Пример реферата по геологии: ОПОЛЗНИ: формулировка явления, географическое положение, признаки процесса, причины возникновения.

Содержание

Введение3

1. Формулировка явления4

2. Географическое положение и приуроченность4

3. Признаки процесса4

4. Причины возникновения и условия развития5

5. Стадии и закономерности развития6

Заключение9

Список литературы10

Выдержка из текста работы

№	Результаты обучения	Требования ФГОС, критериев и/или заинтересованных сторон
1	2	3
Р1	Применять естественнонаучные, математические, гуманитарные, экономические, инженерные, технические и глубокие профессиональные знания в области современных нефтегазовых технологий для решения прикладных междисциплинарных задач и инженерных проблем, соответствующих профилю подготовки (в нефтегазовом секторе экономики)	ОК-1; ОК-2; ОК-3, ОПК-1; ОПК-2; ОПК-4; ОПК-5; ОПК-6; ОПК-7, ОПК-8, ПК-1; ПК-2; ПК-3; ПК-4; ПК-6; ПК-7; ПК-9; ПК-10; ПК-11; ПК-14; ПК-16; ПК-17; ПК-19; ПК-20; ПК-21; ПК-23
Р2	Планировать и проводить аналитические и экспериментальные исследования с использованием новейших достижений науки и техники, уметь критически оценивать результаты и делать выводы, полученные в сложных и неопределённых условиях; использовать принципы изобретательства, правовые основы в области интеллектуальной собственности	ОК-1; ОК-2; ОПК-2; ОПК-4; ОПК-6; ПК-1; ПК-2; ПК-3; ПК-4; ПК-5; ПК-6; ПК-7; ПК-8; ПК-9; ПК-10; ПК-11; ПК-14; ПК-15; ПК-17; ПК-18; ПК-19; ПК-20; ПК-22; ПК-23
Р3	Проявлять профессиональную осведомленность о передовых знаниях и открытиях в области нефтегазовых технологий с учетом передового отечественного и зарубежного опыта; использовать инновационный подход при разработке новых идей и методов проектирования объектов нефтегазового комплекса для решения инженерных задач развития нефтегазовых технологий, модернизации и усовершенствования нефтегазового производства.	ОК-1; ОК-2; ОПК-1; ОПК-2; ОПК-3; ОПК-6; ОПК-7, ОПК-8, ПК-1; ПК-2; ПК-3; ПК-4; ПК-5; ПК-6; ПК-7; ПК-8; ПК-9; ПК-11; ПК-13; ПК-14; ПК-15; ПК-18; ПК-20;ПК-21; ПК-22; ПК-23
Р4	Внедрять, эксплуатировать и обслуживать современные машины и механизмы для реализации технологических процессов нефтегазовой области, обеспечивать их высокую эффективность, соблюдать правила охраны здоровья и безопасности труда, выполнять требования по защите окружающей среды.	ОК-2; ОПК-1; ОПК-2; ОПК-7, ОПК-8, ПК-1; ПК-3; ПК-6; ПК-9; ПК-10; ПК-11; ПК-14; ПК-16; ПК-17; ПК-18; ПК-19; ПК-21; ПК-22;
Р5	Быстро ориентироваться и выбирать оптимальные решения в многофакторных ситуациях, владеть методами и средствами математического моделирования технологических процессов и объектов	ОК-2; ОК-3; ОПК-1; ОПК-2; ПК-4; ПК-5; ПК-6; ПК-7; ПК-8; ПК-9; ПК-10; ПК-11; ПК-17; ПК-20;
Р6	Эффективно использовать любой имеющийся арсенал технических средств для максимального приближения к поставленным производственным целям при разработке и реализации проектов, проводить экономический анализ затрат, маркетинговые исследования, рассчитывать экономическую эффективность.	ОК-2; ОПК-1; ОПК-2; ОПК-4; ОПК-7, ОПК-8, ПК-1; ПК-3; ПК-4; ПК-5; ПК-6; ПК-8; ПК-9; ПК-10; ПК-11; ПК-13; ПК-14; ПК-15; ПК-16; ПК-17; ПК-18; ПК-19; ПК-20; ПК-21; ПК-22; ПК-23
Р7	Эффективно работать индивидуально, в качестве члена и руководителя команды, умение формировать задания и оперативные планы всех видов деятельности, распределять обязанности членов команды, готовность нести ответственность за результаты работы	ОК-1; ОК-2; ОК-3; ОПК-1; ОПК-2; ОПК-4; ОПК-5; ОПК-6; ПК-6; ПК-11; ПК-12; ПК-13; ПК-14; ПК-15; ПК-23
Р8	Самостоятельно учиться и непрерывно повышать квалификацию в течение всего периода профессиональной деятельности; активно владеть иностранным языком на уровне, позволяющем работать в интернациональной среде, разрабатывать документацию и защищать результаты инженерной деятельности	ОК-1; ОК-2; ОК-3; ОПК-2; ОПК-3; ОПК-4; ОПК-5; ОПК-7, ОПК-8, ПК-1; ПК-8; ПК-23

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Институт природных ресурсов

Направление подготовки (специальность) Нефтегазовое дело

Кафедра Транспорта и хранения нефти и газа

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой

_____ _______ __

(Подпись) (Дата) (Ф.И.О.)

ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы

В форме:

Магистерской диссертации

Тема диссертации:

АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ СТРЕСС-КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:

Исходные данные к работе
Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования, конструирования; содержание процедуры исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе)	Введение 1 Существующие механизмы разрушения МНГП, анализ разрушений 2 Проблема водородного охрупчивания трубопроводов эксплуатируемых в водородосодержащих средах 3 Механизм и кинетика водородного охрупчивания сталей трубного сортамента. 4 Влияние режимов катодной защиты трубопровода на выделение водорода на внешней катоднозащищенной поверхности 5 Анализ режимов катоднои? защиты на участках аварии?ных разрушении? магистральных нефтегазопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением 6 Предлагаемый критерий катодной защиты трубопровода исключающий выделение водорода и наводороживание 7 Расчетная часть 8 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 9 Социальная ответственность Заключение
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)	1. Виды коррозионных повреждений металлов и сплавов 2. Статистика коррозионных отказов в Западной Сибири 3. Схема локального элемента 4. Принципиальная схема коррозионного элемента (по Томашеву) 5. Нормальные электродные потенциалы металлов 6. Зарождение микротрещины 7. Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в стенке трубы стали Х70 8.Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в сварном соединении в стали Х70 9. Влияние различных факторов на скорость коррозии 10. Зависимость частоты коррозионных отказов от удельного электрического сопротивления грунта. 11. Зависимость частоты отказов от расстояния до компрессорной станции (по ходу газа) 12. Зависимость количества отказов от состояния изоляционного покрытия (плотности тока, необходимой для защиты) 13. Нарушение адгезии изоляционного покрытия трубопровода 14. Адсорбция поверхностно-активных элементов на поверхности металла 15. Растворение границ зерен с образованием зародышей трещин 16. Зарождение микротрещины 17. Физико-механическая модель роста трещины 18 Стойкость трубных сталей к охрупчиванию 19 Зависимость плотности поляризующего тока от потенциала на катоде 20 Схема процесса обезуглероживания стали 21 Интенсивность наводороживания образцов из стали 17ГС при различных внутренних напряжениях в зависимости от превышения тока катодной защиты над предельным по кислороду 22 Схема роста пузырьков газа у верхней боковой и нижней образующих трубопровода 23 Катодные поляризационные кривые стального рабочего электрода (сталь 17ГС) в торфяном грунте при польном его влагонасыщении 24 Распределение плотности тока катодной защиты и величины катодной поляризации по окружности трубопровода 25 Распределение максимальной глубины проникновения коррозии по окружности трубопровода 26 Зависимость плотности тока катодной защиты и остаточной скорости коррозии от величины катодной поляризации 27 Соотношение затрат электрической энергии на подавление коррозионного процесса трубопровода и на наводороживание стенки трубы при различных режимах катодной защиты 28 Экспериментальная зависимость величины катодной поляризации dф от соотношения jк.з./jпр 29 Аппаратно-программный комплекс “Магистраль”
Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы (с указанием разделов)
Раздел	Консультант
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
Социальная ответственность
Раздел ВКР, выполненный на английском языке

Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику

Задание выдал руководитель:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

Задание принял к исполнению студент:

Группа	ФИО	Подпись	Дата

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт — Институт природных ресурсов

Направление подготовки — Нефтегазовое дело

Кафедра — Транспорта и хранения нефти и газа

Форма представления работы:

Магистерская диссертация

КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН

выполнения выпускной квалификационной работы

Срок сдачи студентом выполненной работы:

Дата контроля	Название раздела (модуля) /вид работы (исследования)	Максимальный балл раздела (модуля)
Октябрь 2014 г — июнь 2015 г	Подбор теоретической информации по выбранной теме с использованием литературы из фондов НТБ	15
Февраль 2015 г	Рассмотрение различных видов коррозии металла и рассмотрение факторов, влияющих на ее скорость	10
Март 2015 г	Рассмотрение влияния режимов катодной защиты трубопроводов	15
Март 2015 г	Анализ режимов катодной защиты на участках аварийных разрушений	20
Апрель 2015 г	Постановка задач исследования при подготовке магистерской диссертации	5
Июнь 2015 г	Социальная ответственность, финансовый менеджмент	10
Апрель 2016 г	Согласование с научным руководителем структуры и содержания разделов диссертации	10
Апрель — май 2016 г	Написание окончательного варианта диссертации	10
Май 2016 г	Подготовка доклада и презентации для защиты	5

Составил преподаватель:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

СОГЛАСОВАНО:

Зав. кафедрой	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА

«ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ»

Студенту:

Группа	ФИО

Институт	ИПР	Кафедра	ТХНГ
Уровень образования	Магистр	Направление/ специальность	«Надежность газонефтепроводов и хранилищ»

Исходные данные к разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»:
1. Стоимость ресурсов научного исследования (НИ): материально-технических, энергетических, финансовых, информационных и человеческих	«Оценка затрат на проведение научно-исследовательской работы «Исследование метода обнаружения возникновения и развития стресс-коррозионных дефектов в процессе длительной эксплуатации трубопроводов»
2. Нормы и нормативы расходования ресурсов	СО 153-34.09.101-94 — «Типовая инструкция по учету электроэнергии»;
3. Используемая система налогообложения, ставки налогов, отчислений, дисконтирования и кредитования	1. Налоговый кодекс РФ 2. ФЗ — 2013 от 24.07.2009 в редакции от 09.03.2016г. № 55-ФЗ
Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке:
1. Оценка коммерческого потенциала, перспективности и альтернатив проведения НИ с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения	Обоснование перспективности разработки в целях повышения технико-экономических показателей
2. Разработать плана научно-исследовательского проекта	Составление календарного плана проекта с учетом необходимых временных и трудовых затрат
3. Произвести расчет затрат научно-исследовательского проекта	1.Определение основных статей расходов на реализацию проекта 2.Составление сметы затрат
Перечень графического материала
1. Расчетные формулы: Заработная плата, страховые взносы 2. Таблицы: - Матрица SWOT - Оценка степени готовности научного проекта к коммерциализации - Календарный план-график проведения НИОКР

Дата выдачи задания для раздела по линейному графику

Задание выдал консультант:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

Задание принял к исполнению студент:

Группа	ФИО	Подпись	Дата

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА

«СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ»

Студенту:

Группа	ФИО

Институт	ИПР	Кафедра	ТХНГ
Уровень образования	Магистр	Направление/ специальность	«Надежность газонефтепроводов и хранилищ»

Исходные данные к разделу «Социальная ответственность»:
1. Характеристика объекта исследования (вещество, материал, прибор, алгоритм, методика, рабочая зона)	Рабочее место трубопроводчика располагается на линейной части трубопровода под открытым небом. В связи со спецификой производства работы ведутся круглосуточно (посменно), без выходных и праздничных дней.
Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке:
1. Производственная безопасность 1.1. Анализ выявленных вредных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого решения в следующей последовательности:	К вредным факторам, которым подвергается трубопроводчик линейный относятся: Отклонение показателей климата на открытом воздухе. Превышение уровня шума и уровня вибрации. Тяжесть и напряженность физического труда, эмоциональные стрессы.
1.2. Анализ выявленных опасных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого решения в следующей последовательности:	К опасным факторам, которым подвергается оператор по добыче нефти и газа относятся: Движущиеся машины и механизмы. Электрический ток. Пожаровзрывобезопасность.
2. Экологическая безопасность:	Анализ воздействия объекта на атмосферу: Строительство и эксплуатация объектов нефтедобычи связаны с выделением загрязняющих веществ в атмосферный воздух; анализ воздействия объекта на гидросферу: Опасных воздействий не обнаружено; анализ воздействия объекта на литосферу: ликвидация всех замазученных участков, прежде всего, в водоохранных зонах рек и озер;вырубка лесов; выбор специальных мест для захоронения отходов (например, отработанные карьеры);
3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях:	Оценка и прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Описание возможных аварийных ситуаций на скважине Характеристика мероприятий по защите персонала промышленного объекта в случае возникновения ЧС.
4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности:	Характерные для проектируемой рабочей зоны: Рабочая смена не более 12 часов, выдача каждому трубопроводчику линейному по пол литра молока в день. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны: Содержание рабочего места в порядке, проверка заземлений, проверка состояния оборудования и своевременное устранение дефектов; применение исправного электрооборудования и эксплуатация его в соответствии с требованиями технических паспортов, правил устройства электроустановок.

Дата выдачи задания для раздела по линейному графику

Задание выдал консультант:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

Задание принял к исполнению студент:

Группа	ФИО	Подпись	Дата

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА ВКР,

ВЫПОЛНЕННОГО НА ИНОСТРАННОМ ЯЗЫКЕ

Приложение А

Раздел:

______________Mechanisms of Stress-Corrosion Cracking_____

Студенту:

Группа	ФИО	Подпись	Дата

Институт	ИПР	Кафедра	ТХНГ
Уровень образования	Магистр	Направление/специальность	Надежность газонефтепроводов и хранилищ

ЗАДАНИЕ:

Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов	1 The Phenomenon of SCC 2 Overview of SCC Mechanisms 3 Controlling parameters 4 Important fracture features 5 Phenomenology of Crack-initiation processes

Дата выдачи задания для раздела по линейному графику

Задание выдали консультанты:

Консультант кафедры ТХНГ ИПР:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

Консультант — лингвист кафедры ИяПР ИПР:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата

Задание принял к исполнению студент:

Группа	ФИО	Подпись	Дата

РЕФЕРАТ

Объектом исследования является применение современных методов технической диагностики электрохимической защиты от коррозии трубопроводов.

Цель работы — анализ эффективности электрохимической защиты от коррозии трубопроводных систем позволяющие прогнозировать и предотвращать коррозионный износ трубопроводов.

В работе приведены существующие механизмы разрушения магистральных нефтегазопроводов, основные условия возникновения коррозии, влияние различных факторов на скорость коррозии, а так же проблема водородного охрупчивания.

Проведен анализ причин возникновения и развития стресс-коррозионных дефектов в процессе длительной эксплуатации подземных трубопроводов. Описаны условия формирования коррозионных трещин. Исследован режим катодной защиты трубопровода исключающий выделение водорода и наводороживание.

АННОТАЦИЯ

Выпускная квалификационная работа состоит из 158 страниц, 29 рисунков, 26 таблиц, 52 источника литературы.

Ключевые слова: НЕФТЕГАЗОПРОВОД, КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ, ВОДОРОДНОЕ ОХРУПЧИВАНИЕ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА, СТРЕСС-КОРРОЗИЯ, НАВОДОРОЖИВАНИЕ, КАТОДНАЯ ЗАЩИТА, КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ.

Работа содержит введение, заключение, перечень использованной литературы, одного приложения и восемь разделов основной части диссертации.

В первой главе приведены основные понятия коррозии металлов. Описаны виды коррозионных повреждений металлов и сплавов. Приведена статистика коррозионных отказов Западной Сибири. Раздел содержит условия возникновения коррозии, а так же основные теории, описывающие природу возникновения склонности материалов к коррозионному растрескиванию.

Вторая глава содержит информацию о проблеме водородного охрупчивания трубопроводов эксплуатируемых в водородосодержащих средах. В данной главе содержится информация о влиянии низкотемпературного наводороживания на механические характеристики материалов, вызывающее коррозионное растрескивание.

В третьей главе описаны механизм и кинетика водородного охрупчивания сталей трубного сортамента. Глава так же содержит описание механизма воздействия водорода по Арчакову Ю.И.

Четвертая глава посвящена влиянию режимов катодной защиты трубопровода на выделение водорода на внешней катоднозащищенной поверхности. Представлен анализ режимов катодной защиты на участках аварийных разрушений магистральных нефтегазопродов по причине коррозионного растрескивания под напряжением.

В пятой главе выпускной квалификационной работы предложен критерий катодной защиты трубопровода исключающий выделение водорода и наводороживание. Приводятся значения величины катодной поляризации при различных соотношениях между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду. В разделе приведена информация о аппаратно-программном комплексе для определения плотности предельного тока по кислороду и плотности тока катодной защиты на трубопроводах при транспорте нефти и газа.

В шестой главе выполнена расчетная часть.

В главе финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение путем SWOT-анализа и расчета затрат по проекту на диагностирование трубопровода.

Заключительная глава содержит информацию о социальной ответственности трубопроводчика линейного, анализ вредных и опасных факторов производственной среды, приводятся сведения об экологической безопасности и безопасности в условиях чрезвычайных ситуаций.

В заключении приводится ряд выводов полученных в результате проведения работы, приложение к ВКР, выполненное на английском языке.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

КЗП — катодно-защищаемая поверхность;

КРН — коррозионное растрескивание под напряжением;

МНГП — магистральный нефтегазопровод;

УКПГ — установка комплексной подготовки газа;

ГЦК — гранецентрированная кубическая решетка;

МСЭ — медно-сульфатный электрод сравнения;

КС — компрессорная станция;

СКЗ — станция катодной защиты;

ЭХЗ — электрохимическая защита;

ОАО — открытое акционерное общество;

СНиП — санитарные нормы и правила;

ВСН — ведомственные строительные нормы;

ЧС — чрезвычайная ситуация.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ МНГП, АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЙ

1.1 Основные понятия коррозии металлов

1.2 Статистика коррозионных отказов в Западной Сибири

1.3 Механизмы разрушения

1.3.1 Электрохимическая теория

1.3.2 Основные условия возникновения коррозии

1.4 Основные теории, описывающие природу возникновения склонности материалов к коррозионному растрескиванию

1.5 Условия формирования коррозионных трещин

1.6 Влияние различных факторов на скорость коррозии

1.7 Механизм образования стресскоррозионных трещин

2. ПРОБЛЕМА ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

3. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ СТАЛЕЙ ТРУБНОГО СОРТАМЕНТА

3.1 Механизм водородного охрупчивания стали

3.2 Механизм воздействия водорода по Арчакову Ю. И.

3.3 Кинетика катодного наводорожания трубнои? стали

4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА НА ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА НА ВНЕШНЕЙ КАТОДНОЗАЩИЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

4.1 Анализ режимов катоднои? защиты на участках аварии?ных разрушении? магистральных нефтегазопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением

5. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ КРИТЕРИЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА ИСКЛЮЧАЮЩИЙ ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА И НАВОДОРОЖИВАНИЕ

5.1 Аппаратно-программныи? комплекс для определения плотности предельного тока по кислороду и плотности тока катоднои? защиты на трубопроводах при транспорте нефти и газа

6. Рассчетная часть

6.1 Рассчет коэффициента полезного использования тока катоднои? защиты.

6.2 Рассчет катодной защиты трубопровода

7. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ

7.1 Потребители результатов исследования

7.2 SWOT-анализ.

7.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации

7.4 Организационная структура проекта

7.4.1 План проекта

7.4.2 Бюджет научного исследования

7.4.3 Риски проекта

8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ПРИ ВНУТРЕННЕЙ И ВНЕШНЕЙ ДИАГНОСТИКЕ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ПРОЛОЖЕННЫХ НА УЧАСТКАХ С МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫМ ГРУНТОМ

8.1 Профессиональная социальная безопасность

8.1.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование по их устранению

8.1.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование сероприятий по их устранению

8.2 Экологическая безопасноть

8.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

8.4 Законодательное регулирование проектных решений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

Коррозионное трубопроводов под (стресс-коррозия) в время основнои? аварии?ных преимущественно на газопроводах, так как газа при высоких по с нефтепроводами. В пятнадцать лет из-за растрескивания труб под происходят на больших и в стране. За 1986-1999 г.г. в СССР и произошло 73 по этой на предприятии «Уралтрансгаз», «Баштрансгаз», «Волготрансгаз», «Лентрансгаз», «Томсктрансгаз». За пять лет разрушений по стресс-коррозии 82 % от всех произошедших в наружной причем 65 % — газопроводов 1420 мм.

Первая авария от стресс-коррозии в системе магистральных нефтепроводов, по данным Гумерова К.М. с сотр. (ИПТЭР, г. Уфа), произошла в 2002 году на нефтепроводе диаметром 1220 мм Нижневартовск — Курган — Куи?бышев. При этом металл трубопровода неравномерно охрупчивается и растрескивается, в большинстве случаев начиная с наружной поверхности. На некоторых участках трубопроводов за 20 — 25 лет эксплуатации трещины достигают середины толщины стенки, что соответствует исчерпанию всех предусмотренных проектами запасов прочности. После этого происходит разрыв трубы, выброс газа под большим давлением, самовозгорание с высотой пламени на десятки метров. Как правило, фрагменты трубопровода оказываются раскрытыми и выброшенными на несколько десятков метров от места разрыва.

Все коррозийного под были на трубопроводах, значение потенциала с составляющеи? от 1,2 до 3,5 В по В ряде в и за работ что при потенциалах защиты в и грунтах развитие коррозийного ферритно-перлитных при воздеи?ствии напряжении?. анализа вырезанных из труб, где стресс-коррозионные подтверждают это Вблизи поверхности в на 0,1…0,3 мм, повышенная водорода: до 1,7 г, при («родословном») 0,18…0,23 г. систематических по режимов защиты на коррозионных под до времени не Не минимальная удельного стальных различных приводящая к в трубы продольных

Колонии трещин КРН выявляются путем пропуска специальных внутритрубных ультразвуковых и магнитных дефектоскопов. Последующая расшифровка результатов дает возможность определить степень опасности обнаруженных дефектов и принять решение о деи?ствиях ремонтных служб. При этом до настоящего времени отсутствует инструментальныи? метод, позволяющии? прогнозировать появление трещин КРН в зависимости от степени электролитического наводороживания, вызываемого недопустимо высокои? плотностью тока катоднои? защиты и воздеи?ствием высоких механических напряжении?, вызываемых давлением транспортируемого по трубопроводу продукта. В области потенциалов катоднои? защиты от 0,85 до 2,5 В по м.с.э. на КЗП трубопроводов протекают как минимум две катодные реакции: электровосстановления растворенного молекулярного кислорода и катодного разложения воды с выделением водорода. Протекание реакции на КЗП приобретает значение, так как вопрос о атомарного в трубнои? При выделении адсорбированныи? на КЗП атомарныи? H_адс как продукт, из по Геи?ровского молизуется и в грунт электролит), часть, в виде и внедряется в трубы: Н_адс>Н_абс. В трубнои? Набс собои? протоны (Н+)_абс, а их входят в газ катоднозащищаемого При в трубнои? вблизи КЗП трубопровода (ловушек) в трубы рекомбинация (Н+)_абс и с незаряженного Н_абс, при вблизи КЗП микропустот, к рекомбинации с Н₂, которого при когда тока защиты в раз плотность тока по jпр, что к ованию на КЗП надреза», появление трещин. j_к.з.<j_пр, скорость катоднозащищаемого превышает значения, что к коррозионных

Указанные трубопроводного определяют темы связанной с методов диагностики защиты от современных систем, позволяющих определять высокий износ и появление КРН на катодно поверхности подземных трубопроводов.

Цели выпускной работы в

1. Изучить и механизм и особенности факторов сталь — — на подземных трубопроводов диффузионное кислорода в вытяжка имеет или к ней (рН в проложено российских стальных

2. Разобрать новые инструментальные методы количественного определения остаточной скорости коррозии в сквозных дефектах изоляции подземных стальных трубопроводов при различных потенциалах катодной защиты в трассовых условиях.

3. Изучить степень электролитического наводороживания напряженно-деформированных образцов ферритно-перлитных сталей трубного сортамента при различных соотношениях между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду .

4. Выбрать критерий и установить методику определения степени электролитического наводороживания напряженно-деформированных трубопроводов при различных потенциалах катодной защиты.

5. Разработать систему прогнозирования инкубационного периода образования стресс-коррозионных трещин на внешней катодно защищаемой поверхности напряженно-деформированных трубопроводов в зависимости от давления транспортируемого продукта и соотношения между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ МНГП, АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЙ

1.1 Основные понятия коррозии металлов

Коррозиеи? металлов называется разрушение их поверхности в результате окисляющего химического или электрохимического воздеи?ствия окружающеи? среды. Иногда так же называют и сам результат деи?ствия коррозии, т.е. разрушение металла. Поэтому для разграничения обоих понятии? рекомендуется применять для самого процесса термин «коррозионныи? процесс», а для результата процесса термин «коррозионное разрушение». Иногда под этим термином неправильно подразумевают продукты коррозии.

Коррозию относят к поверхностным явлениям и классифицируют по тем изменениям, которые происходят с поверхностью материала в результате протекания процесса коррозии. При взаимодействии всей поверхности материала с окружающей средой наблюдается общая или сплошная коррозия, при взаимодействии части поверхности — местная или локальная коррозия. Принято различать два вида общей коррозии. При равномерной коррозии вся поверхность металла равномерно разъедается внешней средой без изменений в топографии поверхности. К такой коррозии, например, относится коррозия углеродистой стали в растворах серной кислоты (рис. 1, а). Второй тип общей коррозии — неравномерная коррозия, когда поверхность металла под слоем продуктов коррозии носит «изрытый» характер, т. е. на поверхности возникают места более глубоких повреждений — коррозионные каверны (например, коррозия углеродистой стали в морской воде — рис. 1, б).

К неравномерной коррозии относится структурно-избирательная коррозия, когда одна из фаз или структурных составляющих сплава растворяется с большей скоростью, чем остальные, например процесс обесцинкивания латуней (рис. 1, в).

Рисунок 1 — Виды коррозионных повреждений металлов и сплавов:

а-в) общая коррозия: а) равномерная коррозия, б) неравномерная коррозия, в) избирательная коррозия; г-м) местная коррозия: г) коррозия пятнами, д) язвенная коррозия, е) питтинговая коррозия, ж) сквозная коррозия, з) нитевидная коррозия, и) подповерхностная коррозия, к) межкристаллитная коррозия, л) ножевая коррозия, м) транскристаллитное коррозионное растрескивание

1.2 Статистика коррозионных отказов в Западной Сибири

Оценивая особенности коррозии стали в Западнои? Сибири согласно табл. 1, следует отметить следующее:

1. Скорость коррозии в условиях эксплуатации подземных трубопроводов достигает 0,45 мм/год. В условиях циклически знакопеременных температур она со временем затухает, снижаясь в среднем до 0,2 мм/год.

2. Большое влияние на увеличение скорости коррозии оказывают техногенные или антропогенные факторы:

· отказ в Медвежьем — сточные воды УКПГ-2;

· отказ на трубопроводе на Игрим-Серов — сточные воды со свалки увеличение в грунте концентрации минеральных солеи? до 2 г/л из-за разгерметизации промысловых водоводов, что явилось причинои? уменьшения толщины стенки трубы на 1,5 — 3,5 мм.

3. Ряд промысловых трубопроводов, эксплуатировавшихся долгое время без защиты, тем не менее, не имеет существенных коррозионных разрушении?.

4. Возрастающии? объем выкачиваемои? из продуктивного пласта высокоминерализованнои? воды и плохая ее утилизация, а также положительные температуры эксплуатации трубопроводов резко изменяют внешнюю среду, усиливая ее коррозионную активность.

5. Наибольшие коррозионные поражения на трубопроводах обнаружены в зоне контакта грунт (вода) — воздух.

6. В большинстве случаев для защиты от подземнои? коррозии трубопроводов в Западнои? Сибири необходима комплексная защита, сочетающая изоляционные покрытия и катодную поляризацию.

7. На трубопроводах, температура стенок и грунта вокруг которых в процессе эксплуатации не превышает минус 5°С, в грунтах невысокои? коррозионнои? активности электрохимическую защиту можно не осуществлять (СНиП 2.05.06-85).

8. Противокоррозионную защиту промысловых трубопроводов осуществляют со стороны поверхности (внутреннеи? или внешнеи?), которая корродирует с наибольшеи? скоростью. При условии обеспечения проектного срока службы противокорррзионную защиту промысловых трубопроводов можно не осуществлять (BСH 51- 2.38-85 Миннефтепром).

Таблица 1 — Статитстика коррозионных отказов трубопроводов в Западной Сибири

1.3 Механизмы разрушения

1.3.1 Электрохимическая теория

Теория коррозионных процессов и разрушении? достаточно хорошо изучена и с успехом применяется для выбора и использования различных методов защиты. Общепризнанной и хорошо подтвержденнои? в настоящее время является электрохимическая теория, основанная на законах электрохимии [1-11]. Электрохимическая теория коррозии основана на положении, что при всех условиях работы металлических сооружении?, соприкасающихся с электролитом, на поверхности металла вследствие ряда причин возникает большое количество мелких коррозионных гальванических элементов, аналогичных обычным гальваническим элементам. Возникновение таких коррозионных элементов обусловлено прежде всего тем, что отдельные участки поверхности металла имеют самые различные величины потенциалов.

Это различие потенциалов на поверхности металла обусловливается как внутренними, так и внешними факторами. К числу внутренних факторов относятся: природа металла, его кристаллическое строение, наличие внутренних напряжении?, температура, различныи? характер обработки поверхности металла. Схема работы такого элемента показана на рисунке 2.

Рисунок 2 — Схема локального элемента (стрелками показан путь тока) загрязнении? в металле (сегрегации, шлак и т. д.).

К числу внешних факторов, влияющих на возникновение различных потенциалов на поверхности металла, относятся: природа и концентрация электролита, его температура, скорость движения, доступ кислорода к поверхности металла. В результате наличия разных потенциалов на поверхности металла образуется коррозионныи? электрическии? элемент (называемыи? также локальным элементом, гальваническои? парои?, местным элементом), в цепи которого возникает электрическии? ток. Как видно из рисунка 2, часть поверхности имеет более положительныи? потенциал, чем включение в металле с более отрицательным потенциалом. Так как обе части соприкасаются с электролитом, то в результате на поверхности металла создается коррозионныи? элемент, в котором возникает ток, направление которого показано стрелками. В создавшеи?ся цепи ток будет выходить из включения в окружающии? электролит на участке с более положительным потенциалом, называемым анодом, и переходить из электролита на металл на более положительных участках, называемых катодом. В результате движения тока на анодных поверхностях будет происходить разрушение металла с переносом его ионов в раствор электролита.

Этот анодныи? процесс может быть характеризован следующим образом:

На катоде протекает другои? процесс, сводящии?ся к ассимиляции избыточных электронов каким-либо деполяризатором раствора D, т. е. атомом или ионом, способным восстанавливаться (поглощать электрон):

Катодныи? процесс протекает одновременно и параллельно с анодным процессом, что и обеспечивает возможность непрерывного протекания процесса коррозии.

Практически наиболее важными процессами катоднои? деполяризующеи? реакции являются: катодная реакция восстановления иона водорода в газообразныи? водород, носящая название водороднои? деполяризации, имеющая следующую схему:

Катодная реакция восстановления кислорода с превращением его в ион гидроксила, носящая название кислороднои? деполяризации:

Схематически оба эти процесса изображены на рисунке 3. Как можно видеть, кроме анодного и катодного процессов важным явлением при коррозии является протекание тока между анодом и катодом. Это протекание осуществляется в металлическом соединении анода с катодом движением электронов, происходящим от катода к аноду, а в растворе электролитаь — движением катиона от анода к катоду и движением аниона от катода к аноду.

Рисунок 3 — Принципиальная схема коррозионного элемента

Важнои? особенностью коррозионного процесса является то, что разрушения при электрохимическои? коррозии происходят только на анодах, в то время как на катодах происходит процесс деполяризации и разрушение металла не имеет места. Однако для некоторых металлов, например таких, как свинец, на катодах могут возникать условия, вызывающие химическую коррозию и вызываемое ею разрушение металла.

В зависимости от условии? различают несколько видов коррозии. Как возникновение, так и развитие коррозии имеют свою специфику в зависимости от того, в какои? среде они происходят. Поэтому часто различают отдельные виды коррозии, обусловленные средои?, в которои? находится металлическое сооружение. Так различают:

1) Подземную коррозию, происходящую в условиях заложения металла в почву;

2) Морскую коррозию, протекающую в условиях погружения металла в морскую воду;

3) Коррозию в водных растворах, имеющую место при соприкосновении металла с пресными водами и водными растворами.

4) Атмосферную коррозию, происходящую в условиях влажного воздуха;

5) Химическую коррозию, имеющую место в различных кон- центрированных специфических химических средах;

6) Газовую коррозию, происходящую в условиях сухих горячих газов в отсутствии влажности;

7) Коррозию в неэлектролитах, возникающую в условиях контакта с различными неэлектролитами — нефтепродуктами.

Помимо перечисленных выше видов коррозии, существуют факторы, которые могут существовать параллельно с перечисленными выше видами коррозии. К ним относится, в частности, коррозия блуждающими токами, которая может сопутствовать как морокои? коррозии, так и подземнои? и химическои? коррозии в водных растворах, и микробиологическая коррозия.

1.3.2 Основные условия возникновения коррозии

Основные условия возникновения коррозии, как следует из теории коррозии и краткого описания ее основных процессов, приведенного выше, характеризуются необходимостью наличия следующих факторов:

1) Наличие двух разнородных металлов или участков одного и того же металла с различными значениями потенциала;

2) Контакт обоих металлов или обоих участков металла с общим электролитом;

3) Металлическое соединение этих отдельных участков металла между собои?, например телом самого объекта или сооружения;

4) Наличие диссоциированных ионов в электролите.

Перечисленные условия почти всегда имеют место на металле, соприкасающемся с различными водными растворами, в том числе хотя бы периодически смачивающемся, например, атмосфернои? влагои?. Таким образом, условия для возникновения коррозии существуют почти всегда. Поэтому степень опасности коррозии обычно оценивают не по вероятнои? возможности возникновения коррозии, но по ее ожидаемои? скорости и величине разрушения металла.

В дополнение к перечисленным выше условиям необходимо еще раз отметить существенную особенность процессов коррозии, а именно: разрушение металла только на поверхности анодных участков. Эта особенность коррозии и используется при осуществлении электрических методов защиты.

Склонность различных металлов к коррозии определяет элек- трохимическии? ряд напряжении?. Хотя на величину возникающего потенциала какого-либо металла заметно влияют также природа и концентрация соприкасающегося с ним электролита, однако величина этого потенциала в первую очередь зависит от природы самого металла. На основании природы самого металла можно достаточно точно определить, какои? из двух соприкасающихся металлов будет играть в создавшемся коррозионном элементе роль анода и какои? роль катода. Для такого определения может служить электрохимическии? ряд электродных потенциалов металлов, приведенныи? в таблице 2.

При соединении в гальваническую пару двух разнородных металлов более отрицательныи? из них будет являться анодом коррозионного элемента, а более положительныи? — катодом. Если потенциалы двух металлов близки друг к другу, то в этом случае природа и концентрация электролита могут иногда изменить значение потенциалов настолько, что их относительное расположение в ряду напряжении? перестанет быть определяющим фактором.

Таблица 2 — Нормальные электродные потенциалы металлов при 25°С.

Металл	Потенциал, н.в.э.	Металл	Потенциал
Li Li++e— Ca Ca++e— Rb Rb++e— K K++ e— Sr Sr+++2e— Ca Ca+++2e— Na Na++e— La La++++3e— Mg Mg+++2e— Tl Tl+++2e— Be Be+++2e— Al Al++++3e— Mn Mn+++2e— Zn Zn+++2e— Cr Cr++++3e— Ga Ga++++3e— Fe Fe+++2e— Cd Cd+++2e—	-3,02 -3,02 -2,99 -2,92 -2,89 -2,87 -2,71 -2,37 -2,34 -1,75 -1,70 -1,67 -1,05 -0,762 -0,71 -0,52 -0,440 -0,402	Ia Ia+++3e— Tl Tl++e— Co Co+++2e— Ni Ni+++2e— Sa Sa+++2e— Pb Pb+++2e— Fe Fe++++3e— D 2D++2e— H 2H++2e— Cu Cu+++2e— Cu Cu++e— 2Hg Hg2++2e— Ag Ag++e— Pd Pd+++2e— Hg Hg+++2e— Pt Pt+++2e— Au Au++++3e— Au Au++e—	-0,340 -0,336 -0,277 -0,250 -0,136 -0,126 -0,036 -0,0034 -0 0,345 0,522 0,7985 0,7995 0,83 0,854 1,2 1,42 1,68

*Примечание: н.в.э. — по нормальному водородному электроду

Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине коррозионного растрескивания под напряжением, причем на трубопроводах диаметром 1220, 1420 мм. Выход из строя трубопровода во время эксплуатации может приводить к большому материальному ущербу, загрязнению окружающей среды, человеческим жертвам, так как зона распространения разрушения может простираться на расстояния от сотен метров до нескольких километров. Поэтому обеспечение технической и экологической безопасности нефтегазопроводов является актуальной задачей.

1.4 Основные теории, описывающие природу возникновения склонности материалов к коррозионному растрескиванию

К настоящему времени сформировалось несколько основных теорий, описывающих природу возникновения и развития процесса коррозионного растрескивания. Выдвигаемые различными научными школами предложения можно обобщить в несколько основных моделей, которые с большим или меньшим уровнем приближения, с большей или меньшей степенью достоверности описывают коррозионные процессы в сталях и сплавах при одновременном воздействии агрессивной среды и деформаций (напряжений), возникающих в материалах.

Адсорбционная теория. Теория основана на открытом в начале двадцатого века эффекте понижения поверхностной энергии в результате адсорбции (эффекте Ребиндера). Согласно этой теории адсорбция типичных поверхностно-активных веществ из окружающей среды вызывает облегчение деформации и разрушения твердых тел, часто в значительно большей степени, чем при химическом воздействии. Эффект адсорбционного понижения прочности, согласно этой теории, обусловлен тем, что поверхностно-активные вещества, понижая поверхностную энергию металлов, способствуют зарождению пластических сдвигов. При этом процесс коррозионного растрескивания протекает не путем химического или электрохимического растворения металла в вершине трещины, а вследствие ослабления межатомных связей в напряженном сплаве при адсорбции специфических компонентов раствора. Благодаря адсорбции снижается поверхностная энергия, что облегчает разрыв межатомных связей металла, находящегося под растягивающим напряжением. Уменьшение сродства между атомами на поверхности металла происходит при наличии одного адсорбционного монослоя, при этом наиболее эффективно действуют частицы, проявляющие специфическую адсорбцию. Инициирование трещины стресс-коррозии вызывается адсорбционным снижением сил взаимодействия между смежными атомами в вершине надреза материала, подвергающегося действию высоких растягивающих напряжений.

При коррозионном растрескивании материалов анионы адсорбируются преимущественно на подвижных дислокациях или других несовершенствах структуры, выходящих на подвергающуюся агрессивному воздействию поверхность. Так как адсорбция протекает с конечной скоростью, дефекты кристаллической решетки на поверхности, которые могли бы служить зародышем стресс-коррозионной трещины, должны существовать в течение определенного времени. Примеси в сплаве могут оказывать сильное влияние на время жизни поверхностных дефектов. Атомы примесей, скапливаясь вокруг дислокаций, образуют облака Коттрелла, тормозящие движение дефекта. Такое торможение увеличивает время жизни дислокации, которое становится достаточным для хемосорбции нитрат- или гидроксид-иона на активных плоскостях скольжения сталей. Если же поверхностные дефекты успевают мигрировать с поверхности сплава до того, как завершится процесс адсорбции аниона, склонность к коррозионному растрескиванию не наступает.

Водородная теория. В процессе наводороживания аустенитных сталей наблюдается увеличение параметров решетки аустенита, а, следовательно, дополнительно возрастает растворимость водорода в ГЦК решетке. В сплавах, подверженных коррозионному растрескиванию в процессе наводороживания, возникает ферритная фаза, которая получила название «деформированный феррит», или ОЦК мартенситная фаза. После насыщения сталей водородом их структура представляет собой смесь фаз — исходный стабильный аустенит, и метастабильные фазы — аустенит с повышенным параметром решетки и деформированный водородом феррит. Изменение параметров кристаллических решеток исходной — аустенитной фазы и вновь образующихся метастабильных фаз вызывает появление в сталях значительных внутренних напряжений, провоцирующих стресс-коррозионные процессы. После непродолжительного старения при комнатной температуре происходит распад метастабильных фаз на исходный аустенит и гексагональную гидридную фазу.

Таким образом, наводороживание способствует объемным изменениям и возникновению внутренних напряжений в сталях, приводит к увеличению дефектов структуры и зарождению микротрещин на вновь образованной межфазной границе.

Дислокационная теория. Коррозионное растрескивание с точки зрения дислокационного строения металла хорошо объясняет взаимосвязь между величиной приложенного напряжения и склонностью материала к стресс-коррозионному растрескиванию. Увеличение приложенных растягивающих напряжений до определенных значений повышает скорость образования и развития стресс-коррозионной трещины в материале, что связано с возникновением дислокаций в процессе деформирования, их движением и образованием плоских скоплений. Если упорядочение выражено не слишком сильно, приложенные высокие напряжения могут вызвать поперечное скольжение и снизить восприимчивость металла к стресс-коррозии. Поэтому в ряде случаев склонность материалов к коррозионному растрескиванию после значительных степеней пластической деформации оказывается ниже, чем у слабодеформированных сталей и сплавов. Это не относится к аустенитным сталям, где при значительных степенях пластической деформации возможно протекание структурных (? > ? и ? > ? ) мартенситных превращений, резко повышающих склонность этих материалов к коррозионному растрескиванию, что объясняется перестройкой кристаллической решетки сплава, в результате которой на границе раздела фаз возникает скопление дислокаций, которые становятся зародышами микротрещин.

Механохимическая теория. В этой теории предпринята попытка количественно связать напряжения, возникающие в материалах, и скорость развития стресс-коррозионного дефекта с помощью термодинамики необратимых процессов. Деформация металла рассматривается на стадии линейного упрочнения, когда дислокации выстраиваются и двигаются в системе параллельных плоскостей скольжения при отсутствии поперечного скольжения. Из математических построений этой теории вытекает ряд феноменологических уравнений, указывающих на взаимосвязь процессов пластической деформации и стресс-коррозии в металлах, которые при одновременном процессе деформирования и электрохимической коррозии принимают следующий вид:

N = L_a • A + L_b • Ю; (5)

I = L_с + L_d • Ю, (6)

Где N — плотность потока дислокаций (дислокационный ток);

I — плотность тока при коррозии;

А — обобщенная сила — химическое сродство процесса образования и движения дислокаций;

Ю — перенапряжение;

Феноменологические коэффициенты:

L_a — коэффициент, регулирующий проводимость;

L_d — характеризует поляризуемость электрода;

L_с = L_b регулируют степень взаимного влияния деформации и электрохимической коррозии и выражают количественно явление механохимического эффекта. Физический смысл этого коэффициента заключается в изменении химического потенциала металла в результате его пластического деформирования, которое связано с ослаблением межатомных связей в местах скопления разрежающих дислокаций.

Пленочная теория. Согласно этой теории при пластической деформации металла у концентратора напряжения разрушается защитная оксидная пленка значительно более хрупкая, чем основной металл. При этом поверхность металла-анода по отношению к покрытой пленкой поверхности обнажается, а процесс коррозионного растрескивания ускоряется. На основании этой теории был сформулирован ряд условий, необходимых для развития стресс-коррозии. Для образования трещины стресс-коррозии необходимо, чтобы в материале, в ходе пластической деформации, образовывались широкие ступени скольжения; металл должен обладать способностью образовывать на поверхности защитную пленку (для того, чтобы образовалась пара металл-пленка); необходима среда, в которой участки поверхности металла с дефектами кристаллической решетки не смогли бы полностью репассивироваться.

Электрохимическая теория. Идея, положенная в основу этой теории, заключается в признании того, что существует разница в электродных потенциалах в пластически деформированном — напряженном металле (вершина трещины) и ненапряженной боковой поверхности трещины. Роль растягивающих напряжений при этом сводится главным образом к созданию разности потенциалов между отдельными участками поверхности и образованию электрохимических пар, являющихся ответственными за процесс зарождения коррозионной трещины. Таким образом, в деформированном металле создается активно-пассивное состояние, причем в активном состоянии находится деформированный металл, в пассивном — недеформированный. Разница, возникающая в скорости растворения деформированного и недеформированного металлов, приводит к возникновению локальных процессов, способствующих возникновению коррозионной трещины.

1.5 Условия формирования коррозионных трещин

Физико-химическое разрушение стальных конструкции? и сооружении? происходит в результате деструкции их металла, проявляющеи?ся в двух основных формах — электрохимическои? коррозии и трещинообразовании. В отличие от нее растрескивание конструкционных и, особенно, трубных сталеи? вызывает многочисленные дискуссии по поводу кинетики этого процесса. Коррозионное или водородное охрупчивание, коррозионное растрескование под напряжением, водородное растрескивание, межкристаллитная (транскристаллитная) коррозия. Такие разнообразные наименования получил процесс трещинообразования в стали, находящеи?ся в коррозионно-активнои? среде. В последнее время к ним добавился еще один термин — стресс-коррозия, которым назвали многочисленные случаи разрушения котодно защищаемых поземных трубопроводов (в основном — газопроводов) в результате образования на их внешнеи? поверхности множественных мелких трещин, сливающихся в итоге в крупную магистральную трещину, приводящую к разрыву стенки трубы.

В с пониманием (или разрушением под называют разрушения возникающее в образования в труб и коррозии стали на этих Данное возникает при обязательном следующих наличие в грунта химических как нитраты, алюминаты, и на внешнего поля, на его с деи?ствующии? в -0,6 — — 0,8 В наличие в избытка воды и на трубопровод-грунт катодного модуль превышает м.с.э.

Для эффективных защиты от растрескивания, а для новых трубных стойких к виду необходимо модели, объяснить процессов, в трубопроводов. На такой можно методики и обосновать объемы металла труб и пути защиты. механизма растрескивания решить продления работы так как о ресурса должно на анализа состояния металла и соединений. и разрушение высокого вследствие происходят в части Коррозионные возникают и в части в от изоляции. трубопроводов давления вблизи станций, так как на этих наблюдаются повышение газопровода и нагрузки.

Стресс-коррозионные регистрируются во странах Особенно это в Канаде, США и в Европейского

Несмотря на исследования этой причины и стресс-коррозионных трубных не Это с факторов, приводят к повреждениям труб [1].

Известно, что возникает на тех где одновременное на следующих циклические напряжения, неоднородность трубы, среда в пространстве. того, разрушений диаметром 1420 мм из Х70 в расположенных до 200 мм от сварного

В этой задачей важности создание новых образцов, наиболее моделировать работы в

Разработанный образец и методика испытания позволяют исследовать в лабораторных условиях механизм и природу образования стресс-коррозионных трещин в трубных сталях с учетом всех действующих факторов в условиях, приближенных к эксплуатационным.

В лабораторных условиях были получены стресс-коррозионные трещины на сталях Х46, Х70, которые свидетельствуют о сложной природе их образования и о многостадийном процессе, происходящем в течение длительного времени при контакте напряженного металла трубы с околотрубной агрессивной средой.

Процесс и стресс-коррозионных происходит с изоляционного когда среда в с металла Под покрытием формируется среда. В контакта трубы с средой под происходит среды до и что понижению энергии и разрушение пленки. активными грунтовых являются ион (Cl) и водород Н_абс.

При пассивной протекает коррозия, а при дефекта в пленке ускоренная питтинговая или коррозия. элементы среды зарождению деформаций в зоне характеризующихся уровнем напряжений и неметаллических Процесс деформаций слоя под водорода. распространенному о том, что в средах процесс в период при концентрациях способствует деформациям

Исследования [2] подтверждают, что локальные микропластические деформации поверхностного слоя происходят при напряжениях, меньших величины микропластического предела текучести. В локальных объемах происходит увеличение внутренних напряжений, а дополнительный приток атомарного водорода способствует протеканию неравномерных пластических деформаций и зарождению стресс-коррозионных трещин.

Участками локализации микропластических деформаций могут быть несовершенства кристаллической решетки, а также металлургическая неоднородность стали.

Максимальная микропластических происходит в слое шва и зоне и с тем, что стресс-коррозионных газопроводов из Х70 в соединениях.

В коррозионного металла атомарный который диффундировать кристаллическую металла в зону напряжений, где со достигая концентраций, развивает в кристаллической большие которые источником микротрещин 4).

Рисунок 4 — микротрещины

а) ионов в зону напряжений, б) микротрещины

В результате микропластических деформаций в локальных участках поверхностного слоя происходит дестабилизация внутреннего энергетического состояния, и возрастает чувствительность к концентраторам напряжений под действием водорода. При этом рост напряжений сопровождается понижением пластичности деформируемого металла, что повышает склонность к коррозионному растрескиванию при воздействии водородсодержащих сред.

Растягивающие напряжения облегчают протекание коррозионного процесса, происходит разрушение твердых пленок продуктов коррозии, и облегчается доступ электролита к вершине дефектов.

При критической «водород-напряжение» вершиной происходит микротрещины 4б).

На образования повреждений влияние ионный и состав их показатель рН [3].

Газообразные реакций — ионы и — устремляются к трещины, охрупчивание и металлической перед распространения

Анализ х фрагментов труб на рисунке 4, вследствие КРН, что повреждения питтингоподобные на трубы. стресс-коррозионные характеризуются превышением размера над и нормально к растягивающим

В процессе развития трещин отношение полуосей эллипса меняется в зависимости от размера начального дефекта, поэтому важной задачей исследования является изучение скорости распространения трещин в направлении глубины, поверхности и кинетики формоизменения трещины.

Рисунок 5 — Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в стенке трубы стали Х70

1) зона развития ; 2) зона трещин при нагружении

Возрастание действующих в трещины является того, что на дне зарождаются микротрещины. С ускорения развития стресс-коррозионных используется нагружение. В трубопроводах работает при нагрузках, с колебаниями давления газа, нагрузками станций и колебаниями. узлом колебаний компрессорные (КС), собой генераторы для газопроводов.

Образцы из сталей Х46, Х70 после выдержки в коррозионной среде в течение 720 часов подвергались циклическому нагружению на испытательной машине МУП-50 с пульсатором с целью ускорения процесса развития зародившихся трещин.

Во многих случаях разрушение реализуется ростом одиночной трещины, однако имеются примеры разрушения труб при объединении системы трещин в магистральную (рисунок 6).

Рисунок 6 — Кинетика по и образца дефектов 1, 2 из Х-70, Ш1420 мм, д = 18,5 мм с их влияния, при нагружении и водородсодержащей

t — образца

— развивающихся по

h1 ,h2 мм — развивающихся по

Близко расположенные стресс-коррозионные трещины в сталях Х46 и Х70 при циклическом нагружении способствуют коалесценции изолированных трещин, образованию магистральных трещин и развитию их до критических размеров, приводящих к разрушению газопровода.

Рисунок 7 — Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в сварном соединении в стали Х70

а) сварной шов с стресс-коррозионными трещинами

б) зона роста трещин при циклическом нагружении

Стресс-коррозионные трещины более интенсивно проявляются в сварных швах (рис. 7), что подтверждают многочисленные наблюдения о том, что большинство разрушений газопроводов диаметром 1420 мм из стали Х70 происходит по сварному шву и околошовной зоне.

На основании проведенных исследований установлено, что неравномерные пластические деформации в поверхностном слое металла труб в коррозионных средах являются причиной зарождения микротрещин. Значительные по величине локальные пластические деформации в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоне являются причиной разрушения газопроводов диаметром 1420 мм из стали Х70 в зонах, расположенных до 200 мм от продольного сварного шва. Коррозионная водородсодержащая среда при взаимодействии с напряженным металлом наряду с повреждением поверхностного слоя и его охрупчиванием сопровождается пластифицированием внутренних слоев металла и деформацией удлинения всего сечения.

1.6 Влияние различных факторов на скорость коррозии

Рисунок 8 — Распределение коррозионных отказов по почвенно-климатическим регионам

Влияние удельного электрического сопротивления грунта. Величина удельного сопротивления грунта характеризует влажность, количество растворенных минеральных солеи?, диффузию кислорода и пр., т.е. дает оценку агрессивности грунтов. Как показали исследования ВНИИСТа и АзНефтехима, предсказывающая способность методов, основанных на использовании удельного электрического сопротивления, составляет 70%. Из данных, приведенных на рисунке 9, следует, что в грунтах с удельным conротивлением до 10 Ом.м происходит более 72.% отказов. Причем такая картина характерна для значительного ряда трубопроводов.

Часть отказов имеет место в грунтах высокого удельного сопротивления. Вероятно, что в высокоомных грунтах могут содержаться агрессивные включения с большои? проводимостью, однако вероятность контакта их с металлом в дефектах изоляции уменьшается с ростом удельного сопротивления.

Рисунок 9 — Зависимость частоты коррозионных отказов от удельного электрического сопротивления грунта

Хорошая корреляция между количеством коррозионных отказов и удельным электрическим сопротивлением грунта наблюдается по различным почвенно-климатическим регионам страны (рисунки 8, 9). Степень минерализации грунтовых вод, в значительнои? мере определяющая удельное сопротивление грунта, зависит от количества осадков, величины стока рек, среднегодовои? температуры и испаряемости осадков. В соответствии с этими показателями наблюдаются грунты высокои? проводимости на юге страны и более низкои? в северных регионах.

Влияние температуры транспортируемого продукта. Повышение температуры с 20 до 80°С увеличивает скорость коррозии в 2,5 — 3 раза [6]. Статистика коррозионных отказов показывает, что на участке газопроводов непосредственно около компрессорных станции? (КС) по ходу газа количество отказов в 40 раз больше, чем на участках, удаленных от КС на 100 км. Причем, чем выше разность температур газа на входе и выходе, тем эта зависимость грубее (рис.10). Уменьшение удельного количества отказов с увеличением расстояния от КС нельзя объяснять только однои? температурои?, так как одновременно изменяются (уменьшаются) давление в трубопроводе, турбулентность потока и вибрация. То есть уменьшение механических напряжении?, в том числе многоцикловых их изменении?, ведет к снижению скорости коррозии и потока коррозионных отказов.

Влияние температуры сказывается в значительнои? степени на старении изоляционных покрытии?, что ведет к увеличению неизолированнои? поверхности металла труб, контактирующего с агрессивнои? средои?.

Рисунок 10 — Зависимость частоты отказов от расстояния до компрессорной станции (по ходу газа)

Влияние состояния изоляционного покрытия. Статистика коррозионных отказов полностью подтверждает вывод о том, что, чем более оголена поверхность металла, тем чаще происходят коррозионные отказы (рис. 11).

Вышеприведенная статистическая зависимость прослеживается не всегда. Есть и другая тенденция, на первыи? взгляд парадоксальная: чем лучше изоляционное покрытие, тем скорость коррозии выше, — если отсутствует электрохимическая защита. Эта тенденция проявляется в условиях деи?ствия блуждающих токов. Например, аммиакопровод Тольятти — Одесса имел сквозное коррозионное поражение уже на стадии пуска в эксплуатацию из-за неэффективнои? работы средств электрохимическои? защиты. Объяснение этому факту дает теория коррозии стали в гетерогенных условиях, разработанная на основе анализа системы «металл-изоляция-грунт». Немногочисленные дефекты изоляции малого размера обладают достаточно низким переходным сопротивленем, что обусловливает в местах их расположения высокую анодную плотность тока и высокую скорость коррозии, до 10 мм/год, трубопроводов в зонах блуждающих токов.

Рисунок 11 — Зависимость количества отказов от состояния изоляционного покрытия (плотности тока, необходимой для защиты)

1.7 Механизм образования стресскоррозионных трещин

Для правильного понимания механизма стресс-коррозии трубной стали и реалистического анализа кинетики этого процесса необходимо интерпретировать его физическую сущность.

Наиболее подходящая форма такой интерпретации это создание физической модели с ее последующим переводом в математическую модель. Электролит грунта, оказывает электрохимическое влияние, вызывающее коррозионное окисление на трубной поверхности с поврежденной изоляцией.

В последнее время в водоснабжении, например обсадная труба, уже применяются ПВХ и другие полимерные трубы.

Физическая модель может быть представлена следующим образом. Одновременно химические и физические процессы в среде, контактирующей со стенками труб, сопровождаются появлением в ней ионов водорода. Обладая суперподвижностью, ионы частично проникают в стенки труб, где при определенных условиях задерживаются внутри кристаллической решетки стали. В результате их накопления возникает реальная вероятность образования атомов и даже молекул водорода. При этом из-за резкого увеличения объема таких новообразований в кристаллической решетке возникают локально участки с гигантским внутренним давлением, вызывающим внутреннее механическое растрескивание стали. При условии соприкосновения фронтов электрохимического и механического разрушения дискретно происходит дополнительное повреждение решетки трубной стали из-за локальной потери несущей способности напряженной стенки трубы, находящейся под внутренним давлением. Веским стимулятором процесса стресс-коррозии может быть поле тока его катодной защиты, которое, энергетически взаимодействуя с водородсодержащими ионами электролита грунта (при определенных условиях), способствует разрыву связи и переходу ионов водорода к самостоятельному активному существованию. В зависимости от величины энергии разорванной связи электрохимически образованные ионы обладают разным запасом собственной энергии, подвижностью и проникающей способностью. Вследствие этого они, как правило, накапливаются на разной глубине стенок труб и в разной степени инициируют процесс стресс-коррозии. Такова в целом физическая модель этого процесса.

Процесс КРН является многостадийным процессом. Осуществятся он в семь стадий.

Первая стадия. Коррозионная среда проникает к телу трубы, как показано на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 Нарушение адгезии изоляционного покрытия трубопровода

Вторая стадия. При этом уменьшает поверхностная энергия металла и облегчается разрушение (эффект Ребиндера)

Рисунок 12.2 — Адсорбция поверхностно-активных элементов на поверхности металла

Третья и четвертая стадии. На третьей стадии под воздействием водорода происходит микропластическая деформация поверхностного слоя.

На четвертой стадии механизма КРН решающая роль отводится процессу электрохимической коррозии границ зерен, активированному напряжениями.

Рисунок 12.3 — Растворение границ зерен с образованием зародышей трещин

Исходя из предыдущих стадий процесса КРН имеем поверхность металла с растворенными границами зерен после пластической деформации:

Пятая стадия. На пятой стадии происходит процесс зарождения микротрещины, при этом основным внешним, по отношению к металлу, разрушающим агентом является водород (рис. 12.5а):

Рисунок 12.5 — Зарождение микротрещины

а — диффузия ионов водорода в зону максимальных напряжений

б — образование микротрещины.

Шестая и седьмая стадии. На шестой стадии происходит развитие зародившейся микротрещины по глубине и по поверхности металла.

На заключительной седьмой стадии в наиболее дефектной зоне последовательно расположенные трещины обьединяются в одну магистральную (коалесценция трещин).

Рисунок 12.6 — Физико-механическая модель роста трещины.

2. ПРОБЛЕМА ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

Наводороживание — процесс насыщения (поверхности) твердого тела водородом. Водородсодержащая среда является фактором, оказывающим деструктирующее воздействие на материалы и конструкции. Причем водород может действовать на конструкции как при высоких температурах и давлениях, так и при нормальных температурах, которые условно называют низкими.

В литературе приводятся различные данные о влиянии водорода на различные механические свои?ства трубнои? стали. Обычныи? приборныи? контроль показал независимость твердости от наводороживания [15]. С другои? стороны сплав, включающии? железо, никель, алюминии? и медь в соотношении 57, 25, 15 и 3 % соответственно, показал увеличение твердости пропорциональное концентрации водорода в металле за счет возникновения локальных внутренних напряжении? порядка 8-10 кг/мм2.

Наводороживание значительно ухудшает пластические свои?ства стали: снижает относительное удлинение и поперечное сужение в почти прямои? пропорции от концентрации аккумулированного ею водорода. Ухудшение пластичности проявляется и в снижении допустимого числа перегибов (при циклическом нагружении) или степени скручивания до разрушения, которое может достигать 76- 84 % [8].

У высокопрочных сталеи?, особенно, с хрупкои? структурои? (мартенситнои?, сорбитнои?, баи?нитнои?) наводороживание заметно снижает предел прочности.

Разнохарактерные результаты оценки влияния наводороживания на механические свои?ства трубных сталеи?, объясняют следующими причинами:

1. Трудностью точного определения концентрации водорода в стали в требуемыи? момент времени;

2. Неравномерностью распределения водорода по сечению стенки трубы;

3. Весьма сложным характером влияния состава и структуры стали на склонность ее к водородному охрупчиванию;

4. Зависимостью ряда механических свои?ств от скорости деформации в процессе механическои? нагрузки.

Ухудшение механических свои?ств стали при наводороживании вызывает ее растрескивание, которое квалифицируют как «водородное» или «стресс-коррозионное». При кратковременнои? статическои? нагрузке снижается пластичность стали и ее сопротивление разрыву.

Длительное деи?ствие такои? нагрузки приводит к снижению прочности и замедленному разрушению стали. Циклическая нагрузка в условиях наводороживания снижает выносливость стали и вызывает ее усталостное разрушение.

Рисунок 13 — Стойкость трубных сталей к охрупчиванию: 1 — HT 80; 2 — HT 70; 3 — HT 60; 4 — SM 41

Диагностирование скорости трещинообразования трубнои? стали в условиях наводороживания при стресс-коррозии осуществляют в ряде случаев по среднему времени до разрушения образцов. Исследования позволили установить соотношение между концентрациеи? водорода в стали и степенью ее охрупчивания (как показано на рис. 13). Увеличение относительнои? степени охрупчивания (относительно объема поглощенного сталью водорода) соответствует повышению склонности стали к растрескиванию. Аналогичная зависимость была установлена и в отношении снижения сопротивления стали разрыву.

Внешние условия, характеризующие электролитическую среду, не по всем показателям адекватно связаны со скоростью трещино- образования при стресс-коррозии. Так, величина рН в кислом диапазоне почти не влияет на эти показатели. В связи с таким положением безусловное предпочтение при диагностике скорости трещинообразования следует отдать комплекснои? оценке факторнои? значимости внешних условии? протекания стресс- коррозии.

Рисунок 14 — Зависимость плотности поляризующего тока от потенциала на катоде

Стои?кость сталеи? к растрескиванию при рН показана на рис. 13, из видно, что полностью харантер ционнои? реализуемои? на электроде при защите. Это убедительным контролирующеи? процесса по с процессом в комплексе коррозионного внешнеи? насыщеннои? водорода, в деи?ствующих

Водород при температурах и в взаимодействия с конструкций вызвать так водородную при происходит части приводящее к и (предел модуль диаграмма коэффициент деформации) и (кривые длительной предел предельная характеристик. В в изменяется состояние, их В от водорода, при температурах избирательное на конструкций так, что свойства не в зонах, но в причем изменения и от водорода, и от напряженного в рассматриваемой точке. При одной и той же схеме напряженного состояния большая концентрация водорода вызывает более сильное изменение механических свойств, а при одной и той же концентрации водорода более жесткая схема напряженного состояния вызывает значительное изменение механических свойств.

Обзор и анализ экспериментальных данных по влиянию низкотемпературного наводороживания на механические характеристики материалов, вызывающего коррозионное растрескивание, приведен в работах [5-6].

Анализ что следующие взаимодействия с

— во электрохимических при температурах, атомы адсорбируются на конструкций и металлом (по механизму наводороживания при обезжиривании, гальванических

— во коррозии, происходит освобождение проникающего в

— при контакте или сред с когда проникает в под давлением многочисленные на связанных с нефти с содержанием которые к материальным а и жертвам).

Такое отрицательное воздействие водорода на механические характеристики металлов приводит к необходимости учета этого воздействия при проектировании и расчете конструкций; в результате будет обеспечена безопасная работа конструкций, будут найдены более эффективные решения для рассматриваемых условий, будет предотвращаться загрязнение окружающей среды.

3. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ СТАЛЕЙ ТРУБНОГО СОРТАМЕНТА

3.1 Механизм водородного охрупчивания стали

Принимая в качестве концептуальнои? основы определяющее влияние наводороживания трубнои? стали, вызывающее ее стресс-коррозионное растрескивание, был предложен следующии? механизм проникновения водорода в сталь [15]:

1. Первая стадия — доставка доноров водород-ионов к поверхности трубы.

2. Разряд водород-ионов с образованием адсорбированных сталью атомов водорода.

3. Молизация атомов водорода путем каталитическои? рекомбинации или электрохимическои? десорбции с последующим переходом в газовую фазу.

4. Внедрение адсорбированных атомов водорода в кристаллическую решетку стали.

Отмечено, что диффузия молекул и атомов водорода в сталь невозможна из-за их слишком большого размера [19].

Растворимость водорода при 25 °С и Р = 1 кг/см2 не превышает 3 * 10-8 атомов на один атом железа [20], что соответствует примерно 2,7 * 10-7 атомов Н в элементарнои? ячеи?ке кристаллическои? решетки стали. Однако при катоднои? поляризации она может увеличиваться многократно, достигая концентрации? водорода, соответствующих давлениям в несколько тысяч атмосфер при высоких температурах (до несколько сотен градусов) [13].

Атомы водорода при переходе в кристаллическую решетку переходят в ионную форму, взаимодеи?ствуя с решеткои? через электроны обобществленного электронного комплекса металла. Диффундируя в решетку с достаточно большои?, благодаря своим чрезвычаи?но малым размерам, скоростью, ионы водорода попадают в какую-либо имеющуюся в неи? дислокацию (или другои? внутреннии? коллектор) и задерживаются в неи?. При этом они вновь отбирают электроны из общего электронного облака металла и переходят в атомарную форму. В дальнеи?шем здесь же может происходить и молизация водорода. Такои? процесс продолжается до на- ступления равновесия, когда парциональное давление атомарного водорода в дислокации (коллекторе) достигает величины, соответствующеи? концентрации протонов в решетке и адсорбированных атомов водорода на наружнои? поверхности металла [18].

Таким образом, диффузия водорода в сталь может продолжаться длительное время до момента локальнои? деструкции кристаллическои? решетки с образованием микротрещин. В дальнеи?шем такие трещины могут сливаться, пока общии? размер суммарного повреждения решетки не превысит критического значения, приводящего к макроскопическому разрушению стальнои? конструкции. Обобщая современные представления об адсорбции водорода металлами, М.Смиаловскии? постулирует существование трех форм водорода в кристаллическои? решетке стали [7]:

1) Протоны, растворенные в междоузлиях (вакансиях) кристаллическои? решетки (б-фаза);

2) Протоны, связанные электронами, перешедшими с атомов водорода на d-уровни атомов железа (в-фаза);

3) Газ во внутренних полостях (дислокациях) металла, представляющих собои? равновесную смесь атомарного и молекулярного водорода под высоким давлением.

3.2 Механизм воздействия водорода по Арчакову Ю. И.

Вначале на соприкосновения с вследствие диссоциации водород в При температуре, в с действующих упругость водорода пропорционально давления. Так как диффузии в пропорциональна давления, то это представление о том, что при растрескивания атомарный насыщает Водород в по зерен и тело Проникновение происходит с абсорбцией газа Водород, сталью, концентрироваться по зерен, на кристаллической в рода и т.д.

Одновременно с проникновением водорода в сталь начинается её поверхностное обезуглероживание. Термодинамические расчеты подтверждают, что при высоких давлениях водорода и температурах 200 — 600 С⁰ равновесие реакции обезуглероживания смещается в сторону образования метана и распад цементита происходит почти полностью. Процесс идет как на внешней поверхности металл-газ, так и на внутренних поверхностях раздела (граница зерен и межфазные границы).

На границах зерен металла происходят в первом приближении следующие реакции:

Образующийся скапливается в местах зерен.

Металлографические и исследования что обезуглероживания по зерен. При реакции является (который хроматографически). метана (d=0,296 нм) не диффундировать решетку Накопление реакции и водорода, в может первоначально в и в обьемах Строение обьемов ряд которые и преимущественное по этим Согласно исследованиям, по зерен атомы и создаютсяприграничные в чего участки обогащены, в также Кроме границы в отношении метастабильными.

Водород, находящийся в стали, стремится концентрироваться в зонах с максимальной свободной энергией, особено по границамзерен металла. Он остается в протонной форме, экранированной электродами, если электростатические силы взаимодействия достаточно велики, но может переходить в атомарное и даже молекулярное состояние при увеличении размеров дефектных мест (полостей) в металле. Именно поэтому в приграничных обьемах концентрируются продукты реакции и молекулярный водород.

Рисунок 15 — процесса стали

3.3 КИНЕТИКА КАТОДНОГО НАВОДОРОЖАНИЯ ТРУБНОИ? СТАЛИ

Изучению коррозионного наводороженнои? посвящен ряд авторы приходят к иногда выводам. Так с стороны скорость стали в катодного возрастает повышения на числа коррозионных каковыми места на дислокации?. С стороны, показано, что катодная тормозит растворение и потенциал коррозии. По мере поверхностного слоя скорость ее увеличивается, а коррозии до растворения железа.

Эффект катоднои? был влиянием водорода, в растворения из состояния в и центры (подобно кислорода или органических Можно что полученных о растворения стали различным адсорбированнои? и форм на перехода железа в Изменение катодного водорода к как заполнения КЗП (И), так и атомов (H) в трубнои? (C). Все эти три взаимосвязаны, принимается [22], что ад- и формы водорода в между Высказывается что абсорбции и водорода быть разделены и их различна. атомы (H), на КЗП в разряда водорода или разложения и (H), из трубы, различаться как положением центров трубнои? так и адсорбции. В [11-12] что, с концентрации в адсорбированныи? и водород влияют на коррозии j_корр: рост (И) j_корр, а (С) массопотерю стали. По авторов работ, эти особенно должны в промоторов в сероводорода, на участках трубопровода, где и растрескивание КЗП трубопроводов. При наводороженных сталеи? сортамента, неметаллическими вблизи образца и на удалении от него множество микротрещин ? 50 мкм [16-17].

Растворение в микротрещины как бы надрезом» или блока, что со небольшои? В момент этот реализуется хрупким блока или с большои? скоростью, но с задержкои? на блоке или затем с медленным его и т.д. В развитие будет вполне до тех пор, пока электрохимических и разрывов не настолько, что в хрупкое оставшегося стенки

При этом процессами, рост трещин на КЗП будут:

1) Наводороживание трубопровода со внешнеи? КЗП и охрупчивание в зоне у микротрещины КЗП при когда jк.з./jпр>>10;

2) Адсорбционное понижение прочности (расклинивающии? эффект Ребиндера);

3) Высокая прочность трубнои? стали и, следовательно, малая ее пластичность, не позволяющая из-за процессов релаксации снизить концентрацию напряжении? на первичном концентраторе напряжении?;

4) Неоднородность микроструктуры ферритно-перлитнои? стали (микровключения, субмикро несовершенства структур), способствующая возникновению концентраторов напряжении? и формированию хрупких микротрещин, преимущественно в перлитных составляющих;

5) Характеры дислокации?, микродеформации? и разрыва кристаллическои? решетки в вершине трещины.

Изучая кинетику процессов наводороживания конструкционных сталеи? в присутствии карбонатов и сероводорода, ученые установили функциональную связь между скоростью проникновения в сталь водорода и потенциалами катоднои? поляризации [5].

Согласно принятому ими механизму ток диффузии водорода в сталь связан с объемнои? концентрациеи? ионов гидроксония в электролите и током катоднои? поляризации соотношениями:

где К, K₁ — константы пропорциональности.

В присутствии в электролите сульфат-ионов, способствующих изменению величин Е, возрастающии? предельныи? диффузионныи? ток восстановления водорода контролируется в соответствии с уравнением:

где д — толщина приэлектродного слоя, в котором происходит диффузия.

4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА НА ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА НА ВНЕШНЕЙ КАТОДНОЗАЩИЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Полученные при электролитического различно образцов из сталей сортамента при превышениях тока защиты над током установить, что при катодной 0,2…0,25 В, плотность тока защиты совпадала с предельного тока по избыточного в не независимо от напряжений. выделение водорода из образцов когда тока защиты плотность предельного тока по в 8 — 10 и раз.

Рисунок 16 — Интенсивность наводороживания образцов из стали 17 ГС при различных внутренних напряжениях в зависимости от превышения тока катодной защиты над предельным по кислороду

При исследований на и тех же из стали внутренних на наводороживание при температуре что о изучаемого а.

Анализ предствавленных на 16 о том, что, без разброса максимальное поглощенного защищаемой () в от превышения тока защиты над предельного тока по

Коэффициенты А и В в от напряжений в Когда напряжения в не , их наводороживания на фоне экспериментальных практически не от образцов. наводороживания увеличивается при катодной когда и при в более . не через координат и, от напряжений в отсекают от оси отрезок, плотность тока защиты плотность тока в 5-7 раз. Это что, от напряжений, плотность тока защиты предельного тока по не чем в 5-7 раз, выделившегося из образцов не «родословного» содержания в не катодной количества водорода по мере растягивающих при стрелы образца, по-видимому, с новых вблизи катодно и перенапряжения выделения на поверхности образцов.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что, накоплению критической концентрации водорода вблизи катодно защищаемой поверхности, достаточной для образования микротрещины очага стресс-коррозионного предразрушения, способствуют множество факторов, среди которых важнейшими являются внутренние механические напряжения и степень превышения плотности тока катодной защиты над плотностью предельного тока по кислороду.

Поток диффузии водорода в сталь находится в прямой зависимости от степени заполнения катодно защищаемой поверхности ад- атомами водорода , которая зависит от расположения дефекта изоляции по периметру трубопровода: у верхней образующей, боковой или нижней. При режиме катодной защиты, когда в образцах, имитирующих положение дефектов у верхней образующей трубопровода, количество поглощенного водорода различалось в пределах 30-60% и практически, в пределах разброса результатов эксперимента, не превышало содержания «родословного» водорода. Когда катодную поляризацию образцов осуществляли в потолочном положении, соответствующему положению сквозных дефектов изоляции трубопровода у нижней образующей, количество выделившегося водорода после катодной поляризации возросло в 1,5-2 раза, что обусловлено зависимостью электролитического наводороживания от , когда лимитирующей стадией становится электрохимическая десорбция. Для пузырька водорода, образовавшегося у нижней образующей трубопровода, в отличие от пузырька у верхней образующей, силы поверхностного натяжения и Архимеда (кроме силы гравитации) действуют в одном направлении, что способствует повышению степени заполнения катодно защищаемой поверхности По мере уменьшения диаметра трубопровода кривизна трубы начинает оказывать влияние на величину краевого угла смачивания, увеличивая его, что облегчает отрыв пузырька от катодно защищаемой поверхности. Сила (пропорциональная диаметру пузырька в кубе) отрывающая пузырек и заставляющая его всплыть, при уменьшении диаметра трубы существенно превосходит силу удерживающую пузырек на катодно защищаемой поверхности (пропорциональную диаметру пузырька). Поэтому на трубопроводах малого диаметра под действием силы , при прочих равных условиях, у нижней образующей возрастает скорость удаления атомов водорода, чего не наблюдается на трубопроводах диаметром более 720 мм.

Рисунок 17 — Схема роста пузырьков газа у верхней боковой и нижней образующих трубопровода — А) и схема отделения пузырьков от катодно защищаемой поверхности в зависимости от диаметра трубопровода

Рисунок 17 — Схема роста пузырьков газа у верхней боковой и нижней образующих трубопровода — Б) при режимах, когда

Прямым подтверждением сказанного является факт отсутствия стесс-коррозионных повреждений на трубопроводах малого диаметра, изготовленных из той же стали, что и трубопроводы большого диаметра. Отказы по причине КРН трубных сталей происходят только на газопроводах диаметром 1420, 1220, 1020, 820 и 720 мм и никогда на трубопроводах малого диаметра, хотя трубы изготовлены из одинаковых сталей и эксплуатируются практически в одинаковых условиях.

4.1 Анализ режимов катоднои? защиты на участках аварии?ных разрушении? магистральных нефтегазопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением

За максимальное время до разрушения вследствие коррозии под напряжением отвечает область поляризационных потенциалов 0,85-1,1 В по м.с.э., когда плотность тока катоднои? защиты достигает значении? плотности предельного тока по кислороду или не более чем в 5-7 раз превышает ее. В области высоких потенциалов катоднои? защиты, когда jк.з./jпр?10, происходит интенсивное электролитическое насыщение стенки трубы катодным водородом, способствующим образованию стресс-коррозионных трещин. В таблице 1 приведены значения потенциалов катоднои? защиты, измеренные на участках аварии?ных разрушениях газопроводов ООО «Севергазпром» [10]. Данные таблицы 3 свидетельствуют о преимущественном стресс-коррозионном разрушении труб, изготовленных из более высокопрочных сталеи?. В настоящее время установлено усиление склонности сталеи? к водородному охрупчиванию под влиянием 0,01…0,001% фосфора, серы и их химических соединении?, которые в сталях адсорбируются по границам зерен. Механизм такого воздеи?ствия до настоящего времени не ясен. Известно, что углерод в сталях обладает высокои? склонностью к межкристаллитнои? внутреннеи? адсорбции и «конкурирует» на границах зерен с фосфором и серои?, ослабляя их охрупчивающее деи?ствие.

Межзеренная хрупкость сталеи? с фосфором и серои? вызвана уменьшением внутреннеи? адсорбции этих примесеи?, что сопровождается снижением когезионнои? прочности трубных сталеи? ферритно-перлитного класса.

Водородное охрупчивание напряженно-деформированных сталеи? при электролитическом наво- дороживании, по нашему мнению, также связано с понижением когезионнои? прочности, но под влиянием катодного водорода при перезащите, когда j_к._з./j_пр?10. Если фундаментальныи? механизм деи?ствия таков, то охрупчивающее воздеи?ствие водорода и примесеи? фосфора и серы должно суммироваться, по краи?неи? мере, при межзеренном разрушении. Другои? возможныи? механизм водородного охрупчивания сталеи? трубного сортамента состоит в облегчении пластического течения, снижении критическои? деформации и потере пластическои? устои?чивости зоны с высокои? концентрациеи? водорода перед вершинои? трещины, в зоне пред- разрушения. В этом случае примеси трубнои? стали могут повлиять на водородное охрупчивание, воздеи?ствуя на предел текучести и деформационное упрочнение твердого раствора внедрения Fe — H, вне всякои? связи с их воздеи?ствием на когезию. Исследование совместного деи?ствия фосфора, серы, углерода и катодного водорода на разрушение трубных сталеи? ферритно-перлитного класса представляется важным для понимания микромеханизма водородного охрупчивания. Наибольшую информацию о механизме водородного охрупчивания дает изучение кинетики докритического роста трещин, хотя все эксперименты такого рода до настоящего времени проводились на сталях, сложные структуры и фазовыи? состав которых не могут обеспечить точное решение поставленнои? задачи определения влияния критерия jк.з./jпр на образование стресс-коррозионных трещин в процессе длительнои? эксплуатации магистральных стальных трубопроводов. Полученныи? экспериментальныи? материал позволяет указать интервал значении? критерия j_к.з./j_пр, при котором остаточная скорость коррозии катоднозащищаемого трубопровода не превышает допустимых значении? при практическом отсутствии электролитического наводороживания стенки трубы.

Потенциал коррозии подземных стальных трубопроводов по мере увеличения влажности различных грунтов (до полного влагонасыщения), изменяется в пределах от — 0,45 до — 0,68 В по м.с.э. Смещение потенциала коррозии в отрицательную сторону связано с уменьшением аэрируемости грунтов: чем плотнее грунт и чем выше его влажность, тем отрицательнее потенциал коррозии трубнои? стали. Примерно в этих же пределах изменялась величина потенциала коррозии стали 17ГС в 0,05%-ном растворе NaCl по мере увеличения внутренних напряжении?. Смещение потенциала коррозии в отрицательную сторону, по мере возрастания внутренних напряжении?, связано с возрастанием электрохимическои? активности стальных образцов. Следует отметить, что в условиях эксперимента потенциал коррозии стальных образцов после предварительного катодного наводороживания также смещается в отрицательную сторону и зависит как от величины безразмерного критерия j_к.з./j_пр, так и от времени катоднои? поляризации. В условиях эксперимента, при j_к.з./j_пр=50-70, после предварительнои? катоднои? поляризации в течение 72-х час потенциал коррозии сместился в отрицательную сторону на 40-70 мВ, а при j_к.з./j_пр=100-125 потенциал коррозии после предварительнои? катоднои? поляризации в течение этого же времени смещался практически на 100-120 мВ. Смещение потенциала коррозии стальных образцов после катодного наводороживания в отрицательную сторону по сравнению с потенциалом коррозии этих же образцов до катодного наводороживания связано, по нашему мнению, с возрастанием механических напряжении? в структуре образцов, вызванных насыщением кристаллическои? решетки катодным водородом.

Результаты комплексного обследования коррозионного состояния подземных технологических трубопроводов нефтепере качивающих и компрессорных станции?, а также линеи?нои? части магистральных нефтегазопроводов, проложенных в различных грунтах, свидетельствуют о том, что потенциал коррозии, как правило, изменяется в пределах от -0,46 до -0,68 В по м.с.э. Полученная совокупность потенциалов коррозии стальных образцов в различных средах и потенциалов коррозии подземных стальных трубопроводов свидетельствует о том, что потенциал коррозии, в исследованных средах, в том числе при различных внутренних напряжениях, практически повсеместно находится в интервале 0,46-0,68 В по м.с.э. Данные об интервале реализации потенциалов коррозии подземных стальных трубопроводов, позволят нам проанализировать режимы катоднои? защиты, при которых произошли аварии на деи?ствующих магистральных газопроводах по причине стресс-коррозионного разрушения, рассчитав величину катоднои? поляризации ?ц как разницу между величинои? защит- ного потенциала цзащ и минимально и максимально возможным значением потенциала коррозии цкорр: ?ц=цзащ-цкорр. Затем, зная величину катоднои? поляризации, определим степень превышения плотности тока катоднои? защиты над плотностью предельного тока по кислороду. Результаты расчета представлены в таблицу 3 [12].

Таблица 3 — Значения защитных потенциалов и расположение СКЗ на участках аварийных разрушений газопроводов по причине стресс-коррозии

Результаты анализа, приведенные в таблице 3, свидетельствуют о том, что все аварии на деи?ствующих газопроводах по причине стресс-коррозионного разрушения произошли при превышении плотности тока катоднои? защиты над плотностью предельного тока по кислороду в 12-30 раз и более, когда ранее было показано, что интенсивное выделение водорода на КЗП начинается, когда величина катоднои? поляризации превышает 250-350 мВ. Это означает, что катодная защита аварии?ных участков магистральных газопроводов осуществлялась в области значении? катоднои? поляризации, превышающих максимально-допустимые значения в 3-6 раз, когда, как нам известно, на КЗП трубопроводов под воздеи?ствием катодного тока идет интенсивная высадка адатомов Н_адс водорода. Посадка на КЗП адатомов Н_адс, как было показано, приводит к электролитическому наводороживанию стенки трубопровода, что, по нашему мнению, является основнои? причинои? стресс-коррозионного разрушения высоконапорных трубопроводов. Стресс-коррозионные трещины были обнаружены на заболоченных участках трассы, при давлении транспортируемого газа 4,5 МПа, при потенциале катоднои? защиты — 2,75 В по м.с.э., при значении безразмерного критерия j_к.з /j_пр=37.

Таблица 4 — Анализ режимов катодной защиты на аварийных разрушениях магистральных газопроводах

коррозионный сталь трещина водородный

Исследования стои?кости подземных трубопроводов высокого давления к коррозионному растрескиванию под напряжением начались сравнительно недавно, хотя первые разрушения трубопроводов, связанные с этим явлением, в мировои? практике были зарегистрированы еще в 1972 году. В России в течение длительного времени этот вид коррозии не фиксировался. Однако в последнее время были отмечены десятки случаев разрушения подземных трубопроводов, которые квалифицировались как следствие коррозионного растрескивания под напряжением или стресс-коррозии. Естественно предположить, что и раньше были разрушения такого же происхождения, но их идентифицировали по другим критериям. Характерныи? признак стресс-коррозионных разрушении? — отсутствие явных следов коррозионных повреждении? поверхности труб, что является прямым подтверждением явления перезащиты, когда j_к.з./j_пр?10, и коррозионныи? процесс практически подавляется до остаточнои? скорости коррозии, не превышающеи? 0,007 мм/год, при одновременном интенсивном наводороживании стенки трубопровода, что в итоге приводит к стресс-коррозионым разрушениям. Обнаруживаются очаги разрушении? трубопроводов в виде трещин различнои? формы. Первоначально причины таких отказов на магистральных газонефтепроводах связывали с двумя возможными причинами: с качеством прокатки труб на трубных заводах и с качеством сварочно-монтажных работ при строительстве трубопроводов. При этом вне поля зрения оставались коррозионные факторы, единственное проявление которых — легкии? налет коррозионных продуктов. Однако появление в зарубежнои? печати сведении? о взрыве в США газопровода вследствие стресс-корроии, которыи? унес 17 жизнеи? [18-19], заставило более внимательно отнестись к этои? проблеме и в нашеи? стране. В России вопросами коррозионного растрескивания металла труб под напряжением, как однои? из разновидностеи? подземнои? коррозии, начали заниматься с 1983 года.

С этого времени начался учет отказов трубопроводов для транспорта нефти и газа по причине стресс-коррозионых разрушении?.

Разрушение магистральных нефтегазопроводов по причине КРН до настоящего времени малопредсказуемы, а урон для народного хозяи?ства и окружающеи? среды весьма чувствительныи?. В Краснотуринском ЛПУ МГ «Тюментрансгаз» на небольшом участке 6-ниточнои? системы газопроводов Ду 1420 мм произошло семь разрушении? по причине КРН. Разрушения происходили на всех нитках, на однои? из них — дважды. Участок, на котором произошли аварии, представляет собои? холмистую местность, часть кото- рои? примыкает к Замараи?скому болоту. По рельефу места аварии? совпадают или с низинами, или располагаются на склонах холмов, но всегда в заболоченных грунтах (застои?ных болотах), где наблюдается повышенное содержание сероводорода, в 1,43-2,1 раза больше, чем в проточных водоемах. Если в электролите кроме водорода содержится небольшое количество кислорода (?1%), то водородного охрупчивания не наблюдается из-за того, что атомы кислорода обладают большим химическим сродством к железу и быстро покрывают активные участки поверхности, препятствуя адсорбции водорода. По-видимому, это обстоятельство и обусловливает тот факт, что водородное охрупчивание стальных подземных трубопроводов, эксплуатирующихся в хорошо аэрируемых грунтах, представляет меньшую опасность, по сравнению с магистральными нефтегазопроводами, проложенных в заболоченных грунтах, содержащих в избытке H₂S и CO₂, кислород в которых практически отсутствует [24-27]. В застои?ных болотных грунтах, например, в центральнои? части Западнои? Сибири, практически всегда содержится сероводород, до 1,6 мг/л. Коррозия железа в водных растворах сероводорода протекает по суммарному уравнению: Fe+H₂S>FeS+2H_адс.

Рекомбинация выделившегося на поверхности трубопровода атомарного водорода замедляет образование сульфида железа, вследствие чего облегчается проникновение водорода в стенку трубы и усиливается его разупрочняющее влияние на сталь. На начальных стадиях изучения растрескивания сталеи? в растворах сероводорода исследователи отстаивали две точки зрения на природу разрушении? трубных сталеи?. Одни считали, что разрушение вызывается коррозионным разрушением, другие — охрупчиванием металла в результате наводораживания. В результате возник специальныи? термин «сероводородная хрупкость». При воздеи?ствии на сталь сероводорода образование трещин выявляется уже при вылеживании, например, в искусственнои? морскои? воде, барботируемои? H₂S при рН=5 («Бритиш Петролеум»). При этих испытаниях сероводород — катализатор поступления в структуру стали диффузионного водорода. При катоднои? перезащите трубопроводов, когда j_к.з./j_пр?10, концентрация ионов водорода, выделяющегося на защищаемои? поверхности, определяется химическим составом почвенного электролита, его минерализациеи? и плотностью тока катоднои? защиты. Максимум концентрации ионов водорода на защищаемои? поверхности наблюдается в среднеминерализованных грунтах, так как при ее увеличении, после некоторого оптимального значения условия, для электролитического наводороживания ухудшаются. Когда j_к.з./j_пр=60…80, интенсивность миграции ионов водорода возрастает и достигает максимального значения при j_к.з./j_пр>150. Дальнеи?шее увеличение плотности катодного тока, в зависимости от условии? эксперимента, как правило, не приводит к усилению эффекта наводороживания в связи с ограниченнои? возможностью поверхности стального образца поглощать водород, а также в связи с образованием вблизи катоднозащищаемои? поверхности трубопровода сплошнои? зоны пузырьков водорода, препятствующих контакту почвенного электролита с катоднозащищаемои? стальнои? поверхностью.

В зависимости от потенциального источника ионов водорода (сероводородсодержащего газа или нефти, подтоварнои? воды), насыщение стенки трубы ионами водорода возможно как со стороны транспортируемого продукта, так и с внешнеи?, катоднозащищеннои? поверхности. Проведенныи? детальныи? анализ отказов на трубопроводах, связанных с проявлением КРН, показывает, что при разрушении трубопроводов практически во всех выявленных случаях трещины хрупко развивались от внешнеи? катоднозащищаемои? стороны трубопровода с последующим вязким доломом [19]. Это обстоятельство позво- ляет заключить, что стимулятором стресс-коррозии может быть режим катоднои? защиты трубопровода, когда j_к.з./j_пр?10. В связи с этим назрела острая необходимость выработки конкретных рекомендации? по выбору режимов катоднои? защиты трубопроводов, исключающих их коррозионное растрескивание под напряжением. До настоящего времени нет единои? общепризнаннои? теории коррозионного растрескивания под напряжением, однозначно описывающеи? механизм стресс-коррозии катоднозащищаемых трубопроводов. Среди множества причин, провоцирующих КРН, не проведена градация, не определена их изначальная или производная значимость. Практически в стране нет современных средств прямои? диагностики КРН. Следовательно, обнаружить раннюю стадию коррозионного растрескивания чрезвычаи?но трудно, а в отдельных случаях не представляется возможным. Исследованиями ГП «Тюментрансгаз» и Уральского института физики металлов установлена прямая связь между повышеннои? загрязненностью металла разрушившихся труб оксидными и сернистыми включениями и образованием трещин от стресс-коррозии.

Результаты проведенных экспериментальных исследовании? и комплексных коррозионных обследовании? деи?ствующих нефте- газопроводов впервые позволяют прогнозировать развитие коррозионных язв и стресс-коррозионных трещин. Деи?ствительно, экспериментально установлено, что когда j_к.з./j_пр?10, на КЗП происходит посадка адатомов водорода, которые, внедряясь в структуру напряженно-деформированнои? трубнои? стали, молизуются в микропустотах вблизи КЗП и, за счет нарастающего давления молекулярного водорода, инициируют процесс коррозионного растрескивания под напряжением. При режиме катоднои? защиты, когда j_к.з./j_пр<1 или когда средства ЭХЗ простаивают (jк.з.=0), скорость коррозии сталеи? трубного сортамента в грунтах с рН 5,5-7,5 существенно превышает допустимую скорость коррозии подземных стальных трубопроводов и находится практически в прямои? пропорциональнои? зависимости от условии? доставки кислорода к корродирующеи? поверхности. В связи с этим, при выборе потенциалов катоднои? защиты напряженно-деформированных подземных стальных трубопроводов следует, помимо измерения величины защитного потенциала, регламентируемого ГОСТ 51164-98, дополнительно определять j_к.з. и сопоставлять ее с j_пр в реальных условиях прокладки трубопроводов. Это позволит количественно измерять недопустимо высокую остаточную скорость коррозии подземного трубопровода при недозащите, когда плотность тока катоднои? защиты не достигает значении? плотности предельного тока по кислороду и недопустимо высокую степень электролити- ческого наводороживания стенки трубопровода при перезащите, когда плотность тока катоднои? защиты в десять и более раз превышает плотность предельного тока по кислороду.

5. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ КРИТЕРИЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА ИСКЛЮЧАЮЩИЙ ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА И НАВОДОРОЖИВАНИЕ

На рисунке 18 представлены потенциостатические катодные поляризационные кривые, снятые на рабочем электроде из трубнои? стали 17Г1С в торфяном грунте с влажностью 180%. Анализ хода кривых свидетельствует о том, что при возрастании потенциала катоднои? защиты от потенциала коррозии ц_кор=-0,52 В по м.с.э. до величины защитного потенциала ц_защ=-0,67 В по м.с.э. (при возрастании критерия j_к.з./j_пр от 0 до 1,0), на защищаемои? поверхности протекают два процесса: электровосстановление кислорода и коррозия стального образца, причем скорость первои? реакции соответственно возрастает, второи? — уменьшается.

При достижении потенциала катоднои? защиты — 0,67 В по м.с.э. величина защитного тока стабилизируется и остается практически постояннои?, несмотря на увеличение защитного потенциала до -0,85 В по м.с.э. В области этих защитных потенциалов плотность защитного тока достигает значении? предельного тока кислорода, когда концентрация кислорода на поверхности потенциостатиру емого стального катода в грунте равна нулю.

Рисунок 18 — Катодные поляризационные кривые стального рабочего электрода (сталь 17ГС) в торфяном грунте при польном его влагонасыщении

В диапазоне от среднего потенциала коррозии трубнои? стали — 0,55В по м.с.э. до максимально допустимого поляризационного потенциала катоднои? защиты — 1,1В по м.с.э. существует несколько состоянии? грунтовои? коррозионнои? среды трубнои? стали [7-9]. Интервал от — 0,5В до — 0,6В по м.с.э. соответствует началу процесса катоднои? защиты, обеспечивающего подавление коррозии трубопровода до 40-60%, что согласуется с ходом экспериментальных зависимостеи?, представленных на рисунке 18. Интервал от — 0,8 до — 0,85В по м.с.э., когда величина тока катоднои? защиты достигает предельного по кислороду, снижает опасность стресс-коррозии и позволяет поднять общую степень защиты до 80%. В узком диапазоне потенциалов катоднои? защиты от — 0,86 до — 0,9В по м.с.э., когда на защищаемои? поверхности весь адсорбированныи? кислород «связывается» за счет электронов, поступающих от источника катоднои? защиты и когда потенциал катоднои? защиты еще не достиг потенциала выделения водорода, существуют идеальные условия катоднои? защиты, обеспечивающие торможение коррозионного процесса трубопровода, как свидетельствуют результаты проведенного эксперимента, не менее, чем на 90%. Дальнеи?шее увеличение потенциала катоднои? защиты до значении?, когда наблюдается резкое увеличение тока катоднои? защиты за счет электровосстановления молекул воды, способствует появлению опасности стресс-коррозии за счет образования свободных ионов водорода. Деи?ствительно, когда потенциал катоднои? защиты не достигает значении? потенциала катодного разложения воды, величина плотности предельного тока по кислороду обусловлена максимально возможнои? скоростью диффузии восстанавливаемого на защищаемои? поверхности кислорода.

При увеличении потенциала катоднои? защиты отрицательнее — 0,85В по м.с. э. (при условии, когда j_к.з./j_пр?10), наблюдается резкое увеличение защитного тока, что связано с началом протекания реакции катодного разложения воды с посадкои? на защищаемои? поверхности H_адс, наводороживающих структуру стали, что подтверждается выводами работ. При этом наблюдается незначительныи? прирост защитного эффекта, менее 10-12%. Незначительные прирост защитного эффекта связан с тем, что потенциал катоднои? защиты достиг потенциала разложения воды, и на фоне резкого возрастания плотности защитного тока на защищаемои? поверхности идет совместное электровосстановление кислорода: O2+2H2O+4e>4OH- (менее 20%) и разложения воды:

Результаты коррозионных испытании? свидетельствуют о том, что протекание второи? реакции не оказывает влияния на подавление коррозионного процесса и на увеличение защитного эффекта, несмотря на существенныи? рост защитного тока (рисунки 19 и 20).

Увеличение защитного тока может быть связано и с восстановлением содержащихся в почвенном электролите свободных ионов водорода.

Свободные ионы водорода на защищаемои? поверхности могут образовываться под влиянием поля катоднои? защиты за счет разложения различных химических соединении?, содержащихся в почвенном электролите по реакциям:

Рисунок 19 — Распределение плотности тока катодной защиты и величины катодной поляризации по окружности трубопровода Ду 1220 мм;

Рисунок 20 — Зависимость величины катодной поляризации от соотношения j_к.з./j_пр

Валентно-ненасыщенные частицы (радикалы), образовавшиеся по реакциям (12) обладают повышеннои? реакционнои? способностью. Кроме того, сам по себе ток катоднои? защиты ведет себя как сильнеи?шии? окислитель (на анодном заземлении) и сильнеи?шии? восстановитель на КЗП трубопровода, более сильныи?, чем, например, перекись водорода. Образовавшиеся ионы водорода, обладая большои? подвижностью, восстанавливаются (происходит освобождение протонов от сольватных связеи? и присоединение к КЗП с одновременнои? их электронеи?трализациеи?) H++e>H_адс и частичнои? последующеи? рекомбинациеи?: Н_адс+Н_адс>Н₂ на КЗП, в дефектах структуры трубнои? стали, на внутреннеи? поверхности трубы. Присутствие в почвенном электролите, контактирующим с оголеннои? стенкои? трубопровода даже в небольших количествах H₂S и CO₂ приводит к торможению процесса выделения молекулярного водорода [24]. Эти элементы задерживают рекомбинацию адатомов водорода, увеличивают время пребывания H_адс на КЗП и, таким образом, способствуют увеличению количества водорода, которыи? может проникнуть в приповерхностную зону стенки за- щищаемого трубопровода, когда j_к.з./j_пр>>10.

Можно полагать, что в различных дефектах изоляционного покрытия трубопроводов большого диаметра, 1020-1420 мм, несмотря на различные условия доставки кислорода и различную начальную скорость коррозии, величина безразмерного критерия jк.з./jпр при неизменном режиме катоднои? защиты остается постояннои?. Для исследования распределения плотности тока катоднои? защиты по окружности трубопровода большого диаметра, Ду 1220 мм, была использована видоизмененная методика Л.И. Каданера [25-26]. Исследования были проведены на специально оборудованном полигоне на образцах из трубнои? стали, равномерно (через 45°) распределенных по окружности трубы диаметром 1220 мм. С помощью общего амперметра измеряли общии? ток в цепи всех образцов. С помощью отдельных амперметров с малым входным сопротивлением определяли ток катоднои? защиты на каждом отдельном образце. Для устранения искажении?, вносимых измерительным прибором, измерительная схема была собрана с учетом усовершенствовании?. В практике катоднои? защиты трубопроводов картина распределения тока катоднои? защиты как по окружности, так и по длине необходима для того, чтобы определить, не будет ли на отдельных участках плотность тока катоднои? защиты занижена, когда остаточная скорость коррозии будет превышать предельно-допустимое значение или, наоборот, завышена, когда на защищаемои? поверхности будет идти интенсивная посадка адатомов водорода. Это особенно важно для магистральных газонефтепроводов, находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии, когда недозащита приводит к интенсивному коррозионному износу, а перезащита к интенсивному наводороживанию стенки трубопровода, с последующим растрескиванием.

На рисунке 21 представлена картина распределения максимальнои? глубины проникновения коррозии на образцах трубнои? стали 17ГС по окружности трубопровода Ду 1220 мм без катоднои? защиты и под катоднои? защитои? в глинистом и торфяном грунте, а также плотности тока катоднои? защиты. Анализ экспериментальных результатов, представленные на рисунке 21 свидетельствует о наличии эффекта саморегулирования катоднои? защиты: облегчается доставка кислорода — увеличивается скорость коррозии трубнои? стали без катоднои? защиты [28].

Рисунок 21 — Распределение максимальной глубины проникновения коррозии по окружности трубопровода Ду 1220 мм без катодной защиты; скорости коррозии при катодной поляризации 0,25 В и распределение плотности тока катодной защиты в глинистом грунте (длительность коррозионных испытаний 1 год)

При включении тока катоднои? защиты максимальная плотность тока катоднои? защиты (при заданнои? величине защитного потенциала) наблюдается в тех дефектах, доставка кислорода к которым наиболее облегчена и где наблюдалась максимальная скорость коррозии стали в отсутствие катоднои? защиты. При включении тока катоднои? защиты коррозионныи? процесс подавляется практически до постояннои? остаточнои? скорости коррозии, независимо от месторасположения дефекта изоляции: у верхнеи? образующеи?, где скорость коррозии в отсутствие катоднои? защиты максимальна, и у нижнеи? образующеи?, где скорость коррозии в отсутствие катоднои? защиты минимальна.

При подключении катоднои? защиты в дефектах с максимальнои? скоростью коррозии наблюдается максимальныи? ток катоднои? защиты, которыи? ее подавляет практически до тех же значении?, что и минимальныи? ток катоднои? защиты (у нижнеи? образующеи? трубопровода), где наблюдается минимальная скорость коррозии. Анализ результатов коррозионных исследовании? эффективности электрохимическои? защиты магистральных трубопроводов в по левых условиях в различных почвенно-климатических регионах страны, приведенных в работе, подтверждает наблюдаемое явление эффекта саморегулирования катоднои? защиты.

Когда плотность тока катоднои? защиты достигает значении? предельного тока кислорода, катодная защита «подавляет» течение коррозионного процесса рабочих образцов из трубных сталеи? ферритно-перлитного класса до значении?, не превышающих 0,007±0,004 мм/год независимо от условии? доставки кислорода, как у верхнеи? образующеи? трубопровода, где доставка кислорода к корродирующеи? поверхности наиболее облегчена и наблюдается максимальная скорость коррозии в отсутствие катоднои? защиты, так и у нижнеи? образующеи?, где доставка кислорода наиболее затруднена и скорость коррозии трубнои? стали в отсутствие катоднои? защиты минимальна. Дальнеи?шее увеличение плотности тока катоднои? защиты в области протекания реакции катодного разложения воды с посадкои? на КЗП образцов из трубных сталеи? адатомов водорода к заметному уменьшению скорости коррозии практически не приводит, что подтверждают экспериментальные результаты, представленные на рисунке 22.

Рисунок 22 — Соотношение j_к.з./j_пр и остаточной скоростью коррозии стали 17ГС при различных величинах катодной поляризации в 0,05%-ном растворе NaCl — A.

Анализ экспериментальных результатов, представленных на рисунке 23, указывает на то, что после достижения плотности тока катоднои? защиты значении? плотности предельного тока по кислороду в области значении? катоднои? поляризации, равнои? 250 мВ, дальнеи?шее увеличение величины катоднои? поляризации практически не приводит к заметному подавлению коррозионного процесса.

Рисунок 23 — Зависимость плотности тока катодной защиты и остаточной скорости коррозии от величины катодной поляризации в 0,05%-ном растворе NaCl — Б

При дальнеи?шем увеличении величины катоднои? поляризации, при достижении плотности тока катоднои? защиты величины значении? плотности предельного тока по кислороду и его превышении в 3 — 5 раз, на КЗП превалирующеи? становится реакция выделения водорода, что приводит к резкому снижению к.п.д. катоднои? защиты. Прямым подтверждением сказанного являются экспериментальные результаты, представленные на рисунке 24.

Рисунок 24 — Соотношение затрат электрической энергии на подавление коррозионного процесса трубопровода и на наводороживание стенки трубы при различных режимах катодной защиты

Деи?ствительно, при плотности тока катоднои? защиты, равнои? плотности предельного тока выделения кислорода, расход тока катоднои? защиты собственно на подавление коррозионного процесса достигает практически 99% и уже при пятикратном ее превышении над плотностью предельного тока кислорода расход тока катоднои? защиты собственно на подавление коррозионного процесса снижается до 20%, следовательно, остальные 80% тока катоднои? защиты расходуются на электролитическое выделение водорода на КЗП. Выбор оптимального режима катоднои? защиты трубопроводов должен обеспечить минимальные затраты на эксплуатацию линеи?нои? части трубопроводов и подземных коммуникации? нефтеперекачивающих и компрессорных станции?. Важнеи?шим фактором, определяющим экономичность электрохимическои? защиты подземных трубопроводов является плотность тока катоднои? защиты.

Достаточно надежным критерием, определяющим экономичность электрохимическои? защиты подземных трубопроводов, является соотношение j_защ/j_пр: когда j_защ/j_пр<1, на КЗП образуются коррозионные дефекты (недозащита); когда j_защ/j_пр>7 — 10 и более — на КЗП образуются дефекты КРН (перезащита).

Было установлено, что максимальная глубина проникновения коррозии на образцах из трубнои? стали К_корр находится в пропорциональнои? зависимости от плотности предельного тока кислорода, измереннои? в толще грунта на уровне укладки образцов:

К_корр=А_jпр+В……………………………………(13)

Прямая, в зависимости от внутренних напряжении? в образце, отсекает от оси ординат отрезки: B=(0,01…0,015), что свидетельствует о том, что в отсутствие кислорода скорость коррозии трубнои? стали, обусловленная деи?ствием других деполяризаторов, в исследуемых грунтах центральнои? части Западнои? Сибири не превышает К_корр ? 0,01…0,015 мм/год. Сопоставление плотности тока коррозии в язвах с максимальнои? глубинои? с плотностью предельного тока по кислороду свидетельствует о том, что плотность тока коррозии на образцах при отсутствие внутренних напряжении? составляет: = 0,37j_пр; при внутреннем напряжении, равном 0,6у0,2 — соответственно =0,5125j_пр; при внутреннем напряжении 0,95у 0,2- = 0,775j_пр. То есть по мере увеличения внутренних напряжении? максимальная плотность тока коррозии приближается к плотности предельного тока по кислороду, но не превышает ее.

Таблица 5 — Изменение коэффициентов А и В при возрастании напряжений в стальных образцах из стали 17ГС

Коэффициенты	Внутренние механические напряжения в стальном образце
	0	0,6у0,2	0,95у0,2
А	0,18	0,36	0,58
В	0,01	0,013	0,015

Расчет режимов катоднои? защиты в зависимости от максимально возможнои? в данных условиях плотности тока коррозии, определяемои? плотностью предельного тока по кислороду, измеряемои? на уровне укладки подземного стального трубопровода, представлен в таблице 6.

Таблица 6 — Плотность тока катодной защиты для стали в различных средах

Для подавления коррозионного процесса подземных стальных трубопроводов до значении?, не превышающих 0,01 мм/год, необходимо, чтобы отношение плотности тока катоднои? защиты к плотности предельного тока по кислороду составляло 2,3. Деи?ствительно, 0,01=0,1/ej_к.з./j_пр, отсюда j_к.з./j_пр=2,3. При плотности предельного тока по кислороду 0,1 А/м² необходимая плотность тока катоднои? защиты, подавляющая скорость коррозии трубопровода от 0,1 мм/год до 0,01 мм/год, должна быть 0,23 А/м². При этои? плотности тока катоднои? защиты практически исключено электролитическое наводороживание стенки подземного стального трубопровода. Результаты экспериментальных исследовании? свидетельствуют о том, что во всех исследованных грунтах площадка предельного тока по кислороду реализуется при смещении потенциала коррозии в катодную область на 200-250 мВ.

Рисунок 25 — Экспериментальная зависимость величины катодной поляризации dф от соотношения j_к.з./j_пр

Экспериментальные исследования, проведенные в лабораторных и полевых условиях, свидетельствуют о том, что в глинистых и торфяных грунтах величина катоднои? поляризации, в зависимости от значения безразмерного критерия К_к.з.=j_защ/j_пр, достаточно надежно описывается уравнением концентрационнои? поляризации в следующем виде:

При этом следует подчеркнуть, что в грунтах, в отличие от электролитов со свободнои? конвекциеи?, между величинои? катоднои? поляризации до 0,35В и отношением j_защ/j_пр существует линеи?ная зависимость, что подтверждается также и результатами лабораторных экспериментальных исследовании? представленных на рисунке 25.

Рассчитанные по уравнению (14), при коэффициенте пропорциональности, равном 0,059В, значения катоднои? поляризации при рекомендуемых отношениях плотности тока катоднои? защиты к плотности предельного тока по киcлороду свидетельствуют о том, что величина катоднои? поляризации не превышает 250-300 мВ, когда плотность тока катоднои? защиты превышает плотность предельного тока по кислороду в 3-5 раз. Как видно из таблицы 7, рассчитанные и экспериментальные величины катоднои? поляризации достаточно близки друг другу, что подтверждает природу катоднои? поляризации, вызваннои? диффузионными ограничениями доставки электрохимически активных компонентов почвенного электролита (преимущественно кислорода) к поверхности потенциостатируемых катодов (сквозных дефектов изоляции), находящихся на трубопроводе в различных условиях доставки кислорода. Когда безразмерныи? критерии? (К_к.з.=j_к.з./j_пр) достигает значении? 8-10, линеи?ная зависимость (14) нарушается, так как на КЗП начинает интенсивно протекать следующая электродная реакция — реакция выделения водорода, не связанная с подавлением коррозионного процесса. Значение коэффициента пропорциональности в уравнении (14), определенное на основе экспериментальных результатов, составило 0,0593 В. Полученныи? результат свидетельствует о том, что относительная погрешность между экспериментальным и теоретическим значением не превышает 1,0%.

Таблица 7 — Значения величины катодной поляризации при различных соотношениях между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду.

Когда плотность тока катоднои? защиты превышает плотность предельного тока по кислороду в 3 — 5 раз, величина катоднои? поляризации составляет 0,2 — 0,3В. В этом случае, как было показано выше, концентрация кислорода на защищаемои? поверхности равна нулю и катодная защита подавляет течение коррозионного процесса до значении? остаточнои? скорости коррозии, не превышающеи? 0,005 — 0,008 мм/год. С другои? стороны, при этих значениях катоднои? поляризации, как и при соответствующих им соотношениях между плотностью тока катоднои? защиты и плотностью предельного тока по кислороду, на КЗП не происходит заметного выделения водорода. Полученная совокупность экспериментальных результатов позволяет рекомендовать критерии? Кк.з.=jк.з./jпр для практическои? реализации, позволяющеи? количественно кон- тролировать образование коррозионных дефектов, когда jк.з./jпр<1, и интенсивность электролитического наводороживания трубных сталеи?, когда jк.з./jпр>7…10.

Сопоставляя необходимую плотность тока катоднои? защиты для подавления скорости коррозии трубнои? стали до значении?, не превышающих 0,007 мм/год, с максимальнот возможнои? плотностью коррозионного тока (плотностью предельного тока по кислороду), мы видим, что чем больше плотность коррозионного тока в отсутствии катоднои? защиты, тем большая плотность тока катоднои? защиты требуется для ее подавления.

Таблица 8 — Рекомендуемые значения безразмерного критерия катодной защиты, при которых остаточная скорость коррозии трубных сталей не превышает 0,007 мм/год

Плотность предельного тока по кислороду, измеренная в толще грунта, А/м2	Величина безразмерного критерия jзащ /jпр	Необходимая плотность тока катодной защиты, А/м2	Величина защитного эффекта, %	Коэффициент полезного использования тока катодной защиты, %
0,03	1,5	0,045	76,67	66,7
0,05	2	0,1	86,0	50,0
0,08	2,5	0,2	87,5	40,0
0,1	2,7	0,27	90,0	37,0
0,15	3,1	0,47	91,2	32,0
0,2	3,4	0,68	96,5	29,4
0,3	3,8	1,14	97,7	26,3
0,5	4,2	2,15	98,6	23,2
0,6	4,4	2,64	98,83	22,7

Полученные данные свидетельствуют о том, что в условиях коррозии трубных сталеи? с кислороднои? деполяризациеи? для надежного подавления коррозионного процесса, когда остаточная скорость коррозии не превышает 0,007 мм/год, необходимо, чтобы плотность тока катоднои? защиты превышала плотность предельного тока по кислороду, в зависимости от начальнои? скорости коррозии трубнои? стали в отсутствии катоднои? защиты, в 1,5 — 3 раза.

Результаты теоретических и экспериментальных исследовании?, приведенных в таблице 8, свидетельствуют о том, что по мере возрастания начальнои? скорости коррозии образцов из трубнои? стали от 0,03 мм/год до 0,6 мм/год, для надежного подавления коррозии (до значении? остаточнои? скорости коррозии, не превы- шающеи? 0,007 мм/год) необходимо увеличивать плотность тока катоднои? защиты от 0,045 А/м² до 2,64 А/м² при одновременном увеличении защитного эффекта от 76,67% до 98,83%. По мере увеличения защитного эффекта коэффициент полезного исполь- зования тока катоднои? защиты снижается от 66,7% до 22,7%, что свидетельствует о начале выделения водорода на КЗП. Как было показано выше, дальнеи?шее увеличение плотности тока катоднои? защиты практически бесполезно, так как не приводит к дальнеи?шему уменьшению скорости коррозии (менее 0,007 мм/год), но приводит к увеличению степени заполнения КЗП адатомами водорода H_адс. В связи с этим, на основе полученных экспериментальных результатов, к применению на практике могут быть рекомендованы режимы катоднои? защиты подземных стальных трубопроводов, с однои? стороны подавляющее течение коррозионных процессов до значении?, не превышающих 0,007 мм/год вне зависимости от начальнои? скорости коррозии, с другои? — практически исключающие электролитическое наводороживание приповерхностнои? зоны стенки подземных трубопроводов в процессе их длительнои? эксплуатации при транспорте нефти и газа.

5.1 Аппаратно-программныи? комплекс для определения плотности предельного тока по кислороду и плотности тока катоднои? защиты на трубопроводах при транспорте нефти и газа

На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследовании? разработан аппаратно-программныи? комплекс «Магистраль» [10].

Аппаратно-программныи? комплекс «Магистраль» позволяет в трассовых условиях количественно определять скорость остаточнои? коррозии и степень наводороживания стенки трубы при различных потенциалах катоднои? защиты подземных стальных трубопроводов. Прибор содержит коррозионно-измерительныи? зонд и измерительныи? модуль. Измерительныи? модуль содержит матричныи? дисплеи?, трехкнопочныи? интерфеи?с, кабель для подключения к сенсору. Прибор позволяет производить измерение, хранение в памяти и перегрузку в базовыи? компьютер следующих данных:

* плотность предельного тока по кислороду в толще грунта, А/м²;

* максимально возможную скорость коррозии трубопровода в конкретных условиях прокладки в отсутствие катоднои? защиты, мм/год;

* плотность тока катоднои? защиты, А/м²;

* остаточную скорость коррозии трубопровода при различ- ных потенциалах катоднои? защиты, мм/год;

* интенсивность электролитического наводороживания стенки трубопровода при заданном режиме катоднои? защиты, см3/100г.

Рисунок 26 — Аппаратно-программный комплекс «Магистраль»

Измерение и расчет данных производится в автоматическом режиме, что облегчает эксплуатацию прибора в трассовых условиях и исключает возможность субъективных ошибок. Для определения плотности предельного тока по кислороду и плотности тока катоднои? защиты зонд устанавливают над трубопроводом, погружают на требуемую глубину в грунт до верхнеи? образующеи? подземного трубопровода и подключают к измерительному блоку. В отсутствие тока поляризации прибор регистрирует разность стационарных потенциалов рабочего и вспомогательного электродов. При пропускании тока катоднои? поляризации потенциал вспомогательного электрода практически остается постоянным из-за ничтожно малои? плотности тока на нем (его поверхность в 105 раз превосходит площадь рабочего электрода) и изменение разности потенциалов между электродами происходит практически только за счет поляризации рабочего электрода, изготовленного из трубнои? стали 17ГС.

При катоднои? поляризации рабочего электрода снимается полярограмма кислорода, высота которои? зависит от физико-химических свои?ств грунта в даннои? точке подземного стального трубопровода и характеризует величину коррозионного тока в язвах, имеющих максимальную глубину. Здесь следует отметить, что специально проведенные исследования [17] показали, что плотность тока коррозии в язвах с максимальнои? глубинои? как в высоко- омных грунтах, когда макрокоррозионные пары дифференциальнои? аэрации не оказывают практического влияния на максимальную глубину проникновения коррозии к участкам трубопровода, доставка кислорода к которым наиболее облегчена, так и в низкоомных, где за счет токов дифференциальнои? аэрации происходит некоторое (до 40%) перераспределение убыли массы от катодных участков к анодным, никогда на превышает плотность предельного тока по кислороду.

В процессе дальнеи?шеи? работы не обязательно каждыи? раз снимать катодную полярограмму восстановления кислорода на рабочем электроде. Достаточно потенциалу рабочего электрода зонда задать величину катоднои? поляризации, соответствующую середине площадки предельного тока выделения кислорода ?ц=0,2…0,25В и зафиксировать значение предельного тока восстановления кислорода после его установления во времени (в толще грунта в течение 3-х мин.). Затем, коррозионно-измерительныи? зонд отключают от измерительного блока, рабочии? электрод зонда подключают к катоднои? защите подземного трубопровода и сравнивают величину тока катоднои? защиты на рабочем электроде зонда, диаметр которого выбран так, чтобы полностью смоделировать условия диффузии кислорода к наиболее коррозионно-опасному «критическому» дефекту изоляционного покрытия трубопровода, с предельным током по кислороду, определенным ранее с помощью комплекса «Магистраль».

6. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

6.1 Рассчет коэффициента полезного использования тока катоднои? защиты

В процессе промышленнои? апробации аппаратно-программного комплекса «Магистраль» коррозионным испытаниям подвергали две партии короткозамкнутых образцов, изготовленных из трубнои? стали 17ГС. В обеих партиях было набрано по восемь образцов. Образцы помещали в песчаноторфянои? грунт с влажностью, близкои? к его полному влагонасыщению. Плотность предельного тока по кислороду у верхнеи? образующеи? трубопровода составляла 5,2 мкA/см2. Затем всю партию короткозамкнутых образцов расположили по окружности трубопровода Ду 1220 мм на равном расстоянии друг от друга и подключили к катоднои? защите трубопровода. Вторую партию короткозамкнутых образцов также расположили по окружности трубопровода Ду 1220 мм на равном расстоянии друг от друга, но к катоднои? защите трубопровода не подключали. Режим катоднои? защиты первои? партии образцов с помощью подключенного зонда выбирали таким образом, чтобы плотность тока катоднои? защиты на рабочем электроде была равна плотности предельного тока по кислороду. Это условие реализуется при потенциале катоднои? защиты — 0,75 В по м.с.э. Образцы подвергали коррозионным испытаниям в течение 240 час. После коррозионных испытании? образцы извлекали из грунта и весовым методом определяли их скорость коррозии. Образцы взвешивали на аналитических весах WA-31 с точностью до 0,1 мг. Остаточная скорость коррозии образцов, находящихся под катоднои? защитои?, составила 0,0063±0,0011 г/м² час, что соответствует плотности коррозионного тока, равнои? 0,6 мкА/см². У свободных образцов, неподключенных к катоднои? защите, скорость коррозии составила 0,043±0,009 г/м² час, что соответствует плотности коррозионного тока 4,0 мкА/см².

Затем с первои? партиеи? короткозамкнутых образцов на этом же участке трассы, в этом же грунте повторили коррозионные испытания при условии недостаточнои? катоднои? защиты. На образцах, находящихся под катоднои? защитои?, ток катоднои? защиты установили равным половине предельного тока по кислороду на рабочем электроде зонда. При этом, за счет эффекта саморегулирования тока катоднои? защиты, плотность тока катоднои? защиты на испытуемых образцах устанавливалась также равнои? половине предельного тока по кислороду, что контролировали с помощью цифрового миллиамперметра, включаемого поочередно в цепь каждого короткозамкнутого образца. Режим катоднои? защиты, когда плотность тока катоднои? защиты на образцах равнялась половине плотности предельного тока по кислороду, был реализован при потенциале катоднои? защиты минус 0,63В по м.с.э. Коррозионные испытания, так же как и в первом случае, вели в течение 240 часов. Затем образцы извлекали из грунта и определяли остаточную скорость коррозии по тои? же методике, что и в первои? серии коррозионных испытании?. В этом случае наблюдали более значительныи? разброс экспериментальных результатов. Остаточная скорость коррозии образцов составила 0,0131±0,061 г/м²·час, что соответствует плотности коррозионного тока 1,3 мкА/см². Остаточная скорость коррозии на фоне увеличившегося разброса экспериментальных результатов пропорционально увеличилась также в два раза. То есть, величину защитного тока по сравнению с предельным по кислороду уменьшили в два раза, соответственно остаточная скорость коррозии возросла в два раза. Степень катоднои? защиты в рассматриваемом случае составляет: Z=(4,0-1,3)/4,0=0,675 (рассчитана по убыли массы образцов); Z=(5,2-2,6)/5,2=0,5 (рассчитана по предлагаемому способу).

Сопоставление результатов по степени катоднои? защиты образцов из трубнои? стали показывает удовлетворительную сходимость. Однако у предлагаемого способа есть очень существенное преимущество: степень защищенности стальных образцов от почвеннои? коррозии мы знали сразу же после задания режима катоднои? защиты. Такую информацию не может дать ни один из существующих в настоящее время в нашеи? стране и за рубежом способов определения эффективности катоднои? защиты подземных стальных трубопроводов.

С этои? же партиеи? образцов в этом же грунте реализовали перезащиту. Режим катоднои? защиты образцов усиливали до тех пор, пока плотность тока катоднои? защиты на рабочем электроде зонда не превысит плотность предельного тока по кислороду в семь раз. Эта ситуация реализуется при потенциале катоднои? защиты — 1,25 В по м.с.э. По истечении 240 час образцы извлекали из грунта и определяли остаточную скорость коррозии. В этом случае остаточная скорость коррозии составила 0,0057±0,0018 г/м² час, что соответствует плотности коррозионного тока 0,56 мкА. Наглядно видно, что остаточная скорость коррозии в этом случае перезащиты осталась практически тои? же, что и в случае, когда плотность тока катоднои? защиты была равна плотности предельного тока по кислороду. Но при этом режиме величина защитного тока в семь раз больше предельного по кислороду, то есть достигнуто пренебрежительно малое увеличение степени катоднои? защиты, а электроэнергии затратили в семь раз больше. В этом случае определяем коэффициент полезного использования тока катоднои? защиты:

Несовпадение результатов рассчитанных коэффициентов полезного использования тока катоднои? защиты по убыли массы образцов и по измереннои? плотности тока катоднои? защиты и плотности предельного тока по кислороду связано с погрешностью определения остаточнои? скорости коррозии, так как убыль массы образцов за время коррозионных испытании? практически совпадала с убылью массы образцов в процессе подготовки образцов к взвешиванию после коррозионных испытании?.

Анализ режима катоднои? защиты проведем на основе коэффициента полезного использования тока катоднои? защиты на основе сопоставления предельного тока по кислороду и плотности тока катоднои? защиты, которыи? для данного случая перезащиты оказался равным 20%. Полученныи? результат показывает, что 80% электрическои? энергии затрачены впустую. Эта энергия была затрачена на протекание катодного разложения воды с посадкои? адатомов Н_адс на защищаемои? поверхности. Об этом нам было известно сразу же после задания режима катоднои? защиты. Таким образом, используя предлагаемыи? способ, это обстоятельство можно и необходимо учитывать уже на стадии наладки и настрои?ки режимов катоднои? защиты подземных стальных трубопроводов.

6.2 Расчет катодной защиты трубопровода

Основным расчетным параметром является средняя плотность защитного тока j_ср — отношение силы тока катодной станции J к суммарной наружной поверхности трубопроводов, защищаемых данной станцией.

Если проектируемые трубопроводы будут иметь соединения с действующими сооружениями, оборудованными установками ЭХЗ, необходимо расчетным путем проверить возможность защиты проектируемых трубопроводов действующими установками ЭХЗ.

Исходными данными для расчета катодной защиты проектируемых трубопроводов являются их параметры и среднее удельное сопротивление грунта на территории вдоль трасс проектируемых трубопроводов.

Площадь поверхности S_Г (м²) всех газопроводов, которые электрически контактируют между собой за счет технологических соединений или специальных перемычек, определяют по формуле:

, (16)

где d_iг — диаметр (мм);

I_iг — длина (м) участка газопровода, имеющего диаметр d_iг;

n — общее число соответствующих участков газопровода.

Площадь поверхности всех водопроводов S_в (м²), которые электрически контактируют между собой за счет технологических соединений или специальных перемычек, определяют по формуле:

, (17)

где d_iB — диаметр (мм);

I_iB — длина (м) участка водопровода, имеющего диаметр d_iв;

m — общее число соответствующих участков водопровода.

Суммарная площадь поверхности S (м²) всех электрически связанных газопроводов и водопроводов равна:

S = S_г + S_в, (18)

Среднее удельное сопротивление грунта r (Ом·м) вдоль трасс проектируемых трубопроводов определяется по формуле:

, (19)

где: r_iг и r_iв — средние удельные сопротивления грунта (Ом·м) вдоль длины соответственно I_iг — каждого i-го участка газопровода и I_iв — каждого i-го участка водопровода;

L_г и L_в — суммарные длины газопроводов и водопроводов на данной территории.

Вычисляется доля (%) площади поверхности газопроводов а_г и водопроводов а_в в суммарной площади их поверхностей:

а_г = (S_г/S) · 100 (20)

а_в = (S_в/S) · 100 (21)

Вычисляется площадь поверхности (м²/га) газопроводов b_г и водопроводов b_в, приходящаяся на единицу площади территории S_тер (га), где размещены проектируемые трубопроводы:

b_г = (S_г/S_тер) (22)

b_в = (S_в/S_тер) (23)

Средняя плотность защитного тока для всех трубопроводов j (мА/м²) вычисляется по уравнению:

j = 30 — 10^-3 (100 + 3,0 b_в + 34b_г + 5r) (24)

При отсутствии водопроводов средняя защитная плотность тока газопроводов вычисляется по уравнению:

j_г = 20 + 10^-3 (100 — 34b_г + 5r) (25)

Если расчетное значение j или j_г меньше 6 мА/м², принимается j = 6 мА/м².

Суммарная сила тока (А), необходимого для катодной защиты проектируемых газо- и водопроводов, определяется по формуле:

J = 1,3 · 10^-3 jS, (26)

Для защиты только сети газопроводов — по формуле:

J_г = 1,3 · 10^-3 j_гS_г, (27)

Число катодных станций определяют из условий оптимального размещения анодных заземлителей, наличия источников питания и т.д. При этом значение тока одной катодной станции можно ориентировочно принять равным 25 А. Поэтому число катодных станций приближенно равно n = J/25, где J = J или J_г.

После размещения катодных станций на совмещенном плане необходимо рассчитать зону действия каждой из них. Для этой цели определяют радиус действия R_i (м) каждой катодной станции

, (28)

где: j — катодная плотность тока (А/м²), определенная по формуле (24) или (25),

K (м²/гa) — площадь поверхности всех трубопроводов на единицу площади поверхности территории:

K = S (м²) / S_тер (га) (29)

Если площади кругов, радиусы действия каждого из которых равны R_i, а центры находятся в точках размещения анодных заземлителей, не охватывают всей территории S_тер, необходимо изменить или места расположения катодных станций, или их токи и вновь выполнить проверку.

Тип преобразователя катодной станции выбирается так, чтобы допустимое напряжение было на 30% выше расчетного с учетом старения изоляционных покрытий и анодных заземлителей, а также возможного развития сети трубопроводов.

Расчет катодной защиты.

1. Пусть на территории площадью 5 га после завершения строительства будут размещен трубопровод диаметром и длиной соответственно d =108 мм I =1200м

2. Определяем площадь поверхности трубопровода:

S_г = 3,14 · 10^-3 (108 ·1200) = 407 м²,

3. Принимаем среднее удельное сопротивление грунта 42 Ом·м

4. Вычисляем доли площади поверхности трубопроводов:

а = (407/407)·100 = 100 %

5. Вычисляем коэффициенты b:

b = 407 / 5 = 81,4 м²/га

6. Вычисляем среднюю плотность защитного тока:

j_г = 20 + 10^-3 (100 — 34·81,4+ 5·42) = 17,54 мА/м²

7. Вычисляем суммарную силу защитного тока:

J = 1,3·10^-3·17,54·407 = 9,28 А

8. Принимаем катодную станцию марки МКЗ-М12 со следующими характеристиками:

· Номинальный ток: 15 А.

· Номинальное выходное напряжение: 24 В.

· Технический ресурс: 100 тыс.ч.

· Срок службы: не менее 20 лет.

· КПД: не менее 0,85.

· Масса: 38 кг.

9. Вычисляем коэффициент К по формуле:

К = (407/5) = 81,4 м²/га

10. Радиус действия катодной станции:

R = 60·v(9,28/(17,54·81,5·0,001)) = 152 м

Катодная станция охватывает всю территорию размещения проектируемых трубопроводов (7,25 га). Следовательно, изменять число катодных станций и их расположение не нужно.

7. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ

7.1 Потребители результатов исследования

Продукт (результат НИР) — Разработка более эффективного метода обнаружения возникновения и развития стресс-коррозионных дефектов в процессе длительной эксплуатации трубопроводов на примере ОАО «Томскнефть» ВНК с экономическим обоснованием.

Целевой рынок — сегменты рынка, на котором будет продаваться в будущем разработка. Для данного проекта целевым рынком являются нефтегазодобывающие предприятия.

7.2 SWOT-анализ

SWOT — Strengths (сильные стороны), Weaknesses (слабые стороны), Opportunities (возможности) и Threats (угрозы) — представляет собой комплексный анализ научно-исследовательского проекта. SWOT-анализ применяют для исследования внешней и внутренней среды проекта.

Таблица 9 — Матрица SWOT

	Сильные стороны проекта: С1. Экологическая целесообразность метода С2. Более эффективен по сравнению с другими методами С3. Наличие бюджетного финансирования С4. Квалифицированный персонал	Слабые стороны проекта: Сл1. Отсутствие прототипа научной разработки Сл2. Нет некоторых данных для достоверности методики
Возможности: В1. Использование инновационной инфраструктуры ТПУ В2. Появление спроса на реализованный проект	1.Разработка нового, более эффективного метода обнаружения возникновения и развития стресс-коррозионных дефектов в процессе длительной эксплуатации трубопроводов 2.Продолжение научных исследований с целью внедрения и усовершенствования метода	1.Разработка научного исследования 2.Приобретение необходимого программного продукта
Угрозы: У1. Введение дополнительных технических требований заказчика к модели метода У2. Введение дополнительных государственных требований к сертификации продукции	1.Продвижение новой технологии с целью появления спроса 2.Сертификация продукции	1.Разработка научного исследования 2.Приобретение необходимого программного продукта 3.Продвижение новой методики с целью появления спроса

7.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации

На какой бы стадии жизненного цикла не находилась научная разработка полезно оценить степень ее готовности к коммерциализации и выяснить уровень собственных знаний для ее проведения (или завершения). Для этого необходимо заполнить специальную форму, содержащую показатели о степени проработанности проекта с позиции коммерциализации и компетенциям разработчика научного проекта. Результаты анализа степени готовности приведены в таблице 10.

Таблица 10 — Оценка степени готовности научного проекта к коммерциализации

№ п/п	Наименование	Степень проработанности научного проекта	Уровень имеющихся знаний у разработчика
1	Определен имеющийся научно-технический задел	4	3
2	Определены перспективные направления коммерциализации научно-технического задела	4	3
3	Определены отрасли и технологии (товары, услуги) для предложения на рынке	5	4
4	Определена товарная форма научно-технического задела для представления на рынок	4	3
5	Определены авторы и осуществлена охрана их прав	3	3
6	Проведена оценка стоимости интеллектуальной собственности	2	4
7	Проведены маркетинговые исследования рынков сбыта	2	2
8	Разработан бизнес-план коммерциализации научной разработки	3	4
9	Определены пути продвижения научной разработки на рынок	3	3
10	Разработана стратегия (форма) реализации научной разработки	3	3
11	Проработаны вопросы международного сотрудничества и выхода на зарубежный рынок	1	2
12	Проработаны вопросы использования услуг инфраструктуры поддержки, получения льгот	2	2
13	Проработаны вопросы финансирования коммерциализации научной разработки	2	3
14	Имеется команда для коммерциализации научной разработки	2	3
15	Проработан механизм реализации научного проекта	2	4
	ИТОГО БАЛЛОВ	42	46

Оценка готовности научного проекта к коммерциализации (или уровень имеющихся знаний у разработчика) определяется по формуле:

где Б_сум — суммарное количество баллов по каждому направлению; Б_i — балл по i-му показателю.

Значение Б_сум позволяет говорить о мере готовности научной разработки и ее разработчика к коммерциализации. Значение степени проработанности научного проекта составило 42, что говорит о средней перспективности, а знания разработчика достаточны для успешной ее коммерциализации. Значение уровня имеющихся знаний у разработчика составило 46 — перспективность выше среднего.

По результатам оценки можно сказать, что в первую очередь необходимо проработать вопросы использования услуг инфраструктуры поддержки, получения льгот. Следующими задачами будет проработка вопросов финансирования коммерциализации научной разработки и поиск команды для коммерциализации научной разработки. Что касается вопросов международного сотрудничества и выхода на зарубежный рынок: такие задачи на данный момент не ставятся.

7.4 Организационная структура проекта

На данном этапе работы необходимо решить следующие вопросы: кто будет входить в рабочую группу данного проекта, определить роль каждого участника в данном проекте, а также прописать функции, выполняемые каждым из участников и их трудозатраты в проекте. Информация об организационной структуре представлена в таблице 11.

Таблица 11 — Рабочая группа проекта

№ п/п	ФИО, основное место работы, должность	Роль в проекте (функции)	Трудозатраты, дни
1	Веревкин А.В., к.т.н. доцент, руководитель проекта	Координирует деятельность участников проекта	70
2	Гончаров Евгений Андреевич, НИ ТПУ, кафедра ТХНГ, Магистр	Выполняет отдельные работы по проекту	100
ИТОГО	170

· Руководитель проекта — отвечает за реализацию проекта в пределах заданных ограничений по ресурсам, координирует деятельность участников проекта. В большинстве случаев эту роль выполняет руководитель магистерской диссертации.

· Исполнитель по проекту — исполнителем проекта является магистрант. В случае, если магистерская работа является частью научного проекта, исполнителей может быть несколько.

7.4.1 План проекта

В рамках планирования научного проекта необходимо построить календарный и сетевые графики проекта. Линейный график представлен в виде таблицы 12.

Таблица 12 — Календарный план проекта

Код работы	Название	Длительность, дни	Дата начала работ	Дата окончания работ	Состав участников (ФИО ответственных исполнителей)
1	Введение	5	03.02.2015	07.02.16	Гончаров Е.А. Веревкин А.В.
2	Постановка задачи и целей исследования, актуальность, научная новизна	10	08.02.2015	17.02.16	Гончаров Е.А. Веревкин А.В.
3	Литературный обзор	15	18.02.2015	05.03.16	Гончаров Е.А..
4	Экспериментальная часть	35	06.03.2015	10.04.16	Гончаров Е.А. Веревкин А.В.
5	Результаты и обсуждения	20	11.04.2015	1.05.16	Гончаров Е.А. Веревкин А.В.
6	Оформление пояснительной записки	15	02.05.2015	16.05.16	Гончаров Е.А.
Итого:	100

Для иллюстрации календарного плана проекта приведена диаграмма Ганта, на которой работы по теме представляются протяженными во времени отрезками, характеризующимися датами начала и окончания выполнения данных работ. Для удобства отображения каждый месяц разделен на декады.

Таблица 13 — Календарный план-график проведения НИОКР по теме

Вид работ	Исполнители	Тк, р. дн. 3	Продолжительность выполнения работ
			февраль	март	апрель	май
			11	22	33	11	22	33	11	22	33	11	22	23
Введение	Магистр Руководитель	15
Постановка задачи и целей исследования, актуальность, научная новизна	Магистр Руководитель	210
Литературный обзор	Магистр	215
Эксперименталь-ная часть	Магистр Мастер Руководитель	335
Результаты и обсуждения	Магистр	320
Оформление пояснительной записки	Магистр	115

7.4.2 Бюджет научного исследования

При планировании бюджета научного исследования должно быть обеспечено полное и достоверное отражение всех видов планируемых расходов, необходимых для его выполнения. Многие из материалов уже находились в лаборатории, поэтому в статьях отражены малые расходы. Расчет стоимости материальных затрат производится по действующим прейскурантам или договорным ценам.

Таблица 14 — Сырье, материалы, комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты

№п/п	Наименование затрат	Единица измерений	Расход	Цена за единицу с учетом НДС, руб	Сумма, руб
1	Индикатор (датчик) наводораживания ДН-1	шт	1	6952	6952
2	Индикатор коррозионных процессов ИКП 10-012М	шт	1	9440	9440
3	Блок пластин-индикаторов БПИ-2	шт	5	944	4720
Всего за материалы:	21112

Итого затраты на сырье, материалы, комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты составили 21 112 руб.

Далее представлена таблица, в которой представлены затраты на спецоборудование для научных работ.

Таблица 15 — Расчет затрат по статье «Спецоборудование для научных работ»

Наименование оборудования	Кол-во единиц оборудования	Цена единицы оборудования, руб.
Ноутбук HP	1	32000
Толщиномер ультразвуковой	1	26500
микроамперметр		810
ИТОГО:		59310

Следующей статьей расходов является плата за электроэнергию. Для этого сначала определяется количество потребляемой энергии для всего оборудования.

Таблица 16 — Количество потребляемой электроэнергии оборудованием

Наименование оборудования	Количество единиц оборудования	Потребляемая мощность, кВт/ч	Количество часов работы в сутки	Количество потребляемой энергии за сутки, кВт
Ноутбук	1	0,09	8	0,72

Затем необходимо определить стоимость электроэнергии за рабочий период (при стоимости 2,05 руб. за кВт/час).

Таблица 17 — Расчет стоимости электроэнергии с февраля по май

Месяц	Количество дней	Количество рабочих дней	Количество потребляемой энергии за месяц, кВт	Стоимость электроэнергии за месяц, руб (при 2,05 руб. за кВт/час)
Февраль	28	20	14,4	29,52
Март	31	22	15,84	32,47
Апрель	30	22	15,84	32,47
Май	15	8	5,76	11,8
			ИТОГО:	106,26

Затраты на электроэнергию за четыре месяца, а именно, с февраля по май составили 106,26 рублей.

Далее представлен расчет основной заработной платы. В настоящую статью включается основная заработная плата научных и инженерно-технических работников, рабочих макетных мастерских и опытных производств, непосредственно участвующих в выполнении работ по данной теме. Величина расходов по заработной плате определяется исходя из трудоемкости выполняемых работ и действующей системы оплаты труда. В состав основной заработной платы включается премия, выплачиваемая ежемесячно из фонда заработной платы (размер определяется Положением об оплате труда). Расчет основной заработной платы сводится в таблице 20.

Основная заработная плата (З_осн) находится по формуле:

где З_осн — основная заработная плата одного работника;

Т_р — продолжительность работ, выполняемых научно-техническим работником, месяцев;

З_м — месячный оклад работника, руб.

Таблица 18 — Баланс рабочего времени за 2015 год

Показатели рабочего времени	Руководитель	Магистр	Мастер
Календарное число дней	365	365	365
Количество нерабочих дней — выходные дни — праздничные дни	118	118	118
Потери рабочего времени — отпуск — невыходы по болезни	24	24	24
Действительный годовой фонд рабочего времени	223	223	223

Таблица 19 — Расчет командировочных расходов

Направление	Количество человек	Количество средств за поездку, руб
Туда	1	7500
Обратно	1	7500
		ИТОГО: 15000

где З_б — базовый оклад, руб.; k_р — районный коэффициент, равный 1,7 (для п. Лугинецкое).

Основная заработная плата руководителя (от НИ ТПУ) рассчитывается на основании отраслевой оплаты труда. Отраслевая система оплаты труда в НИ ТПУ предполагает следующий состав заработной платы:

1) Оклад — определяется предприятием. В НИ ТПУ оклады распределены в соответствии с занимаемыми должностями. Базовый оклад З_б определяется исходя из размеров окладов, определенных штатным расписанием предприятия.

2) Стимулирующие выплаты — устанавливаются руководителем подразделений за эффективный труд, выполнение дополнительных обязанностей и т.д.

3) Иные выплаты; районный коэффициент.

Найдем основную заработную плату за период с февраля по май 2015 года для руководителя:

руб.

156 815,30 руб.

Расчет основной заработной платы приведен в таблице 20.

Таблица 20 — Расчёт основной заработной платы с февраля по май

Исполнители	Зб, руб.	kр	Зм, руб	Зосн, руб.
Руководитель	30156,79	1,3	39203,82	156815,30
Магистр	12110,1	1,7	20587,17	82348,68
Мастер	33128,72	1,7	56318,82	225275,29
Итого: 464439,27

Отчисления на социальные нужды включают в себя страховые взносы во внебюджетные фонды.

где k_внеб — коэффициент отчислений на уплату во внебюджетные фонды (пенсионный фонд, фонд обязательного медицинского страхования и пр.), равный 30,5%.

Таблица 21 — Страховые взносы

	Руководитель	Магистр	Мастер
Зарплата	156815,30	82348,68	225275,29
Страховые взносы	47828,66	25116,34	68708,96
Итого: 141653,96

В процессе расчета бюджета научного исследования, планируемые затраты следует сгруппировать по статьям, представленным в таблице 22.

Таблица 22 — Группировка затрат по статьям

Сырье, материалы, комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты	21112,00
Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ	59310,00
Стоимость электроэнергии	106,26
Дорожные расходы	15000,00
Основная заработная плата	464439,27
Отчисления на социальные нужды	141653,96
Итого плановая себестоимость	701 621,49

Итого планируемые затраты для расчета бюджетного научного исследования составили 701 621,49 рублей.

7.4.3 Риски проекта

Из нескольких базовых вариантов организационных структур, использующихся в практике, была выбрана проектная, которую можно изобразить следующим образом:

Рисунок 27 — Организационная структура проекта

На пути реализации проекта могут возникнуть разного рода риски, представляющие опасность того, что поставленные цели проекта могут быть не достигнуты полностью или частично. Полностью избежать риска практически невозможно, но снизить их угрозу можно, уменьшая действие неблагоприятных факторов. Возможные риски представлены в таблице 23.

Таблица 23 — Реестр рисков

№	Риск	Вероятность наступления (1-5)	Влияние риска (1-5)	Уровень риска	Способы смягчения риска
Технические риски
1	Требования	1	4	средний	Отслеживание изменений требований к материалам, с помощью которых проводится исследование. Постоянный поиск путей оптимизации производства.
2	Технология	1	4	средний
3	Использование ненадежных источников	2	4	средний
4	Качество	1	4	средний
Внешние риски
5	Качество предоставляемых материалов	2	4	низкий	Изучение конъюнктуры рынка. Изучение изменений в российском законодательстве. Определение мер поощрений и наказаний по отношению к рабочим.
6	Предписания контролирующих органов	3	3	средний
7	Рынок	3	4	средний
8	Непредвиденные обстоятельства	1	4	средний
9	Изменения российского законодательства	4	3	высокий
10	Небрежность и недобросовестность сотрудников	3	3	низкий
Организационные риски
11	Организации, от которых зависит проект	2	3	низкий	Строгий контроль за работой всех вспомогательных служб. Поиск альтернативных поставщиков и инвесторов. Возможность проведения исследования на новых научных платформах
12	Ресурсы	1	5	средний
13	Финансирование	4	5	высокий
14	Расстановка приоритетов	3	3	низкий
Риски управления проектом
15	Оценка	2	4	средний	Ответственный подход к разработке и управлению проектом. Повышение квалификации лиц, ответственных за управление проектом.
16	Планирование	2	3	низкий
17	Контроль	3	4	средний
18	Коммуникации	1	3	средний

8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ПРИ ВНУТРЕННЕЙ И ВНЕШНЕЙ ДИАГНОСТИКЕ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ПРОЛОЖЕННЫХ НА УЧАСТКАХ С МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫМ ГРУНТОМ

При проведении работ на линейной части магистральных трубопроводов, организации выполняющей работы, необходимо большое внимание уделять производственной и экологической безопасности работников и окружающей среды.

Социальная ответственность — ответственность за данные людям обещания, и непосредственно перед самими людьми. Ответственность организации, учитывающая все интересы и занятия коллектива и работников[37]. Предприятие самостоятельно принимает решение по дополнительным мерам по улучшению условий жизни и работы своих подчиненных и их родственников.

Магистральный трубопровод, проложенный на участках с многолетнемерзлыми грунтами подвержен дополнительным физическим и механическим нагрузкам, вследствие оттаивания грунта. Этот фактор повышает степень возникновения аварий и дополнительных разрушений (например, коррозия) на трубопроводе.

Трубопроводы, контактирующие с многолетнемерзлыми грунтами, расположены в основном в северных районах Российской Федерации, в которых температура окружающей среды в зимнее время может опускаться до — 40 градусов, а летом не превышать + 20 градусов. При большой влажности и порывистых ветрах, работа на открытом воздухе в зимнее время становится очень трудна.

8.1 Профессиональная социальная безопасность

Для анализа опасных и вредных факторов при выполнении работ при диагностировании трубопровода на участках контакта с многолетнемерзлыми грунтами составим таблицу. С ее помощью появится целостное представление обо всех выявленных факторах (опасных и вредных) на рабочем месте.

Опасные и вредные факторы при сооружении нефтепровода на участках контакта с многолетнемерзлыми грунтами, а так же их систематизации в нормативной документации представлена в таблице 24.

Таблица 24 ? Основные элементы производственного процесса, формирующие опасные и вредные факторы при выполнении работ при диагностировании трубопровода на открытом воздухе

Наименование видов работ	Факторы (ГОСТ 12.0.003 — 74 ССБТ с измен. 1999 г.)	Нормативные документы
	Вредные	Опасные
1	2	3	4
Земляные работы; Изоляционно-укладочные работы; Акустико-эмиссионная диагностика участков трубопроводов; Исследование химического состава, механических свойств металлов и сварных соединений и их структуры (при необходимости);	1.Отклонение показателей климата на открытом воздухе; 2.Превышение уровней шума и вибрации; 3.Тяжесть и напряженность физического труда; 4. Загазованность	1. Движущиеся машины и механизмы производственного оборудования (в т.ч. грузоподъемные 2. Электрический ток; 3. Пожаро- и взрывоопасность	ГОСТ 12.0.003-74[1] ГОСТ 12.1.010-76[2] ГОСТ 12.1.011-78[3] ГОСТ 12.1.019-79[4]. ГОСТ 12.1.003-83[5] ГОСТ 12.1.005-88[6] ГОСТ 12.4.011-89[7] ГОСТ 12.1.004-91[8]

8.1.1 Анализ вредных производственных факторов и обоснование мероприятий по их устранению

1. Отклонение показателей климата на открытом воздухе

Работы при диагностике трубопровода и его ремонту на участках контакта с многолетнемерзлыми грунтами производят в зимнее время года, когда грунт находится в мерзлом состоянии. Производство работ в летнее время, из-за оттаивания грунта, делает проезд и движение техники невозможным.

Так как география распространения многолетнемерзлых грунтов достаточно широкая (Западная Сибирь, Дальний Восток), то и температурный режим будет везде разнообразным. Можно отметить лишь то, что температура окружающего воздуха зимой может опускаться местами и до — 40⁰.

Резкие изменения температуры окружающей среды, да и просто работа в условиях пониженных температур несет отрицательное влияние на здоровье человека. Двигательная активность работника обеспечивается всеми жизненными процессами в теле человека. Энергии на преобразование теплообмена используется больше, чем на выполнение самой работы. Нарушение баланса тепла может привести к перегреву либо, наоборот, к переохлаждению человека. Это приводит к нарушению в работе, снижению активности и т.д.

Организации, работники которых трудятся на открытом воздухе, обязаны придерживаться ряда ограничений по температурным режимам. Температурные режимы, при которых приостанавливаются работы на открытом воздухе показаны в таблице 25.

Таблица 25 ? температурный режим, при котором приостанавливаются работы на открытом воздухе [38]

Скорость ветра, м/с	Температура воздуха °С
При безветренной погоде	— 40
Не более 5,0	— 35
5,1-10,0	— 25
10,0-15	-15
15,1-20,0	-5
Более 20,0	0

Работники, которые трудятся на открытом воздухе при низких температурах рискуют получить следующие травмы:

· переохлаждение организма (гипотермии);

· обморожение (руки, пальцы, нос).

Для профилактики обморожений работники должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты, в которые входит комплект утепленной одежды. Комплект одежды включает: куртку (телогрейку); ватные штаны; свитер; головной убор (шапка); перчатки; обувь.

Одежда должна соответствовать всем требованиям, подходить по размеру и не сковывать движения. Современная спецодежда изготавливается из качественных утеплителей: тинуслейт, синтепон, холофайбер. Для удобства работника, одежда оснащается дополнительными эргономичными деталями: капюшон, функциональные карманы. В ветряную погоду работники должны быть обеспечены средствами защиты лица (специальными масками) [39].

Помимо одежды к работам должны допускаться работники с хорошей физической формой, и годные по здоровью. Доставка людей к рабочему месту осуществляется в специальных автомобилях, с системой отопления салона.

2. Превышение уровней шума и вибрации

При диагностике трубопровдов используются машины и оборудование: экскаваторы, бульдозеры, и т.д. Они сопровождаются огромным количеством звуков, которые, при долгосрочном воздействии на человека, могут принести вред слуху и дискомфорт. Следствием продолжительного воздействия шума на человека являются развитие такие заболевания как шумовая болезнь, снижение слуховой чувствительности, изменение функций пищеварения, сердечно-сосудистая недостаточность.

Допустимый уровень звука при работе на производстве зависят от тяжести труда. Максимальный уровень шума при работе с инструментом согласно Федеральному закону от 30.03.1999 N 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» не должен превышать 80 дБА[41].

Для снижения воздействия шума на человека работники оснащаются специальными средствами защиты ? наушниками или вкладышами. Все инструменты, которыми производятся работы, проходят тестирование на уровень шума, и допускаются к работе с виброзащитой или глушителем. Работа должна проходить с небольшими перерывами для снижения воздействия вибрации и шума на человека.

При повышенном уровне вибрации у человека наблюдается повышение утомляемости, увеличение времени зрительной реакции, нарушение опорно-двигательного аппарата.

При изучении действия вибрации на организм человека нужно учитывать, что колебательные процессы присущи живому организму, прежде всего потому, что они в нем постоянно протекают. Внутренние органы можно рассматривать как колебательные системы с упругими связями. Их собственные частоты лежат в диапазоне 3-6 Гц. При воздействии на человека внешних колебаний таких частот происходит возникновение резонансных явлений во внутренних органах, способных вызвать травмы, разрыв артерий, летальный исход. Собственные частоты колебаний тела в положении лежа составляют 3 — 6 Гц, стоя — 5-12 Гц, грудной клетки — 5 — 8 Гц. Воздействие на человека вибраций таких частот угнетает центральную нервную систему, вызывая чувство тревоги и страха.

Воздействие производственной вибрации на человека вызывает изменения как физиологического, так и функционального состояния организма человека. Изменения в функциональном состоянии организма проявляются в повышении утомляемости, увеличении времени двигательной и зрительной реакции, нарушении вестибулярных реакций и координации движений. Все это ведет к снижению производительности труда. Изменения в физиологическом состоянии организма — в развитии нервных заболеваний, нарушении функций сердечно-сосудистой системы, нарушении функций опорно-двигательного аппарата, поражении мышечных тканей и суставов, нарушении функций органов внутренней секреции. Все это приводит к возникновению вибрационной болезни.

Вредность вибрации усугубляется одновременным воздействием на работающих пониженной температуры воздуха рабочей зоны (в условиях крайнего севера температура воздуха может понижаться до -40 градусов по цельсию), повышенного уровня шума, охлаждения рук рабочего при работе с ручными машинами, запыленности воздуха, неудобной позы.

Основу гигиенического нормирования вибрации составляют критерии здоровья человека при воздействии на него вибрации с учетом напряженности и тяжести труда. Основная цель нормирования вибрации на рабочих местах — это установление допустимых значений характеристик вибрации, которые при ежедневном систематическом воздействии в течение всего рабочего дня и многих лет не могут вызвать существенных заболеваний организма человека и не мешают его нормальной трудовой деятельности[40].

Основным документом, регламентирующим уровень вибрации на рабочих местах, является СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

К способам борьбы с вибрацией относятся:

· снижение вибрации в источнике (улучшение конструкции машин, статическая и динамическая балансировка вращающихся частей машин);

· виброгашение (увеличение эффективной массы путем присоединения машины к фундаменту);

· виброизоляция (применение виброизоляторов пружинных, гидравлических, пневматических, резиновых);

· вибродемпфирование (применение материалов с большим внутренним трением);

· применение индивидуальных средств защиты (виброзащитные обувь, перчатки со специальными упруго-демпфирующими элементами, поглощающими вибрацию)[41].

3. Тяжесть и напряженность физического труда

Сооружение нефтепроводов требует от работника огромных трудовых затрат. Трубопроводы очень часто расположены далеко от населенных пунктов и работникам приходится ездить в командировки. Нахождение вне дома, плюс тяжелый труд сказываются на эмоциональном состоянии работника и может привести к заболеваниям.

Для недопущения заболеваний людей при напряженном труде, организации должны придерживаться ряда требований:

· обеспечить людям 8-ми часовой рабочий день;

· обеденный перерыв;

· комфортные условия проживания;

· небольшие перерывы между рабочим процессом;

· своевременная заработная плата.

При соблюдении этих правил, риск возникновения недомоганий из-за тяжести труда минимален.

4. Загазованность

Загазованность воздуха, вызванная утечкой газа в рабочих помещениях, может вызвать отравление людей. Образование газовоздушной смеси в газопроводах может быть причиной сильных взрывов.

Загазованность воздуха проверяют с помощью переносных приборов — газоиндикаторов, называемых также газоопределителями. Обычно они предназначены для определения содержания в воздухе одного-двух газов. В основу действия переносных газоиндикаторов положены различные физические явления или химические реакции, возникающие при появлении газа в контролируемом воздухе.

Для контроля загазованности воздушной среды в производственных помещениях, рабочей зоне открытых площадочных сооружений должны быть предусмотрены средства автоматического непрерывного газового контроля с сигнализацией, срабатывающей при достижении предельно допустимых величин и с выдачей сигналов в систему управления технологическим процессом и противоаварийной защиты. При этом все случаи загазованности должны регистрировать приборы с автоматической записью и должны быть задокументированы.

Места установки и количество датчиков или пробоотборных устройств анализаторов необходимо определять в проектной документации/документации с учетом требований нормативных технических документов по размещению датчиков контроля загазованности.

8.1.2 Анализ опасных производственных факторов и обоснование мероприятий по их устранению

Опасные производственные факторы ? это факторы, которые могут привести к различным травмам работника[42].

1. Движущиеся машины и механизмы производственного оборудования (в т.ч. грузоподъемные)

Диагностирование трубопровода связано с работой тяжелой техники: экскаваторов, бульдозеров. Движущиеся части этой техники (ковш экскаватора, отвал бульдозера) при невнимательном отношении могут привести к травмам. Отсутствие защитных средств приводит к ушибам, переломам и вывихам различных частей тела человека.

Работник, при движении техники в зоне проведения работ, обязан носить головной убор (каску). Находиться в зоне работы техники недопустимо. По полосе движения техники и подвижного оборудования должны находится предупреждающие таблички, которые информируют об опасности.

2. Электрический ток

Один из опасных факторов производства, который не предупреждает о своем наличии (нет явных признаков таких как: запах, свечение и т.д.) ? это электрический ток. Источником электрического тока при ремонте или монтаже нефтепровода является передвижная электростанция, или подключение к трансформаторным станциям.

Опасность электрического тока возникает при ряде нарушений [43]:

- нарушение изоляции проводов;

- неправильное или отсутствие заземления;

- обрыв проводки.

Для человека травмоопасным значением силы электрического тока является 0,15 Ампер, или переменное и постоянное напряжение больше 36 Вольт. Поражения от действия электрического тока могут быть разными: от мелких и крупных ожогов кожного покрова, до сокращения мышц сердца, что приводит к его остановке. Различают несколько видов электрических ожогов:

- покраснение кожи;

- образование на поверхности кожи пузырей и волдырей;

- обугливание кожи.

Ожоговые раны очень долго затягиваются, а поражение 2/3 поверхности кожи всего тела, практически в 85% случаев приводит к летальному исходу.

Для предотвращения поражения человека от электрического тока при ремонте и монтаже нефтепроводов используют следующие средства защиты:

? коллективные средства электрозащиты, в которые входят: оснащение всех опасных электроприборов специальными предупредительными табличками; оборудование электронными системами защиты; изоляция основных электроопасных узлов; контроль за состоянием электрических цепей, заземление и зануление приборов, работающих от электричества;

? индивидуальные средства защиты, в которые входят: резиновые перчатки (электропоглащающие); диэлектрическая обувь; изолированные подставки под оборудование и т.д.

Для работы с элекроприборами допускаются люди специально обученные и имеющие удостоверение по электробезопасности.

3. Пожаро- и взрывоопасность

Источником пожара на трассе трубопровода может быть: электрическое оборудование, которое работает неправильно и в следствии нагрева происходит воспламенение; неправильное отношение к продуктам отходов (бутылкам и окуркам); искры от сварки и т.д. Взорваться в свою очередь может баллон с газом или кислородом, канистра с горючим материалом и т.д.

Последствия взаимодействия открытого огня и человека приводит к ожогам различных степеней у последнего, не исключение и летальный исход. Взрыв же для человека опасен, если он находится в эпицентре, но взрыв, как правило, сопровождается пожаром, поэтому опасность нельзя недооценивать.

Тушение пожара на трубопроводе производится специальными средствами пожаротушения: огнетушителями пеногонными типа ОП-10 или ОУ-10, стволы с водой, сухой песок. При возгорании газа применение пенных огнетушителей малоэффективно, поэтому рекомендуется применять углекислотные огнетушители типа ОУ-1, ОУ-3. Для постоянного контроля, на пожароопасных работах дежурит пожарный экипаж. Для предотвращения небольшого очага возгорания подойдут подручные средства: асбестовые одеяла, вода[44].

Постоянный мониторинг и внимательное отношение к работе в пожароопасной зоне позволяет избегать возгораний и взрывов.

8.2 Экологическая безопасность

Трубопроводы, проложенные на участках многолетнемерзлых грунтов, как и другие сооружения, создаваемые человеком, оказывают определенное влияние на окружающую среду в течение всего их жизненного цикла. Все вредные воздействия и методы по борьбе с ними можно свести в одну обобщающую таблицу.

Таблица 26 — Вредные воздействия на окружающую среду и природоохранные мероприятия

Природные ресурсы и компоненты ОС	Вредные воздействия	Природоохранные мероприятия
Земля и земельные ресурсы	Повреждение почвенного слоя, сельхозугодий и других земель, нарушение первоначального состояния многолетнемерзлого грунта	Рациональное планирование мест и сроков проведения работ. Рекультивация земель. Использование терамостабилизирующих средств грунта. Отсыпка площадок для стоянки техники.
	Засорение почвы производственными отходами	Вывоз и захоронение производственных отходов.
	Уничтожение растительности, повреждение и загрязнение почвенного покрова	Мероприятия по охране почв, посадка деревьев по краю трассы нефтепровода.
Многолетнемерзлые породы	В результате механического и термического воздействия на ММП и последующего оттаивания многолетнемерзлых пород соответственно техногенному загрязнению подвергаются: атмосфера, снег, поверхностные и грунтовые воды. Загрязнение, и прежде всего ядохимикатами, прекращает органическую жизнь и ведет к гибели почв и растительности.	Для районов крайнего севера требуется специальный транспорт, который не нарушал бы растительный покров (машины на воздушной подушке) Мероприятия должны быть заложены для начала в проектную документацию при строительстве и эксплуатации трубопроводов. В проектной документации должна быть описана точная последовательность действий. Для этого необходимо отследить с помощью геофизических исследований точную мощность ММП. Использование термокейсов.
Лес и лесные ресурсы	Порубка древостоя при строительстве трассы нефтепровода, коммуникаций.	Соблюдение нормативов отвода земель в залесенных территориях
	Загрязнение строительным мусором	Уничтожение мусора; вывоз мусора.
Недра	Нарушение состояния геологической среды (температурного состояния грунтов)	Мониторинг за состояние грунтов в зоне контакта с нефтепроводом.
	Не комплексное изучение недр	Научные исследования по повышению комплексности изучения недр
Вода и водные ресурсы	Изъятие из природных источников водных ресурсов;	Мероприятия по охране водных ресурсов.
	Химическое загрязнение поверхностных и грунтовых вод	Установка фильтрующих средств, для очистки воды
Воздушный бассейн	Загрязнение воздуха выхлопными газами от работающей техники	Глушить транспорт при отсутствии работы.
Животный мир	Распугивание, нарушение мест обитания животных, рыб.	Проведение комплекса природоохранных мероприятий, планирование работ с учетом охраны животных

Деградационные воздействия на окружающую среду могут проявляться на стадиях разведки, строительства и эксплуатации нефтепроводов, что ухудшает условия жизни и работы человека и состояние окружающей среды.

Диагностирование трубопроводов является как поверхностным, так и глубинным источником воздействия на геологическую среду. В горных породах нарушается природное равновесие, что приводит к изменению напряженного состояния массива пород и может вызвать деформацию свай, опор, коррозию трубопровода. Существенным аспектом является влияние физико-механических свойств пород, при изменении его температуры вплоть до частичного оттаивания на устойчивость надземного нефтепровода.

В период диагностирования развития стресс-коррозионных дефектов основными факторами, негативно влияющими на состояние окружающей среды являются:

· изъятие земель из хозяйственного использования в краткосрочное и долгосрочное использование;

· механическое нарушение целостности почвенного и растительного покровов;

· изъятие из природных источников водных ресурсов;

· нарушение температурного режима грунтов;

· загрязнение атмосферного воздуха оборудованием, являющимся источником выбросов загрязняющих веществ;

· образование различных отходов, требующих захоронения или утилизации.

Основными источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и образования отходов при диагностировании трубопроводов являются машины и механизмы, имеющие в качестве привода двигатели внутреннего сгорания, дизельные электростанции, котельные установки. Механическое нарушение почв происходит при планировке площадки и при осуществлении непосредственно строительных или ремонтных работ. Последствия этих нарушений ликвидируются в обязательном порядке при рекультивации строительной площадки.

Для снижения техногенного воздействия на многолетнемерзлые грунты необходимо обеспечить максимальное сохранение их естественных мерзлотно-геологических условий. Выполнение данного требования предотвращает необратимые изменения геологической среды и связанного с этим прогрессирующего развития негативных криогенных процессов. Для снижения техногенной нагрузки при диагностировании следует выполнять определенные правила.

Основными принципами этих правил являются:

· снижение тепловых нагрузок на приповерхностный слой грунтов естественного залегания;

· минимизация площадей осваиваемой территории;

· недопущение нарушений естественных природных условий вне границ застроенной территории;

· соблюдение природоохранных норм и правил, технологии рекультивации нарушенных земель.

Реализация вышеперечисленных принципов достигается за счет проведения следующих мероприятий:

· возведение всех проектируемых сооружений и газо- и нефтепроводов по первому принципу строительства, т.е. с сохранением грунтов в их естественном мерзлом состоянии;

· диагностирование трубопроводов производить только на предварительно подготовленной территории;

· движение автотранспорта и другой техники осуществлять только по дорогам и зимникам.

Для обеспечения экологической безопасности в зоне возможного оттаивания многолетнемерзлых грунтов на всех этапах его существования должен осуществляться производственный экологический мониторинг, что позволит контролировать поведение мерзлого грунта и на этой основе осуществлять природно-охранные мероприятия.

Общими требованиями к организации экологического мониторинга являются:

· выполнение наблюдений в зоне расположения трубопровода на участках с многолетнемерзлым грунтом;

· ведение мониторинга в зависимости от условий природной среды и особенностей объекта;

· выполнение инженерно-экологических исследований и наблюдений;

· обработка полученной при мониторинге информации путем проведения исследований, анализов;

· исследование химического состава, механических свойств металлов и сварных соединений и их структуры (при необходимости)

· ведение единой базы данных по наблюдаемым объектам.

Результаты мониторинга используются в целях контроля соответствия состояния окружающей среды по экологическим нормативам.

8.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Причины возникновения чрезвычайных ситуаций на трассе трубопровода могут быть разнообразны: лесные пожары, аварии, ошибки персонала, старение оборудования, удар молнии, а так же природные процессы, связанные с изменением свойств и структуры грунта.

Наиболее опасной чрезвычайной ситуацией на трубопроводе, проложенном на Крайнем Севере, является нарушение целостности мерзлого грунта и изменение его свойств. В грунте могут образоваться такие опасные природные процессы, как солифлюкция, протаивание, термокарст. Эти явления приводят к сильному изменению состояния грунта, его оттаиванию и, как следствие, породы становятся не устойчивыми и не способными выдерживать какие либо нагрузки, а так же приводит к сильной коррозии металла.

При разрушении трубопровода коррозией или водородом работники обязаны обеспечить все необходимые мероприятия для снижения последствий разрушения. В перечень мероприятий входит [52]:

· диагностика и анализ разрушения и его опасности;

· применение электрозащиты подземных металлических сооружений;

· воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности;

· использование коррозионно-стойких материалов;

· изоляция поверхности сооружения от контакта с внешней агрессивной средой.

8.4 Законодательное регулирование проектных решений

Компании, которые занимаются транспортировкой нефти и газа по магистральным трубопроводам обязаны обеспечивать своих работников всеми материальными и социальными благами в соответствии с «Трудовым кодексом Российской Федерации от 30.12.2001 №197-ФЗ»[45].

В соответствии со статьей «Право работника на труд в условиях, отвечающих требованиям охраны труда» работник имеет право на:

· рабочее место;

· своевременную оплату;

· социальное страхование от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний;

· получение достоверной информации от работодателя об условиях и охране труда;

· отказ от выполнения работ в случае опасности для жизни;

· обеспечение средствами индивидуальной защиты;

· обучение за счет работодателя;

· медицинский осмотр и т.д;

Трубопроводы, контактирующие с многолетнемерзлыми грунтами в основном расположены в северной части страны. Работники, которые трудятся в условиях крайнего севера, имеют дополнительные льготы в соответствии с законом РФ от 19.02.1993 N 4520-1 «О государственных гарантиях и компенсациях для лиц, работающих и проживающих в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях»[46].

Одной из основных льгот, предоставляемых данной категории работников, является районный коэффициент. Согласно ст. 315 ТК РФ[47] оплата труда в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях осуществляется с применением районных коэффициентов и процентных надбавок к заработной плате.

Кроме того, коэффициент начисляется на надбавки и доплаты к тарифным ставкам (должностным окладам) и компенсационные выплаты, связанные с режимом работы и условиями труда, к которым относятся надбавки[48]:

· за классность, звание по профессии, непрерывный стаж работы по специальности и т.д.;

· должностным лицам и гражданам, допущенным к государственной тайне;

· за выслугу лет (непрерывную работу), а также вознаграждение за выслугу лет, выплачиваемое ежеквартально или единовременно;

· по итогам работы за год;

· за условия труда при работе в ночное время, сменную работу, за совмещение профессий (должностей).

При этом в состав заработка, на который начисляется районный коэффициент, не включаются: процентные надбавки к заработной плате за работу в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях, а также в южных районах Восточной Сибири и Дальнего Востока; все виды выплат по среднему заработку (отпускные, оплата обучения работников, направленных на профессиональную подготовку, повышение квалификации или обучение вторым профессиям, и др.); материальная помощь; единовременные поощрительные выплаты, не предусмотренные системой оплаты труда организации

Северянам также должна выплачиваться процентная надбавка к заработной плате. В отличие от районного коэффициента при выплате надбавок необходимо учитывать стаж работы в данных районах или местностях. Размер процентной надбавки и порядок ее выплаты (как и районный коэффициент) устанавливаются Правительством РФ (ст. 317 ТК РФ, ст. 11 Закона N 4520-1)[49].

Статья 116 ТК РФ устанавливает северянам ежегодные дополнительные оплачиваемые отпуска. При этом работодатели с учетом своих производственных и финансовых возможностей могут самостоятельно устанавливать для работников дополнительные отпуска, порядок и условия предоставления которых, определяются коллективными договорами или локальными нормативными актами, которые принимаются с учетом мнения выборного органа первичной профсоюзной организации.

Кроме своих работников, нефтеперекачивающие организации точно так же, обязаны следить за негативным влиянием их деятельности на окружающую среду, и защищать население от чрезвычайных ситуаций. В основу управления положен закон РФ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»[50].

Согласно [22] комплекс мероприятий по защите населения включает:

· оповещение населения об опасности, его информирование о порядке действий в сложившихся чрезвычайных условиях;

· эвакуационные мероприятия;

· меры по инженерной защите населения;

· меры радиационной и химической защиты;

· медицинские мероприятия;

· подготовку населения в области защиты от чрезвычайных ситуаций.

Трубопроводы относятся к опасным производственным объектам, поэтому организации, занимающиеся их эксплуатацией, подчиняются [51].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной выпускной квалификационной работе изучены основные теоретические и экспериментальные положения, являющиеся основой для технических решений при разработке новых методов технической диагностики систем электрохимической защиты подземных стальных трубопроводов, проложенных в нейтральных и слабощелочных грунтах. Внедрение новых методов в практику эксплуатации подземных катодно защищаемых трубопроводов внесет значительный вклад в повышение надежности трубопроводного парка страны. Предлагаемый критерий контроля режимов катодной защиты впервые позволяет с достаточной для практики точностью количественно определять остаточную скорость коррозии и время до появления стресс-коррозионных трещин при заданном режиме катодной защиты в диапазоне допустимых рабочих давлений транспортируемого продукта, что является решением крупной научной проблемы, имеющей важное практическое значение для повышения надежности эксплуатации трубопроводных систем транспорта нефти и газа.

Изучен процесс коррозионного разрушения трубной стали при различных внутренних напряжениях в зависимости от условий доставки кислорода к корродирующей поверхности, характеризуемой плотностью предельного тока по кислороду. Установлено, что плотность коррозионного тока в язвах с максимальной глубиной при внутренних напряжениях 0,95 предела текучести практически достигает плотности предельного тока кислорода (63-86%). В отсутствии внутренних напряжений плотность коррозионного тока в язвах с максимальной глубиной проникновения составляет 32 — 46% от плотности предельного тока по кислороду.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 5272-50, Коррозия металлов, Терминология.

2. Томашев Н. Д., Теория коррозии металлов, Металлугиздат, 1952.

3. Акимов Г. В., Теория и методы исследования коррозии металлов, Изд. АН СССР, 1945.

4. Акимов Г. В., Основы учения о коррозии и защите металлов, ?Металлургиздат, 1946.

5. Клинов И. Я., Коррозия химическои? аппаратуры и коррозионностои?кие материалы, Машгиз, 1954.

6. Бахвалов Г. Т. и Турковская А. В., Коррозия и защита металлов, Металлургиздат, 1947.

7. Притула В. А., Защита подземных трубопроводов от внешнеи? ?коррозии, Гостоптехиздат, 1948.

8. Притула В. А., Катодная защита трубопроводов и резервуаров, Гостоптехиздат, 1950.

9. Спирин А. А., Кальман В. С., Салам-3аде М. М., Цекун Н. А., ?Методика электрических исследовании? коррозионного состония трубопроводов и кабелеи?, Азнефтеиздат, 1954.

10. Спирин А. А., Цекун Н. А., Салам-3аде М. М., Электрическая защита подземных металлических сооружении? от коррозии, ?Азнефтеиздат, 1954.

11. Защита подземных металлических трубопроводов и кабелеи? ?от коррозии, Сборник под ред. В. Н. Милыитеи?на, Изд. Мин. ?ком. хоз. РСФСР, 1954.

12. Хижняков В.И. Коррозия трубной стали в дефектах изоляционного покрытия нефтепроводов центральной части Западной Сибири, Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, М., ВНИИОЭНГ,1882, № 10.

13. Хижняков В.И. О саморегулировании катодной защиты подземных трубопроводов. . Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, М., ВНИИОЭНГ, 1983, № 6.

14. Хижняков В.И., Гамза В.В., Обливанцев Ю.Н. Зонд и полевой полярограф для определения предельного тока кислорода при коррозии подземных трубопроводов. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, М., ВНИИОЭНГ, 1984, № 4.

15. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. К оценке содержания кислорода в грунте по значению предельного тока по кислороду на платиновом электроде. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, М.. ВНИИОЭНГ, 1978, № 2.

16. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Математическая модель диффузии кислорода к поверхности подземного трубопровода. В сб. Теория и практика защиты от коррозии, Куйбышев, 1977.

17. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Исследование процесса коррозии стальных образцов с поврежденной изоляцией в грунтах Томского Приобья. В сб. Прогрессивные материалы, технологии и оборудование для защиты изделий, металлоконструкций и сооружений от коррозии, Горький, 1983.

18. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Исследование коррозии трубной стали во влажных грунтах Среднего Приобья. Коррозия и защита скважин, трубопроводов и морских сооружений в газовой промышленности, М., ВНИИОЭГазпром, 1982, № 4.

19. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Об определении коэффициента диффузии кислорода в грунтах при коррозии подземных стальных сооружений. Коррозия и защита скважин, трубопроводов и морских сооружений в газовой промышленности, М., ВНИИОЭГазпром, 1983, № 3.

20. Хижняков В.И., Дмитриева Е.Н., Тропина Т.М. Распределение плотности тока катодной защиты в зависимости от доставки кислорода. — Методы исследования в химии и химической технологии: Материалы научно-практической конференции, Томск, 1986, с. 7 — 23. — Деп. в ОНИИТЭХИМ, г. Черкассы, 27.11.86, № 1397-ХП-86.

21. Хижняков В.И. Опыт коррозионного обследования магистральных нефтепроводов в условиях центральной части Западной Сибири. Трубопроводный транспорт нефти, М., 1992, № 6.

22. Хижняков В.И., Штин И.В. Анализ коррозионного состояния полости магистрального нефтепровода Александровское — Анжеро — Судженск. Трубопроводный транспорт нефти, М., 2000, № 4.

23. Хижняков В.И., Махрин В.И. Противокоррозионная защита резервуаров для хранения нефти. М., Трубопроводный транспорт нефти, М., 2003, № 3.

24. Хижняков В.И. Защита магистральных нефтепроводов от почвенной коррозии. . Трубопроводный транспорт нефти, М., 2004, № 12.

25. Хижняков В.И., Жилин А.В. Выбор режимов катодной защиты, исключающих стресс-коррозионное растрескивание подземных нефтегазопроводов. В сб. Экологические проблемы и тегногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции нефтегазопроводов. Новые технологии и материалы. Томск, 2005.

26. Хижняков В.И., Иванов Ю.А., Назаров Б.Ф. Переносной полевой прибор для определения остаточной скорости коррозии и степени наводороживания стенки нефтегазопроводов при различных режимах катодной защиты. В сб. Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции нефтегазопроводов. Новые технологии и материалы. Томск, 2005.

27. Хижняков В.И., Трофимова Е.В. Превышение тока катодной защиты над предельным по кислороду — фактор электролитического наводороживания трубных сталей. — В сб. Современные методы и технологии защиты от коррозии и износа, М. 2009, с. 8 — 9.

28. Хижняков В.И.Влияние режимов катодной защиты на степень подавления почвенной коррозии трубных сталей и на объем поглощенного при этом водорода. — Вестник Российской Академии Естественных Наук (Западно- сибирское отделение), 2009, вып. 11, с. 160 — 166.

29. Гост 12.0.003-74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация

30. Гост 12.1.010-76 ССБТ. Взрывобезопасность.

31. Гост 12.1.011-78 Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытании

32. Гост 12.1.019-79 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты

33. Гост 12.1.003-83 Шум общие требования безопасности

34. ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

35. ГОСТ 12.4.011-89 Система стандартов безопасности труда средства защиты работающих

36. Гост 12.1.004-91 Пожарная безопасность

37. Электронный ресурс, http://www.psychologos.ru/articles/view/socialnaya_otvetstvennost;

38. Электронный ресурс, Соблюдение работодателями режима труда и отдыха работников, работающих в холодное время, http://git11.rostrud.ru/razyasneniya-i-konsultatsii/soblyudenie-rabotodatelyami-rezhima-truda-i-otdykha-rabotnikov-rabotayushchikh-v-kholodnoe-vremya/14694.html;

39. Методические рекомендации МР 2.2.7.2129-06 Режимы труда и отдыха работающих в холодное время на открытой территорииили в неотапливаемых помещениях;

40. Электронный ресурс, http://www.grandars.ru/shkola/bezopasnost-zhiznedeyatelnosti/proizvodstvennaya-vibraciya.html;

41. Федеральный закон от 30.03.1999 N 52-ФЗ (ред. от 28.11.2015) «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения»

42. Электронный ресурс, http://www.grandars.ru/shkola/bezopasnost-zhiznedeyatelnosti/opasnye-proizvodstvennye-faktory.html;

43. Электронный ресурс, Охрана труда и БЖД, Действие электрического тока на человека, http://ohrana-bgd.narod.ru/prokat_32.html;

44. Электронный ресурс, Первичные средства и стационарные установки для тушения пожаров, http://www.0-1.ru/law/showdoc.asp?dp=ppbo-103-79&chp=17;

45. «Трудовой кодекс Российской Федерации» от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред. от 30.12.2015);

46. Закон РФ от 19.02.1993 N 4520-1 (ред. от 31.12.2014) «О государственных гарантиях и компенсациях для лиц, работающих и проживающих в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях»;

47. «Трудовой кодекс Российской Федерации» от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред. от 30.12.2015) Статья 315. Оплата труда;

48. Электронный ресурс, Районный коэффициент и надбавка к заработной плате работников крайнего севера, http://www.profiz.ru/kr/8_2012/zarplata_sever/;

49. Закон РФ от 19.02.1993 N 4520-1 (ред. от 31.12.2014) «О государственных гарантиях и компенсациях для лиц, работающих и проживающих в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностях»;

50. Федеральный закон от 21.12.1994 N 68-ФЗ (ред. от 15.02.2016) «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»;

51. Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»

52. Статейные данные. Обзор методов защиты трубопроводов от коррозии изоляционными покрытиями;

Приложение А

Mechanisms of Stress-Corrosion Cracking

Stress-corrosion cracking (SCC) is a term used to describe service failures in engineering materials that occur by slow, environmentally induced crack propagation. The observed crack propagation is the result of the combined and synergistic interaction of mechanical stress and corrosion reactions. Before SCC can be discussed in detail, we must clearly define the type of loading involved, the types of materials involved, the types of environments that cause SCC, and the nature of the interactions that result in this phenomenon. The term «stress-corrosion cracking» is frequently used to describe any type of environmentally induced or assisted crack propagation. However, this discussion will focus on the normal usage of the term as defined below.

One common misconception is that SCC is the result of stress concentration at corrosiongenerated surface flaws (as quantified by the stress-intensity factor, K); when a critical value of stress concentration, Kcnu is reached, mechanical fracture results. Although stress concentration does occur at such flaws, it does not exceed the critical value required to cause mechanical fracture of the material in an inert environment. Precorrosion followed by loading in an inert environment will not result in any significant crack propagation, while simultaneous environmental exposure and application of stress will cause time-dependent subcritical crack propagation. The term «synergy» is used to describe this process because the combined simultaneous interaction of mechanical and chemical forces results in crack propagation, whereas neither factor acting independently or alternately would result in the same effect. The exact nature of this interaction is the subject of numerous scientific investigations and will be covered in the section «Crack-Propagation Mechanisms» in this chapter.

The stresses required to cause SCC are small, usually below the macroscopic yield stress, and are tensile in nature. The stresses can be externally applied, but residual stresses often cause SCC failures. However, compressive residual stresses can be used to prevent this phenomenon. Static loading is usually considered to be responsible for SCC, while environmentally induced crack propagation due to cyclic loading is defined as corrosion fatigue. The boundary between these two classes of phenomena is vague, and corrosion fatigue is often considered to be a subset of SCC. However, because the environments that cause corrosion fatigue and SCC are not always the same, these two should be considered separate phenomena. The term «stress-corrosion cracking» is usually used to describe failures in metallic alloys. However, other classes of materials also exhibit delayed failure by environmentally induced crack propagation. Ceramics exhibit environmentally induced crack propagation and polymeric materials frequently exhibit craze cracking as a result of the interaction of applied stress and environmental reactions.

The mechanical properties of composites will degrade if exposure to the environment attacks the matrix, the reinforcing phase, or the matrix-to-reinforcement interface; if crack propagation results during static loading, this degradation is SCC. Until recently, it was thought that pure metals were immune to SCC, but it is now known that this is not true. Because considerably more research has been conducted on the SCC behavior of metallic alloys, the discussion in this chapter will focus on SCC of metals and their alloys. Environments that cause SCC are usually aqueous and can be either condensed layers of moisture or bulk solutions. SCC is alloy/environment specific; that is, it is frequency the result of a specific chemical species in the environment. For example, the SCC of copper alloys, traditionally referred to as season cracking, is usually due to the presence of ammonia in the environment, and chloride ions cause or exacerbate cracking in stainless steels and aluminum alloys. Also, an environment that causes SCC in one alloy may not cause it in another. Changing the temperature, the degree of aeration, and/or the concentration of ionic species may change an innocuous environment into one that causes SCC failure. Also, different heat treatments may make the same alloy either immune or susceptible. As a result, the list of all possible alloy/environment combinations that cause SCC is continually expanding, and the possibilities are virtually infinite. Some of the more commonly observed alloy/environment combinations that result in SCC are listed in Table 1.

In general, SCC is observed in alloy/environment combinations that result in the formation of a film on the metal surface. These films may be passivating layers, tarnish films, or dealloyed layers. In many cases, these films reduce the rate of general or uniform corrosion, making the alloy desirable for resistance to uniform corrosion in the environment. As a result, SCC is of greatest concern in corrosion-resistant alloys exposed to aggressive aqueous environments. Table 2 lists several alloy/environment combinations and the films that may form at the crack tip.

The Phenomenon of SCC

Stress-corrosion cracking is a delayed failure process. That is, cracks initiate and propagate at a slow rate (for example, 10^-9 to 10^-6 m/s) until the stresses in the remaining ligament of metal exceed the fracture strength. The sequence of events involved in the SCC process is usually divided into three stages:

· Crack initiation and stage 1 propagation

· Stage 2 or steady-state crack propagation

· Stage 3 crack propagation or final failure

The characteristics of each of these stages will be discussed in greater detail below. First, however, the techniques used to measure SCC will be reviewed briefly. Stress-corrosion cracking experiments can be categorized as:

· Tests on statically loaded smooth samples

· Tests on statically loaded precracked samples

· Tests using slowly straining samples

Tests on statically loaded smooth samples are usually conducted at various fixed stress levels, and the time to failure of the sample in the environment is measured. Figure 1 illustrates the typical results obtained from this type of test. In Fig. 1, the logarithm of the measured time to failure, t_f, is plotted against the applied stress, a applied, and the time to failure can be seen to increase rapidly with decreasing stress; a threshold stress, у, is determined where the time to failure approaches infinity. The total time to failure at a given stress consists of the time required for the formation of a crack (the incubation or initiation time, t_in, and the time of crack propagation, t_cp). These experiments can be used to determine the maximum stress that can be applied in service without SCC failure, to determine an inspection interval to confirm the absence of SCC crack propagation, or to evaluate the influence of metallurgical and environmental changes on SCC.

However, the time required for crack initiation is strongly dependent on a wide variety of parameters, such as surface finish. The presence of flaws that concentrate stress or crevices that alter the environment may dramatically change the threshold stress or the crack-initiation time. The entire crack-initiation process is presently not well understood. Tests on statically loaded precracked samples are usually conducted with either a constant applied load or with a fixed crack opening displacement, and the actual rate or velocity of crack propagation, da/dt, is measured. The magnitude of the stress distribution at the crack tip (the mechanical driving force for crack propagation) is quantified by the stress-intensity factor, K, for the specific crack and loading geometry.

As a result, the crack-propagation rate, da/dt, is plotted versus K, as illustrated in Fig. 2. These tests can be configured such that K increases with crack length (constant applied load), decreases with increasing crack length (constant crack mouth opening displacement), or is approximately constant as the crack length changes (special tapered samples). Each type of test has its advantages and disadvantages. However, in service, most SCC failures occur under constant-load conditions, so that the stress intensity increases as the crack propagates. As a result, it is usually assumed in SCC discussions that the stress intensity is increasing with increasing crack length.

Typically, three regions of crack-propagation rate versus stress-intensity level are found during crack-propagation experiments. These are identified according to increasing stress-intensity factor as stage 1,2, or 3 crack propagation (Fig. 2). No crack propagation is observed below some threshold stress-intensity level, K_ISCC. This threshold stress level is determined not only by the alloy but also by the environment and metallurgical condition of the alloy, and, presumably, this level corresponds to the minimum required stress level for synergistic interaction with the environment. At low stress-intensity levels (stage 1), the crack-propagation rate increases rapidly with the stress-intensity factor. At intermediate stress-intensity levels (stage 2), the crack-propagation rate approaches some constant velocity that is virtually independent of the mechanical driving force. This plateau velocity is characteristic of the alloy/environment combination and is the result of rate-limiting environmental processes such as mass transport of environmental species up the crack to the crack tip. In stage 3, the rate of crack propagation exceeds the plateau velocity as the stress-intensity level approaches the critical stress-intensity level for mechanical fracture in an inert environment, K_IC.

Slow-Strain-Rate Testing. Stress-corrosion tests can also be conducted by slowly increasing the load or strain on either precracked or smooth samples. These tests are called constant-extension-rate tests, slow-strain-rate tests, or straining electrode tests. Usually, a tensile machine pulls a smooth sample that is exposed to the corrosive environment at a low crosshead speed (10^-5 to 10^-9 m/s). The strain to failure in the corrosive environment and the strain to failure in an inert environment can then be plotted against the strain rate, as shown in Fig. 3(a), or the ratio of these measurements can be plotted as shown in Fig. 3(b). The ratio of other tensile-property measurements, such as reduction in area and ultimate tensile strength, may be plotted. Frequently, this type of test is used to evaluate the influence of metallurgical variables, such as heat treatment, on SCC resistance. This type of experiment yields rapid comparisons. However, since the mechanical properties of the samples also vary with the metallurgical condition, such evaluations can become difficult.

As a result, it was proposed (Ref 13) that the environment-dependent property be plotted versus the inert-environment or environment-independent value of this property, as shown in Fig. 4. In this manner, the strength of the material in the environment, or the «situation-dependent strength», and the extent of any environmental effect can be visualized simultaneously. However, the application of these data to the prediction of actual inservice lifetimes is difficult and unreliable.

Overview of SCC Mechanisms

Many different mechanisms have been proposed to explain the synergistic stress-corrosion interactions that occur at the crack tip, and there may be more than one process that causes SCC. The proposed mechanisms can be classed into two basic categories: anodic mechanisms and cathodic mechanisms. That is, during corrosion, both anodic and cathodic reactions must occur, and the phenomena that result in crack propagation may be associated with either type. The most obvious anodic mechanism is that of simple active dissolution and removal of material from the crack tip. The most obvious cathodic mechanism is hydrogen evolution, absorption, diffusion, and embrittlement. However, a specific mechanism must be able to explain the actual crack-propagation rates, the fractographic evidence, and the mechanism of formation or nucleation of cracks.

Mechanical fracture includes normal fracture processes that are assumed to be stimulated or induced by one of the following interactions between the material and the environment:

· Adsorption of environmental species

· Surface reactions

· Reactions in the metal ahead of the crack tip

· Surface films

All of the proposed mechanical fracture mechanisms contain one or more of these processes as an essential step in the SCC process. Specific mechanisms differ in the processes assumed to be responsible for crack propagation and the way that environmental reactions combine to result in the actual fracture process.

Controlling Parameters

The mechanisms that have been proposed for SCC require that certain processes or events occur in sequence for sustained crack propagation to be possible. These requirements explain the plateau region in which the rate of crack propagation is independent of the applied mechanical stress. That is, a sequence of chemical reactions and processes is required, and the rate-limiting step in this sequence of events determines the limiting rate or plateau velocity of crack propagation (until mechanical overload fracture starts contributing to the fracture process in stage 3). Figure 5 illustrates a crack tip in which crack propagation results from reactions in metal ahead of the propagating crack. This example was chosen because it maximizes the number of possible rate-limiting steps. Close examination of Fig. 5 reveals that potential rate-determining steps include:

· Mass transport along the crack to or away from the crack tip

· Reactions in the solution near the crack

· Surface adsorption at or near the crack tip

· Surface diffusion

· Surface reactions

· Absorption into the bulk

· Bulk diffusion to the plastic zone ahead of the advancing crack

· Chemical reactions in the bulk

· The rate of interatomic bond rupture

Changes in the environment that modify the rate-determining step will have a dramatic influence on the rate of crack propagation, while alterations to factors not involved in the rate-determining step or steps will have little influence, if any. However, significantly retarding the rate of any one of the required steps in the sequence could make that step the rate-determining one. In aqueous solutions, the rate of adsorption and surface reactions is usually very fast compared to the rate of mass transport along the crack to the crack tip. As a result, bulk transport into this region or reactions in this region are frequently believed to be responsible for determining the steady-state crack-propagation rate or plateau velocity. In gaseous environments, surface reactions, surface diffusion, and adsorption may be rate limiting, as well as the rate of bulk transport to the crack tip. Several different environmental parameters are known to influence the rate of crack growth in aqueous solutions. These include, but are not limited to:

· Temperature

· Pressure

· Solute species

· Solute concentration and activity . pH

· Electrochemical potential

· Solution viscosity

· Stirring or mixing

Altering any of these parameters may affect the rate of the rate-controlling steps, either accelerating or reducing the rate of crack propagation. Also, it may be possible to arrest or stimulate crack propagation by altering the rate of an environmental reaction. It is well known and generally accepted that the environment at occluded sites, such as crack tips, can differ significantly from the bulk solution. If an alteration to the bulk environment allows the formation of a critical SCC environment at crack nuclei, then crack propagation will result. If the bulk environment cannot maintain this local crack-tip environment, then crack propagation will stop. As a result, slight changes to the environment may have a dramatic influence on crack propagation, while dramatic changes may have only a slight influence. In addition to the environmental parameters listed above, stress-corrosion crack-propagation rates are influenced by:

· The magnitude of the applied stress or the stress-intensity factor

· The stress state, which includes (1) plane stress and (2) plane strain *

· The loading mode at the crack tip (tension or torsion, for example)

· Alloy composition, which includes (1) nominal composition, (2) exact composition (all constituents), and (3) impurity or tramp element composition

· Metallurgical condition, which includes (1) strength level, (2) second phases present in the matrix and at the grain boundaries, (3) composition of phases, (4) grain size, (5) grain-boundary segregation, and (6) residual stresses

· Crack geometry, which includes (1) length, width, and aspect ratio, and (2) crack opening and crack-tip closure

Important Fracture Features

Stress-corrosion cracks can initiate and propagate with little outside evidence of corrosion and with no warning as catastrophic failure approaches. The cracks frequently initiate at surface flaws that either preexist or are formed during service by corrosion, wear, or other processes. The cracks then grow with little macroscopic evidence of mechanical deformation in metals and alloys that are normally quite ductile. Crack propagation can be either intergranular or trans- granular; sometimes, both types are observed on the same fracture surface.

Crack openings and the deformation associated with crack propagation may be so small that the cracks are virtually invisible except in special nondestructive examinations. As the stress intensity increases, the plastic deformation associated with crack propagation increases and the crack opening increases. When the final fracture region is approached, plastic deformation can be appreciable, because corrosionresistant alloys are frequently quite ductile.

Phenomenology of Crack-Initiation Processes

Crack Initiation at Surface Discontinuities

Stress-corrosion cracking frequently initiates at preexisting or corrosion-induced surface features. These features may include grooves, laps, or burrs caused by fabrication processes. Examples of such features are shown in Fig. 6; these were produced during grinding in the preparation of a joint for welding. The feature shown in Fig. 6(a) is a lap, which is subsequently recrystallized during welding and could then act as a crevice at which deleterious anions or cations concentrate. The highly sensitized recrystallized material could also more readily become the site of crack initiation by intergranular corrosion. A coldworked layer and surface burrs, shown in Fig. 6(b), can also assist crack initiation.

Crack Initiation at Corrosion Pits. Stresscorrosion cracks can also initiate at pits that form during exposure to the service environment (Fig. 7) or during cleaning operations, such as pickling of type 304 stainless steel before fabrication. Pits can form at inclusions that intersect the free surface or by a breakdown in the protective film. In electrochemical terms, pits form when the potential exceeds the pitting potential. It has been shown that the SCC potential and pitting potential were identical for steel in nitrite solutions.

The transition between pitting and cracking depends on the same parameters that control SCC, that is, the electrochemistry at the base of the pit, pit geometry, chemistry of the material, and stress or strain rate at the base of the pit. Adetailed description of the relationship between these parameters and crack initiation has not been developed because of the difficulty in measuring crack initiation. Methods for measuring short surface cracks are under development, but are limited to detecting cracks that are beyond the initiation stage. The geometry of apit is important in determining the stress and strain rate at its base. Generally, the aspect ratio between the penetration and the lateral corrosion of a pit must be greater than about 10 before a pit acts as a crackinitiation site. A penetration to lateral corrosion ratio of 1 corresponds to uniform corrosion, and a ratio of about 1000 is generally observed for a growing stress-corrosion crack. As in the ease of a growing crack, the pit walls must exhibit some passive-film-forming capability in order for the corrosion ratio to exceed 1. A change in the corrosive environment and potential within a pit may also be necessary for the pit to act as a crack initiator. Pits can act as occluded cells similar to cracks and crevices, although in general their volume is not as restricted. There are a number of examples in which stresscorrosion cracks initiated at the base of a pit by intergranylar corrosion. In these circumstances, the grain-boundary chemistry and the pit chemistry were such that intergranular corrosion was favored. Crack propagation was also by intergranular SCC in these cases. Although the local stresses and strain rates at the base of the pit play a role in SCC initiation, there are examples of preexisting pits that did not initiate stress-corrosion cracks.

This observation has led to the conclusion mat the electrochemistry of the pit is more important than the local stress or strain rate. A preexisting pit may not develop the same local electrochemistry as one grown during service, because the development of a concentration cell depends on the presence of an actively corroding tip that establishes the anion and cation current flows. Similarly, an inability to reinitiate crack growth in samples in which active growth was occurring before the samples were removed from solution, rinsed, dried, and reinserted into solution also suggests that the local chemistry is very important. Crack Initiation by Intergranular Corrosion or Slip Dissolution.

Stress-corrosion crack initiation can also occur in the absence of pitting by intergranular or slip-dissolution processes. Intergranular corrosion-initiated SCC requires that the local grain-boundary chemistry differ from the bulk chemistry. This condition occurs in sensitized austenitic stainless steels or with the segregation of impurities such as phosphorus, sulfur, or silicon in a variety of materials. Slip-dissolu tion-initiated SCC results from local corrosion at emerging slip planes and occurs primarily in lowstacking-fault materials.

The processes of crack initiation and propagation by the slip-dissolution process are in fact very similar. Crack initiation can be thought of as occurring in several stages, including the first few atomic layers that fail due to the transition from shortcrack to long-crack behavior. Evidence obtained by electrochemical and acoustic-emission monitoring of crack initiation in austenitic stainless steel suggests that the process occurs by the initiation of multiple short cracks prior to the propagation of a single dominant crack.

Retardation of the initiated cracks occurs because of variations in grain-boundary sensitization, crack angle, electrochemistry, and so on, with cracks being arrested after they grow about one grain diameter. Details of the conditions required for a single dominant crack to propagate have not been fully evaluated, but most likely it is a statistical process where there is a finite probability for a crack to find a path that does not retard its growth. Another concept suggested by Parkins for gas pipeline SCC initiation involves crack coalescence. It has been suggested that crack initiation in gas pipeline steels occurs by the following steps:

· Penetration of ground water to the pipeline surface and generation of a critical SCC environment

· Initially rapid formation of multiple cracks, the velocity decreasing with time to a constant value

· A period of constant crack-growth velocity

· Conventional stages 1,2, and 3 as described by single-crack behavior, during which time crack coalescence leads to final fracture

Размещено на