Кратко о стресс-коррозии газопроводов

Анализ статистики аварий на магистральных газопроводах (МГ) России показывает, что больше половины аварий вызвано стресс-коррозионными дефектами. Этот вид разрушения стенок трубопроводов также называют коррозионным растрескиванием под напряжением или сокращенно КРН. Дефекты КРН существенно отличаются от дефектов связанных с потерей металла таких, как коррозионные язвы и питтинговая коррозия. Дефекты потери металла характеризуются сравнительно гладкими краями. В то время как дефект КРН представляет собой колонию нераскрывшихся трещин глубиной 5-20% от толщины стенки трубы.

КРН возникает на внешней поверхности труб. Трещины ориентированы в направлении, перпендикулярном направлению максимального растягивающего напряжения, то есть преимущественно вдоль оси тубы. В некоторый момент времени сетка поверхностных трещин срастается в одну магистральную трещину. После этого магистральная трещина достаточно быстро растет в длину. Это и приводит к разрыву трубопровода.

Ведущими факторами, влияющими на процесс коррозионного растрескивания, являются: величина растягивающих напряжений; состояние изоляционного покрытия; состав и структура сплава из которого изготовлены трубы; состояние электрохимзащиты на конкретном участке трубопровода; технология и качество формовки при изготовлении труб, влияющие на уровень остаточных напряжений в околошовной зоне; тип окружающего грунта. КРН характерно для магистральных газопроводов (МГ).

В стенках труб нефтепроводов КРН встречается значительно реже. Сочетание многих факторов влияет на образование и скорость роста стресс-коррозионных трещин в колонии. Предсказать где этот процесс приведет к аварии без проведения внутритрубной диагностики практически невозможно.

Основной целью внутритрубной диагностики (ВТД) является определение срока безопасной эксплуатации отдельных участков трубопровода, со всеми существующими на данном участке дефектами: строительными дефектами, дефектами уноса металла, а также стресс-коррозионными дефектами.

Анализ литературы показывает, что за последнее десятилетие число аварий МГ обусловленных стресс-коррозией превышает число аварий МГ из-за дефектов потери металла. В то же время количество записей о дефектах КРН в отчетах ВТД в сотни раз меньше, чем записей о дефектах потери металла. Это свидетельствует об очень низкой степени выявляемости стресс-коррозионных дефектов, на начальной стадии развития, когда локальная колония поверхностных трещин еще не начала срастаться в магистральную трещину.

С повышением достоверности выявления опасных дефектов КРН и наружной коррозии труб при периодическом проведении ВТД связывается возможность оптимизации (уменьшения) объема капитальных ремонтов газопроводов при удержании аварийности на существующем уровне или снижении этого уровня.

Известные методы ВТД обнаружения стресс-коррозии

В настоящее время определение дефектов КРН при проведении ВТД стальных трубопроводов возможно следующими тремя методами:

1) TFI-метод. Метод регистрации утечек магнитного потока при поперечном намагничивании участка трубы. При поперечном намагничивании утечка магнитного поля на продольных трещинах более заметна. В этом способе применяется внутритрубный магнитный дефектоскоп, перемещающегося в газовой или жидкой среде.

2) CD-метод. Он заключается в сплошном ультразвуковом сканирование стенки трубы при возбуждении ультразвуковой волны с помощью пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). В этом методе ультразвуковые волны, излученные бортовыми ПЭП, заводятся в стенку трубопровода через слой окружающей внутритрубный снаряд жидкости под некоторым углом к внутренней поверхности стенки трубопровода. Для работы по этому методу требуется внутритрубный ультразвуковой дефектоскоп, который перемещается в жидкости. При этом для диагностики газопроводов создается так называемая подвижная водяная пробка с помощью дополнительных поршней-разделителей двигающихся впереди и сзади дефектоскопа.

3) И, наконец, - ЭМАП-метод. Этот метод заключается в возбуждении ультразвуковых волн непосредственно в стенке трубы с помощью бесконтактных электромагнитноаккустических преобразователей (сокращенно ЭМАП), расположенных на внутритрубном ЭМАП-дефектоскопе. Такой дефектоскоп может перемещаться в газовой среде. Поэтому этот метод также называют методом «сухого ультразвука». Хотя ЭМАП так же хорошо работают и в жидкой среде.

Фундаментальный недостаток метода поперечного намагничивания

Про первые два из отмеченных методов можно отметить следующее: TFI – метод поперечного намагничивания не выявляет достоверно неглубокие (до 15% толщины стенки трубопровода) стресс-коррозионные трещины, из-за того, что чувствительные к изменению магнитного поля датчики при внутритрубной диагностике находятся, по определению, внутри трубы, а стресс-коррозионные трещины всегда образуются на внешней поверхности трубопровода.

Если бы датчики скользили вдоль той же поверхности, на которую выходят нераскрывшиеся трещины (как при диагностике откопанной трубы внешнетрубными сканерами), то на трещиноподобных дефектах регистрировался бы существенный градиент напряженности магнитного поля. Но при внутритрубной диагностике между датчиками, регистрирующими вытеснение магнитного поля в месте расположения дефекта и самим дефектом в виде поверхностной нераскрывшейся неглубокой трещины, находится слой металла почти равный номинальной толщине стенки трубопровода.

При этих условиях изменения магнитного поля, регистрируемые датчиками внутритрубного дефектоскопа, носят очень размытый характер. А так как амплитуда магнитного сигнала падает пропорционально квадрату расстояния между датчиком и дном трещины, то магнитный сигнал от внешней трещины глубиной 10-15% сопоставим по амплитуде с уровнем шума, который регистрируется этими датчиками из-за шероховатости внутренней поверхности трубопровода. При этом величина неровностей на внутренней поверхности новых трубопроводов составляет порядка 0.1 мм и увеличивается до 0.3 мм и более в трубопроводах эксплуатировавшихся несколько лет.

Из-за этого фундаментального недостатка TFI – метода (как и любого другого метода основанного на эффекте вытеснения магнитного поля в зоне дефектов) он не оправдывает тех надежд, которые еще недавно возлагались на него с точки зрения мониторинга стресс-коррозионных повреждений магистральных газопроводов.

TFI-метод подходит только для регистрации глубоких продольных трещины (более 20% толщины стенки трубы) и дефектов уноса металла. Но когда локальные трещины в зоне КРН достигают 20% толщины стенки, то процесс срастания сетки локальных трещин в магистральную трещину может пойти очень быстро. Интервала времени до проведения следующего внутритрубного обследования может не хватить для предотвращения аварии.

В то же время, слишком частое проведение ВТД может оказаться непосильным бременем для эксплуатирующих газопровод организаций. Поэтому для мониторинга КРН необходимо с высокой достоверностью обнаруживать все трещины (одиночные и в колониях) с глубиной 10% и даже меньше.

Экономическая нерентабельность диагностики в водяной пробке

CD-метод ультразвукового обследования в водяной подвижной пробке оказался экономически нерентабелен из-за потерь связанных с выведением участка газопровода из эксплуатации на длительный срок для осушки после проведения ВТД этим методом. Хотя сам по себе CD-метод является достаточно надежным с точки зрения регистрации трещиноподобных дефектов, в том числе и продольных неглубоких трещин на внешней поверхности.

В газовой среде этот метод применяться не может в силу значительно большего коэффициента отражения ультразвуковой волны от границы газ-металл по сравнению с границей нефть-металл или вода-металл. То есть «ввести» ультразвуковую волну от пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) в металлическую стенку газопровода и принять отразившийся от внешнего дефекта сигнал не получается в силу физических ограничений связанных с законами распространения и отражения ультразвуковых волн. Поэтому для диагностики МГ этим методом приходится создавать подвижную «водяную пробку», а потом выполнять осушку газопровода.

Метод сухого ультразвука

В связи с недостатками TFI и CD-методов, ЭМАП-метод (метод сухого ультразвука), при его использовании на внутритрубном дефектоскопе, является наиболее перспективным направлением повышения достоверности обнаружения и ранжирования стресс-коррозионных повреждений газопроводов.

В связи с интенсивным развитием электроники в последнее десятилетие сложились благоприятные условия для применения этого метода во внутритрубной диагностике. И в настоящее время у ведущих компаний занимающихся разработкой внутритрубных ЭМАП-дефектоскопов (PII, ROSEN, СПЕЦНЕФТЕГАЗ и некоторые другие) уже сменилось несколько поколений таких внутритрубных приборов.

Но следует отметить, что под общим названием ЭМАП-метод подразумевается очень большое разнообразие технологий и способов возбуждения и записи различных типов ультразвуковых волн. Иными словами, существует большое разнообразие конструкций ЭМАП, которые, в отличие от ПЭП, могут излучать различные виды ультразвуковых волн (продольные, сдвиговые), а также их комбинации. Некоторые из этих волн лучше подходят для целей внутритрубной диагностики, чем другие.

Например, качество строительства трубопроводов, сильно отличается в России и Европе. Особенно если сравнивать трубопроводы построенные или отремонтированные в середине 90-х годов прошлого века. Тогда в России не хватало средств на такие работы и качество выполнения работ сильно снизилось. Общепризнанным фактом является то, что в российских газопроводах имеется больше строительных дефектов и отклонений геометрии (вмятины, нестыковки кромок, грат, остатки электродов и т.п.).

Это имеет большое значение для выбора конструкции ЭМА-преобразователей для диагностики российских газопроводов, так как оказывают решающее влияние на общую надежность и достоверность ЭМАП-метода. Чтобы понять почему ЭМАП-метод более чем другие магнитные методы (TFI, MFL) зависит от дефектов геометрии необходимо ближе познакомиться с особенностями электроакустического метода возбуждения ультразвуковых волн в стенке трубы и примерами конструкций ЭМАП.

Обзор электромагнитоакустических преобразователей

Остановимся на обзоре лишь тех видов волн и ЭМА-преобразователей, которые в настоящее время получили наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике ВТД.

Прежде всего, следует отметить, что электромагнитноакустические преобразователи бывают магнитострикционными и лоренцовскими. В магнитострикционных преобразователях ультразвуковые волны возбуждаются за счет локальных деформаций сжатия или растяжения, возникающих в металлах при циклическом изменении напряженности магнитного поля в толще металла в этих местах.

При этом линии постоянного магнитного поля (в отличии от циклически изменяющегося магнитного поля, порожденного вихревыми поверхностными токами) в магнитострикционных преобразователях всегда параллельны поверхности.

Следует отметить, что амплитуда ультразвуковых колебаний в металле, вызванных магнитострикционным эффектом сильно зависит не только от напряженности магнитного поля, проникающего на некоторую глубину в толщу металла, но и от электрической проводимости металла, а также от его магнитной проницаемости. Все эти характеристики существенно изменяются от одной марки стали к другой и даже от одного конца конкретной 12 метровой трубы к другому ее концу.

Кроме того, на амплитуду ультразвуковых колебаний оказывает существенное влияние остаточная намагниченность металла, которая надолго остается в стенках трубопроводов после пропуска по ним магнитных диагностических или очистных внутритрубных снарядов. По этим причинам магнитострикционные ЭМАП имеют в настоящее время ограниченное применение в ВТД.

Лоренцовские ЭМАП

В лоренцовских ЭМАП ультразвуковые волны возбуждаются за счет силы Лоренца, которая действует на свободные электроны в металлах, когда вихревые поверхностные токи находятся в области постоянного магнитного поля. Причем магнитное поле должно быть перпендикулярно направлению вихревого тока. Таким образом, направление поверхностного вихревого тока, линии магнитного поля и сила Лоренца взаимно перпендикулярны друг другу и образуют правую тройку. То есть направление силы Лоренца всегда можно определить по «правилу буравчика».

Вихревые токи в поверхностном слое металла возбуждаются при циклическом изменении тока в проводнике специальной формы (так называемой RF-катушке), расположенном непосредственно над поверхностью металла. Причем ток в RF-катушке и поверхностный вихревой ток всегда направлены в противоположные стороны.

Частоты, которые используются в ЭМАП, лежат в диапазоне от 100 кГц до нескольких МГц. При частоте 200 кГц длина ультразвуковой волны в стали составляет порядка 10 мм.

Лоренцовские преобразователи сконструированы так, что вихревые токи находятся в зоне сильного постоянного магнитного поля. Причем, в ВТД постоянное магнитное поле создается постоянными магнитам. В других промышленных применениях ЭМАП-метода, где нет столь сильных ограничений по мощности электропотребления, сильное постоянное магнитное поле, как правило, создается с помощью электромагнитов.

Большим преимуществом лоренцовских ЭМАП является их гораздо меньшая, по сравнению с магнитострикционными ЭМАП, зависимость от магнитной проницаемости и электропроводности металла труб. А также то, что в лоренцовских ЭМАП амплитуда возбуждаемой ультразвуковой волны практически не зависит от состояния поверхности металла и остаточной намагниченности конкретного участка трубопровода.

Поэтому в настоящее время в ВТД применяются в основном лоренцовские ЭМАП, так как их работа более предсказуема в трубопроводах различной толщины и собранных из труб различных марок сталей. Следует отметить, что магнитострикционные эффекты также проявляются и в лоренцовских ЭМАП. Обычно эти эффекты носят паразитный характер.

Но, например, компания РОЗЕН использует ЭМА-преобразователи, в которых ультразвуковые волны различного направления и поляризации возникают одновременно за счет действия как лоренцовского, так и магнитострикционного эффектов.

Горизонтально и вертикально поляризованные сдвиговые волны

Следует также отметить, что в ЭМАП-методе для ВТД, применяются сдвиговые ультразвуковые волны двух различных поляризаций. Сдвиговые волны могут распространяться только в твердых телах, например в металлах. В сдвиговых волнах колебания атомов кристаллической решетки перпендикулярны направлению распространения волны. Этим сдвиговые волны отличаются от продольных волн разряжения сжатия, которые могут распространяться не только в твердых телах, но и в газах и жидкостях.

В продольных волнах колебания атомов или молекул вещества происходят в том же направлении, что и направление распространения волны. При распространении сдвиговой волны в пластине или трубе колебания атомов могут происходить в направлении перпендикулярном поверхности - тогда говорят о вертикальной поляризации. А при колебаниях атомов параллельно поверхности говорят о горизонтальной поляризации сдвиговой волны.

В ВТД ультразвуковую волну с вертикальной поляризацией принято обозначать SV (от англ. Shear Vertical), а с горизонтальной поляризацией - SH (от англ. Shear Horizontal). Названия "вертикальная" и "горизонтальная" поляризации остались с тех времен, когда исследования сдвиговых волн велись в лабораториях на металлических пластинах которые лежали на столе. И тогда действительно при прохождении сдвиговой волны с вертикальной поляризацией атомы металла двигались по вертикали. А горизонтально поляризованной волне колебания атомов были горизонтальны.

Эти названия потеряли свой первоначальный смысл для тех случаев, когда рассматривается распространение волн в стенках трубопроводов. Для труб вертикально поляризованную сдвиговую волну логичнее было бы назвать нормальной (или перпендикулярной) сдвиговой волной. А горизонтально поляризованную волну в трубе, возможно, логичнее было бы называть сдвиговой волной с окружной (или продольной) поляризацией. Но будем придерживаться общепринятой терминологии, используя обозначения SV и SH.

Преимущества и недостатки SH и SV сдвиговых волн

Следует отметить, что для обнаружения продольных стресс-коррозионных трещин SH и SV-волна должны распространяться в окружном (не осевом) направлении по стенке трубы. В настоящее время в ВТД используются как вертикально (SV), так и горизонтально (SH) поляризованные ультразвуковые волны. Причем решающих преимуществ одной поляризации над другой нет. Поэтому сторонников SH-волн приблизительно столько же сколько и сторонников SV-волн.

Компании РОЗЕН и российская компания СПЕЦНЕФТЕГАЗ традиционно используют SV-волны. А компания PII (подразделение General Electric) и российская компания ТРИСТАН остановили выбор на SH-волнах.

SH-волны имеют меньшую дисперсию. То есть фронт такой волны практически не размывается с удалением от источника или после отражения от дефекта. Также скорость распространения SH-волны практически не зависит от толщины стенки трубы. За счет этого алгоритм обработки сигналов для обнаружения и определения размеров дефектов в стенке трубопровода при использовании SH-волн очень простой.Это повышает достоверность обнаружения и распознавания дефектов.

Основным недостатком конструкции ЭМАП с горизонтальной поляризацией следует признать необходимость расположения RF-катушки, по которой должны пропускаться импульсные токи величиной до 100 Ампер, в узком зазоре между мощным постоянным магнитом и стенкой трубопровода. Причем величина этого зазора должна поддерживаться с достаточно большой точностью и при этом не должна превышать нескольких миллиметров.

Обеспечить поддержание величины зазора при скорости движения внутритрубного дефектоскопа около 2 м/с и притяжении магнита к стенке трубопровода с силой в тысячи Ньютон очень проблематично. RF-катушка может быть легко повреждена в те моменты, когда магнит проходит над кольцевым сварным швом или над дефектом геометрии внутренней поверхности трубопровода (нестыковка кромок, вмятины, остатки электродов и т.п.).

Подбор специальных износостойких защитных пленок для RF-катушки и создание механических систем автоматического поддержания величины зазора - это основные направления совершенствования лоренцовских ЭМАП с горизонтально поляризованной SH-волной.

Компания PII (входящая в концерн GE) добилась определенных успехов в обследованиях газопроводов в США и Европе, совершенствуя с 2003 года данную конструкцию лоренцовских ЭМАП с SH-волной. Работоспособность этой конструкции в типичных российских газопроводах, возможно, потребует подтверждения испытаниями в действующих газопроводах.

В лоренцовских ЭМАП с вертикально поляризованной сдвиговой SV-волной силовые линии магнитного поля параллельны поверхности. Поэтому RF-катушки в лоренцовских ЭМАП-дефектоскопах располагаются между полюсами постоянных магнитов или между металлическими щетками, через которые магнитное поле вводится в стенку трубопровода. Поэтому излучающая RF-катушка в этих ЭМАП не зажата в узком зазоре между магнитом и стенкой трубопровода, а прижимается с некоторым минимальным усилием к внутренней поверхности.

Это кардинально повышает живучесть и надежность работы всего дефектоскопа. Кроме того, общая компоновка такого ЭМАП-дефектоскопа с ультразвуковой SV-волной очень похожа на компоновку магнитного дефектоскопа с продольным или поперечным намагничиванием стенки (на MFL или TFI-дефектоскоп). Только вместо магнитных датчиков Холла или магниторезистивных датчиков, между полюсами магнитов располагаются RF-катушки, которая излучают и принимают ультразвуковые волны, распространяющиеся в стенке трубопровода.

Намагничивание стенки трубы производится постоянными магнитами. Намагничивать стенку до насыщения в ЭМАП-методе не требуется.

Компания РОЗЕН использует для намагничивания магнитные блоки с плавающим подвесом. А компания СПЕЦНЕФТЕГАЗ использует магниты с металлическими щетками. За последние пятнадцать лет совершенствования на магнитных дефектоскопах обе конструкции хорошо себя зарекомендовали с точки зрения надежности работы при прогонах по российским и зарубежным газопроводам и нефтепроводам.

Основным недостатком ЭМАП-дефектоскопов с вертикально поляризованной сдвиговой волной является зависимость скорости распространения SV-волны от толщины стенки трубопровода (дисперсия ультразвуковых волн). Это усложняет алгоритм обработки сигнала и интерпретацию отраженных от дефектов сигналов.

Мониторинг стресс-коррозионных повреждений газопроводов

В настоящее время на прямых участках газопроводов внутритрубными ЭМАП-дефектоскопами обнаруживаются нераскрывшиеся продольные трещины с площадью боковой поверхности 40-100 мм2 при глубине трещины 1-2 мм. Такой чувствительности уже вполне достаточно для мониторинга стресс-коррозионных повреждений магистральных газопроводов на ранней стадии развития дефектов КРН.

Причем, горизонтально поляризованные SH-волны чуть менее чувствительны к неглубоким трещинам (до 15%-20% толщины стенки) по сравнению с вертикально поляризованными SV1-волнами, которые также называются симметричными волнами Лэмба.

Быстрому внедрению ЭМАП-дефектоскопов для регулярных обследований газопроводов мешает их более высокая стоимость по сравнению с магнитными дефектоскопами, а также недостаточный запас автономной работы.

Перспективы ЭМАП-метода

Дело в том, что мощность, потребляемая ЭМА-преобразователями, как минимум на порядок больше, чем мощность потребляемая ПЭП на ультразвуковых CD или WM-дефектоскопах, при одинаковой амплитуде ультразвуковой волны в стенке трубопровода. А по сравнению с магнитными TFI или MFL-дефектоскопами, общая мощность потребления электроэнергии ЭМАП-дефектоскопа может быть на два порядка больше.

Поэтому для обеспечения достаточного запаса хода и диагностирования линейных участков магистральных газопроводов длиной до 150 - 200 км в ЭМАП-дефектоскопах приходится либо увеличивать количество аккумуляторов, что связано с увеличением веса и, как следствие, снижением проходимости и надежности, либо уменьшать количество бортовых ЭМАП, что приводит к снижению качества обследования.

В связи с этой проблемой для дальнейшего совершенствования ЭМАП-дефектоскопов очень актуальна задача получения электроэнергии на борту внутритрубного снаряда. Ведь для подачи газа по магистральному газопроводу используются центробежные нагнетатели с мощностью привода десятки мегават. То есть в любом газопроводе плотность потока потенциальной энергии сжатого газа очень высока.

Достаточно научиться преобразовывать лишь сотую долю процента этого потока энергии в электроэнергию на борту дефектоскопа и проблема с запасом хода будет решена без потери качества сканирования стенок трубопровода.

Разработка такой техники с учетом соблюдения всех требований взрывобезопасности и надежности вполне возможна на современном уровне развития силовой электроники и электроприводов. Но требуются определенные капитальные вложения.

Поэтому нужны специальные программы и финансирование проектов по совершенствованию ЭМАП-дефектоскопов с целью повышения достоверности обнаружения стресс-коррозионных повреждений газопроводов ЕСГ России. Это приведет к повышению качества внутритрубной диагностики и, как следствие, к более рациональному планированию капитальных ремонтов участков газопроводов при снижении общих затрат и постепенном снижении аварийности.