Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы коррозионных повреждений магистральных газопроводов .
Цель и задачи исследования 6
1.1. Анализ состояния и причин отказов линейной части магистральных газопроводов Западной Сибири 6
1.2 Виды коррозионных повреждений магистральных газопроводов 10
1 3. Стресс-коррозия, как наиболее опасный вид коррозионных повреждений 14
1А Методы обнаружения стресс-коррозионных повреждений 25
Выводы по главе 1, Цели и задачи исследования 29
Глава 2. Кинетика коррозионного процесса в узкой трещине с природным электролитом при наличии механических напряжении 31
2.1. Определение и виды коррозионных процессов 31
2.2. Химические реакции на аноде и катоде при коррозионном процессе 34
2.3. Определение анодного и катодного токов при диффузионном и электрохимическом перенапряжениях 38
2.4. Распределение потенциала электролита и катодного тока в тонкой трещине прямоугольного сечения 41
2.5. Динамика развития трещины по ее глубине 53
2.6. Влияние механических напряжений на скорость коррозионного процесса в трещине 56
Выводы по главе 2 58
Глава 3. Кинетика коррозионного процесса в узкой трещине и динамика ее глубинного роста при наложенной катодной защите 59
3.1.Способы защиты от коррозии 59
3.2, Принципиальная схема катодной защиты и определение ее эффективности 62
33. Кинетика коррозионного процесса в трещине при постоянном потенциале электролита на устье трещины 68
3.4. Динамика развития стресс-коррозионной трещины во времени... 80
Выводы по главе 3 85
Глава 4. Особенности влияния катодной защиты на развитие коррозионных трещин 86
4.1- Расчет основных зависимостей катодной защиты 86
4.2. Определение электрофизических характеристик при катодной защите 93
4.3. Влияние потенциала наложенной катодной защиты на предельную глубину трещины по длине газопровода 98
4.4. Динамика глубинного развития трещины при постоянной плотности тока в устье трещины 102
Выводы по главе 4 106
Общие выводы по работе 107
Литература
- Анализ состояния и причин отказов линейной части магистральных газопроводов Западной Сибири
- Определение и виды коррозионных процессов
- Принципиальная схема катодной защиты и определение ее эффективности
- Определение электрофизических характеристик при катодной защите
Введение к работе
В экономике России важное место занимает система магистральных газо-
% проводов, которая, как и все сложные технические системы имеет свои особен-
ности и проблемы.
Для магистральных газопроводов характерны большая протяженность и разнообразие условий эксплуатации, обусловленные географическими и климатическими факторами. Это требует использование соответствующих материалов, в том числе изоляционных, способных обеспечить защиту стальных трубопроводов от почвенной коррозии в течение всего срока эксплуатации.
Несмотря на значительные усилия ученых всего мира в борьбе с коррози-
щ ей, разработка эффективных способов защиты действующих магистральных га-
зопроводов от коррозионного разрушения до сих пор остается одной из главных проблем трубопроводного транспорта. Так, только в системе Газпрома количество аварий и отказов в 2003 году исчислялось десятками тысяч. При этом факторы, определяющие безопасность газопроводов, известны и достаточно хорошо изучены.
Анализ причин аварийности магистральных газопроводов, показывает, что основной причиной отказов магистральных газопроводов являются коррозионные повреждения (до 40%). При этом, общая и язвенная коррозии наблюдаются практически на всех трубопроводах, имеющих дефекты изоляции. Для борьбы с этими видами коррозии в газопроводном транспорте используется дополнительная защита - электрохимическая. Подключение катодной защиты позволяет если не остановить, то значительно замедлить общую и язвенную коррозии металла труб в местах с дефектами изоляции. Поэтому все магистральные газопроводы имеют катодную (электрохимическую защиту).
При обслуживании трубопроводов в первую очередь уделено внимание наличию катодного потенциала по всей длине трассы. Разработаны эффективные методы и достаточно совершенные приборы, позволяющие по утечке защитного тока обнаруживать повреждения изоляции.
Однако в последние десятилетия (в бывшем СССР коррозионное растрескивание под напряжением было обнаружено в 80-х годах) - появился новый вид коррозионного повреждения магистральных газопроводов - коррозионное растрескивание под напряжением. Стресс-коррозия на протяжении уже 30 лет представляет собой одну из наиболее актуальных проблем при транспортировке газа, как в Росси, так и за рубежом.
Так в ООО «Севергазпром» аварии по причине коррозионного растрескивания под напряжением составляют почти 70%, а в системе магистральных газопроводов ООО «Сургутгазпром» до 40% от общего числа аварий.
Причиной такого положения являются недостаточная изученность исключительно сложного самого процесса образования коррозионных трещин под напряжением на различных стадиях их развития и факторов, определяющих эти процессы.
Таким образом, коррозионное растрескивание под напряжением является основной причиной отказов и аварий на магистральных газопроводах и, как правило» развивается на внешней катоднозащищенной поверхности, а их катодная защита - одним из наиболее существенных факторов, определяющих образование и развитие трещин.
В настоящей работе изложены результаты исследования кинетики коррозионного процесса в трещине с природным электролитом при наличии механических напряжений, включая случаи наложения катодной защиты магистральных газопроводов, и оценено влияние катодной защиты на процесс развития коррозионных трещин.
Анализ состояния и причин отказов линейной части магистральных газопроводов Западной Сибири
Магистральные газопроводы представляют собой уникальную систему с общей протяженностью линейной части более 150 тыс. км. Наиболее характерные диаметры 1020-1420 мм. Рабочее давление 70-75 атмосфер, есть участки, где рабочее давление составляет 100 атмосфер (прибрежные участки магистрали «Голубой поток») и 250 атмосфер (участок по морскому дну). Система имеет 246 компрессорных станций, 22 подземных хранилища газа объемом 100 млрд.м , 3365 газораспределительных станций. Объем транспортируемого газа 530 млрд.м3 в год [54].
Западно-Сибирский нефтегазовый комплекс является, и будет оставаться в ближайшие десятилетия, основным фактором стабилизации экономики России- Транспортировку газа (в объеме до 340 млрд. м3 в год) по территории Западной Сибири осуществляют предприятия «Тюменьтрансгаз» и «Сургутгаз-пром». Общая протяженность линейной части газопроводов этих предприятий превышает 30 тыс. км.
Значительное количество отказов и аварий в системе газопроводов обусловлено сложными инженерно-геологическими и климатическими условиями Западносибирского нефтегазового региона. Трассы газопроводов проложены по вечномерзлым грунтам, в зоне глубокого сезонного промерзания, пересекают многочисленные водные преграды. При этом в основаниях газопроводов залегают болота, торфы, заторфованные грунты, а также глинистые грунты от теку-чепластичной до твердой консистенции. Существенное влияние на аварийность и отказы газотранспортных систем оказывает фактический срок эксплуатации трубопроводов. Так, по данным ОАО «Газпром»: 25% газопроводов эксплуатируются уже более 25 лет, 38% -10-20 лет, а 6% превысили планку нормативного срока эксплуатации - 33 года, В настоящее время в связи с сокращением числа вновь вводимых в эксплуатацию газопроводов наиболее важной проблемой магистрального трубопроводного транспорта газа является снижение возможности возникновения их аварийных разрушений. Актуальность данной проблемы связана с относительно высокой частотой отказов магистральных газопроводов.
Как следует из таблицы 1.1, основной причиной отказов систем газоснабжения является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), развивающееся im щ-шшней, катодяоадщшценнои поверхности подземных газо проводов. Дня некоторый подразделений ОЛО «Газпром» стресс-корроэиотшые больше 90% от ооіцего числа отказов. Существует несколько видов коррозии: общая, язвенная, стресс-коррозия-Первые два вида коррозии наблюдаются практически на всех трубопроводах, где имеются дефекты изоляции. Против этих видов коррозии существует дополнительная защита — электрохимическая. Подключение катодной защиты позволяет остановить общую и язвенную коррозию металла в местах с дефектами изоляции. Поэтому все магистральные газопроводы помимо изоляции имеют катодную (электрохимическую) защиту. При обслуживании трубопроводов в первую очередь обращают внимание на наличие катодного потенциала по всей длине трассы. Разработаны эффективные методы и достаточно совершенные приборы, позволяющие по утечке защитного тока обнаруживать повреждения изоляции.
Электрохимическая защита обеспечивается посредством 17,4 тыс. установок катодной защиты мощностью от 0,6 до 5 кВт каждая, 540 установок дренажной защиты, 37 тыс, установок протекторной защиты. Для электроснабжения установок катодной защиты в эксплуатации находятся более 28 тыс, км линий электропередач напряжением 6-10 кВт, В целом защищенность от коррозии подземных металлических сооружений ОАО «Газпром» в 2000 г. составила 97,8%. В соответствии с программой по электрохимическим обследованиям состояния противокоррозионной защиты магистральных газопроводов и других коммуникаций в ОАО «Газпром» ежегодно обследуется 35-36 тыс, км газопроводов, из них 1,8 тыс. км самыми современными методами контроля защищенности, что позволило получить общую картину уровня защищенности и дефектов изоляционного покрытия газопроводов [40].
В бывшем СССР КРН впервые было обнаружено в начале 80-х годов на газопроводах «Бухара-Урал», «Средняя Азия-Центр». В середине 80-х годов случаи КРН были зарегистрированы на магистральных газопроводах Сибири и Урала (зафиксировано свыше 50 отказов магистральных газопроводов).
Появление данного вида повреждений оказалось полной неожиданностью, поскольку растрескиванию подвергались весьма пластичные трубные стали в грунтовых электролитах, не относящихся к числу коррозионно-активных. Тем не менее, с момента своего появления проблема стресс-коррозии приобрела актуальность и на протяжении уже 35 лет представляет собой одну из наиболее острых проблем, возникающих при транспортировке газа как в России, так и зарубежом [4],
В настоящее время наибольшее число разрушений происходит в ООО «Пермтрансгаз», «Баштрансгаз», «Тюменьтрансгаз», «Томсктрансгаз», «Урал w трансгаз», «Суртуггазпром». 90-е годы характеризовались продолжающейся тенденцией к росту числа отказов магистральных газопроводов, связанных со стресс-коррозией трубных сталей (произошло около 100 отказов). Как это отмечалось на заседании секции НТС ОАО «Газпром», проблема КРН актуальна и в настоящее время [5].
Определение и виды коррозионных процессов
Под коррозией понимается самопроизвольное разрушение металлов или их сплавов под действием окружающей среды.
В настоящее время по механизму процесса различают следующие виды коррозии металлов.
Химическая коррозия наблюдается в средах, не проводящих электрический ток, при этом происходит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем окружающей среды. По характеру протекания коррозионного процесса различают газовую коррозию (в сухих газах или парах, обычно при высокой температуре) и коррозию в неэлектролитах - агрессивных органических соединениях, расплавов и т.д.
В результате химической коррозии металл покрывается тонким слоем продуктов его окисления — пленкой его оксида или гидрооксида. Образующаяся пленка препятствует диффузии окислителя, содержащегося в среде, к поверхности чистого металла и тем самым замедляет, а иногда и прекращает дальнейшую коррозию металла.
Электрохимическая коррозия характерна для электропроводящих сред, имеющих ионную проводимость, и может протекать: а) в электролитах - в водных растворах солей, кислот, щелочей, в мор ской воде и т.д.; б) в атмосфере любого влагосодержащего газа; в) во влажном грунте, поры которого содержат почвенную влагу, являю щуюся естественным электролитом.
Электрохимическая коррозия протекает по механизму действия гальванического элемента, в котором окислительный (анодный) и восстановительный (катодный) процессы разделены в пространстве.
Особым видом электрохимической коррозии следует считать коррозию за счет внешнего электрического тока, в частности, под действием блуждающих токов, возникающих вблизи электропроводящих систем (например, электрофи-цированных железных дорог).
В последнее время значительно вырос уровень внимания к биохимической коррозии металлов, вызванной жизнедеятельностью различных микроорганизмов и сочетающейся с химической и электрохимической коррозией.
По геометрии поражения поверхности металла различают сплошную и местную (локальную) коррозию с их разновидностями.
Сплошная коррозия практически равномерно, т.е. с одинаковой глубиной поражения, охватывает поверхности трубопровода на участках большой протяженности.
При сплошной неравномерной коррозии скорость коррозии на различных участках трубопровода различная, что приводит к переменной глубине разъедания стенки трубопровода - от минимальной до максимальной.
Местная коррозия, т.е. разрушение отдельных участков поверхности труб, может наблюдаться в виде язв, раковин, точечных разъединений, сквозных протравлений, щели и т.д.
Для действующих трубопроводов с высоким уровнем механических напряжений в их стенках серьезную опасность представляет так называемое коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), связанное с образованием и ростом микротрещин. Особыми видами местной коррозии являются межкристаллическая коррозия (коррозия по границам зерен), избирательная коррозия (растворение одного из компонентов сплава) и т.н. коррозионная усталость, возникающая при появлении циклических нагрузок в стенке трубопровода.
Указанные разновидности локальной коррозии являются наиболее опасными, поскольку при сравнительно малой потере металла в этом случае воз можно резкое снижение функциональных характеристик оборудовать (для трубопроводов - уменьшение остаточного ресурса).
Следует особо отметить следующее обстоятельство. Если с общей коррозией (равномерной или неравномерной) можно бороться достаточно успешно с помощью различных покрытий, то защита от локальной (местной) коррлзии является весьма затруднительной.
К отмеченным видам локальной коррозии относятся также: контактая, щелевая и питгинговая коррозия.
Контактная коррозия обусловлена контактом двух разнородным метал лов, при котором металл с более отрицательным электродным потенциалЬм становится анодом и усиленно корродирует. [
Щелевая коррозия сталей реализуется в щелях и зазорах и возникает вследствие возникновения градиента концентрации агрессивного компонента среды внутри и вне щели, что приводит к образованию коррозионной гальвано-пары и растворению металла в щели. Этот вид коррозии проявляется ріри неудовлетворительной сварке швов, при конструктивных неплотностях и «азорїіх, в щелях между прокладками и т,д.
Особенно опасна питгинговая коррозия, которая проявляется в виде мелких, но глубоких поражений.
Скорость коррозии может быть определена различными способами. Если для сплошной коррозии такой характеристикой является скорость потерн массы q —т— L то для локальной коррозии вводится глубинный показатель V \м -с) (м/с), что особенно удобно при рассмотрении коррозии в трещинах и щелях.
Принципиальная схема катодной защиты и определение ее эффективности
Основной задачей при борьбе с коррозией является ее замедление. Подавление коррозии в полном объеме может быть решено, но это потребует, во-первых, больших капитальных затрат, а во-вторых, является просто нецелесообразным ввиду различных сроков морального износа отдельных частей неф-тегазотранспортных систем [95]. Практика борьбы с коррозионными процессами показала возможность щ применения следующих способов защиты [95].
1. Применение коррозионностойких материалов Такими материалами могут быть пластмассы различных модификаций, керамика, стекло, железобетон и т.д. однако их применение ограничивается их слабым местом - стыковыми соединениями, что наиболее проявляется при больших диаметрах и высоких давлениях газопроводов.
Малая скорость коррозии присуща чугунным трубопроводам, но их высокая хрупкость не позволяет применять их в высоконапорных системах снаб т жения.
Легирование сталей присадками хрома, никеля, молибдена, титана и т.д. гарантирует защиту от общей коррозии, но могут быть чувствительны к локальной (межкристаллитной и питтинговой) коррозии, да и капитальные затраты в этом случае являются высокими.
2. Применение изолирующих покрытий
В качестве металлических покрытий могут использоваться цинк, никель, алюминии и т.д. В случае оцинковке в гальванопаре цинк-сталь цинк является анодом, т.е. подвергается коррозии при сохранении основного металла - желе 60 за. Обратная ситуация наблюдается при защите никелем, поэтому перед никелированием поры стали должны быть заполнены лаком, битумом, расплавом лекгоплавкого металла и»т.д.
Алюминиевое покрытие изготавливается напылением порошка алюминия, после чего проводится пропитка тонкого слоя покрытия органическим лаком. Однако при определенных условиях, зависящих от химсостава коррозионной среды, алюминий является катодом, что может привести к коррозии стали.
Применение силикатных эмалей или стеклоэмалей достаточно надежно обеспечивает коррозионную защиту. Однако их термочувствительность и низкая трещиностойкость резко ограничивают их сферу применения.
Цементные покрытия имеют низкую стоимость и удобны в изготовлении и применении. Однако их большой вес, низкая трещиностойкость, высокая щелочность бетона не способствуют их широкому применению.
Применение различного рода эмалей и красок наталкивается на высокую трудоемкость и большие затраты, которые, тем не менее, не гарантируют нужный уровень защиты. Битумные эмали или мастики достаточно широко используются при покрытии подземных трубопроводов. Если при этом поверх нанесенной горячим способом мастики используется армирующий слой стеклопо-лотна, то полученное покрытие обладает хорошими антикоррозионными свойствами.
Однако получить качественное покрытие на данной основе удается только в заводских условиях. Ручная обработка стыков на трассе не всегда может быть выполнена качественно, применение различных машин также связано с определенными трудностями (трудность доставки, тяжелые климатические условия, заболоченные грунты и т.д.).
Вышеперечисленные способы защиты от коррозии относятся к пассивным методам. Следующие способы борьбы коррозии относятся к активным методам. 3, Ингибиторная зашита
Осуществляется с помощью химических веществ (ингибиторов), добавление которых, причем в малых количествах, существенно уменьшает скорость коррозии. Однако применение ингибиторов на линейных объектах с долговременным действием вызывает трудности. Ингибиторная защита может быть успешно использована для защиты внутренней поверхности трубопроводов, защитить наружную поверхность таким способом не удается.
Защита от коррозии может быть осуществлена с помощью деаэрации воды, что достигается удалением из воды растворенного кислорода как очень активного окислителя. Этот способ пригоден для локальных объектов (водяные котлы, системы горячего водоснабжения) и для природных грунтов практически не применим.
4, Протекторная защита
Протекторная защита является разновидностью электрохимической защиты (ЭХЗ) и реализуется путем создания гальванопары - протектор (анод) -защищаемый металл (тело трубы).
5, Катодная защита
Катодная защита также относится к электрохимической защите. При такой защите вблизи подземного стального трубопровода закладывается элек-трод-заземлитель (анод), который соединяется с «плюсом» внешнего источника тока (станция катодной защиты-СКЗ). «Минус» источника тока подключается к катоду - защищаемой трубе. При этом безразлично, из какого материала выполнен анод. При таком способе защиты коррозия существует, но только на аноде, что приводит к его постепенному разрушению.
Если при катодной защите навязанный внешним источником ток направлен из грунта на трубопровод, то при анодной защите направление тока меняется на противоположное. Такая защита применяется для металлов, имеющих т.н. пассивное состояние, при котором на поверхности металла появляется защит 62 ная пленка. Анодная защита ускоряет рост защитной пленки и может быть применена при защите нержавеющих и углеродистых сталей в концентрированных кислотах, щелочах и солевых растворах.
6. Комплексная защита
Грамотная защита подземных трубопроводов должна использовать как пассивные, так и активные методы борьбы с коррозией. Использование ЭХЗ для неизолированного трубопровода приводит к неоправданным расходам электроэнергии. Если же наружная поверхность трубопровода покрыта слоем изоляции, то токи защиты будут втекать только на участках поврежденной изоляции, которые и являются областями коррозионного процесса. Такое избирательное воздействие ЭХЗ резко снижает затраты на электроэнергию, к тому же в местах повреждения изоляции возможно (под воздействием защитного тока) выпадение солевого осадка, «пломбирующего» небольшие повреждения. Таким образом, реализуется комплексная защита, при которой защита трубопровода в целом осуществляется изоляцией, а в местах ее повреждения - ЭХЗ.
В дальнейшем в диссертационной работе рассматривается поведение стресс-коррозионной трещины при наложенной катодной защите.
Определение электрофизических характеристик при катодной защите
Что касается основных характеристик как отечественных, так и импортных изоляционных лент, то в цели работы не входит их детальный анализ. Нужными для расчетов величинами являются общая толщина изоляции 6т и ее удельное объемное электрическое сопротивление рш - Для двухслойной и трехслойной изоляции значения ш равны соответственно 1,2 и 1,8 мм, величина риг для качественной изоляции принята равной 1014 Омм. При рас четах удельное сопротивление стали принимается равным рм =2,45 1 (Г7 Омм.
Величины потенциалов при защите подземных металлических сооружений от коррозии измеряют по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения (МСЭ). Проведенные в главах 2 и 3 в качестве электрода сравнения использовался неполяризуемый водородный элемент (НВЭ). Между потенциал лом рмс по МСЭ и потенциалом рй по НВЭ существует следующая связь: рв= рмс+0,3в (4.33)
Многочисленными исследованиями установлено, что величина естественного потенциала подземных трубопроводов колеблется в интервале от -0,23В до -0,72В, причем практический диапазон изменения этого потенциала составляет -0345В+-0,60В (все потенциалы относительно МСЭ). В случае, если отсутствуют точные данные, полагают естественный потенциал равным: фест =-0,555 по МСЭ или -0,255 по НВЭ.
Отсюда наложенное напряжение при катодной защите будет изменяться в следующем диапазоне: Напряжения Um]n и Umwi являются разностями потенциалов и не зависят от электрода сравнения. По отношению к потенциалу электролита смещение потенциала системы «трубопровод-грунт» на величину Umln(Umax) означает увеличение потенциала на эту же величину на устье трещины.
Автором было выполнено исследование влияния потенциала U катодной защиты на характер коррозионного процесса в трещине (рис.43). При этом ис пользовалось точное решение (3.30), из которого следует выражение для длины щели, на концах которой поддерживаются потенциалы ро и q 3l:
Значение потенциала (рэ1, приведенное на графике, находилось следующим образом. Задавалось значение коэффициента торможения у и определялся катодный ток jk в вершине трещины через следующее соотношение:
Начальное и конечное значение потенциала (ро соответствуют минимальному и максимальному потенциалу катодной защиты.
Как следует из графиков (рис.4.3-4.4), наибольшую чувствительность величина / проявляет по отношению к потенциалу рэ1.
При рассмотрении процесса коррозии на предыдущих этапах потенциал р0 оставался фиксированным, что позволяло иметь очень высокую плотность тока электролита /ДО) на устье трещины (рис. 3-7-3.9).
Однако величина /ДО) = / , а величина последней определяется мощностью анода, сопротивлением грунта и геометрией системы.
В случае перехода к / условием полного подавления коррозионного процесса в вершине трещины должно выполняться следующее необходимое неравенство: hP L (4-39) Однако, как показывает анализ данных табл. 4.1., на практике в большинстве случаев выполняется обратное неравенство: U Ja (4-40) Условие (4.40) заставляет считать переменным (при развитии трещины) не только потенциал фы, но и потенциал #?0. Если считать ток / постоянной величиной в области повреждения изоляции, т.е. / =л(о)=— ш п =союа 4-41 рэ dz\z = Q то можно решать задачу (ЗЛ4) с измененным граничным условием (ЗЛ5). Однако можно использовать полученное решение (3-30) с величиной Dt определяемым равенством (3,33)
