Алборов, Алан Дзамболатович. Анализ технического состояния магистральных трубопроводов методами ультразвуковой оценки развития стресс-коррозии металла

Краткое описание

Алборов, Алан Дзамболатович. Анализ технического состояния магистральных трубопроводов методами ультразвуковой оценки развития стресс-коррозии металла : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.13 / Алборов Алан Дзамболатович; [Место защиты: Кубан. гос. технол. ун-т].- Краснодар, 2013.- 124 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/1462

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический

университет»
На правах рукописи

04201455804
Алборов Алан Дзамболатович
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДАМИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЦЕНКИ
РАЗВИТИЯ СТРЕСС-КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА
Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (в нефтегазовой отрасли)
Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д-р техн. наук, профессор П.С. Кунина
Краснодар-2013

2
Содержание
Введение 4
1 АНАЛИЗ ПРИЧИН ПОВРЕЖДЕНИЙ И АВАРИЙ
НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ 9
1.1 Основные факторы, влияющие на эксплуатационную надежность нефтегазопроводов 9
1.2 Повреждения и аварий на магистральных и линейных 13
нефтегазопроводах 13
1.3 Оценка повреждений на магистральных и линейных нефтегазопроводах 23
1.4 Цели и задачи исследований 27
2 ПОВРЕЖДЕНИЕ МЕТАЛЛА ТРУБ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ В
КОРРОЗИОННЫХ СРЕДАХ 28
2.1 Испытание на стойкость к сероводородной коррозии 28
2.2 Конструктивная надежность и безопасность магистральных трубопроводов 32
2.3 Проблема снижения безопасности вследствие стресс-коррозионного растрескивания трубных сталей и методы ее решения 35
2.4 Факторы, влияющие на стресс-коррозионное повреждение металла труб 42
Выводы 49
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ К СТРЕСС-КОРРОЗИОННОМУ
РАЗРУШЕНИЮ 50
3.1 Разработка методики и образца для испытания труб большого диаметра
50
3.2 Испытание трубных сталей на склонность к стресс-коррозионному разрушению 64
3.3 Циклическая трещиностойкость трубных сталей 72
3.4 Влияние величины микропластических деформации на процесс за
рождения трещин в коррозионных средах 87
Выводы 94
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 95

з
4.1 Исследование развития поверхностных трещин 95
Выводы 111
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСБСИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 112
Список литературы 114
Приложение

4
Введение Актуальность проблемы
Трубопроводный транспорт углеводородов - сложная техническая си¬стема с мощным энергетическим потенциалом. Он обеспечивает подачи уг-леводородами на 35 % территории страны, где проживает более 60 % населе¬ния. Протяженность магистральных нефтегазопроводов в России в настоящее время составляет 231,2 тыс. км, в том числе газопроводов - 161 тыс. км, нефтепроводов -50,6 тыс. км, нефтепродуктопроводов - 19,6 тыс. км.
Несмотря на то, что системы трубопроводного транспорта в настоящее время выполняют свои функции по бесперебойному снабжению потребите¬лей нефтью, газом, нефтепродуктами, на нефтегазопроводных магистралях имеют место отказы и аварии. Как и все оборудование, основные фонды тру-бопроводного транспорта подвержены процессу старению, причем износ трубопроводов идет по нарастающей. Сроки эксплуатации трубопроводного транспорта в РФ газопроводов 35 % и нефтепроводов 75 % более 20 лет, га¬зопроводов 15 % и нефтепроводов 37 % более 30 лет. Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине коррозионного растрески¬вания под напряжением (КРН), так как более половины отказов магистраль¬ных газопроводов происходит именно по этой причине, а на газопроводах диаметром 1220 мм, 1420 мм около 75 % от общего числа отказов. Выход из строя такой конструкции во время ее эксплуатации неизбежно приводит к большому материальному ущербу, разрушению оборудования и загрязнению окружающей среды, а нередко и к человеческим жертвам, так как зона рас¬пространения негативного воздействия может простираться на расстояния до десятков километров. Своевременная диагностика повреждений трубопро¬водов может значительно сократить риск возникновения аварийных и опас¬ных ситуаций, поэтому оценка технического состояния магистральных газо-

5
проводов, подверженных стресс-коррозии, является актуальной научно-практической задачей.
Цель работы
Разработка методики оценки технического состояния магистральных трубопроводов, подверженных стресс-коррозии ультразвуковыми приборами серии УСД.
Для достижения поставленной цели были определены следующие за¬дачи исследования:
1. Разработать методики и установки для оценки склонности металла труб и сварных соединений к стресс-коррозии.
2. Разработать образцы, имитирующие напряженно-деформированное состояние реального трубопровода.
3. Повысить точность определения начала процессов зарождения и раз-вития стресс-коррозионных трещин и поверхностных повреждений в металле труб и сварных соединениях.
4. Разработать рекомендации и мероприятия по снижению уровня по-вреждений магистральных трубопроводов.
Научная новизна
1. Разработана методика оценки технического состояния магистраль¬ных трубопроводов подверженных стресс-коррозии ультразвуковыми прибо¬рами серии УСД.
2. Создана модель для оценки безопасности и эксплуатационной надеж-ности трубопроводов, длительно эксплуатируемых в сложных, агрессивных условиях. В лабораторных условиях получены стресс-коррозионные трещины на сталях Ст20, Х46, Х70, которые свидетельствуют о сложной природе их об-разования и о многостадийном процессе, происходящем, с течением времени, при контакте напряженного металла труб с околотрубной коррозионной средой.
3. Установлено, что безопасность магистральных нефтегазопроводов и других энергонагруженных оболочковых конструкций зависит от структуры

6
материала, вида и уровня напряженно-деформированного состояния, корро-зионной активности внешней среды и параметров, характеризующих уста-лостную деградацию металла (срок эксплуатации, количество циклов нагру-жения).
4. Выявлена неравномерность распределения пластических деформа¬ций в поверхностном слое образцов стали Х70, в окружном направлении наблюдается неоднородность деформационных характеристик.
5. Установлено что, максимальная величина микропластических де¬формаций в локальных зонах происходит в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоне и согласуется с тем, что большинство стресс-коррозионных разрушений газопроводов из стали Х70 происходит в сварном шве и околошовной зоне.
6. Определено, что ползучесть образцов в наводораживающих средах, связана с возникновением в неравновесных условиях отдельных микрообъе¬мов с высокой локальной концентрацией водорода;
7. Показано, что ползучесть трубчатых образцов в наводораживающих средах наряду с протеканием микропластических деформаций, сопровождается непрерывным накоплением повреждений и снижением пластичности.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Уточнена оценка технического состояния магистральных газопрово¬дов подверженных стресс-коррозии;
2. Определены режимы безопасной эксплуатации магистральных тру-бопроводов с выявленными дефектами стресс-коррозии;
3. Определены степени опасности поврежденных участков магистраль¬ных трубопроводов по результатам ранжирования стресс-коррозионных де¬фектов с использованием данных диагностики;
4. Определены уровни опасности выявленных дефектов с помощью ультразвукового неразрушающего метода контроля, который позволяет уста-новить возможность или невозможность дальнейшей эксплуатации трубо-провода.

7
5. Результаты исследований использованы в учебном процессе Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственный техноло¬гический университет), а также для совершенствования ультразвукового прибора марки УСД. Методика и результаты исследований предложены для внедрения в ООО «СпецРемДиагностика» г. Москва, в НЦ «Кропус» г. Но¬гинск, ОАО «ТРЕСТ ГИДРОМОНТАЖ» г. Владикавказ.
Обоснованность и достоверность результатов, научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждаются согла¬сованностью полученных результатов с известными теоретическими и экспе¬риментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обес¬печивается использованием современных средств измерений и стандартных методик проведения исследований, а также методов статистической обработ¬ки данных.
Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссерта-ционной работе, включая постановку цели и задач исследования, выборе ме¬тодик экспериментов, непосредственном участии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных результатов, формулировании обоснованных выводов, при составлении материалов публикаций и докладов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Методика оценки технического влияния коррозионных сред на корро-зионные и стресс-коррозионные повреждения магистральных газопроводов.
2. Доказательство того, что неравномерность пластических деформа¬ции по поверхности металла является причиной зарождения коррозионных микротрещин.
3. Доказательство того, что ползучесть трубчатых образцов в наводо-раживающих средах наряду с протеканием микропластических деформации, сопровождается накоплением повреждении и снижением пластичности.

8
4. Утверждение, что безопасность функционирования магистральных газопроводов во многом зависит от структуры материала, вида напряженного состояния коррозионной среды и степени деградации металла.
Апробация работы. Материалы диссертационных исследований док-ладывались на семинарах в Северо-Кавказском горно-металлургическом ин-ституте (государственном технологическом университете), Кубанском госу-дарственном технологическом университете, на международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территории».
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 в журналах рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, получено 3 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литерату¬ры. Полный объем диссертации состоит из 120 страниц текста, 44 рисунка, 6 таблиц, 82 наименования использованной литературы.

Список литературы

Выводы
1. Разработанные образцы и установка позволяют увеличить точность определения процесса зарождения и развития стресс-коррозионных трещин в металле труб и сварных соединениях.
2. Поверхностно-активные элементы коррозионной среды способству¬ют зарождению микропластических деформаций в зоне дефекта, характери¬зующегося высоким уровнем остаточных напряжений и скоплением неме¬таллических включений.
3. Процесс микропластических деформации поверхностного слоя ин-тенсифицируется под действием водорода. Вопреки распространенному мне¬нию о том, что в водородосодержащих средах происходит процесс охрупчи-вания, в начальный период при малых концентрациях, водород способствует микропластическим деформациям удлинения.
4. Локальные микропластические течения поверхностного слоя проис¬ходят при напряжениях, меньших величины микропластического предела те¬кучести. В локальных объемах увеличиваются внутренние напряжения, а до¬полнительный приток атомарного водорода, способствует протеканию не¬равномерных пластических деформаций и зарождению стресс-коррозионных трещин.
5. Пластические деформации трубчатых образцов в наводороживаю-щих средах наряду с протеканием микропластических деформаций, сопро-вождается непрерывным накоплением повреждений и снижением пластично¬сти.