Повреждения трубопроводов ОНГКМ и определение интенсивности их отказов

ДИАГНОСТИКА

Ю.А. Чирков, Е.В. Кушнаренко, АНО НТП «Технопарк ОГУ»

А.А. Бауэр, Д.Н. Щепинов, ООО УЭСП «Газпром добыча Оренбург»

Рецензент - А.П. Фот, д.т.н., профессор, ГОУ ОГУ, ученый секретарь совета

ПОВРЕЖДЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ОНГКМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИХ ОТКАЗОВ

Обеспечение бесперебойной поставки углеводородной продукции потребителям объективно связано с широким использованием трубопроводного транспорта. Учитывая, что трассы трубопроводов проходят вблизи густонаселенных пунктовг пересекают естественные, искусственные преграды и водные артерии, уровень техногенных рисков существенно повышается. Для Оренбургского нефтегазоконденсатного ме-

Гсторождения (ОНГКМ) эта проблема усугубляется высоким содержанием сероводорода в транспортируемом сырье и значительным, более 30 лет, сроком эксплуатации.

Анализ проблем эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ показал, что основными факторами, влияющими на безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ, являются: контроль технического состояния трубопроводов; входной контроль изделий, планируемых для ремонта трубопроводов; оценка сопротивления металла сероводородному растрескиванию (СР) новых труб и бывших в эксплуатации; выбор эффективных покрытий и ингибиторов; оценка потенциальной опасности металлургических и эксплуатационных дефектов по результатам натурных испытаний и теоретических исследований; планирование ремонта с учетом

технического состояния трубопроводов.

Анализ отказов соединительных трубопроводов ОНГКМ показал, что в большинстве случаев отказы вызваны отсутствием эффективного ингибирования в условиях воздействия сероводородсодержащих сред и наличием дефектов, которые являются очагами зарождения водородного растрескивания-расслоения металла труб.

Отказы, связанные с дефектами корпусных деталей ЗА,выявлены в единичных случаях и обусловлены металлургическими дефектами в очаге разрушения и прилегающих зонах неметаллическими включениями, порами и трещиноподобными дефектами. Подавляющее большинство отказов ЗА обусловлено потерей герметичности из-за износа уплотнений, которые под действием сероводородсодержащей среды охрупчиваются, теряют эластичность и выкрошиваются. При потере герметичности крана сероводородсодержащая среда, воздействуя на крепеж крышек и боковых фланцев запорной арматуры, вызывает его сероводородное растрескивание.

В процессе эксплуатации конденсато-проводов нестабильного конденсата наблюдались отказы задвижек «ШКМ» Ду 350 Ру 8,0МПа в виде разрушения штока. Основной причиной разрушения шпинделя задвижки является сероводородное растрескивание металла в области галтели-перехода от цилиндрической части шпинделя к пятке - зоне сосредоточения максимальных растягивающих напряжений, возникающих при внецен-тренном приложении нагрузки на пятку шпинделя в периоды открытия задвижки и несвоевременного отключения электродвигателя привода задвижки. Анализ отказов ЗА показал, что все отказы распределяются следующим образом (рис. 1):

• на задвижках - утечка продукта по сальнику - 6,7% отказов;

• разрушение шпинделя задвижек -1,3% отказов;

• на кранах - непроходимость трубок подачи герметизирующей пасты -4% отказов;

• утечка продукта через сквозные коррозионные повреждения трубок подачи герметизирующей пасты -16% отказов;

• негерметичность затвора - 72% отказов. Данный тип отказов в основном характерен для шаровых кранов: из 72% зафиксированных отказов только 17% случаев приходится на задвижки, остальные 83% - на шаровые краны. Для определения эксплуатационных свойств отечественных шаровых кранов проводили гидроиспытание их коррозионной средой по разработанной методике.

Для этого создан стенд (рис. 2а), позволяющий одновременно испытывать восемь кранов и обеспечивающий идентичные условия испытаний шаровых кранов.

После выдержки 720 часов и одновременной наработки 400 циклов «открытие-закрытие» проведена разборка кранов. При визуальном осмотре основных деталей разобранных шаровых кранов обнаружены коррозионные повреждения на поверхности шаров из стали 12Х15Г9НД, на шарах из сталей 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т дефекты не обнаружены.

На основании положительных результатов лабораторных испытаний проведены эксплуатационные испытания шаровых кранов Ду 25мм, имеющих шары из сталей 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т, на установке комплексной подготовки газа в течение 1440 часов в коррозионной среде с содержанием сероводорода до 6% объемных и давлении 7МПа (рис. 2б). Эти испытания подтвердили возможность применения кранов Ду 25мм, имеющих шары из сталей 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т, на трубопроводах с H2S.

Для оценки возможности замены импортной стали, используемой в качестве материала корпусов шаровых кранов Cameron, на близкую по химическому составу и механическим свойствам отечественную сталь 17Г проведены исследования стандартных образцов и натурных кранов в сероводородсодержащей среде NACE шаровых кранов DN50 PN100, изготовленных по технологии «Cameron» фирмой «Самараволгомаш». Результаты проведенного комплекса испытаний позволили рекомендовать отечественную арматуру в соответствующей комплектации для замены на трубопроводах ОНГКМ отработавшей импортной арматуры.

Наиболее эффективным методом диагностики трубопроводов на сегодня остается внутритрубная дефектоскопия. Как показали результаты ультразвуковой внутритрубной диагностики, основными дефектами на трубопроводах являются расслоения стенки труб.

Проведение наружного контроля в шурфах для подтверждения и идентификации дефектов, выявленных по результатам ВТД, показали, что дефекты типа расслоения делятся на неметаллические включения, металлургические расслоения и водородные расслоения. При этом опасными являются водородные расслоения, а неметаллические включения и металлургические расслоения не снижают прочностные свойства труб, но являются потенциально опасными дефектами, поскольку при отсутствии эффективного ингибирования могут перейти в водородные расслоения. Наличие металлургических расслоений в металле труб является одним из основных факторов, определяющих качество труб. На основании результатов анализа проектной документации и данных ВТД установлено, что трубы, поставленные по ТU-SXSS-28-7б/JA.S, ТU-SXSS-40-77/ А.Б, Ти-28-НС-7б, Ти SX46SS-28/40-83, имеют наименьшее количество дефек-

72% Все ЗА

61% Задвижки

УТЕЧКА ПО САЛЬНИКУ

РАЗРУШЕНИЕ ШПИНДЕЛЯ ЗАКУПОРКА ТРУБОК ПОДАЧИ ПАСТЫ

УТЕЧКА ЧЕРЕЗ КОРРОЗИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ТРУБОК

НЕГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЗАТВОРА

Рис. 1. Причины отказов запорной арматуры

Рис. 2. Лабораторные испытаний шаровых кранов

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ диагностика \\ 47

диагностика

Рис. 3. Гидроиспытания темплетов труб 720x22 мм с расслоениями

1 - штуцер; 2- сварной шов; 3 - гидронасос; 4 - плунжер малой подачи масла; 5 - плунжер большой подачи масла; 6 - манометр.

тов, а по Ти 28 FR 73 - наибольшее. Это обстоятельство учитывается при оценке технического состояния и интенсивности отказа трубопроводов.

Одним из основных видов повреждений трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды, являются расслоения, которые возникают под воздействием давления водорода, скапливающегося в дефектах структуры сталей. Для определения величины реальных давлений водорода в расслоениях стенки труб разработана методика, позволяющая по результатам гидроиспытаний натурных темплетов труб с расслоениями и расчетных данных оценить, какое давление создается в полости расслоения и от каких факторов зависит величина этого давления (рис. 3). Разрушающие давления, полученные практическим и подтвержденные расчетным путем, зависят в основном от площади расслоений. Аппроксимируя данные испытаний, получили логарифмическую зависимость:

Ркрит = 33,4-3,2 Ьпф

с коэффициентом корреляции 132= 0,942, позволяющую определить величину разрушающих давлений в полости развивающихся водородных расслоений в стенках стальных трубопроводов. Проведенные гидроиспытания темплетов труб с расслоениями позволили установить, что расслоения, примыкающие к сварным соединениям,в процессе развития не повреждали сварные соединения, т. е. сварной шов является не «слабым звеном», а силовым элементом, тормозящим развитие расслоений в стенке трубопровода.

Для оценки локальной частоты отказов на основе анализа статистических данных по отказам соединительных трубопроводов ОНГКМ и результатов экспертной оценки выделено 9 групп факторов влияния с указанием относительного «вклада» каждой группы в суммарную статистику отказов с помощью весового коэффициента (таблица 1). В основу принят подход к количественной оценке анализа отказов на линейной части

трубопроводов, отраженный в Методическом руководстве по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах. Однако для трубопроводов ОНГКМ внесены существенные дополнения, которые позволяют получить объективную оценку факторов влияния технического состояния трубопроводов на интенсивность их отказов.

В состав 3 группы включены три дополнительных фактора, которые оказывают существенное влияние на вероятность отказов трубопроводов ОНГКМ. Фактор «Поставщик запорной арматуры» (Г34) включен по той причине, что большинство отказов крановых узлов происходит из-за потери герметичности. Количество подобных дефектов напрямую зависит от марки и поставщика запорно-регулирующей арматуры. По результатам анализа отказов добавлены факторы «Изменение сопротивления металла труб СР» и «Изменение ударной вязкости металла труб», которые являются основными причинами отказов трубопроводов ОНГКМ.

В группу 7 добавлены факторы Г72, Р7еБ Р775, которые оказывают влияние на вероятность отказов в процессе эксплуатации трубопроводов ОНГКМ. Основными факторами, влияющими на безопасную эксплуатацию трубопроводов, являются добавленные 8 и 9 группы - «Количество дефектов металла трубы и сварных соединений» и «Вид дефектов тела трубы и сварных швов».

С учетом доработанных групп факторов и балльных оценок определены интенсивности отказов участков трубопроводов ОНГКМ.

Рассматривая значения интенсивности отказов (рис. 4), можно сделать вывод,

ОБОЗНАЧЕНИЕ И НАИМЕНОВАНИЕ ГРУППЫ ФАКТОРОВ ДОЛЯ ГРУППЫ ФАКТОРОВ р1

Гр, Внешние антропогенные воздействия 0,10

Гр 2 Почвенная коррозия 0,10

Грз Качество труб и деталей ТП 0,05

Гр 4 Качество строительно-монтажных работ 0,10

Грз Конструктивно-технологические факторы 0,05

Грб Природные воздействия 0,05

Гр7 Эксплуатационные факторы и коррозия труб от воздействия транспортируемых сероводородсодержащих нефтегазовых сред 0,15

Гр 8 Количество дефектов тела трубы и сварных швов 0,20

Гр 9 Вид дефектов тела трубы и сварных швов 0,20

Таблица 1. Группы факторов влияния и относительные «вклады» каждой группы для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды

что их значения превышают среднее значение (0,0013) на участках, где выявлены наиболее значимые дефекты, населенные пункты и водные преграды. При планировании ремонтных работ дефекты на этих участках рассматриваются в первую очередь. Предложенная методика наглядно иллюстрирует изменение интенсивности отказов на каждом участке трубопровода после проведения ремонтных работ. Это позволяет рассматривать различные варианты ремонта и выбрать оптимальный объем работ.

В заключение хотелось отметить следующее. Всесторонний анализ различных случаев повреждения трубопроводов, эксплуатирующихся на объектах ОНГКМ, показал, что наряду с сероводородной коррозией причинами их повреждения являются: исходное качество конструкционных материалов, качество проведения и контроля строительно-монтажных работ, условия эксплуатации оборудования, уровень технического обслуживания и периодического контроля технического состояния трубопроводов. Безопасная эксплуатация запорно-регулирующей арматуры линейной

0ЙС14

[

£ 0ЛЮ1*

В

з иим1г

£

й

§

а

ЙС.ИН*

ОЛО*

«.Млн

1 ; 1 1 < | \ 1

/ / !\

/ ! 1 \

/ / 1 1 \ | \ 1 1 ^

/ > / / | \ >

К ! к \ 1 1 \ \ \ \

1 1 '-V

УЧЖТКи Т[»уООПр<МИ>Д л

- посяс «мент*

5

— ДОРЕМОН1А

Рис. 4. Изменение интенсивности отказов на участках трубопровода до проведения ремонтных работ и после их окончания

части трубопроводов обеспечивается за счет планомерного диагностирования и экспертной оценки технического состояния. Наружные обследования в шурфах не выявили существенных изменений ее технического состояния, а статистика отказов показывает, что отказы крановых узлов происходят в основном из-за износа уплотнений, которые под действием среды теряют эластичность и охрупчиваются.

Предложенная система балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ и представленные зависимости интенсивности отказов трубопроводов от факторов влияния позволяют обосновать объемы и сроки проведения ремонта дефектных участков трубопроводов при обеспечении необходимого уровня их безопасной эксплуатации.