Совершенствование методов ультразвуковой толщинометрии для прогнозирования скорости и типа почвенной коррозии магистральных газонефтепроводов на образцах-свидетелях

Актуальность темы диссертации связана с одной из основных угроз целостности нефтяных и газотранспортных систем России – коррозией [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10].
Опасность коррозии для объектов трубопроводного транспорта определяется тем, что большинство систем магистральных нефтегазопроводов (МНГП) создаются как заглубляемые в грунт стальные трубопроводы с изоляцией. По магистральным трубопроводам нефти и газа осуществляют транспорт подготовленного продукта, освобожденного от воды и агрессивных примесей, вызывающих коррозию. Поэтому коррозии подвержена наружная поверхность стенок МНГП, прокладываемых и работающих, как правило, в грунтовой среде.
Срок эффективности работы предусмотренной конструкцией изоляции часто меньше срока возможной эксплуатации примененных стальных труб трубопровода, в результате в жизненном цикле трубопровода наступает период, связанный с коррозионными явлениями. Кроме того, зачастую, в процессе монтажа трубопроводов, по тем или иным причинам, происходит нарушение целостности изоляционного покрытия. Таким образом, часто именно коррозионные явления наружной поверхности стенок труб определяют реальные сроки эксплуатации нефтяных и газовых трубопроводов.
Согласно официальной статистике [11], [12] на МНГП только за последние 5 лет произошло 28 аварий (что составляет около 40% от общего числа), причиной которых стали коррозионные проявления.
Мероприятия по выявлению и предупреждению коррозии наружной поверхности стенок труб, реализуемые на эксплуатирующийся МНГП, в частности на объектах ПАО «Газпром», показали высокую эффективность. Вместе с тем, актуальность проблемы борьбы с коррозией на стальных МНГП
5
России имеет устойчивую тенденцию повышения [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [7], [23], [24], [25], [26]. Необходимость надежной эксплуатации действующих МНГП, работы по реконструкции и капитальному ремонту МНГП, находящихся в длительной эксплуатации, строительство новых МНГП, которые сегодня прокладываются в труднодоступных регионах и на территориях с осложненными условиями, диктуют требования по созданию эффективных автоматизированных систем непрерывного контроля коррозионного состояния систем МНГП и оперативного удаленного управления средствами электрохимической защиты от коррозии [3], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35].
Надежность работы подземных МНГП, обычно выполненных из стальных труб, во многом обусловлена работой противокоррозионной защиты, которая обеспечивается антикоррозионными покрытиями и средствами электрохимической защиты (ЭХЗ).
Первичной защитой являются покрытия, в случае нарушения целостности которых, грунтовая среда проникает к металлу трубы и начинают работать средства ЭХЗ.
Ключевым параметром, определяющим эффективность противокоррозионной защиты и, в конечном счете, ресурс МНГП, является скорость коррозии, которая определяется как отношение утонения стенки трубы к промежутку времени, за которое оно произошло. Считают, что поддержание скорости коррозии менее 0,1 мм/год является удовлетворительным результатом и обеспечивает безаварийную работу МНГП в течение всего проектного срока службы.
Для дистанционной прогнозной оценки потенциальной (определяемой в приближении, что изоляция разрушена) скорости коррозии подземных МНГП наиболее просто применять резистометрический метод, основанный на измерении электрической проводимости образца-свидетеля, подвергаемого коррозии. Для обеспечения идентичности электрохимических условий, образец-
6

свидетель электрически подключают к трубопроводу и погружают в грунт в околотрубном пространстве.
С 2013 года применение систем дистанционного автоматизированного коррозионного мониторинга стало обязательным для реконструируемых и вновь сооружаемых магистральных газопроводов системы ПАО «Газпром» [36]. Современные системы коррозионного мониторинга осуществляют дистанционный контроль состояния изоляции, управляют режимами работы средств электрохимической защиты от коррозии в режиме реального времени, позволяют выполнять оценку развития коррозионной ситуации наружной поверхности стенок труб на контролируемом участке газопровода. При этом необходимо прогнозировать развитие коррозионной ситуации и своевременно прогнозировать мероприятия по предотвращению развития коррозии на ранних стадиях [37], [38], [14], [17], [39].
Автоматизированные системы мониторинга технического состояния МНГП, объединяют сеть контрольно-измерительных пунктов дискретно устанавливаемых на протяжении трассы МНГП и связных каналами передачи данных. На каждом контрольно-измерительном пункте осуществляется автоматический мониторинг параметров состояния МНГП путем опроса комплекса датчиков, одним из которых является датчик определения скорости коррозии на основе образца-свидетеля. Достоверность данных, поступающих от контрольно-измерительных пунктов, определяется и точностью и функциональностью датчиков, используемых для контроля параметров МНГП, таким образом, актуальной задачей является совершенствование датчиков на основе образцов-свидетелей и разработки более достоверных методов оценки протекающей на них скорости коррозии и применения обоснованных превентивных мероприятий для ее сдерживания.
Степень разработанности темы. Вопросам эффективного регулирования работы средств электрохимзащиты и разработкой элементов систем коррозионного мониторинга посвящены работы отечественных и зарубежных
7

специалистов: АлександроваЮ.В. [1], АгинеяР.В. [40], ГлазоваН.Н. [18], Запевалова Д. Н. [41], Маршакова А. И. [42], Фуркина А. В. [43], Харионовского В. В. [7], Фатрахманова Ф. К. [44], Спиридовича Е. А. [6], Юшманова В. Н. [8], Яблучанского А. И. [45], Papavinasam S. [26], Yang L. [46].
Для обеспечения практической реализации резистометрического способа образец-свидетель выполняют либо в виде проволоки, либо тонкой пластины. Однако для подземных МНГП наиболее характерна неравномерная почвенная коррозия, включая коррозию пятнами, язвами и питтингами (точечную), а резистометрический метод удовлетворительно работает только при равномерной коррозии, кроме этого у такого метода есть существенные ограничения по ресурсу чувствительного элемента.
Большей локальностью обладает ультразвуковой (УЗ) акустический эхо- импульсный метод, научные основы которого развиты в работах Российских и зарубежных специалистов по УЗ дефектоскопии Клюева В. В. [47], [48], Королёва М. В. [49], Алешина И. П. [50], [51], Праницкого А. А. [52], Вопилкина А. X. [53], [54], Ермолова И. Н. [55], [54], Потапова А. И. [56], [57], Сясько В. А. [58], [59], [60], [61], [56], [57], Баранова В. М. [62], Мэзона У [63]. Для задач мониторинга равномерной коррозии трубопроводов периодически определяют указанным методом остаточную толщину образца-свидетеля, однако методические основы его применения для систем мониторинга технического состояния МНГП не были разработаны, соответственно для создания устройства оценки скорости и типа неравномерной коррозии методами УЗ толщинометрии необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы. Усовершенствовать методы УЗ толщинометрии для определения типа и скорости коррозионных процессов на образцах-свидетелях, для их последующей реализации в системах дистанционного коррозионного мониторинга подземных магистральных нефтегазопроводов.
Основная идея работы.
Выполнение прогнозной оценки скорости коррозии в системе мониторинга
8

технического состояния МНГП, выполняемой посредством физического моделирования коррозионных процессов при помощи образца-свидетеля, имитирующего незащищенный покрытием металл, помещаемый в околотрубное пространство, при помощи системы из совмещенного и раздельно-совмещенного пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), позволяет одновременно определить интегральный параметр (средняя толщина образца-свидетеля) и локальные параметры (ширину и глубину очаговой коррозии).
В работе были поставлены следующие задачи:
1) Провести анализ теоретических и экспериментальных исследований, посвященных оценке скорости коррозии материала труб МНГП и средств их защиты от коррозии.
2) На основе методов УЗ толщинометрии определить совокупность признаков для анализа типа коррозии, разработать алгоритмы зондирования и обработки принятых ДС, конструкцию нового автоматического устройства оценки скорости и типа коррозии для системы мониторинга технического состояния трубопровода, определить необходимые рабочие частоты используемых ПЭП.
3)На основе использования УЗ эхо-импульсных методов сформировать научно- обоснованные технические решения по разработке устройства оценки скорости и типа коррозии на образце-свидетеле, разработать новое устройство и выполнить его апробацию, в рамках которой определить достигнутую точность оценки скорости и типа коррозии.
Методы исследования. Использовался комплексный подход, включающий применение системного анализа, экспериментальных исследований, выполненных на оригинальных стендах с применением поверенного современного оборудования.
Основные теоретические результаты получены с использованием классических теорий, описывающих процесс распространения и отражения УЗ волн. Для обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики.
9

Научная новизна
1)С учетом свойств трубной стали, ожидаемой скорости коррозии и срока службы устройства для оценки скорости коррозии, установлены оптимальные параметры образца-свидетеля (толщина 10-15 мм) и пьезоэлектрических преобразователей (рабочая частота 2-2,5 МГц для совмещенного и 5 МГц для раздельно-совмещенного), применяемых для проведения оценки скорости и типа коррозии подземных трубопроводов.
2) Экспериментально установлено, что распределение отношения диаметров питтингов металла подземных трубопроводов к их глубине имеет нормальный характер, что позволяет применять разработанные по результатам исследований математические модели при оценке размеров локальных коррозионных дефектов. 3) Разработаны критерии и алгоритмы автоматической работы системы из совмещенного ПЭП и раздельно-совмещенного ПЭП, размещенных рядом на поверхности пластины образца-свидетеля, позволяющие осуществлять одновременную дистанционную оценку скорости и типа коррозии протекающего на корродирующей поверхности образца-свидетеля.
Теоретическая и практическая значимость
Раскрыты основные соотношения между параметрами образца–свидетеля, частотой зондирующей УЗ волны, при которых могут быть эффективно выполнены оценки скорости и идентификации типа коррозии на поверхности образца–свидетеля.
Определено, что при эксплуатации магистральных газопроводов типично появление питинговых коррозионных дефектов, для которых математическое ожидание отношения диаметра d и высоты h равно d/h=0,471.
Создана и апробирована конструкция опытного образца нового диагностического ультразвукового датчика для системы мониторинга технического состояния подземного трубопровода, использующая компоненты отечественной элементной базы и разрешенные для средств промышленной диагностики частоты, позволяющая выполнять автоматическую оценку скорости
10

и типа коррозии в течении нескольких лет.
Положения, выносимые на защиту
1. Облучение донной поверхности образца-свидетеля зондирующими УЗ импульсами при помощи совмещенного и раздельно-совмещенного ПЭП позволяет при условии применения соответствующей методики зондирования и обработки результатов оценить текущую толщину образца-свидетеля и условную высоту локальных коррозионных дефектов на его поверхности.
2.Разработанные способ и конструкция реализующего его прибора, обеспечивают с достаточной для практики точностью оценку скорости и типа равномерной и неравномерной коррозии образца-свидетеля, основанные на анализе промежутков времени между излучением зондирующих импульсов и приходом УЗ импульсов ДС, отраженных от корродированной донной поверхности образца-свидетеля, и амплитуды УЗ импульсов ДС, принимаемого совмещенным ПЭП, информация о которой с помощью эмпирически полученных кусочно-линейных уравнений регрессии позволяет оценивать условную ширину локальных коррозионных дефектов зоне облучения совмещенного ПЭП на донной поверхности.
Степень достоверности результатов подтверждается их согласованностью с общепризнанными представлениями о законах распространения акустических УЗ волн в твердых телах. Экспериментальные результаты подтверждаются их повторяемостью, применением поверенного, сертифицированного оборудования, а также соответствием материала испытываемых образцов, металлу МНГП. Результаты работы подтверждаются результатами практического внедрения и эксплуатации разработанного устройства в составе системы мониторинга технического состояния МНГП.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на: V и VI Международных научно-технических конференциях «Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2013, GTS-2015)» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Москва, 2013,
11

2015); IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2013» (г. Уфа, УГНТУ, 2013); Международном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, УГТУ, 2014, 2015, 2016); VIII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (Республика Беларусь, г. Новополоцк, ПГУ, 2014); Научно-технической конференции УГТУ (г. Ухта, УГТУ, 2014); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (с международным участием) «Проблемы функционирования систем транспорта» (г. Тюмень, ТюмГНГУ 2014); Межрегиональном семинаре (вебинаре) «Актуальные вопросы нефтегазотранспортной отрасли» (2015, 2016), I Международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт: теория и практика» (Москва, ВНИИСТ, 2016), XXIII Международной научно- технической конференции «Информационные системы и технологии» (ИСТ- 2017), посвященной 100-летию НГТУ – Нижегородского политехнического института (Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е.Алексеева, 2017 г.).
Соответствие специальности. По своему научному содержанию диссертационная работа соответствует пункту No3 (разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами), пункту No 4 (разработка методического, технического, приборного и информационного обеспечения для локальных, региональных и глобальных систем экологического мониторинга природных и техногенных объектов.) и пункту No 6 (разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля) паспорта специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».
Личный вклад автора в получение результатов работы заключается в постановке задачи, проведении теоретических исследований, разработке методик 12

проведения экспериментальных исследований, стендовых и полевых испытаний, анализе полученных результатов, разработке функциональных и технических требований, а так же алгоритмов работы нового устройства. При выполнении экспериментов, носящих коллективный характер, автору диссертации принадлежала определяющая роль.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России, патент РФ на изобретение.