Обеспечение эксплуатационной надежности магистральных газонефтепроводов в процессе длительной эксплуатации

УДК 622.692.4

© В.И.Хижняков, П.А. Жендарев, 2013

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Проведен анализ теоретических и экспериментальных результатов по проблеме коррозионного растрескивания напряженно-деформированных трубопроводов при транспорте нефти и газа. Проанализированы режимы катодной защиты магистральных газонефтепроводов, где обнаружены стресс-коррозионные трещины на внешней катодноза-щищаемой поверхности. Предложен к применению новый аппаратно-программный комплекс «Магистраль» для количественного определения остаточной скорости коррозии и степени электролитического наводо-роживания стенки трубы при различных потенциалах катодной защиты. Ключевые слова: катоднозащищаемая поверхность, катодный водород, водородное охрупчивание, коррозионное растрескивание под напряжением.

Эксплуатационная надежность магистральных газонефтепроводов в процессе длительной эксплуатации контролируется механическими напряжениями в стенке трубы, обусловленными, в основном, рабочим давлением нефти (газа), - с одной стороны, с другой - коррозионным воздействием окружающего грунта и электрохимическими процессами, протекающими в сквозных дефектах изоляций под воздействием тока катодной защиты. Механические напряжения в стенке трубопровода повышают механо-химическую активацию трубной стали в сквозных дефектах изоляции (эффект Ребиндера), облегчают протекание электрохимических процессов на границе «труба - земля» как в отсутствии тока катодной защиты, так и при его наличии. Наиболее сильно эффект Ребиндера проявляется в области высокий остаточных напряжений в стенке трубы, в области кольцевых и продольных сварных швов, в области концентраторов напряжений, ослабляя межатомные связи в местах скопления деформаций, которые разряжаются на внешней поверхности трубопровода, образуя коррозионные дефекты при отсутствии тока катодной защиты и дефек-

ты типа «водородный надрез» при катодной перезащите, когда плотность тока катодной защиты ( ук з ) существенно, в десятки

раз превышает плотность предельного тока по кислороду (Упр ) и

на катоднозащищаемой поверхности трубопровода идет интенсивное выделение водорода. Проникновение (окклюзия) водорода в стенку трубы начинается с адсорбции его гидратированных ионов на катоднозащищаемой поверхности трубопровода, далее процесс окклюзии определяется диффузией ионов водорода (протонов) в стенку трубы, снижая ее когезионную прочность в местах преимущественного скопления дислокаций вблизи внешней катоднозащищаемой поверхности трубопровода. Механические напряжения в стенке трубы усиливают проницаемость водорода, причем тем интенсивнее, чем выше прочностные характеристики трубной стали. Прочность напряженно-деформированных трубопроводов во многом зависит от состояния приповерхностного слоя катоднозащищаемой поверхности, в котором происходит зарождение дефектов типа «водородный надрез» при перезащите и коррозионные дефекты под воздействием окружающего грунта в отсутствии тока катодной защиты. В приповерхностном слое (по нашим данным толщиной 0,3.. .0,5 мм) в основном задерживаются дислокации перед их выходом (разрядкой) на катоднозащищаемой поверхности. Экспериментально установлено, что когда плотность тока катодной защиты превышает плотность предельного тока по кислороду в 3.8 раз, остаточной скорости коррозии, не превышающей 0,005.0,01 мм/год при практическом отсутствии катодного наводороживания стенки трубы Дальнейшее увеличение отношения ]к з / ]пр не оказывает заметного влияния

на подавление коррозии, но приводит к интенсивному выделению водорода на катоднозащищаемой поверхности (КЗП). Водород вблизи катоднозащищаемой поверхности трубопровода разрыхляет структуру стали (эффект Ребиндера) с образованием стресс-коррозионных трещин. Для предотвращения образования стресс-коррозионных трещин необходимо при выборе потенциалов катодной защиты высоконапорных трубопроводов измерять (]к з) и сопоставлять ее с (упр) таким образом, чтобы

3 < ук з / Упр < 8, что обеспечивает подавление коррозии до зна-

чений, не превышающих 0,005...0,01 мм/год без заметного выделения водорода на катоднозащищаесой поверхности. Для проведения диагностики режимов катодной защиты магистральных газонефтепроводов и прогнозирования развития трещин КРН совместными усилиями кафедры транспорта и хранения нефти и газа и НПП «Электрохимзащита» (г. Томск) разработан комплекс для диагностики и оптимизации электрохимзащиты (ЭХЗ) «Магистраль» (рис. 1), содержащий собственно прибор 1, зонд 2, солнечную батарею 3, футляр 4 с ремнем и ноутбук 5.

Измерения проводятся в следующей последовательности зонд 2 подключают к прибору 1, прибор к ноутбуку 5, затем зонд погружают на уровень укладки трубопровода в грунт. В автоматическом режиме снимается полярограмма кислорода, характеризующая величину коррозионного тока (предельный ток по кислороду). В процессе съема кривых (хронограмм) при-электродное пространство в грунте обедняется, поверхность электрода покрывается продуктами коррозии и приходится механически обновлять поверхность рабочего электрода путем вращения зонда в грунте. Затем автономный источник тока 1 отключают и рабочий электрод зонда подключают к катодной защите трубопровода и определяют величину тока катодной защиты на рабочем электроде зонда 2, диаметр которого выбран так, чтобы полностью смоделировать условия диффузии кислорода к наиболее коррозионо-опасному дефекту изоляционного покрытия трубопровода.

Рис. 1. Аппаратно-программный комплекс «Магистраль»

Проведение электрометрических обследований с использованием комплекса «Магистраль» в местах выявленных дефектов изоляции, либо на участках провалов потенциала между двух СКЗ с регистрацией токов катодной защиты и предельного тока по кислороду позволяют количественно определить скорость остаточной коррозии, оценить интенсивность электролитического наводороживания и опасность развития трещин КРН с принятием последующего решения об обследовании технического состояния стенки трубопровода в шурфах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хижняков В.И., Трофимова Е.В. Превышение тока катодной защиты над предельным по кислороду - фактор коррозионного растрескивания трубопроводов под напряжением. // Практика противокоррозионной защиты. 2009. № 1. С. 57 - 61.

2. Хижняков В.И. Предупреждение выделения водорода при выборе потенциалов катодной защиты подземных стальных трубопроводов. // Коррозия: материалы, защита. 2009. № 9. С. 7 - 10.

3. Воронин В.Н., Мамаев Н.И., Ахтимиров Н.Д. Бурдинский Э.В. Анализ стресс-коррозионного состояния магистральных газоповодов ООО «Севергазпром» на основе результатов внутритрубной дефектоскопии и обследований в шурфах, пути решения проблемы КРН // Материалы отраслевого совещания ОАО «Газпром» «Особенности проявления КРН на магистральных газопроводах ОАО «Газпром». Методы диагностики, способы ремонта дефектов и пути предотвращения КРН», г. Ухта, 11 - 15 ноября 2002 г. С. 69 - 83.

4. Гумеров К.М., Гулятдинов А.А., Черкасов Н.М., Кудакаев С.М., Абдульманов А.М., Мокроусов С.Н. Стресс-коррозия - один из источников опасности на высоконагруженных подземных стальных трубопроводах, изолированных пленочными материалами // Нефтепромысловое дело. 2005. № 4. С. 42 - 46.