Steklov_O.I._Starenie__i_korroziya_neftegaz._sooruzheniy

MJNJSTRY OF GПNERAL AND PROFПSSJONAL ПDUCATJON OF ТНЕ

RUSSIAN FПDПRATJON

ТНЕ GUBKIN'S RUSSIAN STATE UNIVH.SITY 01; OlL AND GAS

О. STEKLOV

Consenscence and corrosion of oil and gas constructions. Was's of proЬiem decision

Moscow

Oil and gas

2000

Введсаше

Решение проблем, связанных с коррозией и старением нефтегазо­

вых сооружений и обеспечением их надежности, представляет собой

комплекс задач, включающий:

-установление причин, механизмов, закономерностей отказов нефтегазовых сооружений;

-создание системы мониторинга;

-обоснованный выбор и оптимизацию конструкционных мате-

риалов, технологий изготовления и монтажа объектов, комплексной

защиты их от коррозии;

-нормативное, сертификационное и информационное обеспе-

чение;

-подготовку специалистов соответствующей квалификации;

-материально-техническое обеспечение.

Вдокладе рассматривается современное состояние этих задач,

однако материалы доклада не исчерпывают всей сложности пробле­ мы старения и коррозии сооружений. Автор подходит к рассмотре­ нию проблемы с позиций физико-химической механики материалов

иконструкций.

1. Состояние проблемы старения и коррозии нефтегазовых сооружений

1.1.Общее состояние потеащиально опипых сооружений в России

Ксооружениям повышенной опасности относятся: нефтегазо­ вые сооружения, несущие конструкции нефтегазохимических и хи­ мических производств, энергетические и реакторные объекты,

транспортные средства, содержащие и транспортирующие агрес­

сивные продукты, мосты, путепроводы, подъемные сооружения,

водопроводные системы и другие объекты.

Одним из существенных аспектов технической и экологической

безопасности являются старение и коррозия потенциально опасных

конструкций. Прежде всего несколько цифр. Общий действующий

5

металлофонд Советского Союза сос.:тавлял 1,б млрд. т, в т.ч. 750 млн. т - промышленность, 400 млн. т - транспорт, 150 млн. т - сель­

ское хозяйство; в России свыше 800 млн. т составляют несущие свар­

ные конструкции.

40---50% машин и сооружений работает в агрессивных средах,

30%- в слабо агрессивных и только примерно 10% не требует ак­

тивной антикоррозионной защиты. Наибольшие потери от корро­ зии несут(%): ТЭК- 20, сельское хозяйство- 20, химия и нефтехи­ мия - 15, металлообработка - 5, прочие- 30.

В настоящее время проблема коррозии усугубляется резким ста­ рением основного металлофонда, его физическим и моральным из­ носом, совершенно недостаточной степенью возобновляемости и ре­

новации.

Большая часть из 800 млн. т потенциально опасных сварных кон­ струкций в России выработала свой плановый ресурс на 50.--70 %.

Значительная часть сооружений полностью исчерпала свой плано­ вый ресурс и вступает в период интенсификации отказов.

«Жизненный цикл)) конструкции подразделяется на четыре ста­ дии: проектирование, изготовление, эксплуатация, реновация (рекон­ струкция, ремонт).

Изменение интенсивности отказов на эксплуатационной стадии

имеет три характерных периода:

1) приработка, как период ранних отказов при уменьшающей­

ся интенсивности отказов, когда выявляются недостатки строи­

тельства;

2) нормальная работа при практически постоянной интенсивнос­

ти отказов по причинам преимущественно случайного характера; 3) возрастание интенсивности отказов.

К на<.тоящему времени большинство несущих конструкций всту­

пило или вступает в третий период, и основными причинами отка­

зов становятся коррозия и старение.

Начало XXI века для России, несмотря на наличие ряда крупных

строительных проектов, в силу экономической ситуации в стране

будет отличаться приоритетом реновации металлофонда перед но­

вым строительством, как комплекс технологических, конструктор­

ских и организационных мероприятий, направленных па увеличе­ ние ресурса ренопируемого объекта или его составляющих, на ис­

пользование по новому назначению либо вторичное использование

конструкционного материала.

6

1.2. Старение и коррозия нефтегазовых сооружеаtнй

Нефтегазовые сооружения (трубопроводные, магистральные и

промысловые системы, резервуары, морские нефтегазовые сооруже­ ния, несущие конструкции нефтегазоперерабатывающих установок

и заводов и т.д.)- сложные крупногабаритные сварные геотехниче­ ские системы, эксплуатируемые в условиях воздействия добывае­ мых, транспортируемых, персрабатываемых и хранимых углеводо­ родных продуктов и коррозионных сред. Значительная часть соору­ жений выработала плановый ресурс на 60--70%. 25% газопроводов работают более 20 лет, 40%- 10--20 лет, 5%- превысили норма­ тивный рубеж 33 года.

Срок эксПJIУ~'I;ащщ м~гистральных нефтепроводов уже к 1994 г.

составлял: свыи:rе -'U•лег-+- 26%, от 20 до 30 лет- 30%, от 10 до 20

лет - 34%, до 1О лет -+г-1 0%,, К 2000 году доля нефтепроводов с воз­

растом более 20 лет с·оставиТ'сцыше 70, а более 30 лет - свыше 40%. К 2000 году 70% резервуаров в парках АК «Транснефты) превысят 20-летний срок эксплуатации. Таким образом, большинство НГС

вступило или вступает в третий период эксплуатационной стадии

«жизненного циклю) - стадию интенсификации отказов (рис. 1).

Л, отк/(км·год)-10·3

36

32

28

24

20

16

12

Т, год

20

Рис. 1. График изменения интенсивности отказов магистральных нефтепроводов во времени: 1-lll- различные периоды <~жизненно­

го циклю) нефтепровода

7

Известны многочисленные случаи nреждевременных отказов НГС, nредставляющие огромную экологическую оnасность и неnо­

средственную угрозу жизни людей. Учитывая, что металлофонд

НГС составляет значительную часть общего металлофонда (1520%), перед нефтегазовой отраслью чрезвычайно остро стоит nро­ блема мониторинга и оценки nропюзируемого ресурса сооружений

с целью определения плановых сроков эксплуатации, реновации, ре­

конструкции, вывода из эксплуатации, пропюзирования и оценки

экономического риска аварий, nроверки соответствия сооружений законодательным требованиям и админш:тратиnным решениям.

Значимыми nричинами отказов НГС являются коррозия, дефек­ ты сварки, дефекты материала, брак строительно-монтажных работ, стихийные бедствия, механические повреждения. На заключитель­

ной стадии nозрастает значимость деградации материала (старение) вследствие деформационного старения, водородного охрупчивания

и nовторно-статического воздействия нагрузок, что nриводит к сни­

жению характеристик трещивостойкости и (при ремонтных рабо­ тах) свариваемости материалов.

Анализ nричип отказов нефтегазовых сооружений свидетельст­

вует о превалирующем влиянии коррозионного фактора.

Наnример, внутри промыслов трубоnроводов нефти, воды, га­

за 95°/r, отказов nриходится на внутритрубную и наружную коррозии.

Результаты анализа отказов сооружений nодтверждают преиму­

щественное зарождение разрушений в зоне сварных соединений.

Резко возросла оnасность коррозионного растрескивания под

наnряжением (КРН, «стресс-коррозия») n связи с использованием материалов nовышешюй прочности. Отказы по этой nричине на газопроводах диаметром 1220-1420 мм в последние три года со­

ставили 54,4% общего объема числа отказов по причине коррозии

как на отечественных, так и на импортных трубах с инкубацион­

ным nериодом до отказа около 1О лет.

Серьезной nроблемой остается реальная оценка весущей сnособ­

ности и остаточного ресурса по результатам диагностики.

1.3. OciJOBIILJe пути решения проблемы надеж11Ости

нефтегазовых сооружений, связанпой с их старепнем и коррозией

Важны следующие взаимосвязанные пути решения проблемы:

1. Установление nричин, механизмов и закономерностей, оnреде­ ляющих механокоррозиовную прочность НГС и их отказы с созда­

нием банков данных и зшший.

1!

2. Создание системы мониторинга НГС на всех стадиях «жlрнен­

Jюго цикла».

3. Оптимизация конструкцишшых материалов, технологий и

комплексной защиты от коррозии проектируемых, строящихся и ре­

новируемых объектов.

4. Нормативное и сертификационное обеспечение проблемы на-

дежности НГС с учетом их старения и коррозии. 5. Кадровое обеспечение.

6. Информационное обеспечение.

7. Организационное и материальпо-техническое обеспечение.

Далее кратко рассматриваются эти направления.

2. Модель механокоррозиошшй нрочности

Установление причин, механизмов и закономерностей, определя­ ющих механокоррози01шую nрочностъ НГС и их отказы - ком­ плексная задача. Она включает разработку физических и математи­ ческих моделей сопротивляемости разрушению, адекватных услови­ ям создания и эксnлуатации конструкций и nозволяющих nрогнози­ роватъ живучесть объекта при данном его состоянии по nоказателям nрочности, усталости, трещипостойкости и служебным характерис­ тикам nосредством сиетемпого анализа условий и факторов, опреде­

ляющих соnротивляемость конструкций разрушению с учетом раз­ личных стадий их «жизнешюго циклю> - проектирования, изготов­

ления, эксплуатации, реновации.

С учетом статистики отказов НГС для оценки сопротивляемости

их разрушению целесообразно использовать разработанную нами

модель механокоррозиошюй прочности и алгоритм оценки сопро­

тивляемости разрушению конструкций, эксплуатирующихся в усло­ виях воздействия коррозиошю-опасных сред.

Суть модели заключается в следующем.

Сопротивление металлических конструкций К разрушению и об­

ратная величина - склонность к разрушениям определяются тремя

основными факторами: свойствами материала М; напряженно-де­

формированным состоянием Н и воздействием среды С, т.е.

R(•)e М+Н+С. Факторы в технологическом и эксплуатационном пе­

риодах «жизненного циклю> конструкции изменяются во времени '·

В зависимости от конкретных условий в системе М-Н-С воз­

можны различные виды разрушения конструкцийот механическо-

9