Исследование дефектного состояния трубной стали магистральных газопроводов

 
 
 
 
 
 
Д. О. Буклешев, К. Ю. Шабанов 
 
 
 
 
 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТНОГО СОСТОЯНИЯ  
ТРУБНОЙ СТАЛИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

 
УДК 665.6:621.644 
ББК 39.77 
Б90 
 
 
 
Рецензенты:  
 
член-корр. ГАН РАО, доктор физико-математических наук, доктор технических 
наук, профессор ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей 
сообщения» Волов В. Т.; 
 
доктор технических наук, академик МАНЭБ, профессор Самарского  
государственного технического университета Яговкин Н. Г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Буклешев, Д. О. 
Б90  
Исследование дефектного состояния трубной стали магистральных 
газопроводов : монография / Д. О. Буклешев, К. Ю. Шабанов. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 104 с. : ил., табл.  
 ISBN 978-5-9729-1757-0 
 
Дана оценка влияния дефектов трубной стали на надежность и безаварийность эксплуатации магистральных газопроводов путем анализа результатов динамических испытаний и разрушающего контроля трубной 
стали. 
Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами 
эксплуатации объектов магистральных нефтепроводов. 
 
УДК 665.6:621.644 
ББК 39.77 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1757-0 
” Буклешев Д. О., Шабанов К. Ю., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 5 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ  
В ЭЛЕМЕНТАХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ  
ГАЗОПРОВОДОВ ....................................................................................................... 8 
1.1. Анализ статистических данных об авариях на магистральных  
газопроводах ................................................................................................................ 8 
1.2. Анализ опасности дефектов магистральных трубопроводов ........................ 10 
1.2.1. Описание наиболее распространенных дефектов сварных  
соединений ................................................................................................................. 16 
1.3. Анализ исследований влияния дефектного состояния на надежность  
магистральных газопроводов ................................................................................... 20 
1.4. Выводы по главе 
................................................................................................. 22 
2. ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТНОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ  
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ .............. 23 
2.1. Механизм образования остаточных сварочных напряжений,  
приводящих к образованию дефектов 
..................................................................... 23 
2.2. Моделирование дефектообразования в элементах сварных  
соединений магистральных газопроводов 
.............................................................. 28 
2.3. Моделирование влияния циклических нагрузок на усталость материала 
ОШЗ ............................................................................................................................ 39 
2.4. Выводы по главе 
................................................................................................. 44 
3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ  
С ДОПУСТИМЫМИ ДО ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕФЕКТАМИ ............................. 45 
3.1. Лабораторное исследование изменения механических свойств металла 
сварного соединения аварийного участка газопровода ........................................ 45 
3 

3.2. Исследование влияния внутренних напряжений в зоне допустимых  
до эксплуатации дефектов на процесс коррозионного растрескивания  
магистральных трубопроводов ................................................................................ 53 
3.3. Выводы по главе 
................................................................................................. 60 
4. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ФОРМИРОВАНИЮ  
ДЕФЕКТОВ ПРИ НАГРУЖЕНИИ ТРУБ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ ....... 62 
4.1. Выбор объектов контроля ................................................................................. 62 
4.2. Результаты измерения 
........................................................................................ 62 
4.3. Результаты оценки опасности трещин ............................................................. 68 
4.4. Обследование участка разрыва трубы ............................................................. 77 
4.5. Выводы по главе 
................................................................................................. 82 
5. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ. ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В ЗОНЕ  
С ДОПУСТИМЫМИ ДО ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕФЕКТАМИ  
ПРИ КРИТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ ...................................................................... 85 
5.1. Объекты и методы обследования ..................................................................... 85 
5.2. Расчетная оценка состояния дефектов при нагружении трубопроводов  
внутренним давлением ............................................................................................. 91 
5.3. Выводы по главе 
................................................................................................. 95 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 96 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
......................................................................................... 98 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Магистральные газопроводы являются объектами повышенной опасности, 
аварии, инциденты на которых могут привести к значительным потерям, а также 
значительному финансовому ущербу. Превалирующим критерием безаварийной 
и безопасной эксплуатации магистральных газопроводов является надежность 
основных его элементов. Надежность, прежде всего, определяется техническим 
состоянием магистрального газопровода, целостностью изоляционного покрытия, работоспособностью средств электрохимической защиты, работоспособностью КиП и автоматики, а также наличием дефектов металла в элементах сварных соединений. Сталь тела труб, сварной шов, а также околошовная зона могут 
содержать такие дефекты: допустимые до эксплуатации, не допустимые до эксплуатации и дефекты, требующие ремонта для допуска в эксплуатацию. Наличие 
любых дефектов в сварных швах магистральных газопроводов снижает их механическую прочность и приводит к трещинообразованию дефектной области при 
изменении внутренней нагрузки перекачки газа, и при воздействии различных 
факторов эксплуатации. Разрыв сварного стыка по причине потери механической прочности приводит к полной остановке перекачки газа, социальному, экологическому и экономическому ущербу, степень которого зависит от нахождения поврежденного участка (переход через железную дорогу, переход через водную преграду, входной и выходной шлейфы компрессорной станции и т. д.).   
В анализе надежности эксплуатации магистральных трубопроводов показывает, 
что наиболее подвержены отказам сварные стыки и их элементы. Это связанно с 
деформациями, возникающими в металле трубной стали, при производстве сварочных работ, а также наличию напряженно-деформированного состояния сварных элементов. 
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Эксплуатационная надежность магистральных газопроводов (МГ) определяется рядом факторов, сопровождающих их техническое состояние и характеристики процесса перекачки и опасных свойств перекачиваемой среды. Опасными производственными факторами являются: разрушение трубопровода или 
его элементов, сопровождающееся разлетом осколков металла и грунта; возгорание продукта при разрушении трубопровода, открытый огонь и термическое воздействие пожара; взрыв газовоздушной смеси; обрушение и повреждение зданий, сооружений, установок; пониженная концентрация кислорода; наличие 
дыма, токсичность выбросов составляющих элементов продукции. 
Основным фактором, определяющим надежность работы трубопровода, 
является его техническое состояние. Контроль за техническим состоянием и 
своевременным обнаружением дефектов и осуществляется линейной эксплуатационной службой.  
К дефектам газопроводов, снижающим надежность и приводящих к авариям, относятся: поврежденность трубопроводов от трещиноподобных дефектов, включая стресс-коррозионные трещины; поврежденность трубопроводов 
при наличии овализации сечения труб; поврежденность трубопроводов, связанная с наличием на трубах дефектов типа гофр и вмятин; поврежденность соединительных деталей; показатель технического состояния сварных соединений; 
поврежденность от повышенного уровня напряжений; поврежденность от переменных нагрузок. Наиболее опасными для эксплуатации трубопроводов являются дефекты в виде узкого разрыва металла стенки трубы-трещины в околошовной зоне сварочных соединений, возникающие по причине напряженно-деформированного состояния данных участков и возникновению коррозионного 
растрескивания под напряжением (КРН). 
В результате, качество сварочных соединений определяет степень надежности и безопасности всей конструкции магистрального газопровода. Гарантированная безопасность эксплуатации магистральных трубопроводов не может 
6 

быть организована без точного прогноза его технического состояния основанного на качественной диагностики сварочных соединений. 
Современные методы неразрушающего контроля основного металла труб 
и металла сварных соединений позволяют выполнить отбраковку контролируемых элементов за счет точного выявления дефектов и установления их характера. После оценки наличия дефектов и установления, местоположения, типа и 
размеров принимается решение о допустимости дефекта до эксплуатации или 
отбраковке дефектного элемента. Допуск выявленного дефекта в эксплуатацию 
с учетом его характеристики регламентируется в руководящей документации. На 
данный момент остается полностью не решен вопрос оценки влияния допустимых дефектов сварных соединений на надежность магистральных газопроводов 
и не в полном объеме рассмотрено поведение дефектов трубной стали в процессе 
эксплуатации газопроводов.  
Цель исследования оценки влияния дефектов на надежность работы магистральных газопроводов. Для достижения цели необходимо решение следующих задач: 
1. Анализ исследований в области дефектообразования в элементах сварных соединений с установлением причины образования дефектов. 
2. Оценить зависимость степени напряженно-деформированного состояния на изменения характеристик допустимых до эксплуатации дефектов сварных 
соединений.  
3. Выполнить лабораторные эксперименты по установлению изменения 
характеристик допустимых дефектов сварных соединений при циклической работе магистрального газопровода с моделированием изменения внутренней 
нагрузки давления газа. 
4. Провести экспериментальную проверку результатов лабораторных исследований на фрагменте действующего магистрального газопровода. 
 
 
7 

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ  
В ЭЛЕМЕНТАХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ  
ГАЗОПРОВОДОВ 
 
1.1. Анализ статистических данных об авариях  
на магистральных газопроводах 
 
Под надёжностью в общем смысле понимается свойство технического объекта сохранять во времени в установленных пределах значения функциональных 
параметров. Под управлением эксплуатационной надежностью магистральных 
газопроводов (МГ) можно понимать совокупность организованных методов воздействия, сформированных на основе информации о прочностном поведении его 
частей и направленных на поддержание или повышение его работоспособности 
и долговечности. В данном вопросе важным управляющим фактором является 
прочностной ресурс труб, который напрямую зависит от их дефектов [24]. По 
этой причине статистика о авариях и их причинах на МГ является основой для 
исследований в области повышения его надёжности. 
В многочисленных научных трудах [45] показатели надёжности технических объектов исследуются на основе аналитического описания или графика заотказов определяется по формуле: 
висимости отказов от наработки – интенсивности отказов ɉሺtሻ. Интенсивность 
 
௡(௧)
 
ே(௧)ο௧ , 
(1.1)                
 
ɉሺtሻ=
где ܰ(ݐ) – среднее число технических объектов, продолжающих работать в расο௧
ο௧
ଶ. 
Соответственно, 
сматриваемый интервал времени οݐ, т. е. период ݐെ
ଶ до ݐ+
ேቀ௧ିο೟
మቁାேቀ௧ାο೟
మቁ
 
ଶ
 . 
(1.2)                
 
  ܰ(ݐ) =
8 

Интенсивность отказов – это вероятность возникновения отказа объекта. 
Характеризует надежность объекта в выбранный момент времени. Является более точной характеристикой надежности.  
На рисунке 1.1 приведен график интенсивности отказов от срока эксплуатации МГ [6]. 
 
 
Рисунок 1.1. Зависимость интенсивности отказов от срока  
эксплуатации МГ 
 
На графике выделяются следующие участки: 
I. Участок ранних отказов, связанных с недостатками в проектировании  
и строительно-монтажных работах, интенсивность отказов уменьшается. 
II. Участок времени нормальной работы, отказы случайного характера. 
III. Участок старения, интенсивность отказов увеличивается, связан с усилением деградацией материала труб и коррозией под напряжением (КРН) [6, 41, 
29, 33]. 
КРН чаще всего развивается в области дефектов сварочного узла [30, 43]. 
В реальных условиях сварочно-монтажных работ возникновение таких дефектов 
9 

неизбежно. В целом сварочных дефектов много, и каждый имеет разную величину влияния на надёжность газопроводов.    
В связи с чем в рамках исследования необходимо детально рассмотреть 
сварочные дефекты и оценить их опасность при эксплуатации магистральных газопроводов (МГ).  
 
1.2. Анализ опасности дефектов магистральных трубопроводов 
 
Влияние дефектов, находящихся в сварном соединении, будет несколько 
иным, чем в металле трубы, что связано с наличием в сварной конструкции остаточных напряжений, которые возникают вследствие высокотемпературного неравномерного нагрева металла при сварке. Поэтому влияние дефектов, представляющих собой концентраторы напряжений, будет во многом зависеть от взаимного распределения остаточных напряжений и рабочих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. 
Для сварочных узлов характерны следующие дефекты [44]: 
− трещина сварного соединения – дефект сварного соединения в виде 
разрыва в сварном шве и (или) прилегающих к нему зонах (рис. 1.2); 
 
 
 
Рисунок 1.2. Трещина ОШЗ 
 
− продольная трещина сварного соединения – трещина сварного соединения, ориентированная вдоль оси сварного шва (рис. 1.3); 
10