На правах рукописи

САНДАКОВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (Нефтегазовая отрасль) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Бакиев Тагир Ахметович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович;

доктор технических наук, профессор Гареев Алексей Габдуллович.

Ведущее предприятие ОАО Газ-сервис филиал Уфагаз.

Защита состоится 4 марта 2005 года в 16-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан л3 февраля 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета М.М. Закирничная 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Основным объектом систем газораспределения и газопотребления являются наружные газопроводы подземного и наземного исполнения (городские, сельские, включая межпоселковые). Эти газораспределительные сети относятся к потенциально опасным производственным объектам.

Из года в год доля трубопроводов, длительно работающих (более 40 лет) под действием постоянного давления перекачиваемого газа, интенсивно увеличивается. Заменить их на новые практически нереально, рациональным является дальнейшая безопасная эксплуатация путем полного использования ресурсов несущей способности.

Решение этой задачи требует научного подхода - необходимости исследования физического состояния металла, закономерностей деградационных изменений его механических свойств в процессе длительного нагружения.

Явление, оказывающее влияние на динамику изменения служебных свойств металла, длительно находящегося под действием постоянной нагрузки при нормальных температурах, названо замедленным разрушением. Такой же процесс, происходящий при высоких температурах, называется ползучестью.

Воздействие внешних нагрузок и условия продолжительной эксплуатации газопроводов создают все условия для протекания процессов замедленного разрушения.

Применительно к объектам газораспределения и газопотребления явление замедленного разрушения относится к числу неисследованных. С учетом увеличения протяженности старых газопроводов (эксплуатируемых более 40 лет), установление склонности металла труб к замедленному разрушению и влияния этого явления на служебные свойства стали представляет большую актуальность.

Цель работы. Оценка влияния процессов замедленного разрушения металла на промышленную безопасность газораспределительных сетей.

Задачи исследований 1. Изучение условий эксплуатации подземных газопроводов и проявления процесса замедленного разрушения.

2. Исследование влияния процессов усталости и деформационного старения на прочностные и пластические свойства металла труб.

3. Изучение влияния коррозионной среды и закаленных структур на процесс замедленного разрушения.

4. Разработка методики расчета времени замедленного разрушения металла труб газораспределительных сетей.

Научная новизна 1. Установлены особенности развития явления замедленного разрушения в металле труб длительно эксплуатируемых городских газопроводов, обусловленные процессами усталости и деформационного старения; воздействием коррозионной среды и закалочных структур. Причины этого явления объяснены диффузионными и дислокационными процессами, происходящими в металле, приводящими к созданию внутренних напряжений и образованию охрупченных микрообластей, уменьшающими энергию связи между кристаллическими зернами.

2. Разработана методика расчета времени замедленного разрушения металла газопровода, подверженного длительному воздействию постоянных нагрузок. Основу методики составляет полученная формула с учетом эффекта деформационного старения и усталостных процессов в уравнении для определения времени, за которое напряжения релаксируют от начального значения до конечного.

Практическая ценность 1. Разработанная методика позволяет оценивать склонность металла труб к замедленному разрушению и определить его физическое состояние в зависимости от длительности эксплуатации. Преимущества использования данной ме тодики заключается в том, что, не проводя длительные испытания, можно путем расчета определить время замедленного разрушения металла длительно эксплуатируемых газопроводов. Методика расчетного определения времени замедленного разрушения используется в ГУП БашНИИнефтемаш.

2. Использованные в настоящей работе экспериментальные методы позволяют количественно определить изменения во времени механических свойств металла, для установления и долгосрочного прогнозирования сроков безопасной эксплуатации основных объектов системы газоснабжения - стальных подземных трубопроводов. Научные результаты включены в программы обучения специалистов НПОУ Инженерный Центр Техника, г. Уфа.

Апробация работы Результаты научных исследований докладывались и обсуждались:

- на Международной научно-практической конференции Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья (Уфа, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции Современные проблемы химии и химической технологии и экологической безопасности (Стерлитамак, 2004 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции Реновация: отходы - технологии - доходы (Уфа, 2004 г.);

- IV международной научно-технической конференции Сварка, Контроль, Реновация - 2004 (Уфа, 2004 г.).

Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы и приложения. Основное содержание опубликовано в восьми печатных научных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены краткая характеристика полученных результатов диссертационной работы, сведения о научной новизне, практической ценности и апробации работы. Отражен личный вклад автора в теоретические и практические разработки.

В первой главе приводятся сведения о подземных городских газопроводах как основном объекте систем газопотребления и газораспределения, об условиях их эксплуатации и техническом состоянии, подходах к определению и обеспечению безопасности эксплуатации.

Газификация городов России началась в 50-х годах прошлого столетия. По укрупненной оценке примерно 40% фонда городских и поселковых газопроводов имеют возраст около 20 лет (лстареющие газопроводы), около 30% - до 40 лет (лветхие газопроводы) и лишь 20% газопроводов могут считаться молодыми.

Подземные трубопроводы газораспределительных организаций в процессе эксплуатации подвержены действию постоянной статической нагрузки. Несмотря на то, что они находятся под редуцированным давлением, имеет место множество факторов, способствующих возникновению преждевременных отказов и даже аварий. Зачастую газопроводы соседствуют с электрифицированными путями, подземными трубопроводами различного назначения, высоковольтными кабелями, надземными линиями электропередач, создающими интенсивное поле блуждающих токов, приводящих к коррозионному воздействию на металл.

Надземные газопроводы имеют компенсирующие устройства, скользящие опоры, а подземные в городских условиях проходят под автомобильными дорогами и рельсовыми путями. Все это вызывает циклические нагрузки, которые могут привести к деформационному старению и порождать усталостные трещины.

В то же время необходимо отметить, что частотность циклических колебаний давления перекачиваемого газа незначительна, внутренняя поверхность труб практически не подвергается коррозионному и эрозионному износу.

Существует вероятность наводораживания металла газопроводов. Однако эти вопросы можно отнести с учетом условий эксплуатации газопроводов к совершенно неисследованным.

Таким образом, городской газопровод по условиям эксплуатации, характеру нагружения и свойствам перекачиваемой среды отличается от магистрального. В силу этого процессы изменений комплекса свойств металла при длительной эксплуатации городских газопроводов не будут описываться аналогично магистральным трубопроводам. Поэтому для решения вопросов продления жизненного цикла и определения остаточного ресурса возникает необходимость целенаправленных исследований применительно к трубопроводам систем газоснабжения.

В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.08-87 для строительства систем газоснабжения применяются трубы, изготовленные из углеродистой стали обыкновенного качества, а также из качественной стали и низколегированных, хорошо свариваемых и содержащих не более 0,25% углерода.

На обследованных объектах газопроводы были сооружены из углеродистых сталей марок Ст3, Ст4, Сталь 20 и низколегированной кремнемарганцевой стали повышенной прочности 17ГС. К основным примесным элементам относятся Mn, Si, и в незначительном количестве (0,3%) могут присутствовать Cr, Ni и Cu. У этих сталей хорошая свариваемость, они широко применяются в нефтяной отрасли, в частности в нефтехимическом аппаратостроении. Листы из этих сталей поставляются в холоднокатаном и горячекатаном состояниях. У холоднокатаного металла кристаллические зерна текстурованы, вытянуты в направлении прокатки, а у горячекатаного кристаллические зерна имеют равноосный вид. В этих сталях, возможно, присутствуют в небольшом количестве и другие элементы, например S и Р и др. Следует также отметить, что в них присутствуют неметаллические включения (сульфиды, окислы, нитриды) и дефекты технологического, механического и коррозионного происхождения.

В целом эти стали имеют высокие пластические свойства и хорошую свариваемость. По сопротивляемости к действию коррозионных сред относятся к мало- и пониженно-стойким.

В качестве статистических показателей причин аварийности на объектах трубопроводного транспорта приняты коррозия, внешнее механическое воздействие, брак в изготовлении труб и выполнении строительно-монтажных работ, ошибочные действия персонала.

Анализ реестра повреждений длительно эксплуатируемых газопроводов (с 1954 г.) предприятия Уфагаз показывает, что отказы имеют преимущественно коррозионное происхождение и составляет около 45% от общего числа повреждений.

В некоторых научных работах, посвященных аварийности на объектах трубопроводного транспорта, например, указывается, что усталость и старение металла труб вызывает замедленное разрушение, однако при этом не приводятся количественные данные отказов по этой причине, что можно объяснить лишь неизученностью этих процессов.

К настоящему времени доля длительно эксплуатируемых газопроводов (более 40 лет) из года в год интенсивно растет. Деградационные изменения механических свойств при этом являются неоспоримым фактом.

Ухудшение физического состояния металла газопроводов в основном оценивается показателями уменьшения отношения предела прочности к пределу текучести, снижением ударной вязкости металла. Однако количественное снижение этих механических свойств не превышает допустимых нормативных значений и не дает возможности оценивать продолжительность дальнейшей безопасной эксплуатации этих объектов, хотя эти изменения свойств несомненно свидетельствуют о протекании структурных изменений в металле труб.

Изменению свойств металла, которые в последующем могут привести к замедленному разрушению газопроводов, способствуют множество факторов, действующих в отдельности и в совокупности.

Проведенные нами исследования показали, что условия для протекания процессов замедленного разрушения при длительной эксплуатации городских газопроводов имеют место.

К числу факторов, приводящих к развитию явления замедленного разрушения в металле, относятся:

- деформационное старение;

- пластические деформации, которые появляются при изготовлении, строительстве и эксплуатации;

- образование структур закалки;

- воздействие перекачиваемого продукта и грунта.

Применительно к газопроводам это сложное явление относится к числу неизученных и представляет несомненную актуальность.

Без этого не представляются возможными установление научнообоснованных норм правильной эксплуатации и продление сроков безопасной эксплуатации. Настоящая работа посвящена решению некоторых аспектов выявления причин, создающих условия для замедленного разрушения, и их количественной оценки для практического применения в целях обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов систем распределения и потребления газа.

Вторая глава посвящена описанию сущности замедленного разрушения металла под действием статической нагрузки, условий его возникновения и проявления на исследуемых объектах.

Впервые это явление было обнаружено на закаленных сталях и некоторых сплавах.

Природа замедленного разрушения до сих пор полностью не изучена. Тем не менее структурный механизм, объясняемый диффузионными и дислокационными процессами, дает возможность понять сущность этого явления, описанную в трудах Коттрелла, Давыденкова Н.Н., Мотта, Набарро, Орована, Екобори, Бернштейна М.П., Шурокова С.С., Гордеевой Т.А. и др.

В диссертации подробно описаны известные по литературным источникам теоретические и экспериментальные сведения:

- о факторах, обусловливающих проявление замедленного разрушения в металлах и сплавах;

- об условиях его протекания под действием статических нагрузок;

- о структурном механизме (эволюции тонкой структуры металла) при замедленном разрушении;

- конечных эффектах замедленного разрушения и их влиянии на служебные свойства металлов.

Процессы и структурный механизм деформационного старения (основного фактора замедленного разрушения) углеродистых и низколегированных сталей относительно полно изучены в трудах Бабича В.К., Лютцау В.Г.