет простое объяснение: если глубина трещины / удовлетворяет неравенству

то на такой длине возможно удержание потенциала на

заданном уровне.

Если же выполняется обратное соотношение

то значение потенциала в вершине трещины будет меньше (р^ [К^щ ) • При выполнении более сильного неравенства

ниже.

ток практически равен нулю, т.е. потенциал (при сколь угодно большом значении) не влияет на характер электрохимических процессов в вершине трещины, что эквивалентно выполнению равенства

В работе выполнено построение зависимостей

для конкретных значений параметров модельной трещины.

Далее проводится «включение» анода вершины, что приводит к следующим результатам. При значении т.е. при

начальной глубине трещины процесс коррозии будет

подавлен полностью.

Если же начальная глубина трещины будет больше /л/,(1), то коррозия в вершине будет продолжаться с увеличивающейся скоростью (1-ая стадия глубинного роста трещин). При достижении глубины

коррозионный процесс идет с постоянной скоростью

соответствующей плотности тока ]а (2-ая стадия роста).

Закон роста трещины в глубину в этом случае определяется следующей цепочкой равенств, опирающихся на соотношения (14), (26) и (30):

Таким образом, уравнения глубинного роста трещины выглядят следующим образом:

Графический вид мгновенных зависимостей Р(г) и /(г) приведен

на рис.6.

В четвертой главе автором предлагается приближенный расчет следующих параметров катодной защиты:

- напряжение и между грунтом и трубопроводом;

- потенциал Vстенки трубопровода;

- плотность тока ^ из грунта на трубопровод для неповрежденных и поврежденных участков изоляции;

- ток / в стенке трубопровода или его плотность

Приводятся расчеты предельной глубины защиты 1пр [Кзаи11 при изменении параметров трещины и соответствующие графики.

Основное внимание уделено влиянию катодной защиты с учетом того обстоятельства, что ток }гр ограничен по своему максимальному значению.

По результатам исследований ряда авторов диапазон изменения /

составляет

4=0,02 + 0,45 А!м\

(36)

где нижнее значение соответствует влажной среде, а верхнее - почве с высокой биологической активностью сульфатновосстанавливающих бактерий.

При рассмотрении коррозии на предыдущих этапах потенциал считался фиксированным, что позволяло иметь очень высокую плотность тока (0) на устье вершины.

Поскольку ]э (0) = , то находилось решение уравнения (22) при измененном первом граничном условии (23):

Соответствующее решение (2-е решение) имеет следующий вид:

Анализ решения (38) показывает следующее. Если выполняется необходимое условие подавления коррозии

то коррозионный процесс в вершине трещины будет остановлен, при ее длине, удовлетворяющей следующему неравенству:

С учетом реальных диапазонов изменения основных параметров, величина ^(1)» определяемая формулой (40), намного меньше, чем величина вычисляемая по формуле (30). Таким образом,

вероятность продолжения коррозионного процесса в этом случае будет намного больше.

Вывод уравнения глубинного роста трещины, соответствующего решению 2, проводится по схеме (34), конечное уравнение имеет следующий вид:

1 ' а кор

( • \ }-¿0Е..И.

и

; /(0)>/ч,(1). (41)

Зависимости ^(г) И уравнения (41) схожи с зависимостями

рис.6, однако время выхода Т| скорости на стационарное значение

существенно меньше.

Следует отметить, что рассмотренные в работе случаи и

соответствуют предельным закономерностям коррозионного развития трещины при наличии катодной защиты. В реальном случае происходит изменение во времени как величины так и величины

Корректное рассмотрение такого процесса выходит за рамки диссертационной работы.

Основные выводы по работе

На основе кинетики электрохимических процессов получены распределения потенциала и токов электролита в коррозионной трещине стенок магистральных газопроводов.

1. Получено и решено уравнение динамики глубинного роста трещин в стали газопровода в отсутствии катодной защиты.

2. Выявлено влияние катодной защиты на кинетику электрохимического процесса в природном электролите трещины.

3. Выявлены условия роста коррозионной трещины, получено и решено уравнение динамики глубинного роста коррозионных трещин в стенке газопровода.

4. Получено соотношение между наложенным потенциалом катодной защиты и током в грунте по трассе трубопровода и глубиной защиты трещины.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Кушнир С.Я К вопросу оптимального планирования ремонта магистральных газопроводов по данным внутритрубной диагностики / Кушнир С.Я, Горковенко А.И., Песин А.С. // Материалы международного семинара: «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» под общей редакцией профессора, д.т.н. С.Я.Кушнира. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.-С.162-163.

2. Песин А.С. Влияние электрохимической защиты трубопровода на развитие усталостных трещин / Песин А.С, Кушнир С.Я, Горковенко А.И. // Сборник научных трудов «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири».- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. -С.67-69.

3. Песин А.С. Моделирование процессов, проходящих в газопроводе, с использованием методов вибродиагностики и теории случайных функций / Песин А.С, Пульников СА., Гостев В.В, ХамидовР.С. // Материалы региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта».-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С.40-43.

4. Песин А.С. Влияние изменения внутреннего давления в газопроводе на стресс-коррозионное растрескивание стенок трубы / Песин А.С., Гостев В.В, Пульников С.А., Хамидов Р.С. // Материалы региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта».- Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С.58-61.

5. Песин А.С. Кинетика глубинного роста одиночной модельной стресс-коррозионной трещины / Песин А.С, Горковенко А.И., Пульников СА. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2005г.-С22-27.

6. Песин А.С. Кинетика глубинного роста одиночной стресс-коррозионной трещины при наличии катодной защиты / Песин А.С, Горковенко А.И., Гостев В.В. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2005г.-С.28-31.

Подписано к печати f0j¿ 1/6 Заказ

Формат 60x84 '/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч. №1 Уч. - изд. л. Усл. печ. л. Тираж

L

экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

PSOO

1293

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Песин, Александр Семенович

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы коррозионных повреждений магистральных газопроводов.

Цель и задачи исследования.

1.1. Анализ состояния и причин отказов линейной части магистральных газопроводов Западной Сибири.

1.2. Виды коррозионных повреждений магистральных газопроводов.

1.3. Стресс-коррозия, как наиболее опасный вид коррозионных повреждений.

1.4. Методы обнаружения стресс-коррозионных повреждений.

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Кинетика коррозионного процесса в узкой трещине с природным электролитом при наличии механических напряжений.

2.1. Определение и виды коррозионных процессов.

2.2. Химические реакции на аноде и катоде при коррозионном процессе.

2.3. Определение анодного и катодного токов при диффузионном и электрохимическом перенапряжениях.

2.4. Распределение потенциала электролита и катодного тока в тонкой трещине прямоугольного сечения.

2.5. Динамика развития трещины по ее глубине.

2.6. Влияние механических напряжений на скорость коррозионного процесса в трещине.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Кинетика коррозионного процесса в узкой трещине и динамика ее глубинного роста при наложенной катодной защите.

3.1. Способы защиты от коррозии.

3.2. Принципиальная схема катодной защиты и определение ее эффективности.

3.3. Кинетика коррозионного процесса в трещине при постоянном потенциале электролита на устье трещины.

3.4. Динамика развития стресс-коррозионной трещины во времени. 80 Выводы по главе 3.

0 Глава 4. Особенности влияния катодной защиты на развитие коррозионных трещин.

4.1. Расчет основных зависимостей катодной защиты.

4.2. Определение электрофизических характеристик при катодной защите.

4.3. Влияние потенциала наложенной катодной защиты на предельную глубину трещины по длине газопровода.

4.4. Динамика глубинного развития трещины при постоянной щ плотности тока в устье трещины.

Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние катодной защиты магистральных газопроводов на процесс развития коррозионных трещин под напряжением"

В экономике России важное место занимает система магистральных газопроводов, которая, как и все сложные технические системы имеет свои особенности и проблемы.

Для магистральных газопроводов характерны большая протяженность и разнообразие условий эксплуатации, обусловленные географическими и климатическими факторами. Это требует использование соответствующих материалов, в том числе изоляционных, способных обеспечить защиту стальных трубопроводов от почвенной коррозии в течение всего срока эксплуатации.

Несмотря на значительные усилия ученых всего мира в борьбе с коррозией, разработка эффективных способов защиты действующих магистральных газопроводов от коррозионного разрушения до сих пор остается одной из главных проблем трубопроводного транспорта. Так, только в системе Газпрома количество аварий и отказов в 2003 году исчислялось десятками тысяч. При этом факторы, определяющие безопасность газопроводов, известны и достаточно хорошо изучены.

Анализ причин аварийности магистральных газопроводов, показывает, что основной причиной отказов магистральных газопроводов являются коррозионные повреждения (до 40%). При этом, общая и язвенная коррозии наблюдаются практически на всех трубопроводах, имеющих дефекты изоляции. Для борьбы с этими видами коррозии в газопроводном транспорте используется дополнительная защита - электрохимическая. Подключение катодной защиты позволяет если не остановить, то значительно замедлить общую и язвенную коррозии металла труб в местах с дефектами изоляции. Поэтому все магистральные газопроводы имеют катодную (электрохимическую защиту).

При обслуживании трубопроводов в первую очередь уделено внимание наличию катодного потенциала по всей длине трассы. Разработаны эффективные методы и достаточно совершенные приборы, позволяющие по утечке защитного тока обнаруживать повреждения изоляции.

Однако в последние десятилетия (в бывшем СССР коррозионное растрескивание под напряжением было обнаружено в 80-х годах) - появился новый вид коррозионного повреждения магистральных газопроводов - коррозионное растрескивание под напряжением. Стресс-коррозия на протяжении уже 30 лет представляет собой одну из наиболее актуальных проблем при транспортировке газа, как в Росси, так и за рубежом.

Так в ООО «Севергазпром» аварии по причине коррозионного растрескивания под напряжением составляют почти 70%, а в системе магистральных газопроводов ООО «Сургутгазпром» до 40% от общего числа аварий.

Причиной такого положения являются недостаточная изученность исключительно сложного самого процесса образования коррозионных трещин под напряжением на различных стадиях их развития и факторов, определяющих эти процессы.

Таким образом, коррозионное растрескивание под напряжением является основной причиной отказов и аварий на магистральных газопроводах и, как правило, развивается на внешней катоднозащищенной поверхности, а их катодная защита - одним из наиболее существенных факторов, определяющих образование и развитие трещин.

В настоящей работе изложены результаты исследования кинетики коррозионного процесса в трещине с природным электролитом при наличии механических напряжений, включая случаи наложения катодной защиты магистральных газопроводов, и оценено влияние катодной защиты на процесс развития коррозионных трещин.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Песин, Александр Семенович

Основные выводы по работе

1. На основе кинетики электрохимических процессов получены распределения потенциала и токов электролита в коррозионной трещине стенок магистральных газопроводов.

2. Получено и решено уравнение динамики глубинного роста трещин в стенке газопровода в отсутствии катодной защиты.

3. Выявлено влияние катодной защиты на кинетику электрохимического процесса в природном электролите трещины.

4. Выявлены условия роста коррозионной трещины, получено и решено уравнение динамики глубинного роста коррозионных трещин в стенке газопровода.

5. Получено соотношение между наложенным потенциалом катодной защиты и током в грунте по трассе трубопровода и глубиной защиты трещины.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Песин, Александр Семенович, Тюмень

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Магистральные газопроводы: особенности проявления ККР //Газовая промышленность. 1992. № 10. С. 18-20.

2. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г. Современное состояние проблемы стресс-коррозии и перспективные направления дальнейшего исследования//Экспресс-информация. Транспорт и подземное хранение газа, 1993. -№ 2-4. -С. 10-11.

3. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов.-Уфа.: Гилем, 2003.-100с.

4. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Коррозионно-механическая стойкость нефтегазовых трубопроводных систем: диагностика и прогнозирование долговечности.-Уфа. .Тилем, 1997,-177 с.

5. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Изучение механизма карбонатного коррозионного растрескивания // Газовая промышленность, 1993.- № 4.-С. 35-36.

6. Абдуллин И.Г., Мостовой A.B., Гареев А.Г. Влияние вибрации на развитие коррозионного растрескивания магистральных газопроводов. -Уфа.: Гилем, 1997.- С. 117-118.

7. Асадуллин М.З., Аскаров P.M., Гареев А.Г. Коррозионное растрескивание труб магистральных газопроводов // Энергетическая безопасность, 2000. -№ 2. -С. 38-39.

8. Багоцкий B.C. Основы электрохимии.-М.:Химия, 1988.-412 с.

9. Бекман В. Катодная защита. Справочник.-М.:Металлургия,1992.-176 с.

10. Борисов Б.И. Исследование процессов трещинообразования в покрытиях на трубах в грунтовой среде. // Физико-химическая механика материалов.-М, 1973.-№4.-С.25-27.

11. Бурнышов И.Н., Глухов H.A., Махнев Е.С., Мостовой A.B. и др. Некоторые материаловедческие аспекты безопасности магистральных газопроводов // Труды Второй международной конференции «Безопасность трубопроводов». -М.: РАО «Газпром», 1997.- С. 22-32.

12. Важенин Ю.И., Иванов И.А., Михаленко С.В, Песин A.C., Руденко A.M. Способы диагностирования запорной арматуры при транспорте газа.-Диагностика-2002Материалы международной деловой встречи.-Москва, 2002 г.-С 51-55.

13. Василенко Н.И., Мелехов Р.К. Коррозионное растрескивание сталей.-Киев.: Наукова думка, 1977.-246 с.

14. Воронин В.Н., Илатовский Ю.В., Колотовский А.Н., Конакова М.А., Теплинский Ю.А., Яковлев А .Я. Систематизация аварий по причине КРН // Энергетическая безопасность, 2002.- № 8.- С. 34-37.

15. Галяутдинов A.A., Гумеров K.M., Козин И.В. Стресс-коррозия как основной источник опасности на магистральных газопроводах.-проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов:Сб.н.тр.-Уфа, 1998г.

16. Гареев А.Г. Фотоприставка для стереоскопического микроскопа МБС-9 // Заводская лаборатория. 1990.- № 5.- С.93-95.

17. Гареев А.Г., Насырова Г.И. Прогнозирование времени до разрушения магистральных трубопроводов в условиях коррозионного растрескивания // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Тр. ИПТЭР, 1995.-С.96-99.

18. Глазов Н.П., Пригула В.В. Современное состояние защиты от подземной коррозии.-И.:ВНИИОЭНГ, 1972.-123 с.

19. ГОСТ 16149-70. Защита подземных сооружений от коррозии блуждающим током поляризованными протекторами. М.: 1970.

20. ГОСТ 25812-83. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. М.: 1983.

21. ГОСТ 5272-68. Коррозия металлов. Термины. М.: 1968.

22. ГОСТ 9.015-74. Единая система защиты от коррозии и старения. Подземные сооружения. Общие технические требования. М.: 1974.

23. ГОСТ 9.602-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Подземные сооружения. Общие требования к защите от коррозии. -М.: 1989.

24. Г'ОСТ Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. М.: 1999.

25. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 1/Пер. с англ. -М.: Мир, 1990. -349 с.

26. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия, 1981.- 270 с.

27. Дизенко Е.И., Новоселов В.Ф, Тугунов П.И. и др. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров.-М.:Недра, 1978.-472 с.

28. Димов JT.A. Методика оценки опасности дефектов для магистральных трубопроводов // Энергетическая безопасность, 2000. -№ 3,- С.32-33.

29. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. - 472с.

30. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. Уфа.: НТЦ «Безопасность эксплуатации сложных технических систем»,1997.-426 с.

31. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г. и др. Расчеты ресурса оборудования и трубопроводов с учетом механохимической коррозии и неоднородности.-М.:Недра,2004.-195 с.

32. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г., Халимов А.Г. и др. Оценка технического состояния и ресурса нефтегазохимического оборудования. М.: Недра, 2004.286 с.

33. Зарецкий Е.М. Влияние деформации на потенциал материалов // журнал прикладной химии, 1951.-№6.-С.614-623.

34. Зиневич A.M., Глазков В.И., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии. М.: Недра, 1975. - 288с.

35. Калашников С.Г. Общий курс физики. Электричество. М.: Наука, 1977. - 592с.

36. Канайкин В.А., Матвиенко А.Ф. Разрушение магистральных газопроводов (Современные представления о коррозионном растрескивании под напряжением). -Екатеринбург, 1997. -102с.

37. Карпенко Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов.-Киев: Наукова думка, 1976. -123 с.

38. Карпенко Г.В., Василенко И.И. Коррозионное растрескивание сталей.-Киев.: Техника, 1971.-191 с.

39. Катодная защита от коррозии. /Пер. с нем.; Под ред. В.А. Пригулы. М.: Госэнергоиздат, 1962. - С.11 - 95.

40. Катодная защита от коррозии. Справ, изд. Бэкман В., Швенк В. Пер. с нем. -М.: Металлургия, 1984.-496 с.

41. Клас X. Катодная защита подземных сооружений //Сб. «Катодная защита от коррозии» /Пер. с нем.; Под ред. В.А. Притулы. М.: Госэнергоиздат, 1962. - 254с.

42. Кляхандер JI.A. Аварии на газопроводах: анализ ситуации // Голубая магистраль, 1990.-№3. -С.3-4.

43. Конакова М.А., Теплинский Ю.А., Яковлев А .Я. Анализ причин аварийных разрушений МГ в ООО «Севергазпром» // Энергетическая безопасность, 2003.- № 5.- С. 63-64.

44. Коррозия (справочник) /Пер. с англ.; Под ред. JI.JI. Шрайера. -М.: Металлургия, 1981,— 632с.

45. Коррозия металла с ПВХ покрытием под действием биогенного сероводорода. /Могильницкий Г.М., Зиневич A.M., Борисов Б.И. и др. -Защита металлов, 1980. №2.

46. Красноярский В.В., Ларионов А.К. Подземная коррозия металлов и методы борьбы с ней. М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1962.

47. Красноярский В.В., Цикерман Л.Я. Коррозия и защита подземных металлических сооружений. -М: Высшая школа, 1968. 296с.

48. Курс физической химии. Том II / под ред.Герасимова Я.И.-М.:Химия,1973.-624 с.

49. Кэше X. Теоретические основы и понятия катодной защиты от коррозии наложенным током и гальваническими анодами. //Катодная зашита от коррозии. /Пер. с нем.; Под ред. В.А. Пригулы. М.: Госэнергоиз-дат, 1962.-С.13-39.

50. Лепендин Л.Ф. Акустика. -М.: Высшая школа, 1978. -448 с.

51. Лыков A.B. Явление переноса в капиллярно-пористых телах. -М.: Гостехтеориздат, 1954.

52. Марочкин С.И., Подмарков В.Ю. Анализ отказов Единой системы газоснабжения за 1999-2001 гг. // Энергетическая безопасность, 2002.- № 11.-С.38-39.

53. Материалы НТС ОАО «Газпром» «Проблемы повышения надежности и безопасности газопроводов, подверженных стресс коррозии». Экспресс-информация // Транспорт и подземное хранение газа, 1993.- № 2-4.- 70 с.

54. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению.-М. Машиностроение, 1973.-201 с.

55. Медведев В.Н. Анализ уровня эксплуатации и аварийности МГ Северного коридора. // Газовая промышленность, 2003.-№5.- С. 13-15.

56. Мингалев Э.П. Коррозия подземных промысловых трубопроводов в торфяных грунтах Западной Сибири. М.: ВНИИОЭНГ, 1976. -28с.

57. Михайловский Ю.Н., Томашов Н.Д. Метод определения коррозионных свойств грунтов //Теория и практика противокоррозионной защиты подземных сооружений: Сб. тр. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

58. Нерпин C.B., Чудновский А.Ф. Физика почв.-М.:Наука, 1967.-584 с.

59. Никитенко Е.А. Влияние величины водородного показателя грунтов и содержания в них хлоридов и сульфатов на коррозию газопровода. //Сб. Газовое дело. № 9. - М.: Изд. ЦНИИТЭ-Нефтегаз, 1964.

60. Никитенко Е.А. Влияние влажности грунтов на коррозию магистральных газопроводов //Экспресс-информация по эксплуатации магистральных газопроводов. № 2. - М.: Изд. ЦНТИ Газпрома СССР, 1964.

61. Никитенко Е.А. Зависимость коррозии стального газопровода от изменения фунтовых условий по трассе //Защита металлов. Т. 1. - Ks 1. -M.: Наука, 1955.

62. Никитенко Е.А. Электрохимическая коррозия и защита магистральных газопроводов. М.: Недра, 1972.

63. Новоселов В.Ф., Дизенко Е.И. Противокоррозионная защита. -Уфа: Изд. Уфимского нефт. ин-та, 1974. 129с.

64. Новые параметры максимально допустимых защитных потенциалов подземных трубопроводов: Экспресс-информация М.: ВНИИ-Эгазпром, 1969. -5с.68. (Этт К.Ф. Механизм и кинетика стресс-коррозии МГ // Энергетическая безопасность, 1999. 7. -С. 46-49.

65. Ott К.Ф. Функции неметаллических включений в жизненном цикле сталей газопроводных труб//Газовая промышленность. 1993.-№ 7.- С.32-70.

66. Палашов В.В. Расчет полной катодной защиты. JL: Недра, 1988.-136с.

67. Палашов В.В., Прокофьев Ю.И. Общие вопросы теории полноты катодной защиты //Пром. энергетика. 1986. № 2. - С.32 - 33.

68. Палашов В.В., Юрасов В.Н. и др. Контроль эффективности действия катодной защиты по расчетному потенциалу: Информ. листок. -Горький: ЦНТИ, 1980. № 192-80. - 4с.

69. Парис П., Эрдоган Ф. Критический анализ законов распространения трещин. // Техническая механика, 1963.-№4.-С.60-66.

70. Песин A.C., Горковенко А.И., Пульников С.А. Кинетика глубинного роста одиночной модельной стресс-коррозионной трещины.-Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. Тюмень: ТюмГНГУ, 2005г.-С.22-27.

71. Песин A.C., Кушнир С.Я, Горковенко А.И. Влияние электрохимической защиты трубопровода на развитие усталостных трещин.- Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб.науч.тр. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.-С.67-69.

72. Петров JI.H., Коррозия под напряжением. Киев.: Вища школа, 1986.142 с.

73. Петров Л.Н., Тищенко В.Н., Густов A.C. О коррозионно-электрохимическом факторе при развитии трещин коррозии под напряжением. // Физико-химическая механика материалов, 1979.-№4.-С.20-25.

74. Положение о расследовании отказов газовых объектов Министерства газовой промышленности, подконтрольных органам государственного газового надзора в СССР. М.: Главгосгазнадзор СССР, 1986 . -Дополнение № 1. -10 с.

75. Притула В.А. Зависимость коррозийности почв от их сопротивления //Нефтяное хозяйство, 1946. № 6, 7.

76. Розенфельд ИЛ. Ингибиторы коррозии. М: Химия, 1977.- 352 с.

77. Романив О.Н. Новые подходы к оценке усталости металлов. Итоги науки и техники. Коррозия и защита от коррозии.-М.: ВНИИОЭНГ, 1979. -50 с.

78. Сидоров Б.В., Харионовский В.В., Мартынов С.А. Оценка состояния изоляционных покрытий подземных трубопроводов //Контроль. Диагностика, №6. 2001. - С.7-15.

79. Скорчеллети В.В. Теоретическая электрохимия.-М.:Чимия, 1970.-608 с.

80. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы / Госстрой СССР.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1998. -52с.

81. СНиП Ш-42-80*. Магистральные трубопроводы.-М.:: Миннефтегазстрой, 1997.

82. Стрижевский И.В. Современные методы определения опасности коррозии и защищенности нефтепромысловых сооружений. М.: ВНИИОЭНГ, 1973.-1 Юс.

83. Стрижевский И.В., Зиневич А.М., Никольский К.К. и др. Защита металлических сооружений от подземной коррозии. Справочник. М.: Недра, 1981.-293с.

84. Тальхофер К. Методика измерений при катодной защите от коррозии //Катодная защита от коррозии. /Пер. с нем.; Под ред. В.А. Притулы. М.: Госэнергоиздат, 1962. - С. 132 -151.

85. Татаринов JI.M., Худяков JI.A. Коррозионное растрескивание катодно-защищенных трубопроводов в карбонатных средах. Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса. Уфа.: 1982.- С. 1011.

86. Типовой регламент по переиспытанию действующих магистральных газопроводов диаметром 1420 мм, подверженных стресскоррозии. М.: РАО «Газпром», 1998.- 16с.

87. Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей.-Волгоград.:ВолгГАСА, 1997.-312 с.

88. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1959.-592с.

89. Улиг Г.Г. Коррозионное растрескивание под напряжением. / Разрушение.-М.,1976.-284 с.

90. Физическая химия. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ.Кн.2 / под ред.Краснова К.С.-М.:Высшая школа,2001.-319 с.

91. Фрумкин А.Н. Распределение катодного процесса в полости полубесконечной трубки.// Журнал физической химии, 1949.-т.23.-Вып.12.-С. 1477-1482.

92. Школьник JI.M. Скорость роста трещины и живучесть металла. М.: Металлургия, 1973. -216 с.

93. Abdullin I.G., Gareev A.G. Diagnostics of stress-corrosion cracking of pipelines //2nd Int. Conf. Pipeline Inspection. Moscow, 1991. Oct.14-18. Moscow, 1991. R3 38-341.

94. Baker T.N., Rochfort G.G., Parkins R.N. Pipeline rupture -conclusion. Stress corrosion cracking studies prompt changes in pipeline operating conditions // Oil & Gas Journal. 1987. Feb. 2. P.37-38.

95. Christman T.K., Beavers J.A. Coarse of stress-corrosion cracking in pipe //Oil & Gas Journal. 1987. Jan. 5. P.40-43.

96. Delbeck W., Engel A., Muller D., Sporl R. et al. Protection of high-pressure steel pipelines for the transmission of gas against stress corrosion cracking at high temperature /AVerkstoff und Korrosion. 1986. № 37. S. 176-182.

97. Fessler R.R. Preventive measures for pipeline stress-corrosion cracking described //Oil & Gas Journal. 1980. P.80-90.

98. Fessler R.R. Status report given on prevention of stress corrosion cracking in buried pipelines //Oil & Gas Journal. 1982. May 17. P.68-70.

99. Fessler R.R., Barlo T.J. Many causes possible for stress corrosion cracking //Pipeline & Gas Journal. 1979. № 3. P.25-28.

100. Hussain K., Shaukat A., Hassan F. Corrosion cracking of gas -carrying pipelines. Does cathodic protection contribute// Materials Performance. 1989. № 2. P. 13.

101. Parkins R.N. Stress corrosion cracking of low strength steels //Proc. 8th Int.Brown Bowery Symp. Baden: New York, London, 1984. P.53-84.

102. Police A.A. Acoustic emission capabilities and application in monitoring corrosion//ASTMSTP 908. 1996. P.30-42.