ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Газотранспортная отрасль является основой топливно-энергетического комплекса Российской Федерации и повышение надежности магистральных газопроводов является важной научно-практической задачей [50]. С позиции металловедения наибольший интерес представляет процесс деградации и разрушения металлических трубных материалов, связанный с длительной эксплуатацией в природных условиях и определения общих условий развития дефектов [2, 52, 113, 173]. Наиболее опасным видом подобных разрушений является стресс- коррозия или коррозионное растрескивание под напряжением (КРН).
На текущий момент по этой причине происходит более трети (36 %) всех зарегистрированных аварий, что имеет наибольший удельный вес среди всех остальных причин [67]. Важным аспектом этой проблемы в масштабах отрасли является тот факт, что вместе с совершенствованием средств диагностики, с каждым годом растет количество вновь выявляемых дефектов. Более чем на десяти миллионах трубных секций уже выявлены трещины КРН различной глубины. При этом большинство выявленных всеми методами контроля дефектов (почти 92 %), имеют измеренную глубину менее 10 % от толщины стенки [156]. Научный подход к решению проблемы КРН требует определения граничных значений параметров внешней коррозионной среды и качественной оценки степени влияния физических воздействий на процесс роста дефектов. Несмотря на большое количество теоретических исследований, вопрос обеспечения надежности магистральных газопроводов, подверженных КРН, изучен недостаточно, а факторы, влияющие на распределение дефектов, не рассматриваются системно. Особую практическую значимость имеет разработка методики проведения оценки выявленных дефектов, так как в данный момент, система оценки, прогнозирования развития и мониторинга КРН в магистральных газопроводах ЕСГ на практике пока не реализована [32, 46], а приборных методов точного определения глубины трещин не разработано [73].Объект исследования - процессы распространения трещин КРН в стенках газопроводных труб, приводящие к снижению надёжности конструкции и способные вызвать аварийное разрушение.
Предмет исследования - геометрические характеристики трещин КРН, распределение стресс-коррозионных дефектов на реальных газопроводах, морфологические признаки дефектов, структура материала и факторы, влияющие на рост и распространение стресс-коррозии.
Цель работы - исследование дефектной структуры металла и совершенствование механизма оценки стресс-коррозионных трещин для повышения надежности магистральных газопроводов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) количественно оценить фактор цикличности нагрузки от режима внутреннего давления трубы; оценить возможность роста трещин при цикловой нагрузке, аналогичной рабочей, без взаимодействия с коррозионной средой;
2) определить структурные особенности материала в зоне дефектов КРН и влияние технологии производства металла трубопроводов на предрасположенность к такому типу разрушений.
3) определить морфологию дефектов, оценить факторы, влияющие на рост дефектов КРН; составить схему возникновения и развития дефектов газопровода;
4) разработать метод оценки глубины стресс-коррозионных трещин по внешним проявлениям, доступным при периодическом контроле во время эксплуатации трубопроводов, повышающий надежность их эксплуатации.
Методы исследования.
Работа выполнена на основе классических методов в области материаловедения, металлографии и неразрушающего контроля. При моделировании цикличной работы стенки трубы под рабочим давлением использовались отраслевые методики четырехточечного нагружения образцов на специализированном испытательном стенде. При проведении усталостных циклических испытаний с большой базой применялась оригинальная испытательная установка. Исследования параметров трещин в образцах металла трубопроводов проводились при помощи стандартных приборов неразрушающего контроля. Для фрактографического анализа и оценки химического состава отдельных областей дефектов применялись приборы растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. При анализе, обработке результатов диагностики дефектов и мониторинге давления на исследуемом участке использовались классические статистические методы и современное программное обеспечение.Достоверность исследований обеспечивается корректностью постановки задач, применением промышленного оборудования неразрушающего контроля, использованием научнообоснованных расчётных схем, реализацией алгоритмов и процедур компьютерного анализа результатов, применением исследовательского оборудования и методик, корректным заданием исходных данных и анализом полученных результатов.
Научная новизна. Показано, что предрасположенность дефектов КРН у продольных сварных швов и в зоне термического влияния (ЗТВ) двушовных труб из стали марки 09Г2ФБ связано со структурной неоднородностью трубных материалов. Определено, что данный фактор оказывает максимальное влияние на распределение дефектов КРН. На основе экспериментальных данных сделан вывод о крайне медленной скорости роста трещин КРН малой глубины при воздействии рабочих нагрузок в отсутствии коррозионной среды, вне зависимости от структурных особенностей металла вокруг стресс-коррозионного дефекта. Установлено влияние неметаллических включений (сульфидов) на развитие и морфологию трещин.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан метод определения глубины трещин в дефекте КРН на основе визуально-измерительного контроля со стороны внешней поверхности трубопровода и создан программный продукт, позволяющий проводить оценку дефектов КРН и вычисление разрушающего давления пораженной ими трубы до проведения ремонта. В результате сопоставления геометрических параметров трещин получены соотношения между шириной раскрытия, длиной и глубиной, позволяющие увеличить точность расчета разрушающего давления по существующей отраслевой методике, на ее основе разработан новый принцип прогнозирования работоспособности газопровода с дефектами КРН и создана программа для ЭВМ, зарегистрированная в установленном порядке (свидетельство государственной регистрации программы ЭВМ №2019660974). Даны рекомендации по повышению надежности магистральных газопроводов. Определена принципиальная возможность переизоляции дефектов КРН малой глубины. Предложенный метод улучшения точности нормирования дефектов КРН малой глубины в магистральных газопроводах апробирован и используется с 2018 года в системе контроля технического состояния газотранспортной системы ООО «Газпром трансгаз Самара», что подтверждено документами, представленными в приложении.
Научные результаты работы используются аспирантами, обучающимися по специальности «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов».
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния фактора нагружения внутренним давлением на рост дефектов стресс коррозии в условиях работы газопровода;
2.
Описание механизма трещинообразования и развития дефектов стресс-коррозии газопровода.3. Предлагаемые компенсирующие меры для предотвращения роста дефектов КРН малой глубины и повышении надежности магистральных трубопроводов.
4. Методика определения параметров трещины КРН по их внешним проявлениям.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции "СВАРКА И КОНТРОЛЬ- 2013". ПНИПУ, Пермь, 2013; X всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика); РГУ нефти и газа им. Губкина, Москва 2013; XII научно-технической конференции молодых специалистов и работников ООО «Газпром трансгаз Самара», Самара 2014; LXIV Молодежной научной конференции. СГАУ, Самара 2014; конференции молодых ученых «Электротехника. Энергетика. Машиностроение». НГТУ, Новосибирск, 2014; конференции молодых специалистов и новаторов производства ООО «Газпром трансгаз Югорск», ХМАО г. Югорск, 2014; научно-практическом
семинаре «Повышение надежности магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Московская обл., пос. Развилка 2015; II научно-практическом семинаре «Повышение надежности магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Московская обл., пос. Развилка 2016; XV научно-технической конференции молодых специалистов и работников ООО «Газпром трансгаз Самара», Самара 2017; III научно-практическом семинаре «Повышение надежности магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Московская обл., пос. Развилка 2017; I командном Чемпионате по решению задачи на метод ситуационного анализа по отраслевой тематике среди дочерних компаний и организаций ПАО «Газпром» Москва, 2018; XIX Отраслевой научно-технической конференции (НТК) молодых руководителей и специалистов «Перспективный диалог: решение актуальных задач оптимизации технологических процессов и повышения надежности транспорта газа», посвященной Году качества в ПАО «Газпром», Екатеринбург, 2018; VI научно-практическом семинаре «Повышение надежности магистральных газопроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением» ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Московская обл., пос. Развилка 2018 год; 73-я международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2019» РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Москва 2019.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 3 в журналах, индексируемых базой данных Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 236 источников. Работа изложена на 147 страницах основного машинописного текста, включает 93 рисунка и 24 таблицы.
Основная часть представленных в диссертации материалов является обобщением ряда докладов, представленных на семинарах и конференциях, и опубликована в различных научных изданиях в течение 201 4-2018 гг. Результаты работы опубликованы в соавторстве с Коноваловым С.В., Мельниковым А.А., Васьковым М.И., Савиным Д.В., Бельковым Д.Н., Шабановым К.Ю., Щербо И.В., Холодковым С.А., а также другими сотрудниками, принимающими участие в проведении экспериментов и написании публикаций.
Автор благодарен сотрудникам кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского Университета им. С.П. Королева: научному руководителю д.т.н., профессору, заведующему кафедрой С.В. Коновалову, к.т.н., доценту, Мельникову А.А., к.т.н., доценту, О.С. Бондаревой, к.т.н., доценту Е.А. Носовой и соавторам публикаций по теме диссертации.