Коррозионное растрескивание металла труб

Коррозионное растрескивание металла труб под напряжением (стресс-коррозия) стало основной причиной аварийных ситуаций на газопроводах. Так в 2001 г. доля аварий по этой причине достигла 41,93 от общего количества. До 1990 г. доля аварий газопроводов в России из-за КРН и связанных сними потерь газа не превышали 10 от всех аварий. С 1996 по 2000 гг. количество таких аварий увеличилось вдвое, а ущерб от них составил 50 общего ущерба. Отказы по причине КРН металла труб происходят только на газопроводах диаметром 1420, 1220, 1020, 820 и 720 мм, хотя газопроводы меньшего диаметра построены из таких же сталей.

Несмотря на мобилизацию научных сил для решения сложной проблемы защиты от КРН, изыскания средств ее диагностирования и оперативного ремонта обнаруженных дефектов и еще многое, связанное с определением природы самого явления и его развития, остаточного ресурса, выбором трубных сталей, стойких к КРН, не нашло своего решения. Отдельные успехи, достигнутые в рамках реализации Комплексной программы по исследованию КРН, созданию приборов и оборудования для диагностики и переиспытания газопроводов, средств их защиты и ремонта, в эксплуатирующих организациях, не остановили роста аварийности и распространения КРН на новые регионы. Аварии на газопроводах, в том числе из-за КРН связаны с «возрастом» газопроводов и инкубационным периодом коррозионного процесса стресс-коррозии.

Пик аварийности приходится на периоды 8-12 и 12—16 лет, что соответствует примерно инкубационному периоду стресс-коррозии. Учитывая, что газопроводы диаметром 1420 мм еще «молодые», почти нет аварий на них за пределами 24-летнего срока эксплуатации.
На аварийность большее влияние оказывает общая коррозия и деградация трубного металла, но аварийность газопроводов диаметром 1420 мм связана в основном с КРН. За период с 1996 по III квартал 2001 г. (включительно) в результате аварий заменено 4,5 км труб и более двух десятков единиц оборудования, затрачено 200 дней на ликвидацию аварий, потеряно более четверти миллиарда кубометров газа. Анализ статистики стресс-коррозионных отказов за 10 лет (1991— 2000 гг.) показывает, что 5 случаев разрушений произошло на газопроводах, эксплуатируемых 6—8 лет, подавляющее число — на газопроводах в «возрасте» от 7 до 24 лет.

Факторы и процессы, влияющие на коррозионное растрескивание трубопроводов

Установлены факторы, влияющие на коррозионное растрескивание трубопроводов под напряжением:

  • Выбор стали,способы изготовления листов, штрипса, конструкция и технология изготовления труб, сварки, уровень остаточных напряжений;
  • Образование концентратов напряжений, продольно-ориентированные поверхностные дефекты, трещины в поверхностном слое на краях листов, технологическая полосчатость, аномалии по линии сплавления сварного шва с основным металлом;
  • Повышенные эксплуатационные напряжения, нерасчетные воздействия (местные деформации, частые колебания давления на участках прилегающих к «горячей стороне» КС и др.);
  • Система «трубопровод-грунт» при определенном воздействии грунта;
  • Нарушение изоляции, отслоение изоляции, контакт трубопровода с грунтовым электролитом.

Коррозионное растрескивание под напряжением магистральных газопроводов — есть следствие трех основных сопряженных по месту и времени процессов: коррозионных (электрохимических), механических (деформационных) и сорбционных (адсорбционных и абсорбционных).

Механизмы коррозионного растрескивания металла

В зависимости от превалирующего значения того или иного процесса возможны различные механизмы КРН, в том числе на разных стадиях развития трещин: инкубационном, субкритическом, завершающем.

В случае стресс-коррозии газопроводов на инкубационной стадии (стадии зарождения поверхностных мелких продольных трещин — колонии трещин) определяющим является коррозионный процесс, обусловленный механико-химическим эффектом.

На субкритической стадии (стадии роста трещин) наряду с анодным растрескиванием в связи с целевым эффектом-гидролизом поступающего электролита, подкислением его, увеличивается значимость сорбционных процессов, проявляющихся в виде наводороживания зоны концентрации упруго-пластической зоны в вершине трещины.

На завершающей стадии — механического долома определяющими являются деформационные процессы.

Сложность проблемы связана с тем, что колонии параллельных трещин представляют собой систему сильно взаимодействующих между собой дефектов, развитие которой подчиняется совершенно иным закономерностям, нежели рост одиночных, изолированных друг от друга трещин. По существу, колония стресс — коррозионных трещин является дефектом объемного типа. По этой причине и скорость процесса, и напряженно-деформированное состояние в зоне повреждения с течением времени меняются по сложному закону. До сих пор не установлены все механизмы и закономерности коррозии трубных сталей под напряжением, не создано достаточно надежных расчетных моделей развития в газопроводе такого рода повреждений.

Долгое время мировой опыт эксплуатации газопроводов высокого давления искал пути преодоления аварийных ситуаций, связанных с почвенной коррозией, дефектами труб и браком при строительстве, силовыми воздействиями на трубопровод оползней, тектонических разломов, карстовых образований, сейсмических воздействий. Однако при достижении газопроводами определенного возраста сначала американские, позже канадские и российские газотранспортные компании встретились с новым для них видом опасных дефектов трубопроводов коррозионного растрескивания трубного металла под напряжением.

Стресс-коррозия

В России 10 лет назад это были единичные случаи, в настоящее время следует констатировать, что по степени влияния на надежность эксплуатации ЕСГ стресс-коррозия вышла на первое место, обогнав все учитываемые ранее факторы. Как указывалось раньше, до сих пор нет единой общепризнанной теории коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), однозначно описывающей механизм этого процесса. Поэтому представляет большой научный и практический интерес, экскурс в решение этой проблемы учеными и исследовательскими институтами России и зарубежных стран. Это предупредит от повторения ошибок, которые, к сожалению, уже имели место.

Среди множества причин, провоцирующих КРН, не проведена градация, не определена их изначальная или производная значимость. Современные средства прямой диагностики КРН появились только в последнее время. Обнаружить раннюю стадию коррозионного растрескивания чрезвычайно затруднительно, а в отдельных случаях не представляется возможным. Разрушения газовых и нефтяных магистралей по этой причине мало предсказуемы, а урон для народного хозяйства и окружающей среды весьма значителен. Впервые сложность проявления КРН в полной мере была оценена при аварийной ситуации, возникшей в Краснотурьинском ЛПУ МГ Тюментрансгаза.

Аварийная ситуация в Краснотурьинском ЛПУ

Здесь на небольшом участке 6-ниточной системы газопроводов диаметром 1420 мм произошло 7 разрушений по вине КРН. Причем, 5 из них — за полгода: 3 — в январе и 2 — с интервалом в три дня. Разрушения были на всех нитках, на одной из них — дважды. Мощная система газопроводов диаметром 1420 мм с толщиной стенки 15,7 и 16,5 мм была построена в 1982—1986 гг. из труб Харцызского трубного завода, использовавшего лист из сталей класса Х70 поставки Японии, Италии и Германии.

По заключению комиссий, расследовавших аварии, все они имели общий характер, одно происхождение: коррозионное растрескивание под напряжением в пределах нижней трети трубы. Длина разрушившегося участка составляла от 15 до 40 м. Разрушения произошли на расстоянии 4,7-16 км от Краснотурьинской КС. Рабочее давление в момент разрушения на месте аварии составляло 6,8— 7,28 МПа. Температура газа на выходе КС после АВО составляет 25-30°С, в районе разрушений — ориентировочно ниже на 5-7°С. Серьезных нарушений технологического режима на КС в последние годы не зафиксировано. Однако сотрудники ВНИИСТа через 20 дней после летней аварии зарегистрировали температуру в месте разрыва 34 °С.

Участок, на котором произошли аварии, представляет собой холмистую местность, часть которой примыкает к Замарайскому болоту. Здесь преобладают мягкопластичные глины с включением до 10 щебня. По данным ВНИИСТа в грунте этого участка наблюдается повышенное содержание бикарбонатов и карбонатов. Места аварий располагаются в низинах, или на склонах холмов, но всегда в грунтах с повышенной влажностью.

Таким образом, для возникновения коррозионного растрескивания под напряжением имелись «классические» грунтовые условия, включая наличие сульфатредуцирующих микроорганизмов с индексом активности 23 К этому следует добавить возможное влияние от близлежащего алюминиевого завода, пересечение газопроводами электрифицированной железной дороги и их близость к коридору ЛЭП.