ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГАЗОПРОВОДОВ ОТ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

PRACTICAL STUDY OF DEPENDENCE RATE CORROSION PIPELINE WELDED JOINTS ON EXTEMAL FACTORS

Dmitry Bukleshev

post-graduate student Samara State Technical University, Samara state technical university,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

Опытным путем был смоделирован процесс коррозии трубной стали в реальном грунте. Исходя из процента потери металла подобран электролит, схожий по коррозионной активности с самым распространенным грунтом, в котором залегают трубопроводы средней полосы России. На помещенный в электролит фрагмент сварного стыка магистрального газопровода создано воздействие магнитного поля, эмитирующего наличие блуждающих токов, воздействующих на трубопровод вблизи железных дорог и линий электропередач. Наиболее подвержены коррозии участки тела трубопровода с внутренними напряжениями металла. Такими участками являются сварные стыки магистральных трубопроводов и околошовные зоны. Проведенный анализ результатов экспериментов показал усиление процесса потери электронов фрагментами сварных стыков магистрального газопровода, при воздействии блуждающих токов.

ABSTRACT

Empirically, it was simulated the process of corrosion of pipe steel in actual soil. Based on the percent metal loss from the chosen electrolyte, similar in corrosion activity with the most widespread ground, in which lie the pipelines of Central Russia. In placed in the electrolyte fragment of the weld joint of the main gas pipeline the generated magnetic field, emitting the presence of stray currents acting on the pipeline in close proximity to Railways and power lines. The most exposed to corrosion parts of the body conduit with the internal stresses of the metal. These areas are of welded joints of pipelines and heat affected zone. The analysis of the results of the experiments showed the strengthening of process of loss of electrons by fragments of welded joints of gas-main pipelines, when exposed to stray currents.

Ключевые слова: коррозия, магистральный трубопровод, напряжения в околошовной зоне, моделирование коррозийных процессов, блуждающие токи, электролит, потеря металла, концентрации напряжения в металле.

Keywords: corrosion, main pipeline, stresses in the weld zone, modelling of corrosion processes, stray currents, the electrolyte, metal loss, concentration of stress in metal.

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов под воздействием химического или физико-химического влияния окружающей среды. В широком понимании, коррозии подвергаются не только металлы, но и любые материалы, будь то бетон, пластмасса, резина или керамика. Коррозия протекает в самых разных средах, но в основном, это газообразные и жидкостные (грунт, вода, окружающая атмосфера и т. д.). Причиной возникновения и протекания процессов коррозии является термодинамическая неустойчивость материалов к определенным компонентам, находящихся в окружающей их среде [1].

В процессе эксплуатации магистральных трубопроводов происходят неоднократные продольные и поперечные перемещения трубопровода, в следствие вспучивание грунтов, что приводит к образованию напряжений. Кроме этого, возникают различного рода очаги коррозионного растрескивания вследствие воздействия нагрузки и коррозии трубопровода. Анализ аварий и инцидентов на магистральных газопроводах показывает, что основными источниками повреждений при эксплуатации являются локальные зоны напряжений – локальная коррозия, трещины по принципу коррозионного растрескивания под напряжением.

Коррозия металлов трубопроводов происходит при любых внешних условиях, так как метал, стремиться уравнять свою энергию с энергией окружающей среды. На всех этапах сооружения трубопровода затрачивается масса энергии, которая накапливается в теле металла. Это энергия, полученная металлом труб при изготовлении: выплавки металла труб из руды в доменных печах при высоких температурах, закалка и обработка металла, трубопрокат и т. д. [6]. Пытаясь уравнять собственную энергию с энергией окружающей среды, металл отдает электроны, то есть происходит процесс коррозии.

Практика эксплуатации трубопроводов показала, что наиболее подвержены коррозии сварные стыки и околошовные зоны (ОШЗ). Это связанно с тем, что в процессе сварки, в результате местного нагрева металла и его последующего охлаждения, в сварном соединении образуется неравномерное температурное поле. Учитывая химический состав трубной стали и условий охлаждения при сварочных работах, микроструктура околошовных зон сварных стыков изменяется от мартенситной до ферритно-перлитной структуры. При сварке трубопровода выделяется высокая погонная энергия, которая в процессе сварки приводит к перегреву металла ОШЗ и ухудшает его структуру, снижает его механические свойства. Таким образом, в теле металла возникают сжимающие и (или) растягивающие термические внутренние напряжения и металл теряет свои изначальные характеристики. К этим характеристикам относят как прочностные свойства, так и стойкость к коррозии [2].

Одной из особенностей трубопроводов является факт различия развития коррозионных процессов в зависимости от наличия дополнительных напряжений в ОШЗ. Иными словами, в случае наличия дополнительных напряжений коррозия будет развиваться быстрее. Это обусловлено тем, что напряженно деформированное состояние ОШЗ сварных стыков трубопроводов «растягивает» зерна металла, способствуя появлению и развитию микротрещин, то есть происходит ослабление связей между кристаллическими решетками отдельных частиц металла, что является катализатором процесса коррозии. Установлено, что наличие напряжений увеличивают возможность протекания местной, в частности межкристаллитной, коррозии [3]. Важно подчеркнуть, что только лишь в условиях общей коррозии может реализоваться вязкое разрушение бездефектного, но напряженного металла трубопроводов при нормальных режимах эксплуатации. Это можно объяснить тем, что несмотря на постоянство действующей на эксплуатируемый трубопровод нагрузки имеющиеся напряжения и деформации в металле возрастают, и в определенный момент времени возможно наступление текучести металла, а затем потеря устойчивости пластических деформаций.

Так как сварные стыки и ОШЗ трубопроводов имеют напряжения в структуре металла и находятся под постоянной нагрузкой эксплуатации, то они наиболее подвержены коррозии и образованию коррозионных дефектов. Под воздействием различных факторов, формирующих коррозионную активность среды, процесс коррозии металла ОШЗ протекает с различной скоростью. Наиболее высокую скорость имеет электрохимическая коррозия. Это коррозия, возникающая под действием блуждающих токов в зоне залегания трубопровода, вблизи линий электропередач (ЛЭП) и железных дорог Причиной этому является ускорение процесса потери металлом трубопровода электронов. Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. В основном такой средой является грунт. При этом восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости. У металлов трубопроводов поверхность негомогенная, т. к. разные атомы занимают в сплаве различные положения в кристаллической решетке. Поверхность металла трубопровода состоит из множества электродов. Контактируя с коррозионной средой, образующиеся гальванические элементы способствуют электрохимическому разрушению трубопровода. Воздействие блуждающих токов на металл трубопровода ускоряет скорость потери металла электронов.

Исследование поведения образца трубной стали в реальном грунте

Данный эксперимент проводится для выбора электролита, идентичного по коррозионной активности распространённому грунту, взаимодействующим с трубопроводом – обводненным суглинком.

Образцы из стали 17Г1С плотностью 7850 кг/м³ с линейными размерами 0,073*0,012*0,001 м (73*12*1 мм) массой 56,3 г (измерения массы в данном случае и в дальнейшем проведены на лабораторных электронных весах) был помещен в обводненный суглинок, привезенный из оренбургской области, на 100 суток при постоянной температуре 15^оС.

Сопоставление результата потери массы металла в экспериментах с фактическими данными о степени и скорости коррозии трубопроводов в реальных условиях выполняется исходя из данных ОАО ЦТД «Диаскан» о коррозии магистральных трубопроводов в различных условиях [4]. Фотографии образца до и после помещения в реальный грунт представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1. Фотография образца до помещения в грунт

Рисунок 2. Фотография образца после пребывания в грунте

После нахождения в суглинке была измерена масса образца. Весы показали значение 51,52 г, то есть потери металла составили 2,38 грамма – 4,2 %. Зная это значение, выполняется подбор электролита, идентичного грунту по коррозионной активности.

Выбор раствора электролита

Из стали 17Г1С на заводе ЦСКБ «Прогресс» были изготовлены 4 образца длиной 73 мм и диаметром 3,5 мм. Масса образцов 5,51 г (+/- 0,2 %, погрешностью электронных весов пренебрегаем).

Эти образцы были помещены в растворы электролитов с PH 7,4; 8,6; 9,0 и 10,5 (кислотная среда). Данные о кислотности растворов были взяты из результатов исследований суглинков РФ. Каждый из цилиндрических образцов был помещен в раствор и оставлен в нем на 50 суток при постоянной температуре 15 градусов по Цельсию.

Первый образец, помещенный в электролит с кислотностью РН 7,4 потерял 1,4 % массы (рисунок 3).

Рисунок 3. Образец 1 в электролите с РН 7,4

Второй, при РН 8,6 электролита – потерял 2,4 % массы (рисунок 4).

Рисунок 4. Образец 2. Образец 1 в электролите с РН 8,6

Третий образец, при РН 9,0 электролита – потерял 4,4 % массы (рисунок 5).

Рисунок 5. Образец 3 в электролите с РН 9,0

Четвертый, при РН 10,5 электролита – потерял 4,7 % массы (рисунок 6).

Рисунок 6. Образец 4 в электролите с РН 10,5

В результате эксперимента выявлено что раствор, в котором находился Образец № 3, по уровню кислотности сопоставим с реальным суглинком из Оренбургской области. Следовательно, в нем можно смоделировать коррозионный процесс трубопровода при воздействии блуждающий токов.

Моделирование коррозионных процессов при воздействии блуждающих токов

Целью данного эксперимента, являющегося основополагающим в данном эксперименте, является практическое подтверждение усиления скорости потери металла при воздействии блуждающих токов [7]. В качестве экспериментальных образцов используются фрагменты сварного стыка с околошовной зоной магистрального трубопровода Dn=1420 мм, толщиной стенки 19 мм, изготовленные из стали 17Г1С. Кроме того, из обрезков той же стали были изготовлены опытные образцы. По химическому составу металл образцов (массовая доля компонентов, %: С – 0,11, Si – 0,94, Мn – 1,5, S – 0,012, Р – 0,01, Сг – 0,1, Ni – 0,07, Сu – 0,07, V – 0,08) удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГОСТ 19281-89* к стали марки 17Г1С.

Оба экспериментальных образца – фрагмента сварных стыков с околошовной зоной магистрального трубопровода были помещены в аквариум с электролитом, выбранным в предыдущем эксперименте, на 100 суток.

Помимо этого, в целях моделирования наиболее экстремального сценария развития коррозии на реальном трубопроводе, вокруг одного из аквариумов с электролитом было создано магнитное поле при помощи двух стальных стержней, обмотанных стальной проволокой, и постоянного электрического тока малой мощности (рисунок 7).

Рисунок 7. Создание магнитного поля для одного из образцов, помещенного в раствор электролита

Система находилась в устойчивом состоянии – контролировалась температура электролита с РН 9,0, равная 18˚С, электролит не перемешивался механически, аккумуляторы своевременно менялись.

Визуальный осмотр каждого аквариума с фрагментами трубопровода с образцом проводился каждые 10 дней течения эксперимента, данные заносились в дневник наблюдений. После 100 дней эксперимента из каждого аквариума был взят образец электролита для определения концентрации ионов трехвалентного железа в нем.

Определение концентрации ионов трехвалентного железа в электролите

Для определения концентрации железа в электролите применяется метод фотометрии. Фотометрический метод определения массовой концентрации общего железа основан на образовании сульфосалициловой кислотой или ее натриевой солью с солями железа окрашенных комплексных соединений, причем в слабокислой среде сульфосалициловая кислота реагирует только с железом (Fe 3⁺) и при его наличии среда обретает красное окрашивание. Для определения концентрации Fe 3+ в электролите необходимо определить оптическую плотность окрашенного электролита (среды) при длине волны 500 нм. Для определения оптической плотности используется спектрофотометр, позволяющий измерять оптическую плотность при длине волны 500 нм. В качестве реактива используется сульфосалициловая кислота [5].

Согласно описанной выше методе определяем содержание ионов железа в растворе электролита после 100 дней опыта (рисунок 8). Измерения проводятся в следующих условиях:

• температура окружающего воздуха (20 ± 5) С;
• атмосферное давление (84,0–106,7) кПа (630–800 мм.рт.ст.);
• относительная влажность (80 ± 5) %.

а                                    б

Рисунок 8. Раствор электролита в реакции с сульфосалициловой кислотой. а) без имитации воздействия блуждающих токов; б) с имитацией воздействия блуждающих токов

Анализ результатов фотометрического метода показал, что концентрация железа в электролите, в котором находился экспериментальный образец без воздействия блуждающих токов (рисунок 7а) составляет от 0,1 мг/л, в электролите с образцом, который подвергнут воздействию блуждающих токов 0,6 мг/л.

Заключение:

Проведенный эксперимент по определению концентрации железа в электролите, идентичному по коррозионной активности суглинку, показал, что при наличии блуждающих токов фрагмент сварного стыка с околошовной зоной трубопровода, помещенный в электролит, отдал окружающей его среде железа больше, чем тот фрагмент, на которого не было воздействия блуждающих токов. Визуально видимое увеличение насыщенности окраски изначально прозрачного раствора электролита дополнительно свидетельствует о переходе ионов железа из стального образца в раствор, что свидетельствует о наличии электрохимической коррозии на нем. Это говорит о том, что коррозионные повреждения трубопровода под воздействием блуждающих токов (пересечении ЛЭП и железной дороги) наиболее сильные, чем при простой почвенной коррозии, при воздействии блуждающих токов скорость коррозии трубной стали намного выше. Поэтому, на при залегании трубопровода вблизи ЛЭП и железной дороги требуется применение усиленных мер по защите от коррозии. При уже имеющихся коррозионных повреждениях требуется специальная обработка металла трубопровода шлифованием.

Список литературы:

1. Антропов Л.Я., Погребова И.С. – В кн.: Коррозия и защита от коррозии. Итоги науки и техники. – М.: ВИНИТИ, 2010, т. 2, С. 27–112.
2. Касьянов А.Н. Оценка работоспособности околошовных зон кольцевых сварных соединений магистральных трубопроводов: дис. … канд. техн. наук. – Москва, 2012.
3. Маковецкая-Абрамова O.В., Хлопова А.В., Маковецкий В.А. Исследование концентрации напряжений при сварке трубопроводов [Текст] // Технико-технологические проблемы сервиса – 2014. – № 2 (28) – С. 25–27.
4. ОАО «ЦТД «Диаскан» Решение Проблемного научно-технического совета Российского союза нефтегазостроителей по теме «Новые научные и технические достижения во внутритрубной диагностике трубопроводов». 28 сентября 2011 г., г. Москва.
5. ПНД Ф 14.1:2.50-96 «Методика выполнения измерений массовой концентрации общего железа в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой», Методика допущена для целей государственного экологического контроля МОСКВА 1996 г. (издание 2004 г.).
6. Притула В.В. – В кн.: Подземная коррозия трубопроводов и резервуаров. Изд. «АКЕЛА». Москва,2003.
7. Родников С.Н., Лихачев В.А., Шишкина С.B., Кондратов В.М., Вопросы металловедения в гальванотехнике и коррозии: Учебное пособие. – Горький: изд. ГГУ, 1989. – 104 с.