СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ В ЗОНАХ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD FOR PREVENTION OF PIPELINE DESTRUCTION IN ZONES OF MECHANICAL STRESS CONCENTRATION

Изобретение относится к способам ремонта, производимого с целью предотвращения разрушений труб магистральных газо-, нефтепроводов, а также напорных водоводов и паропроводов преимущественно в зонах, где имеются вызванные коррозией под напряжением [1] или ползучестью металла [2] локальные деформации стенок в виде множественных микротрещин или утонений, которые под действием эксплуатационного давления в трубе становятся зонами концентрации механических напряжений, порождая локальные напряженно-деформированные состояния.
Способ может применяться для предотвращения развития коррозии в зонах действия растягивающих механических напряжений, которые возникают вне зависимости от эксплуатационных нагрузок, например вблизи швов, выполняемых в полевых условиях сварных соединений на трубах. Изобретение распространяется также на повышение ресурса любых сосудов, эксплуатирующихся под давлением и испытывающих при этом нагрузки в виде тангенциальных растягивающих напряжений, обобщенный эквивалент которых [3] является функцией внутреннего давления, размеров сосуда и толщины его стенок [4].
Традиционно, предотвращая разрушение магистрального трубопровода, обследуют его потенциально опасный участок, оценивают работоспособность трубы и выполняют ремонт одним из известных способов, который выбирают, руководствуясь, например, количественными показателями напряженно-деформированного состояния, реологическими характеристиками прилегающего грунта и пространственным положением зон концентраций напряжений, из которых предварительно строят расчетную модель участка, на котором будут производить ремонт [RU 2189517, 2002]. Сам такой предупредительный ремонт участка трубопровода, например, имеющего дефект в виде коррозионного растрескивания, производят путем вскрытия изоляции, ремонта стенки трубы и восстановления вновь целостности изоляции в соответствии с их техническим состоянием [Заявка РФ 2005103037, 2006]. В случае, если по трубопроводу транспортируются взрывоопасные газы или горючие жидкости, а его техническое состояние требует замены дефектного участка трубы с проведением огневых работ [5], то прилегающие к нему участки трубопровода перекрывают, например, с помощью надувных шаров [RU 2178856, 2002], опорожняют ремонтируемый участок и заменяют дефектную часть трубы новой, например, приваривая ее под давлением инертного газа внутри нее [RU 2249142, 2005]. Если повреждение представляет собой сквозной дефект, но может быть ликвидировано без замены отрезка трубы, то в некоторых случаях поверх трубы устанавливают и закрепляют специальный тройник, посредством которого при помощи постановки технологической заплаты вырезают дефектный участок стенки и заглушают трубопровод [RU 2198340, 2003], в дальнейшем используя установленный тройник как его часть.
Во всех перечисленных способах замены отрезка трубы или части ее стенки, которые являются аналогами изобретения и характеризуют уровень техники в области предотвращения разрушения дефектной части трубопроводов, используют огневые работы по производству сварки или резки. Кроме того, в последнем из рассмотренных способов затрудняется восстановление целостности изолирующего покрытия трубы, так как профиль ее поверхности из-за постановки дополнительного элемента конструкции поверх ее становится негладким, что затрудняет возможность обеспечить монолитность покрытия и способствует образованию пазух под ним, где может скапливаться водный конденсат и развиваться коррозия. А место сварного соединения тройника с трубой становится новым структурным и геометрическим концентратором механических напряжений, возникающих в результате остывания шва и резкого изменения профиля поверхности трубы. Это также влечет за собой при эксплуатации трубопровода с отремонтированным таким способом участком ускоренное развитие коррозии под напряжением [1].
Перечисленные недостатки препятствуют достижению технического результата изобретения при использовании рассмотренных способов предупредительного ремонта трубопроводов.
В случае, когда порождающие напряженно-деформированные состояния и тем самым создающие угрозу разрушения трубопровода дефекты не являются сквозными, их устраняют, например, приваривая на утоненной части стенки трубы пластины из металла с пределами прочности и текучести, не меньшими чем у металла трубы [RU 2247890, 2005]. Иногда, чтобы иметь возможность полностью восстановить целостность защитного покрытия после ремонта и устранить возникающие при остывании сварных соединений остаточные растягивающие напряжения, способные снова породить напряженно-деформированные состояния, металл в зоне дефекта просто наплавляют сваркой без использования упрочняющих пластин. Затем выравнивают наплавленную поверхность заподлицо с основным металлом и производят по всей ней ультразвуковую ударную обработку [RU 2277667, 2006], которая за счет наклепа упрочняет металл и снимает послесварочные растягивающие напряжения [6]. Но несмотря на меры, принимаемые к минимизации разницы в прочности и коррозионной устойчивости отремонтированного участка по сравнению с бездефектной трубой, этот способ ремонта все же основан на производстве сварочных работ. Это также не позволяет получить технический результат изобретения при использовании этих аналогов для предотвращения разрушения трубопроводов, имеющих дефекты в виде сосредоточенных концентраторов растягивающих напряжений.
Известны способы предотвращения разрушения трубопроводов по причине развития трещин в стенках трубы под воздействием эксплуатационного давления, которые не требуют производства огневых работ непосредственно на стенках трубы, например [RU 2295088, 2007]. Его осуществляют путем установки поверх трубы разъемной муфты, предварительно понизив давление в трубопроводе. Муфту на основании предварительных лабораторных испытаний металла трубы и прогнозирования развития дефекта устанавливают таким образом, чтобы обеспечить восстановление номинальных эксплуатационных характеристик трубопровода. Половинки муфты соединяют между собой сваркой горизонтальными продольными швами и закачивают в пространство между ней и трубой отверждаемый полимерный материал, который при эксплуатации передает часть механической нагрузки от дефектного участка трубы к муфте, тем самым, разгружая его, а также обеспечивает его коррозионную защиту. Хотя здесь сварка производится не на стенке трубы, а только на накладной муфте, но она все же имеет место и требует принятия мер безопасности при проведении огневых работ. Кроме того, также как в одном из рассмотренных выше аналогов, муфта, являясь усиливающей конструкцией, которая после ремонта эксплуатируется как часть трубопровода, сильно изменяет геометрию его поверхности. И, несмотря на то, что между ней и трубой находится материал, предотвращающий дальнейшее развитие коррозии, целостность и монолитность изоляционного покрытия трубопровода восстановить после такого ремонта трудно, так как физико-механические и химические свойства используемого полимерного материала невозможно сделать полностью идентичными свойствам материала защитного покрытия. Это ослабляет антикоррозионные свойства участков, прилегающих к краям муфты на стыке разных по свойствам материалов. Там при эксплуатации могут возникать нарушения сплошности покрытия, возникать контакт стенки трубы с почвенной влагой и развиваться коррозия. Следовательно, и эти способы ремонта не позволяют получить сформулированный ниже технический результат изобретения.
Известен способ упрочняюще-пассивирующей обработки пораженных коррозией на небольшую глубину стенок трубопроводов высокого давления, который является наиболее близким аналогом изобретения и принят за прототип [7]. Этот способ вообще не требует проведения огневых работ и не предусматривает принятия связанных с ними мер безопасности. Устранение вызванных коррозией напряженно-деформированных состояний на небольших по глубине проникновения коррозии участках стенки трубы этим способом основано на упрочнении металла поверхностным пластическим деформированием. Упрочнение можно производить таким же точно ультразвуковым виброударным инструментом, что и в способе по [RU 2277667, 2006]. Возможность такого ремонта и требуемую величину упрочнения устанавливают по глубине коррозионного поражения и на основании предварительных лабораторных испытаний образца стали, из которой изготовлена ремонтируемая труба.
Недостатком прототипа, препятствующим достижению с его помощью технического результата изобретения, является следующее. Предупредительные ремонты, в том числе ремонт рассматриваемым способом производят с целью восстановить ресурс трубопроводов, продлив срок эксплуатации ремонтируемого участка. Следовательно, повышение механической прочности стенки трубы в местах производства ремонта должно быть сопровождено и адекватными мерами коррозионной защиты ремонтируемого участка. В прототипе к этому меры приняты только в рамках действующих норм на проведение ремонтов, и не принято никаких специальных мер в надежде на пассивацию, которую дает образующийся при поверхностном пластическом деформировании наклеп [1, 6, 7], а ведь ремонтируемая стенка тоньше, чем бездефектная. Известно, что величина наклепа, полученного виброударным инструментом с высокочастотным источником механической энергии, резко убывает вглубь от поверхности [8] и позволяет значимо проявляться пассивирующему свойству только в поверхностных слоях металла. Поэтому при проникновении коррозии с течением времени сквозь поверхностный слой отремонтированного участка стенки, который в результате осадки при наклепе [9] становится еще тоньше, он не только теряет равнопрочность бездефектной стенки, но и уравнивается с ней по скорости проникновения коррозии. Иными словами, отремонтированный способом-прототипом участок стенки трубы, находясь в равных условиях коррозионного воздействия, в целом деградирует быстрее бездефектной стенки. Этот недостаток прототипа невозможно устранить, не выходя за рамки изложенных в его описании признаков, поскольку нельзя создать некий запас коррозионной стойкости ремонтируемого участка за счет большей степени наклепа, так как его упрочнение требуется прекратить по достижении равнопрочности бездефектной стенки [7]. К тому же таким путем увеличить коррозионную стойкость невозможно не только из-за регламента применения способа, но и по объективной причине. Она заключается в том, что создаваемые наклепом сжимающие тангенциальные напряжения [10], если площадь наклепа велика, а величина их превышает некоторое критическое значение, могут самопроизвольно релаксировать и вызвать макродеформации стенки в виде гофр, которые при дальнейшей эксплуатации трубопровода становятся новыми концентраторами механических напряжений.
Изобретение направлено на повышение коррозионной стойкости участков трубопроводов, которые ремонтируют с целью предотвращения разрушения под воздействием механических напряжений без производства огневых работ путем создания поверхностного наклепа. Технически это дает возможность не только обеспечить идентичность отремонтированных участков трубы бездефектным по прочности, но и повысить их коррозионную стойкость, что после произведенного ремонта уравняет ресурс всех частей трубопровода.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Известно, что у конструкционных марок сталей повышенной прочности, какие используются для изготовления труб, рассчитанных на эксплуатацию под давлением, при создании наклепа виброударным инструментом, передающим деформирующие импульсы посредством бойков, на поверхности образуется очень тонкий чешуйчатый слой с измененной структурой металла [10, 11]. Его образование объясняется расплющиванием металла, выдавливаемого каждым бойком по окружности лунки деформации при каждом ударе, последующими ударами при перемещении инструмента относительно поверхности. Имея чешуйчатую структуру с ориентацией чешуек параллельно плоскости поверхности, этот слой обладает повышенной сорбционной способностью, так как имеет развитую поверхность. При непринятии мер коррозионной защиты он может, адсорбируя попадающую на него по каким-либо причинам влагу, быстро коррозировать сам и способствовать коррозии основного металла. Зато, будучи насыщен гидрофильным преимущественно анодным ингибитором коррозии, он может играть роль своеобразного защитного покрытия. Для этого, перед тем как начать упрочняющую обработку поверхности стенки ударным пластическим деформированием или в процессе ее, следует наносить на поверхность тонкий слой ингибирующего средства. Известно, что для обеспечения эффективной защиты металла необходимо поддерживать концентрацию анодного ингибитора как можно выше [12], поэтому лучше всего использовать его жидкий концентрат. В процессе обработки он размещается внутри чешуйчатого слоя, образуя вместе с ним антикоррозионное покрытие. По окончании обработки, удаления остатков ингибитора с поверхности и контроля качества наклепа изолирующее покрытие трубопровода поверх обработанного участка может быть восстановлено известным способом в соответствии с регламентом ремонта.
Технический результат изобретения состоит в повышении коррозионной стойкости металла участков трубопровода, ремонтируемых путем создания наклепа с целью предотвращения разрушения и уравнивания за счет этого их эксплуатационного ресурса с бездефектными участками трубопровода.
Указанный результат при использовании изобретения достигается за счет того, что в известном способе предотвращения разрушений трубопроводов в зонах концентрации напряжений, вызванной локальным уменьшением толщины стенки трубы, заключающемся в создании наклепа на дефектном участке поверхностным пластическим деформированием, производимым виброударным инструментом, отличие состоит в том, что перед ударным пластическим деформированием на поверхность металла дефектного участка наносят жидкое антикоррозионное средство, в качестве которого используют концентрированный водорастворимый анодный ингибитор коррозии.
Для сравнения изобретения с прототипом были проведены ускоренные коррозионные испытания по ГОСТ 9.905-82 упрочненных в соответствии с ними образцов трубной стали марки 17Г1С по ГОСТ 19281-89. Сравнивали удельные коррозионные потери массы (УКПМ) металла с поверхности плоских образцов, полностью погружаемых на 72 часа в водный раствор, содержащий 5% серной кислоты, 8% соляной кислоты, 3% железа сернокислого и 2% натрия хлорида по массе. На опытных образцах ультразвуковым виброударным инструментом с двух сторон поочередно был создан наклеп до увеличения твердости на 20%. В качестве контрольных использовали необработанные с поверхности образцы из стального проката. На образцах, имитирующих реализацию прототипа, ударную обработку выполняли по сухой поверхности. На образцы, упрочняемые точно так же, в соответствии с первым пунктом формулы изобретения для создания антикоррозионных водоотталкивающих свойств предварительно наносили слой смазки Циатим-221 (ГОСТ 9833-80), а в соответствии со всеми отличительными признаками - насыщенного водного раствора тринатрийфосфата (ГОСТ 201-76), являющегося анодным ингибитором коррозии.
Результаты испытаний приведены в таблице.
№
ОБРАЗЕЦ
УКПМ, мг/(дм<sup>2</sup>·ч)
1.
Без обработки (контроль)
4,34±0,09
С наклепом, выполненным по:
2.
сухой поверхности (прототип)
4,59±0,17
3.
водоотталкивающей пленке (изобретение п.1 формулы)
4,18±0,21
4.
пленке анодного ингибитора (изобретение п.1 + п.2 формулы)
3,51±0,12
Из нее видно, что в использованном растворе, имитирующем жидкую коррозионную среду, потеря массы у образцов, обработанных способом-прототипом даже выше, как и предполагалось, чем у контрольных. Зато образцы, упрочненные в соответствии с первым отличительным признаком изобретения, теряют массу меньше, чем контрольные, а в соответствии с двумя отличительными признаками - еще меньше. С большой долей вероятности можно предположить, что после вытравливания чешуйчатых слоев на всех упрочненных образцах скорость их коррозии становится одинаковой и меньшей, чем у контрольных [7], так как ей препятствует одинаковый у всех наклеп. Но время, за которое в контакт со средой вступает монолитный металл, у образцов с номером 2 наступает значительно раньше, чем у 3 и 4.
Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся техническим решением, которое наиболее полно характеризует известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ обладает существенными по отношению к указанному техническому результату отличиями. При анализе этих отличий не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся дополнительной коррозионной защиты при упрочнении стенок труб ударным поверхностным пластическим деформированием с целью предотвращения разрушения трубопроводов.
Изобретение может быть осуществлено следующим образом.
Пусть, например, требуется предотвратить путем ремонта разрушение обнаруженного, освобожденного от изолирующего покрытия и очищенного от продуктов коррозии, дефектного участка стенки газопровода. По результатам измерения коррозионного поражения требуется упрочнить его до получения определенной твердости поверхности созданием наклепа. Тогда при помощи, например, малярной кисти на поверхность дефектного участка наносят хорошо зарекомендовавший себя в нефтегазовой промышленности водорастворимый жидкий концентрат ингибитора коррозии марки СНПХ-6035 (НИИнефтепромхим, г.Казань). Затем, например, ультразвуковым технологическим комплексом «Шмель-МГ» (ООО Ультратехника-СИ, г.Северодвинск) осуществляют упрочняющую обработку, периодически контролируя твердость поверхности переносным твердомером любого типа, до получения нужного результата. Можно наносить ингибирующее средство непосредственно в процессе пластического деформирования, например, снабдив виброударный инструмент устройством для дозированной подачи ингибитора в зону обработки. Далее выполняют работы по восстановлению работоспособности газопровода в соответствии с руководящими документами на производство ремонтных работ на поверхности трубы.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения его технического результата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров Л.Н. Коррозия под напряжением. - Киев: Вища школа, 1986.
2. Стасенко И.В. Расчет на ползучесть трубопроводов - М.: Машиностроение, 1986.
3. Никитенко А.Ф., Любашевская И.В. Долговечность сосудов высокого давления // Прикладная механика и техническая физика, 2007, №5, т.48, с.173-182.
4. Никитина Н.Е. и др. Определение двухосного напряженного состояния трубопроводов на основе явления акустоупругости // Материалы 7-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». - М.: NDT, 2008.
5. РД 51-001 58623-09-95 «Технология производства работ под давлением, включая огневые работы». - М.: ВНИИГАЗ, 1994.
6. Фурсенко С.А. и др. Создание и внедрение технологии ультразвукового упрочнения сварных соединений и заварок при ремонте труб ЛЧМГ / в кн. Материалы отраслевого совещания (Невинномысск, 26-30 сент. 2005 г.). - М.: ИРЦ Газпром, 2006, с.117-130.
7. Шестаков С.Д., Городищенский П.А., Лисин В.Н. Ультразвуковая упрочняюще-пассивирующая обработка пораженных коррозией трубопроводов высокого давления // Ультразвуковые технологические процессы - 98: Тез. докл. науч.-техн. конф. - М., 1998, с.139-142.
8. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения, 11, 1966.
9. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - М.: Наука, 1988.
10. Бадалян В.Г., Казанцев В.Ф., Статников Е.Ш., Швецов Е.М. Механизм ультразвуковой ударной обработки сварных соединений // Вестник машиностроения, 8, 1979.
11. Вагапов И.К. Нелинейные эффекты в ультразвуковой обработке. - Минск: Наука и техника, 1987.
12. Ашпина О.Б. Защита от коррозии металлоконструкций в химической промышленности // Известия пауки. Химия. - www.inauka.ru/chemestry/article47510.html.