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» 

 
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 

3.2. 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 
 
 

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. 
 
 
 

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 

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. 
 
 

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) =

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 

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);