Steklov_O.I._Starenie__i_korroziya_neftegaz._sooruzheniy

го с высокой скоростыо развития трещины, до разрушения -с отно­ стительна малыми скоростями в виде сплошной коррозии. Каждое из рассмотренных условий является, в свою очередь, взаимнозави­

симым.

Свойства металла, определяющие его деформационную и корро­

зионную сопротивляемость, зависят от исходных параметров металла

Ми , их изменения под влиянием технологической обработки, АМт в процессе изготовления конструкций (механическое деформирова­

ние, сварка, термическая обработка) и при эксплуатации АМэ. Та­ ким образом M('t)E Ми± АМт±АМэ.

Первый фактор Ми зависит от химического состава материала,

его структуры, фазового состава, содержания и распределения при­

месей, от технологической наследственности производства. Он оп­ ределяет исходную сопротивляемость металла воздействию среды и нагрузки в данных условиях. Второй и третий факторы - степени изменения этой сопротивляемости. Технологические операции, ис­ пользуемые в процессе изготовления конструкции (например, свар­ ка), снижают исходные свойства металла в связи с дополнительной

гетерогенностыо, обусловленной появлением различного вида неод­

нородностей (макро- и микрохимической, структурной, упругоплас­ тического состояния, геометрической, физической и др.).

Значительное изменение свойств материала Мэ происходит под воздействием среды эксплуатации, особенно водородасодержащей и водородовыделяющей.

Напряженно-деформированное состояние конструкции опреде­

ляется эксплуатационными нагрузками: расчетными Н р (механичес­ кими, тепловыми), их отклонениями при эксплуатации АНэ, техно­ логическими напряжениями АНт(сборочномонтажными, деформа­ ционными, сварочными и др.), т. е. H('t)E Нр±АНт±АНэ.

Напряженное состояние характеризуется величиной, знаком, жесткостью схемы, концентрацией, градиентом, цикличностью уп­

ругих и JШастических деформаций и напряжений 1 и 11 родов ( а1 и а11), запасом и концентрацией потенциальной энергии (Н'J, Н')1) эле­ ментов конструкции и всей конструкции в целом (например, газо­ проводные системы обладают большим запасом потенциальной энергии 1 рода).

Влияние эксплуатационной среды определяется ее исходными

свойствами Си (химическим составом, концентрацией активных

ионов, рН, наличием примесей), характеризующими как техноло-

10

гические среды и транспортируемые продукты, так и влияние

внешних (природпых) факторов (климати•Jеские условия, свойства

грунтов и др.).

Степень влияния среды зависит от ряда факторов: условий кон­ тактирования среды с материалом (температуры, давления, скоро­

сти потока, паличия твердых частиц и т.д.) и качества защиты (инги­

бировапия, защитных покрытий, электрохимической защиты), от

эксплуатационных изменений и нарушений проектных заданий (со­ става внутренних и внешних сред, технологических факторов и усло­

вий среды).

Следовательно, С(-r) е Си ±~Ст ± ~Сэ.

Коррозионное воздействие является комплексным, протекаю­

щим в определенных температурно-временных условиях в сочетании

с сорбционными, эрозионными и кавитационными явлениями. Таким образом, сопротивляемость металлоконструкций разру­

шению (работоспособность) определяется общей структурной фор­ мулой:

M(-r)e Ми± ~Мт±~Мэ

Считаю, что практически все виды коррозионных отказов НГС

есть следствие коррозии под папряжением (КН), так как нефтегазо­

вые сооружения, как несущие конструкции, находятся в условиях

сложного папряженпо-деформированного состояния (Н р, дНт,

~Нэ ) при воздействии статических и циклических нагрузок и слу­ чайного пагружепия. В зависимости от свойств материала и напря­

жешю-деформировашюго состояния конструкции, агрессивных

сред и качества защиты, в разпой степени проявляются коррозион­

ные (анодные), механические (деформационные) и сорбционные (адсорбционные и абсорбционные) процессы и соответственно раз­

личные виды коррозиошю-мехапических разрушений - сплошная

коррозия и локализованная коррозия, усиливаемые мехапохимиче-

11

ским эффектом, и растрескивание с образованием трещин магист­

ралыюга типа.

В соответствии с этим можно nыл.елить дпе группы коррозион­

ных отказов нефтегазопроnодоn без образования и с образованием

трещин магистрального типа.

Кперnой группе относятся:

-сШJошная (общая) коррозия с утонением элементоn конструкции;

-язвенная, с образованием пиrшнгоn и свищей;

-ручьевая.

Ко второй группе относится коррозионное растрескивание под

напряжением КРН - SCC (stres corrosion cracking), включающее два

ОСНОВНЫХ ВИда:

J) сероводородное растрескивание - сульфидное растрескива­

ние SSCC (sulfide stress corrosion cracking), и водородно-индуцируе­ мое растрескивание HJC (hydrogen induced cracking);

2) коррозионное растрескивание под напряжением, обусловлен­

ное сопряженными по времени и месту анодными, деформационны­

ми и сорбционными процессами, идентифицируемое в настоящее

время недостаточно корректно- «стресс-коррозия».

Особую опасность представляет КРН n условиях воздействия во­

дородоиндуцирующих и водородасодержащих сред.

Вместе с тем КРН («стресс-коррозия») становится главным видом

отказов магистральных газоnроводов, изготовлеш1ых из труб кон­

тролировашюй прокатки повышешюй прочности.

Влияиие стареиия. Старение НГС оказывает существешюе влия­ ние па сопротивляемость разрушению после J0--15 лет эксплуата­ ции в связи с процессами деградации (охрупчиnания) металла и за­

щитных покрытий.

Анализ комплекса факторов, действующих па строительные кон­

струкционные стали, позволяет выделить три основных процесса та­

кого воздействия, приводящих к охрупчиванию и «старению» метал­

ла в широком смысле:

J) деформациошюе старение (особешю значимое для сварных со­ едИIIений, испытывающих термодеформациошюе воздействие и вы­

званное им повышенное папряженпае состояние), связанное с изме­

нениями в распределении атомов внедрения углерода, кислорода и

азота в ферритной матрице и частичным распадом цементитпой фа­

зы в процессе технологических воздействий и при эксплуатации.

12

Следствием указанных процессов является снижение статической и

цикли•1еской трещишюстойкости;

2) насыщение металла реагентами среды и, прежде всего, водо­

родное охрупчивание, связанное с изменением папряженного состо­

ЯIIИЯ структуры матрицы и снижением ее трещшюстойкости из-за

ослабления границ зерен (рост доли межзерешюго разрушения) при

эксплуатации;

3) повторпо-циклическое воздействие нагрузок и термоциклиро­

вание в диапазоне климатических температур, которые вызывают

микропластические деформации и локализуют концентрации напря­

жений, ускоряя эксплуатационную повреждаемость металла.

Указанные механизмы обусловливают повышение склонности стали к трещшюобразованию и хрупкому разрушению по мере сме­

щения температуры хрупкости стали к температуре эксплуатации

объекта.

n условиях эксплуатации свой"тва (интегральные) материалов,

эксплуатирующихся в диапазоне климатических температур, изме­

няются в различной степени: относительно незначителыю изменятся

стандартные прочпостные характеристики cr8 и а,. - в пределах

J0-15 <Уо, более существешю падают пластические характеристики

Б и 'V - J5-20 %. В то же время существенпо снижаются характери­

стики трещинноетойкости в связи с неблагаприятными изменениями

в такой структуре по зернограничным зонам в зависимости от дли­

тельности эксплуатации. Например, в стали типа 17ГС после 30 лет

эксплуатации напряжения второго рода возрастают более чем в 2

раза, плотность дислокаций по границам зерна может возрастать на порядок, существенно меняется объемпая доля цементита в стали и

геометрические параметры элементов тонкой структуры.

Особенпо резко изменяются прочностные и пластические харак­

теристики стали в водородосадержащих и nодородавыделяющих

средах (в 5-10 раз).

Наряду с этим следует отметить, что собственные (технологичес­

кие) напряжения, в частности, остаточные сварочные, релаксируют

при отсутствии эксплуатаци01шых пластических деформаций незна­

чительно (менее 15 <У,,) и, таким образом, суммируются с напряжени­ ями от рабочих нагрузок.

Следовательно, главное влияние старения сказывается не на из­

менении стандартных механических характерИ(,"ТИК материала, а па

13

Отмеченные обстоятельства предопределяют систему и регла­

менты мониторинга и его основы -техническое диапюстирование

(ТД) па всех (.,"fадиях «жизпешюго циклю> КОIК'Трукции (проектиро­

вание, изготовление, эксплуатация, реноnация) с использованием различных типов технической диагностики (функциональной - ФД, тестоnойТД, модельнойМД) па базе физико-химической модели сопротивляемости разрушению крупногабаритных конст­

рукций К, эксплуатирующихся n условиях nоздействия коррозион­

по-опасных сред.

Концепция технической экспертизы объекта состоит n определе­ нии общего технического состояния объекта, выявлении потенци­

алыю опасных участков, которые анализируются детально по пред­

ложешюму алгоритму с использованием комплекса приборных

средств для определения:

-конструктишюй макро-поnреждаемости элементов конструк­

ции (утонение стенок, расслоения, язвы, трещипоподобпые дефекты, аномальные деформации);

-структурно-физической деградации (старения) материала;

-реального папряженпо-деформируемого состояния потенциалыю опасного участка объекта;

-химической, в т.ч. наводороживающей активности среды (при­

родно-климатических и технологических факторов, грунтов и т.д.) и

качества защиты (покрытие, электрохимическая защита, ингибиро­ nапие).

На основании технической экспертизы потенциально опасных

участков по покаэателям М, Н, С и их изменениям А(М, Н, С) т,

А(М, Н, С) э, А(М, Н, С)р с использованием компьютерных эксперт­

ных систем принимается техническое решение по прогнозу остаточ­

IIОГО ресурса, выводу в ремонт, изменению условий эксплуатации и

защиты оборудования.

В заnисимости от типа объекта используются различные схемы

мониторинга и соотnетстnешю технической диагностики (ТД).

Представляется целесообразным акцентировать внимание на сле­

дующих задачах n разnитии системы мониторинга НГС.

1. Использовании и разработке эффективных методов и средств функциональной, тестоnой и модельной (n т.ч. компьютерной) диа­ гностики, позволяющих в системе М-Н-С оценивать:

-свойства материала с учетом технологической наследственно­

сти и эксплуатации;

15

-реальное наnряжешю-дсформировштое состояние конст­

рукции;

-воздействие среды и качества защиты, обесnечивая nри этом

достоверность;

-приемлемую точность и пошюту экснериментальных диапюс­

тических данных, необходимых для обосновашюй оценки состояния объекта, пропюзирования его ресурса, корректировки условий экс­

плуатации, вывода в ремонт.

2. Создании компьютерных экспертных систем, банков знаний, банков данных, nравил экспертных оценок для обесnечения надеж­

Iюсти сооружений с учетом региональных условий их эксnлуата­ ции и сnецификации nоздействия сред, u том числе: по выбору ма­

териалов, по технологиям сооружения, по комплексной защите от

коррозии (покрытия, электрохимичссt<ая защита, ингибироnание).

3.Создании регламентов мониторинл-1, n том числе:

-регламенты дию·ностики материалан по исходному состоя­

нию, изменению свойств при изготовлении и эксплуатации;

-регламенты по оценке напряжетю-деформированного со­

стояния;

- регламенты экспертизы антикоррозиошюй защиты и отказов

объекта; -регламенты оценки живучести (остаточ1юго ресурса) с учетом

эксплуатационных условий, внешней и внутренней коррозии, типов

отказов.

4. Оптимизация конструкционньiх матсриаJюв, техiЮJЮI'ИЙ,

KOMIIJICKCIIOЙ ЗаЩИТЫ

В последние годы од1юй из главных проблем экологической на­

дежности и безопасности НГС стала проблема коррозионного рас­

трескивания nод напряжением газоnроводных систем.

Из комnлекса факторов, касающихся данной nроблемы, акцен­

тируем внимание на влиянии nрочtюстных и структурных характе­

ристик сталей нсфтегазового сортамента Шt сонротиnляемость кор­

розионному растрескиванию nод шшряжением и влиянии сварки,

КаК ОДНОГО ИЗ ОСНОВНЫХ ТеХНОЛОI'ИЧеСКИХ nронесСОВ ПрИ ИЗГОТОВЛе­

НИИ НГС.

16

4.1. Сопротивляемость конструкционных материалов нефтеrазовоrо сортамента КРН

С увеличением прочное1·и nрименяемых материалов особенно

резко возросла опасность коррозионного разрушения под наnряже­

нием (КРН). В nоследние годы КРН становится главным видом от­ казов магистральных газоnроводов (МГ). Разрушение nроисходит

преимущественно в зове сварных соединений, по-видимому, по

ююд110- и мехююсорбциошюму механизму.

Отказы по причине КРН характерны для III и IV поколений тру­

бопроводных (.:талей с контролируемой прокаткой, так как с повы­ шением удельной прочности материала резко возрастает его чувст­ вительность к концентраторам напряжений, технологическим воз­

действиям и активным средам.

Припципиальвая зависимость конструктивной прочности Пк, т.е. сопротивляемости конструкции разрушению под действием

внешних нагрузок, от nрочности материала Пм определенного клас­ са имеет экстремальный характер (рис. 2). Для конструкций из мате­

риалов низкой и средней прочности характерна nропорциональная зависимость между прочностыо материала и конструктивной проч­ ностью. Для высокопрочных материалов возможно резкое снижение

конструктивной прочности с увеличением прочности материала в

связи с резким повышением влияния на эти характеристики концен­

траторов папряжений и технологических факторов при производст­

ве конструкций.

Рис. 2

17

Эта тенденция усиливается в условиях коррозии под напряжением,

что проявляется в резком снижении критических коэффициентов ИIJ­ тенсишiости напряжений при коррозионном растрескивании ( K1scc ).

Экстремум зависимости nk = f(Пм) определяется системой М­

Н-С и различен для классов материалов, nрименяемых в конструк­

циях определенных отраслей.

Нам nредставляется, что с nозиций механокоррозиошюй nроч­ ности нефтегазовых сооружений прочностные характеристики ста­ лей нефтегазового сортамента не должны nревышать уровень по­ рядка 700 МПа.

Исnользование сталей nовышешюй nрочности nри сооруже­

нии газоnроводов большого диаметра nозволило увеличить дав­

ление nерскачиваемого газа, что, в свою очередь, nривело к зна­

чителыюму увеличению уnругой энергии, заnасенной в металле труб. Вместе с тем статистика свидетельствует о существовании явной корреляции между динамикой изменения nрочности труб­ ных сталей, увеличением запаса уnругой энергии и временем до растрескивания магистр<ШЫIЫХ газоnроводов (рис. 3) при инкуба­ ционном nериоде растрескивания трубоnроводов из современных сталей- 10 лет.

В связи с отмеченными обстоятельСl·вами и огромной экологиче­

ской опасностыо nри отказе нефтегазовых сооружений в процессе

годы

Рис. 3

IB

проектирования, сооружения и эксплуатации оборудования из ста­

лей IV и последующих поколений необходимы разработка и соблю­

дение научно обоснованных жесточайших требований к выбору ма­

териалов, технологии изготовления, особенно к сварке, комплекс­

ной защите (электрохимической, покрытиям, ингибированию), тех­

нической диагностике.

В целом создание нового поколения (V поколение) сталей нефте­

газового сортамента должно предусматривать комплексное легиро­

вание, повышенную чистоту металла с глобулизацией примесных включений, оптимизацию контролируемой прокатки с гарантиро­ ванными служебными и технологическими свойствами, включая хладостойкость, механокоррозионную прочность, свариваемость.

Аналогичный подход необхоДим для решения проблемы КРН

при выборе и совершенствовании материалов для современных ма­

гистральных газопроводов.

В свете изложенного требует взвешенного подхода применение

новых конструкционных материалов с высокой удельной прочнос­

тью, которые ранее применялись преимущественно в оборонном

комплексе.

4.2. ВлИИIIНС сварки

Отмеченное ранее преимущественное растрескивание по свар­

ным соединениям связано с тем, что сварное соединение вследствие

локального концентрированного вложения энергии, при соедине­

нии материалов, представляет собой сложную физико-химическую,

механическую и электрохимическую макро- и микрогеторогенную

систему с характерными видами неоднородности и их значительным

градиентом.

Структурно-химическая макро- и микронеоднородность (СХН) металла и его поверхности обусловлены наличием характерных зон

термического влияния (ЗТВ) (макронеоднородность) и в пределах

каждой зоны наличием зерен, их граниЦ, фаз, включений, скопле­

ний, дислокации (микронеоднородность). Неоднородность упруго­ пластического состояния (УПН) вызвана неравномерным распреде­ лением остаточных упругих и пластических деформаций и их изме­

нением при нагрузке, а геометрическая неоднородность (ГН) - на­

личием технологических и конструктивных концентраторов напря­

жений в соединении с дефектами сварного шва.

19