Методы оценки скорости коррозии магистральных трубопроводов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ  
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

 
УДК 621.644.07 
ББК 39.7 
М54 
 
 
Авторы: 
Буклешев Д. О., Смоляков В. Б., Мельников В. Н., Семин С. В., Соколов Е. В. 
 
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 ФГБОУ ВО «Самарский  
государственный технический университет» Яговкин Н. Г.; 
кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Самарский государственный  
университет путей сообщения» Припутников А. П. 
 
 
 
 
 
 
 
М54   Методы оценки скорости коррозии магистральных трубопроводов : монография / [Буклешев Д. О. и др.]. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 80 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1830-0 
 
Показано исследование расчетного и инструментального метода определения скорости коррозии с фактическим значением. Решение задачи 
продления ресурса магистральных трубопроводов предполагает расчет 
скорости коррозионных процессов. Это позволит выполнить приблизительную оценку технического состояния магистрального трубопровода на 
стадии проектирования. 
Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами 
сооружения и ремонта магистральных газопроводов, а также для студентов и аспирантов направления «Трубопроводный транспорт нефти и газа». 
 
УДК 621.644.07 
ББК 39.7 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1830-0 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 
........................................................... 7 
1.1. Расчетные методы определения скорости коррозии ........................................ 7 
1.1.1. Мониторинг скорости коррозии по методу линейного  
поляризационного сопротивления (LPR)  
................................................................. 7 
1.2. Метод, основанный на измерении поляризационных кривых ...................... 14 
1.3. Традиционный расчетный метод определения коррозии металла  
трубопровода ............................................................................................................. 22 
1.4. Метод компьютерного моделирования коррозионных процессов  
трубопроводов, среда которых перекачивается под высокой температурой ..... 23 
1.4.1. Коррозия технологических трубопроводов, проходящих через  
котельные и промышленные объекты 
..................................................................... 23 
1.4.2. Формулы расчета глубины коррозии сталей в продуктах сгорания  
природного газа ......................................................................................................... 24 
1.4.3. Компьютерное моделирование расчета глубины коррозии сталей  
трубопроводов, перекачивающих среду с высокой температурой ...................... 25 
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ  
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ............................................................. 28 
2.1. Описание проведенных экспериментов 
........................................................... 28 
2.2. Исследование поведения образца трубной стали в реальном грунте 
........... 29 
2.3. Выбор раствора электролита 
............................................................................. 30 
2.4. Моделирование коррозионных процессов ...................................................... 32 
2.5. Определение концентрации ионов трехвалентного железа  
в электролите ............................................................................................................. 35 
2.6. Эксперимент по обнаружению концентраторов напряжений  
при помощи термографического метода ................................................................ 37 
2.6.1. Сбор электропечи для эксперимента............................................................. 37 
3 

2.6.2. Модуль управления температурой TZN4 ..................................................... 38 
2.6.3. Эксперимент по определению развития микротрещин в зоне обычной 
шлифовки под напряжением .................................................................................... 41 
2.6.4. Обоснование изменения скорости ультразвуковой волны  
в зонах концентрации напряжений 
.......................................................................... 43 
2.6.5. Результаты проведенного исследования 
....................................................... 46 
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МАГИСТРАЛЬНОГО 
НЕФТЕПРОВОДА «ДРУЖБА» ПО РЕЗУЛЬТАТАМ  
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА КОРРОЗИОННЫХ  
ПОВРЕЖДЕНИЙ....................................................................................................... 48 
3.1. Внутритрубная диагностика 
.............................................................................. 48 
3.2. Принцип действия магнитного дефектоскопа (MFL, TFi) 
............................. 49 
3.3. Оценка опасности дефектов типа утонения стенки газопровода 
.................. 51 
3.4. Оценка опасности локальных коррозионных дефектов компьютерным  
моделированием ........................................................................................................ 54 
3.4.1. Построение кривой допустимых дефектов методом компьютерного  
моделирования 
........................................................................................................... 54 
3.4.2. Выбор исходных данных для расчета ........................................................... 55 
3.4.3. Расчет прочности коррозионных кольцевых сварных соединений ........... 59 
3.5. Имитационное моделирование допустимой для безопасной эксплуатации 
магистральных газопроводов нагрузки на околошовные зоны с различной  
степенью коррозионного повреждения 
................................................................... 61 
3.5.1. Моделирование нагрузки при разной степени коррозионного  
повреждения элементов сварных соединений ....................................................... 63 
3.5.2. Выводы из моделирования ............................................................................. 73 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 74 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................. 75 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В связи с истечением срока эксплуатации технологических трубопроводов 
проблема научно обоснованного продления их ресурса исходит из практических 
потребностей отрасли. Остаточный ресурс зависит от технического состояния 
самого трубопровода. Ее решение позволит снизить затраты на ремонт и реконструкцию трубопроводов при одновременном обеспечении безопасной эксплуатации на «новый предельный срок». В связи с истечением ресурса технологических трубопроводов актуальной задачей является определение их технического состояния и возможности последующей эксплуатации. Критерием допуска 
к дальнейшей «работе трубопровода» является наличие в нем дефектов, недопустимых к эксплуатации. Одним из таких дефектов, самым распространенным  
и частым, является коррозия, то есть «потеря металла». В связи с этим для  
безопасной эксплуатации трубопровода необходимо решение следующих задач: 
1. Определение наличия и степени коррозионного повреждения тела трубопровода. 
2. Определение внешних факторов, влияющих на скорость коррозии. 
3. Выбор оптимального метода расчета скорости коррозии. 
4. Исследование коррозии как физического и химического процесса. 
5. Анализ выводов из исследования с фактическими образцами для определения наиболее точного метода. 
Коррозия металла – неизбежный процесс, связанный не только с возможной 
агрессивностью внешней и перекачиваемой среды, но и с термодинамической 
неустойчивостью металла. Термодинамическая неустойчивость металла заключается в том, что металл стремится отдать свою энергию внешней среде для «выравнивания» внутренней энергии его кристаллической решетки. Это обусловлено тем, что, при получении металла, в него вложена огромная механическая, 
тепловая и динамическая энергия: огромные температуры в доменных печах при 
5 

его выплавке из руды – тепловая энергия, последующее охлаждение – динамическая (так как при этом процессе параболическая кристаллическая решетка переходит в гиперболическую) и механическая энергия – жидкий металл застывает 
в какой-либо форме и принимает ее нетривиальную геометрию. 
На основе вышеперечисленных факторов объектом исследования в работе 
является тело металла технологического трубопровода и процессы, непроизвольно происходящие с ним.  
Предметом исследования является исследование расчетного и инструментального метода определения скорости коррозии с фактическим значением.  
Метод исследования: изделие из металла (образец) помещается в разные 
среды, имитирующие внешние факторы: грунт (его коррозионная активность), 
влажность, давление, содержание солей. Это все делается в кисло-щелочных растворах, имитирующих реальную корозионно-агресивную среду. Также понадобится ультразвуковой дефектоскоп. Ведь коррозия, прежде всего, возникает в 
местах наличия концентрации напряжений в полости металла. Причиной таких 
напряжений могут быть как внешние нагрузки, так и дефекты полости металла. 
Ультразвуковой на фазированных антенных решетках позволит определить концентрацию напряжения в металле. При наличии напряжений в металле УЗ волна 
имеет меньшую скорость прохождения полости металла, чем УЗ волна, проходящая через такую же сложность, имеющую те же геометрические, механические 
и химические показатели, без концентрации напряжения. Ультразвуковой дефектоскоп позволить измерить скорость прохождения УЗ волны. Чем выше концентрация напряжения, тем быстрее происходит потеря металла (коррозия), это связанно, например, с переходом гиперболической кристаллической решетки металла в параболическую при наличии концентратора напряжения. Для «визуализации» концентраторов напряжения в металле понадобится применение термической камеры, которая покажет наибольшее изменении в температуре определенной зоны металла, зоны имеющей концентрацию напряжения, в равномерно 
нагретом образце. 
 
6 

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 
 
Существует множество расчетных методов определения коррозии технологических трубопроводов. Расчетные методы могут быть выполнены как «вручную», то есть расчеты по формулам, так и при помощи ЭВМ (компьютерного 
расчета). Компьютерное моделирование процессов коррозии и расчет скорости 
коррозии более точен, так как учитывает не только технические параметры трубопровода, нагрузки на него, агрессивность внешней среды, но и наличие уже 
имеющихся дефектов. Коррозия (потеря металла) относится к дефектам трубопровода, и, в зависимости от толщины стенки трубопровода и величины коррозионного повреждения, определяется годность к эксплуатации. 
Как известно, наличие коррозии увеличивает скорость распространения 
коррозионного процесса, то есть металл без коррозии будет иметь меньшую скорость коррозионного процесса, чем металл, уже подверженный коррозии. Поэтому расчётные методы с использованием ЭВМ намного точнее «ручных», так 
как учитывают как наличие, так и степень коррозионного поражения тела трубопровода. Инструментальные методы, в свою очередь, точнее расчетных, потому 
что основаны на фактических значениях. 
Для определения погрешности между методами необходимо сравнить 
данные расчетного метода, провести исследование (эксперименты), то есть получить результаты инструментального метода и сравнить полученные значения. 
 
1.1. Расчетные методы определения скорости коррозии 
 
1.1.1. Мониторинг скорости коррозии по методу линейного  
поляризационного сопротивления (LPR) 
 
Метод линейного поляризационного сопротивления (LPR) является единственным способом, позволяющим измерить скорость коррозии непосред7 

ственно в режиме реального времени. Хотя этот метод ограничивается проводимостью жидкости, временем отклика и точностью данных, однако он остается 
предпочтительным среди всех других форм контроля коррозии, где это необходимо.  
Метод (LPR) особенно полезен в качестве метода для быстрого выявления 
коррозии и оперативного принятия технических мер по исправлению положения, 
тем самым продлевается срок эксплуатации оборудования и сводятся к минимуму незапланированные простои. Максимальный эффект достигается при установке в системе непрерывного мониторинга. 
Эта методика успешно используется на протяжении более тридцати лет, почти во всех видах агрессивных сред на водной основе. Некоторые из наиболее 
распространенных применений: 
• Системы охлаждения воды 
• Вторичные восстановительные системы 
• Очистка питьевой воды и распределительных систем 
• Системы очистки сточных вод 
• Процессы при добыче полезных ископаемых 
• Производство целлюлозы и бумаги 
• Добыча углеводородов с попутной водой 
Принцип измерения 
Когда металл электрода погружается в электролитически-проводящую жидкость достаточной окислительной мощности, он будет корродировать. Этот процесс включает в себя две одновременные дополнительные реакции.  
На анодных участках металл будет переходить из твердой поверхности в 
окружающий раствор и, таким образом, оставлять избыток электронов на поверхности металла. Избыточные электроны потекут в близлежащие катодные 
участки, на которых они будут окисляться от агрессивной жидкости. Простой 
пример, как железо растворяется в кислотном растворе, показан на рисунке 1. 
  
8