Коррозионная потеря металла на участках пересечения нефтепроводов с другими коммуникациями (ЛЭР, ГП, ВВ)

5.3 Эксперимент по определению развития микротрещин в зоне обычной шлифовки под напряжением

Местом зарождения трещин является сварные швы, околошовная зона, а также участки трубопровода, находящиеся под напряжением.

На оборудовании ЦСКБ «Прогресс» из вышеописанных нами фрагментов трубопровода согласно ГОСТ 7564-73 были изготовлены образцы квадратного сечения (12*12 мм), сопоставимые по размерам с СОП, применяемыми при испытаниях на изгиб. Образцы были вырезаны из металла околошовной зоны так, чтобы отшлифованная поверхность находилась посередине образца.

Был проведен металлографический анализ боковой поверхности образца на уровне отшлифованной зоны до и после нагрузки. Нагрузка придана универсальной испытательной машиной УИМ (рисунок 40).

Рисунок 40 - Динамомашина УИМ

Смоделированная в лабораторных условиях коррозия дала не устранённую обычной шлифовкой трещину, изображенную на рисунке 41 (увеличение в 70 раз):

Рисунок 41 - Трещинна в металле, не устраняемая традиционной шлифовкой

После этого на УИМ на выточенный образец было подано изгибающее усилие, эквивалентное давлению в 5 МПа (что соответствует рабочему давлению в МН «Дружба»). Напряжение подавалось непрерывно и равномерно в течении 144 часов, после чего трещина на рис. 41 развилась, что показано на рисунке 42.

Рисунок 42 - Результат изгибающего усилия на трещину в металле

В то же время образец, вырезанный из металла околошовной зоны, подвергнутому глубокой шлифовке, был проведен через те же процедуры нагружения. Под микроскопом мы увидели, что в результате проведения глубокой шлифовки трещины были удалены и не образовывались в результате нагружения (Рисунок 43 - до нагружения, Рисунок 44 - после).

Рисунок 43 - Результат нагружения металла с трещиной, устраненной глубокой шлифовкой. До нагрузки

Рисунок 44 - Результат нагружения металла с трещиной, устраненной глубокой шлифовкой. После нагрузки

Вывод: зона обычной шлифовки характеризуется не устранёнными микротрещинами, которые увеличиваются при нагрузке, а в зоне глубокой шлифовки трещины полностью удаляются и не появляются при приложении нагрузки.

5.4 Обоснование изменения скорости ультразвуковой волны в зонах концентрации напряжений

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Рассеяние ультразвуковых волн возникает в тех случаях, когда волны распространяются в акустически неоднородных средах. При этом часть энергии падающей волны пере излучается в виде рассеянных волн, которые отличаются от исходной волны либо задержкой по времени, либо изменением направления распространения. Как было описано выше, концентрация напряжений вокруг дефектов металла вызывает неоднородность зерновой и кристаллической структур стали. Следовательно, в этих зонах будет наблюдаться рассеяние ультразвуковых волн.

Для обоснования рассеивания ультразвуковой волны был использован УИУ «Скаруч» (рисунок 45).

Рисунок 45 - Ултразвуковой дефектоскоп «Скаруч»

Ультразвуковая измерительная установка УИУ «Скаруч» позволяет решать широкий спектр задач при выполнении неразрушающего контроля. Установка используется для ручного УЗК и механизированного контроля трубопроводов (диаметр от 57 мм), любых металлоконструкций с толщиной стенки от 4 до 60 мм, контроля сварных швов со скоростью распространения ультразвуковых продольных волн 5300ч6300 м/с.

Сначала были проведены измерения толщины стенки фрагмента трубопровода. Толщина стенки до проведения эксперимента по моделированию коррозии в суглинке составила 12мм. После проведения эксперимента стенки утонилась до 10,7-11,5 мм, притом в околошовной зоне толщина стенки составила 10,7 мм в зоне, которая впоследствии была зашлифована обычной шлифовкой, и также 10,7 в зоне глубокой шлифовки.

Рассмотрим схематическую схему коррозионной трещины (рис. 46).

Рисунок 46 - Схема коррозионной трещины: 1 - коррозионная микротрещина; 2 - основной металл; 3 - корень трещины; 4 - очаг напряжения; 5 - зона границ несплошности (очага напряжения)

Корень трещины является ее первообразованием, представляя собой несплошность на уровне кристаллической решетки. Зона границ несплошности это зона, в пределах которой в несплошности корня сохраняется взаимодействие между частицами кристаллической решетки. По достижению границ этой зоны связи между ионами решетки рвутся и несплошность переходит в микротрещину, которая, развиваясь, достигает поверхности металла.

Для предотвращения подобных процессов необходимо проводить глубокую шлифовку. Существующие нормативы подразумевают удаление лишь участков коррозионных потерь металла (1 мм на схеме), не затрагивая при этом следующий слой, в котором сохраняются условия для дальнейшего образования микротрещин.

В свою очередь, глубокая шлифовка подразумевает собой удаление зоны границ несплошности (1+0,6 мм толщины на схеме), то есть избежание возникновения трещин и несплошностей, что, несмотря на небольшое уменьшение механических характеристик зашлифованного участка, улучшает противокоррозионные свойства зашлифованной поверхности.

Следовательно, после шлифовки обычная шлифовка удалила 1,3 мм толщины корродировавшей трубы, удалив коррозионный участок, но оставив концентраторы напряжений. Толщина стенки в этой зоне составит:

12 - 1,3 = 10,7 мм

Глубокая шлифовка подразумевает удаление концентраторов напряжений, то есть сошлифовку дополнительных 0,5-0,7 мм толщины металла. Мы выбрали среднее значение, поэтому толщина стенки в зоне глубокой шлифовки составит:

12 - 1,3 - 0,6 = 10,1 мм

Вернемся к «Скаручу». Скорость распространения ультразвуковой волны в стали 17Г1С составляет 5900 м/с (5,9*106 мм/с), причем погрешность прибора составляет 1% (+/- 59 м/с или 0,059*106 мм/с).

Было проведено 5 измерений скорости прохождения звуковой волной металла сошлифованной зоны и высчитано среднее арифметическое (таб. 6).

Результаты измерений показали, что в зоне глубокой шлифовки значение скорости распространения ультразвуковой волны практически не изменилось, в то время как в зоне обычной шлифовки скорость уменьшилась на 1,6%, что находится за пределами погрешности прибора.

Таблица 6 - Скорости прохождения УЗ металла сошлифованной зоны

Номер измерения	Обычная шлиф. (д=10,7 мм)	Глубокая шлиф. (д=10,1 мм)
1	5,81*106 мм/с	5,91*106 мм/с
2	5,81*106 мм/с	5,9*106 мм/с
3	5,80*106 мм/с	5,9*106 мм/с
4	5,79*106 мм/с	5,88*106 мм/с
5	5,83*106 мм/с	5,89*106 мм/с
среднее	5,808*106 мм/с	5,896*106 мм/с

Вывод: было доказано наличие непогашенных очагов концентрации напряжений вокруг не устраненных обычной шлифовкой микротрещин.

6. Предлагаемая стратегия капитального ремонта (совмещенная)

6.1 Анализ существующих стратегий ремонтных мероприятий

Выберем в качестве параметра технического состояния предельное разрушающее давление. Статистические данные могут использоваться при выборе предельных допускаемых значений, достижение которых означает необходимость повторного проведения «поддерживающих» мероприятий.

Различные стратегии поддерживающих мероприятий приводят к различным уровням отказов. Ниже приведен список трех возможных стратегий ремонта

- Ремонт по отказу;

- Ремонт недопустимых дефектов;

- Ремонт дефектов, не удовлетворяющих условиям прочности.

Если считать, что цель ремонтной стратегии - поддерживать частоту отказов по крайней мере не выше, чем 0,23 отказа/ (год х1000 км), то предельный уровень (рисунок 47) горизонтальной пунктирной линией.

Рисунок 47 - Влияние стратегий ремонтных мероприятий на частоту отказов

6.2 Первый вариант предлагаемой стратегии капитального ремонта

Стратегия 1 - минимум ремонтов по критерию «частоты отказов» (красная линия). После проведения инспекции были отремонтированы участки, у которых на момент проведения инспекции разрушающее давление ниже рабочего нормативного. После проведения инспекции частота отказов составляет 0.11 отказов/(год х1000км), через пять лет -- это значение достигнет 0,6 отказов/(год х 1000км). Для того, чтобы не превышать уровень в 0,23 отказа/(год х 1000км), необходимо провести ремонты примерно через 2,3 и 3,6 года.

6.3 Второй вариант предлагаемой стратегии капитального ремонта

Стратегия 2 - ремонт по критерию «годности к эксплуатации» (синяя линяя). После проведения инспекции отремонтированы все секции с «недопустимыми» дефектами, у которых на момент проведения инспекции расчетное разрушающее давление меньше максимального проектного давления гидроиспытаний. Начальная частота отказов упала на порядок с 0,11 до 0,011 отказов/ (год х 1000 км). Через пять лет частота отказов составит 0,23 отказов/ (год х 1000 км). Если в этот момент снова отремонтировать все участки с «недопустимыми» дефектами, ставшие таковыми за эти пять лет, то частота снизится до уровня 0,057 отказов/(год х 1000 км). Однако это значение будет превышать аналогичное значение после ремонтов на начало пятилетнего периода. Таким образом, стратегия, основанная на ремонте только участков с «недопустимыми» дефектами, в долгосрочной перспективе должна привести к росту частоты отказов.

6.4 Третий вариант предлагаемой стратегии капитального ремонта

Стратегия 3 - ремонт по критерию «проектной прочности» (зеленая линия). После проведения инспекции «сразу» отремонтированы все участки, снижающие прочность трубы, у которых разрушающее давление меньше. Начальная частота отказов - 1,2х10-3 отказов/ (год х 1000 км). Через пять лет эксплуатации вероятность отказа составит 1,0x10 отказов/ (год х1000 км).

Данный пример показывает, что в зависимости от выбранной стратегии через пять лет эксплуатации средняя интенсивность отказов может составлять от 0,6 до 0,01 отказов/ (год х 1000 км); различна также частота ремонтов, поддерживающих заданный уровень надежности.

Так, ремонт по критерию частоты отказов обеспечивает минимальный объем начальных ремонтных работ, но значительно уменьшает надежность линейной части, ремонт по годности эксплуатации обеспечивает высокую надежность в краткосрочной перспективе (до 3 лет), но требует частого ремонта после 8-10 лет эксплуатации, а ремонт участков, не соответствующих проектной прочности требует проведения больших объемов ремонтных работ на начальном этапе, но гарантирует высокую надежность трубопровода на долгий период эксплуатации.

6.5 Экономическое сравнение стратегий ремонта

С истечением ресурса эксплуатируемого нефтепровода, а также высокими расходами для поддержания их эксплуатационных свойств, необходимо введение методики, которая позволяет при наименьших экономических затратах максимально повысить остаточный ресурс уже эксплуатируемых трубопроводов, а также увеличить срок вновь строящихся объектов перекачки нефти и нефтепродуктов. С другой стороны, более 85% эксплуатируемых трубопроводов нуждается в капитальном ремонте с заменой изоляционного покрытия, труб, отводов и прочих элементов системы ТТ.

В связи с этим актуальной задачей является выбор наиболее альтернативного метода капитального ремонта. Таким методом является капитальный ремонт по критерию проектной прочности. Данный метод выбран из соотношения надежности и капитальных затрат.

К ее неоспоримым преимуществам методики ремонта по критерию проектной прочности относятся:

- отмеченное выше повышение надежности системы в целом;

- снижение эксплуатационных затрат;

- увеличение срока службы МН;

- очевидная возможность снижения затрат на остановку участка МН (в силу отсутствия необходимости проведения аварийных ремонтных работ);

- возможность безаварийной работы, что повысит экологическую безопасность и позволит прокладывать трубопровод там, где ранее этого старались избежать (территории населенных пунктов, пашни).

Сравним экономический эффект от ремонта по различным стратегиям трубопровода длиной 100 км с рабочим давлением в 7,5 МПа, общим сроком эксплуатации 35 лет, где ремонт проводится через 10 лет после введения в эксплуатацию. Среднюю стоимость ремонта одного из дефектов примем равной 180 тыс. руб., ставку дисконтирования 13,5%.

Рассмотрим таблицу дефектов, где показано увеличение числа и роста дефектов трубопровода со временем, подходящих под каждый из трех критериев. Так как линейные размеры, и, следовательно, степень опасности дефекта, растут в геометрической прогрессии, можно условно предположить, что количество недопустимых дефектов также будет возрастать в геометрической прогрессии (таблица 7).

Таблица 7 - Степень опасности дефекта

время	0	2	3	4	5	6
Nотказ	10	20	40	80	160	-
Nгодность	50	-	-	100	-	200
Nпрочность	200	-	-	-	-	-

По формуле:

Эn = Эn-1 + Nn * Э0 * бn,

где Эn - эксплуатационные затраты на нынешнем этапе ремонта;

Эn-1 - эксплуатационные затраты на предыдущем этапе ремонта;

Nn - количество дефектов, которые необходимо устранить путем ремонта на нынешнем этапе;

Э0 - стоимость ремонта одного дефекта (принято 180 тыс. руб);

бn - коэффициент дисконта, учитывающий ставку дисконтирования была получена таблица эксплуатационных затрат в тыс. руб. (таблица 8):

Таблица 8 - Эксплуатационные затраты

	0	2	3	4	5	6
Эотказ	1800	6444	16956	40860	95004	-
Эгодность	9600	-	-	38880	-	115920
Эпрочность	36000	-	-	-	-	-

По данным расчетных данных были построены графики зависимости эксплуатационных затрат от времени эксплуатации ТП (рисунок 48). Красной линией обозначен рост эксплуатационных затрат при выборе стратегии ремонта по отказу, синей - по годности к эксплуатации и зеленой - по проектной прочности.

Из графика видно, что стратегия ремонта по проектной прочности становится экономически выгодней остальных стратегий уже через 14 лет после введения МН в эксплуатацию (в случае проведения капитального ремонта на 10-м году эксплуатации). Так как время эксплуатации трубопровода не бесконечно, мы можем принять затраты на ремонт по проектной прочности однократными и не требующими дальнейших вложений, то есть условной константой. Но эксплуатационные затраты включают не только ремонт дефектов. Необходимо учесть замену изоляционного покрытия, замену кожухов на переходах, затраты на пуск-прием диагностического оборудования. Эти затраты одинаковы для всех стратегий и не учитывались при подсчете (так как в случае их учета зависимость затрат от времени существенно не изменится).

Рисунок 48 - График зависимости эксплуатационных затрат от времени эксплуатации ТП

Возникает логичный вопрос: не появится ли после 30 лет эксплуатации трубопровода, отремонтированного по проектной прочности, дефектов, не удовлетворяющих условиям этой стратегии, и не потребует ли это дополнительных затрат? Безусловно, вероятность появления этих дефектов имеется, но эти дефекты не будут недопустимыми, потому что в этом случае по результатам диагностики, полученной на 30-м работы трубопровода, составляется план выборочного ремонта по годности к эксплуатации, который осуществляется во время одной из плановых остановок трубопровода и не требует существенных вложений. Эти возможные вложения обозначены на графике желтой линией (рисунок 49).

В случае выявления ВТД на 30-м году эксплуатации недопустимых дефектов, необходимо оценить опасность каждого из них. В случае наличия дефектов, ремонт которых можно отложить до 35-го года эксплуатации, плановая остановка и ремонт дефектных участков по критерию годности к эксплуатации. Если же ремонт неизбежен, его проводят на 30-м году, притом ремонтируются также потенциально опасные участки в целях предотвращения необходимости проведения ремонта на 35-м и 40-м годах эксплуатации. Эти ремонты должны планироваться так, чтобы сохранить необходимый уровень надежности в 0,23 отказа и избежать больших затрат.

Также заметить, что в случае правильного проведения капитального ремонта по проектной прочности на 10-м или 15-м году эксплуатации, вероятность необходимости проведения дополнительных ремонтных работ в конце срока эксплуатации весьма мала.

Рисунок 49 - Возможные вложения в ремонт трубопровода

Любая компания закладывает в план определенное значение расходов на капитальный ремонт, которое нельзя превышать. Методика ремонта по проектной прочности удовлетворяет этому требованию, в то время как ремонты по отказу и годности к эксплуатации в долгосрочной перспективе превышают допустимое значение.

Так как затраты на капремонт закладываются в цену сырья, использование предложенной методики увеличивает прибыль транспортирующей компании и дает дополнительные возможности при подписании договоров с добывающими и перерабатывающими компаниями.

6.6 Разработанная стратегия ремонта (совмещенная) и предлагаемый комплекс мер по повышению надежности трубопровода

Но стратегии ремонта по критерию отказа и по годности к эксплуатации имеют и свои преимущества: значительно меньший объем работ и отсутствие необходимости больших вложений в ремонтные работы. Исходя из этого факта, мы предлагаем объединить все стратегии в одну совмещенную по следующему принципу.

В случае жесткого соблюдения всех требований на стадии ввода в эксплуатацию и капитального ремонта мы получаем трубопровод с очень высоким показателем надежности. Это требует полного НК всех сварных соединений, так как в силу изменения кристаллической решетки металла именно переходные зоны являются самыми опасными зонами трубопровода, и 100%-ного пооперационного контроля проведения строительных работ, то есть недопустимости появления внешних дефектов на теле трубы, смещения кромок и т.д. и недопущения отклонения положения трубопровода от нивелировочных отметок. Допуск дефектов на этапе строительства должен вестись по критерию проектной прочности.

Следовательно, начальный период (до появления первого недопустимого дефекта) нет никакой необходимости проводить на участке плановые ремонтные работы, поэтому лучшей стратегией в данном случае будет являться ремонт по критерию отказа. Помимо первого недопустимого дефекта, на трубопроводе появляется некоторый объем коррозионных зон, растущих в геометрической прогрессии. Данные об этих дефектах и скорости их роста мы получаем по результатам ВТД, проводимой раз в 5 лет, а также расчетным путем.

Последнее означает, что благодаря разрабатываемой нами методике мы можем от геометрических размеров того или иного коррозионного повреждения прийти к аналитическому выражению степени опасности коррозионного дефекта как в текущее время, так и в перспективе с учетом геометрического роста дефектов, рабочего давления, марки стали, коррозионной активности грунтов, наличия внешних воздействий и непогашенных блуждающих токов.

Исходя из полученной полной картины дефектных зон трубопровода, мы получаем три примерных сценария образования дефектов (рисунок 50).

Рисунок 50 - Сценарий образования дефектов

Первая говорит о том, на пока еще «чистом» с точки зрения коррозии участке трубопровода, на котором через некоторое время может образоваться незначительный дефектный участок, не представляющий опасности в эксплуатации. На подобных участках рационально применять ремонт по отказу.

Вторая картина роста дефектов говорит о том, что имеющаяся на участке коррозия со временем начнет увеличивать свои линейные размеры в геометрической прогрессии и являться все более и более опасным концентратором напряжений. Несмотря на то, что на данный период этот участок не является потенциально аварийным, его необходимо отремонтировать по критерию проектной прочности во избежание снижения надежности системы.

Третий вариант развития дефекта - скорое развитие серьезного дефекта в дефект, недопустимый к эксплуатации. Выход - ремонт подобных участков по критерию годности к эксплуатации.

Подобная стратегия совмещает в себе все три существующих, - она обеспечивает наивысшую надежность трубопровода в силу недопущения появления опасных дефектов, являющихся концентраторами напряжений, и небольшие затраты в силу адекватного определения степени опасности того или иного участка, то есть устранения необходимости проводить дорогостоящий ремонт по проектной прочности там, где в нем нет реальной нужды. Кроме того, еще на стадии строительства мы можем оценить опасность каждого участка трубопровода и применить разработанный нами комплекс мер, повышающих его надежность и не меняющих стоимость проекта, в котором на основе полученной классификации коррозионной опасности участков трубопровода:

- увеличение на 1 мм толщина стенки трубопровода (дополнительный мм появляется по критерию коррозионной активности на наиболее потенциально коррозионных участках);

- более глубокая шлифовка (глубина шлифовки позволяет устранить микротрещины в металле трубы, и, как следствие, избежать развития дефектных зон);

- строительство резервных ниток на самых опасных участках (подводных переходах, прохождении вблизи НП и по ценным землям).

Вывод: Представленная методика расчета вероятности безотказной работы трубопровода после выборочного ремонта позволяет учесть различные стратегии реализации восстановительных работ с учетом срока эксплуатации, а также предыдущих ремонтов. Применение совмещенной стратегии ремонта и комплекса мер по повышению надежности для трубопроводов системы «АК «Транснефть» позволит значительно снизить количество отказов линейной части, повысить эффективность проведения ремонтных работ, увеличить срок службы трубопровода на 5-7 лет при неизменности итоговой стоимости проекта и минимальных эксплуатационных затратах. Кроме того, появляются дополнительные возможности при эксплуатации, такие как повышенная экологическая безопасность, возможность экономии на проведении диагностических работ и внепланового простоя трубопровода.

Данную стратегию ремонта возможно применять не только в случае первичного капитального ремонта, но и для трубопроводов, в которых при предыдущих ремонтах были допущены технологические неточности, а также не устранены дефекты и концентраторы напряжений.

Так как размер дефекта, являющегося концентратором напряжений, растет в геометрической прогрессии s(t), данная методика позволяет не только устранить существующие дефекты, но и предотвратить образование новых.

Преимуществами данного метода являются:

- универсальность применения в отношении МН и МНП;

- экономия средств трубопроводной компании;

- повышение надежности линейной части;

- увеличение срока службы трубопровода;

- предотвращение образования дефектов, что характеризует крайнюю актуальность работы.

7. Математическое моделирование коррозионных процессов образца трубной стали под воздействием свободных токов

7.1 Подготовка математического моделирования при помощи пакета компьютерных программ

Для компьютерного моделирования был взят образец, который использовался в предыдущем эксперименте с электролитами. Целью математического моделирования является подтверждение того, что при воздействии на трубную сталь блуждающих токов коррозионная повреждения (потеря металла) наступает намного интенсивнее. также после того. После того, как данный факт будет доказан будет проведено 3D моделирование потери метала (отдачи электронов металлом во внешнюю среду) на основе перехода частиц из среды метал в окружающую среду (объёмная 3D модель отдачи поверхности металла электронов) при воздействии свободных токов и без воздействия.

Изначально, при помощи пакета программ математического моделирования SALOME необходимо сформировать интегральную платформу для выполнения численных расчетов, моделирующих коррозионные процессы. После чего формируется база CAE-решателей.

CAE-решатели будут необходимы для ввода данных интегральной платформы и их компоновки с параметрами образца, используемого в качестве тела для моделирования. Среда (отсутствие или присутствие свободных токов) программируется через модели Dynamic Modeling Laboratory. Результаты, полученные в процессе подготовки к моделированию процесса коррозии вносятся в реестр пакета программ Experimental Data Analyst. После чего полученную модель размещают в реестре исходных данных программного обеспечения Fluent 6.3.26.После ввода динамики изменения параметров образца в предыдущем эксперименте программное обеспечение Fluent 6.3.26. выдаст возможность ввода параметров, позволяющих за несколько стадий получить результат моделирования процесса коррозии в виде S-скана.

7.2 Процесс моделирования

На первой стадии моделирования сделаем модель распределения плотностей частиц, в зависимости от нахождения их в металле (образце) относительно внешней (наружной) поверхности.

Как видно из получившийся модели (рисунок 51) распределение плотности расположения частиц (электронов металла) прямо самое низкое на поверхности (наружной части образца). Это связанно с тем, что в качестве образца взят элемент сварного стыка трубопровода, находившийся в электролите более 100 дней, и подвергшийся коррозионной потери металла.

Рисунок 51 - Распределение плотности расположения частиц

Смоделируем процесс коррозии под воздействие электрического тока (свободные токи в реальных условиях) и коррозию без воздействия свободных токов (почвенную коррозию) математически при помощи программного обеспечения. Для этого внесем в программу моделирования результаты предыдущих испытаний потери металла одним из образцов в электролите, без воздействия свободных токов. Полученные результаты визуализируем в формате S-сканов для удобства восприятия.

7.3 Результаты моделирования

Как видно из результатов моделирования в случае отсутствия воздействия свободных токов потери металла не произошло (рисунок 52). Но взаимодействие частиц вблизи наружного слоя существенно ослабло, что однозначно приведет к последующей отдачи металлом электронов среде (потери металла). Это связанно с ослаблением межмолекулярных связей по причине потери какого-то количества электронов металлом (незначительная коррозия).

Рисунок 52 - Результаты моделирования с отсутствием потери металла

В случае воздействия на образец из трубной стали свободных токов (имитация электрохимической коррозии) результаты компьютерного моделирования показали потерю металла (рисунок 53). Компьютерное моделирование показало, что отдача электронов при электрохимической коррозии происходит по математическим законам (геометрическая прогрессия).

Иначе говоря, метал, изначально имеющий коррозионные повреждения более подвержен коррозии, чем метал не имеющий коррозионных повреждений. Результат процесса потери металла электронов (коррозия) обозначен обведен в красный кружек на S-скане результата моделирования.

Рисунок 53 - Результат моделирования с потерей металла (коррозией)

Вывод: Математическое моделирование при пакета компьютерных програм ОАО «Гипротрубопровод» показало и доказало ,что при воздействии свободных токоав на трубопровод коррозионные процессы происходят намного бысрее,чем без воздействия свободных токов. Доказательством является потеря металла (коррозия) в случае электрохимической коррозии относительно отсутвсвия коррозии при химической коррозии одним и тем же образцом за равный промежуток времени.В качестве результатов математического моделирования коррозионных процессов предствленны 2 томограммы образца трубной стали в формате визуализации S-скан.

7.4 Математическое моделирование движения и силы взаимодействия электронов в трубной стали при воздействии свободных токов

7.4.1 Моделирования процесса отдачи электронов

Для моделирования процесса отдачи электронов поверхностью металла (коррозии) воспользуемся «программой движение частиц в твердом теле».Эта программа является разработкой и собственностью Проектного института ОАО «Гипротрубопровод».Результатом программы будут изображения движения электронов в поверхности образца при наличии ( рисунок 54) и отсутствии (рисунок 55) свободных токов.

Рисунок 54 - Изображения движения электронов в поверхности образца при наличии свободных токов

7.4.2 Результаты моделирования

Результаты данного математического моделирования коррозионного процесса, как и предыдущее моделирование доказывают пагубное воздействие свободных токов на трубную сталь( рисунок 54) .Свободные токи токизначительно ускоряют процесс коррозии трубопровода и коррозия. Согласно результатам моделирования коррозия при наличии свободных токов протекает быстрее чем чем при остсутствии токов (рисунок 55). Скорость коррозии имеют геометрическую прогрессию и прямопропорцианальна силе воздействия свободного тока на трубную сталь.

Рисунок 55 - Изображения движения электронов в поверхности образца при отсутствии свободных токов

7.4.3 Выводы из моделирования процесса отдачи электронов

Из результата программы видно, что при наличии свободных токов, и как их следствие намагниченности образца, движение электронов на поверхности образца происходит намного динамичнее. В связи с ослабление молекулярной связи на поверхности металла электроны покидают метал в случае электрохимической коррозии в 2,74 раза быстрее, чем при химической коррозии.

7.5 Моделирование процесса коррозии трубопровода при наличии внутренних и внешних радиально-плоскостных напряжений

7.5.1 Построение модели нагрузок на трубопровод

Данный образец был взят как элемент действующего трубопровода. Все данные нагрузок смоделированы в программе ПК «ЭСПРИ» (рис. 56).

Рисунок 56 - Данные нагрузок в программе ПК «ЭСПРИ»

Воздействие нагрузок на трубопровод рассчитаны при помощи программного обеспечения «СтаДиУс», раздел (Статика-Динамика-Устойчивость). результаты расчета представлены на рисунке 57.

Рисунок 57 - Воздействие нагрузок ПО «СтаДиУс»

7.5.2 Моделированное коррозионных процессов при наличии нагрузок

Скомпоновав полученные результаты и обработав их в программе «Шпунт» (программа предназначена для расчета ограждающих конструкций и воздействий на предмет в котловане и траншее) вносим результат в программу Экстраверсия 6.0.Прграмма предназначена для расчёта и моделирования электрохимической коррозии трубопровода при наличии нагрузки и при ее отсутствии.

7.5.3 Обработка результатов моделирования

При анализе результата, полученного математическим моделированием событий на программном обеспечении, стало видно, что при химической коррозии (рисунок 58а) коррозия незначительна (рисунок 58б). В случае наличия блуждающих токов, то есть электрохимической коррозии (рисунок 58в) потеря металла трубопроводом при нагрузках (рисунок 58 г) значительно выше, чем при отсутствие свободных токов.

Рисунок 58 - Результат моделирования электрохимической коррозии

Вывод: Результаты моделирования процесса коррозии при наличии нагрузок на трубопровод так же доказали пагубное воздействие свободных токов на тело трубопровода.

Заключение

В данной работе было дано понятие коррозии. Коррозия неизбежный процесс, связанный с термодинамической неустойчивостью металла. Коррозия выражена потерей металла, а именно отдачей ионов металлов во внешнюю среду. Такие факторы, как влажность, коррозионная активность среды, механическая нагрузка на трубопроводы, а также давление в трубопроводе, вызывающее и радиальную нагрузку увеличивают как скорость коррозии, так и время ее появления.

В работе так же описаны методы защиты трубопроводов от коррозионных повреждений, а также описана технология и последовательность работ, вызванных коррозией нефтепровода.

Эксперименты, выполненные в работе, показали степень коррозии металла при воздействии различных факторов. Выполненное математическое моделирование, при помощи пакетов компьютерных программ не только подтвердило результаты экспериментов потери металла образцами трубной стали, но и доказало потерю электронов образцами как на математическом, так и на молекулярном уровнях. Так при при химической коррозии (рисунок 58а) коррозия незначительна (рисунок 58б). В случае наличия блуждающих токов, то есть электрохимической коррозии (рисунок 58в) потеря металла трубопроводом при нагрузках (рисунок 58 г) значительно выше, чем при отсутствие свободных токов.

Результаты моделирования процесса коррозии при наличии нагрузок на трубопровод так же доказали пагубное воздействие свободных токов на тело трубопровода.

Было доказано математически, что при наличии нагрузок на трубопровод, как внешних, так и внутренних электрохимическая коррозия протекает быстрее.

В работе предложены методы предотвращения коррозионного воздействия на трубопровод при его капитальном ремонте.

Список использованных источников

Зарубежная литература:

1. Annand R.R., Hurd R.М., Hakerman N.J. Electrochem. Soc 1999. v. 112. № 2, p. 138; 2005, v. 112, № 2, p. 144.

2. Riggs O.L., Every R.L. «Corrosion», 1962, v. 18, № 7. p. 262t.

3. Trabanelly C, Carassiti V. «Advances in Corrosion Science аnd Technology.*. Plenum Press, 2011, v. 1.

4. Banerjec S.N.. Guha B.R. -- J. Indian Chem. Soc, 2009, v. 56, № 9, p. 880--884.

5. Desai М.N.,Shah G.V., Pandya М.М. -- In: 5th Eur. Symp. Corros. Inhibit., Ferrara, 2008, v. 2, p. 397--403.

Литература на русском языке:

6.Антропов Л.Я., Погребова И.С. -- В кн.: Коррозия и защита от коррозии. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 2010, т. 2,с. 27--112

7.Розенфельд И.Л. Ингибиторы коррозии. М.: Химия, 2007. 352 с.

8. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Батраков В.В. Адсорбция органических соединений на электродах. М.: Наука, 2008. 333 с.

Руководящие документы:

9. СНиП 3.05.05-84 “Технологическое оборудование и технологические трубопроводы”

10. ВСН 008-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Противокоррозионная и тепловая изоляция: ВНИИСТ Миннефтегазстрой, 1989. - 55с.;

11. Регламент «АК Транснефть» по замене коррозионных участков,секций на объектах МН

12. РД 153-39.4-056-00 Правила технической эксплуатации магистральных нефтепроводов.

13.СТО 2.2-137-2008 Правила эксплуатации магистральных газопроводов

14. Кривоносов С.А., Шабуро И.С. Технологический расчёт коррозии трубопроводов. Учебное пособие. Самара, 2010.

15. РД 153-30.4R-130-02 Регламент по вырезке и врезке коррозионных «катушек», соединительных деталей, заглушек, запорной и регулирующей арматуры и одклюючению участков МН.

16. СНиП 2-05-06-85* Магистральные трубопроводы.

17. СНиП III-42-80* Магистральные трубопроводы.

18. Бабин Л.А. и др. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. Москва,2013.

Нормативная система обеспечения качества:

19. ВСН 004-88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Технология и организация»

20. ВСН 005-88 «Строительство промысловых стальных трубопроводов. Технология и организация»

21. ВСН 006-89 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка»

22. ВСН 007-88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Конструкции и балластировка»

23. ВСН 008-88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Противокоррозионная и тепловая изоляция»

24. ВСН 010-88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Подводные переходы»

25. ВСН 012-88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приёмка работ. Части I, II»

26. ВСН 014-89 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Охрана окружающей среды»

27. ВСН 015-89 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Линия связи и электропередачи»

Приложение А

Коррозия нефтепровода «Дружба». Тело трубы после снятия старой изоляции

Коррозия нефтепровода «Дружба». Тело трубы до снятия старой изоляции

Приложение Б

Участок магистрального нефтепровода «Дружба» с недопустимой для дальнейшей эксплуатации потерей металла.

Устранение коррозии магистрального нефтепровода «Дружба» методом шлифовки коррозионной зоны

Приложение В

Язвенная коррозия магистрального нефтепровода «Муханово-Самара»

Язвенная коррозия магистрального нефтепровода «Нижневартовск-Курган-Куйбышев» Дефект годный к эксплуатации, но требующий ремонта. Слево-до ремонта шлифовкой, справаа-после ремонта шлифовкой.

Приложение Г

Данные внутритрубной диагностики. Изображение коррозии стенки трубопровода при компьютерной расшифровке результатов

Принцип действия УЗ дефектоскопа. Визуализация коррозии.

Размещено на Allbest.ru