Причины нестабильности теплогидравлических режимов МГ

Нестабильность работы магистрального газопровода объясняется разными причинами: тепловой инерционностью грунта, окружающего газопровод, неравномерностью газопотребления, влиянием климата (смена времен года, суточные колебания температуры, резкое похолодание,

+5

-5

-10

-15

-20

tв, °С

7,7

7,5

7,3

7,1

6,9

6,7

p, МПа

Рисунок 3.2 сделать подпись внизу не смогла, оси ординат расположены правильно

потепление, осадки и т.д.), изменениями режимов компримирования и охлаждения газа и т.д.

В настоящее время такой режим представляется неизбежным для трубопроводов большого диаметра. Например, по данным ООО "Газпром трансгаз Уфа" лишь около 1/3 годового периода эксплуатационные параметры газопроводов Уренгойского коридора близки к проектным. Бóльшую часть времени газопроводы эксплуатируются в нестационарных режимах, которые характеризуются частой сменой температуры газа t_г, подаваемого в трубопровод.

Кривые изменения температур и давлений, представленные на рис. 3.2, являются характерными для МГ большого диаметра и наглядно объясняют причину данного явления. С некоторым запаздыванием из-за тепловой инерции АВО, примерно на 2 - 3 часа, повторяя пульсирующий характер изменения температуры воздуха t_в, меняются температура природного газа t_г на выходе из аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и давление р после нагнетателей на выходе из КС. При суточном колебании температуры воздуха, амплитуда которого достигает 18…20 °С в районах с континентальным климатом, характерным для районов Башкортостана, поддерживать стабильной температуру газа удается далеко не всегда.

Исследования, проведенные совместно УГНТУ и ОАО Баштрансгаз на магистральных газопроводах Уренгойского коридора показали, что колебания температуры газа, нагнетаемого в газопровод, проходят по всей длине газопровода в виде тепловых импульсов и пагубно воздействуют как на линейную часть газопровода, так и на основное оборудование.

Наиболее яркие и разрушительные последствия такого вида термодинамического воздействия проявляются в виде стресс-коррозионных разрушений трубопроводов и вибрации оборудования.

2.3.2.2. Активизация коррозионных процессов на наружной поверхности магистральных газопроводов

Анализ аварий, происходящих по причине стресс - коррозионного растрескивания на газопроводах большого диаметра, показал, что нестабильность теплогидравлических режимов МГ является первопричиной, в своем роде катализатором стресс - коррозии, которая, в русском контексте, имеет другое название – КРН (коррозионное растрескивание под напряжением). Импульсное изменение температуры стенки газопровода увеличивает коррозионную активность грунтов, прилегающих к газопроводу.

В результате, фактические параметры работы газопровода нестабильны, существенно отличаются от проектных, не являются оптимальными, и следовательно требуют повышенных удельных энергозатрат.

Так как охлаждение газа происходит в АВО,то колебания температуры газа закономерны и происходят с суточным и годовым периодом, а также зависят от изменения климатических условий, вызывая сложности в регулирования работы АВО. Кроме того, по технологическим причинам, например, в случае остановки компрессорного цеха, происходят резкие изменения теплогидравлических режимов с ярко выраженным нестационарным теплообменом. Особенно это относится к газопроводам большого диаметра, время релаксации которых (порядка 3-х месяцев), после очередного изменения режима, соизмеримо с периодом сезонных колебаний температур.

Внезапное изменение режима газопровода приводит к возникновению теплового импульса, который быстро передается к критическим сечениям (приуроченным к оврагам, балкам и др. рельефным местам с периодическим водотоком) на высокой стороне, подверженным стресс - коррозионному разрушению.

Следует отметить, что это явление характерно для газопроводов большого диаметра. На нефтепроводах явление стресс - коррозии не встречается.

Дело в том, что в магистральных нефтепроводах, где скорости движения нефти малы, и температура нефти быстро выравнивается с окружающей средой, тепловой импульс, даже если он возникает по каким-либо причинам, быстро гасится.

Но в газопроводах большого диаметра, в отличие от нефтепроводов, тепловой импульс быстро переносится потоком, т.к. скорость движения потока велика и газ не успевает остыть.

Например, при скорости газового потока W = 40 м/с за 10 минут тепловой импульс передается на расстояние

L = 40∙10·60 = 24000 м = 24 км.

В результате, нестабильный импульсный температурный режим системы генерирует неравновесные термодинамические процессы, особенно на высокой стороне КС, которые имеют весьма разносторонние проявления и самым непосредственным образом влияют на техническое состояние элементов конструкций и системы магистрального газопровода в целом.

1. В первую очередь, это синхронные температурные подвижки трубопроводов в местах потери устойчивости, при многократном повторении приводящие к нарушению адгезии (вследствие различия коэффициентов температурного расширения металла и покрытия) и целостности изоляционных покрытий. Нарушение защитного покрытия способствует коррозионному разрушению трубопровода.

Одновременно происходит активизация электрохимических коррозионных процессов, вызванная импульсным или колебательным движением грунтовых электролитов, в том числе и стресс – коррозионных процессов. Обычно эти явления встречаются на начальных участках трассы и приурочены к оврагам и балкам.

Характерным в таких случаях является нарушение изоляционного покрытия: сквозное или отслаивание, а также наличие стресс – коррозионных трещин, эрозионных и др. разрушений на наружной поверхности аварийного участка газопровода.

На рис. 3.3 показана причинно-следственная связь и зависимость активности коррозионных процессов от теплогидравлических режимов работы магистрального газопровода.

rэл, переменное во времени

Импульсное изменение температуры грунта t

Импульсное изменение влажности грунта W

Импульсное изменение удельного сопротивления грунта rэл

rэл, переменное по контуру трубы

Изменение теплогидравлического режима газопровода (отключение и включение АВО, остановка или пуск нагнетателей, изменение величины отбора газа по трассе, открывание и закрывание кранов на газопроводах и перемычках, изменение температуры воздуха, дожди, таяние снега и т.д.)

Образование динамической системы микро- и макрокоррозионных элементов с сетью микроуравнительных токов, функционирующей в импульсном режиме. Движение влаги и эвакуация продуктов коррозии, активизирует процесс. Нестабильность работы СКЗ усиливает эффект

Рисунок 3.3 – Схема активизации коррозионных процессов на наружной поверхности МГ большого диаметра при изменении теплогидравлических режимов

Эта динамическая система действует при любом защитном потенциале, даже при хорошо отлаженной катодной защите газопровода, так как изменение удельного сопротивления тонкого слоя грунта, контактирующего с газопроводом, пренебрежимо мало по сравнению с общим сопротивлением цепи катодной защиты. Она запускается в действие при любом изменении в режиме работы газопровода.

При разнородных грунтах обратной засыпки и нарушении сплошности изоляционного покрытия макрокоррозионные элементы будут четко обозначены.

Под импульсным или колебательным температурным воздействием коррозионные процессы активизируются очень сильно. Это подтверждено лабораторными и промышленными экспериментами, проведенными совместно кафедрой "Гидравлика и ГМ" УГНТУ и ООО "Газпром трансгаз Уфа".

На рис. 3.4 – 3.7 представлены фотографии опытных стальных образцов (ст. 3). Образцы № 1 и № 4 подвергались импульсному температурному воздействию. Образцы № 2 и № 3 - контрольные образцы, температура которых поддерживалась на уровне средней температуры.

Для создания адекватной физической модели были смоделированы условия теплообмена с окружающим грунтом участка газопровода, пересекающего овраг, по дну которого протекает ручей, т.е. модель газопровода, подвергающегося импульсному температурному воздействию в условиях периодически обводняемого грунта.

На поверхности образцов № 1 и № 4, подвергавшихся импульсному воздействию, преобладают обширные и глубокие очаги язвенной коррозии. Максимальная глубина язвенного поражения отмечается в местах водотока (периодического увлажнения). Вследствие барражного эффекта и повышенной влажности с подпруживающей стороны эрозия более глубокая и обширная.

Хорошо видно принципиальное отличие характера поражения образцов, испытанных в импульсном режиме, имеющих обширные и глубокие язвы, от контрольных образцов с поверхностной коррозией.

Но самым убедительным является факт, что потеря массы испытуемых образцов, подвергшихся импульсному воздействию, увеличились в 6,9…11,2 раза по сравнению с контрольными образцами, находящимися в стабильных условиях теплообмена, при постоянной температуре.

Проведенный анализ показывает необходимость учета фактора нестабильности теплогидравлических режимов и колебаний параметров работы газопровода на стадии проектирования и разработки специальных технологий по стабилизации режимов работы системы МГ:

- путем оптимизации эксплуатационных режимов работы КС МГ;

- использования аккумулирующей способности МГ;

- вводом в эксплуатацию газовых хранилищ;

- способами отслеживающего регулирования и т. д.

С увеличением емкости и мощности подземных хранилищ газа, относительная амплитуда колебаний β производительности МГ снижается: происходит сглаживание сезонной неравномерности газопотребления за счет аккумулирующей способности газохранилищ и буферных потребителей газа.

Рисунок 3.4 - Образец № 1. Импульсный температурный режим 30/40°С (грунт с поз. 3 ч. по ходу газа)

Рисунок 3.5 - Образец № 2. Контрольный. Температура t=33°С (грунт с поз. 3 ч. по ходу газа)

Рисунок 3.6 - Образец № 4. Импульсный температурный режим 31/42°С (грунт с поз. 6 ч.)

Рисунок 3.7 - Образец № 3. Контрольный. Температура t = 34°С

(грунт с поз. 6 ч.)

На рис. 3.8 приведен график изменения производительности на участке "Поляна – Москово" газопровода Уренгойского коридора, диаметром 1420 мм за период с 01.01.2000 по 31.07.2001, который совпадает по времени с введением в действие всего Канчуринско - Мусинского комплекса ПХГ. Как видно, данный график качественно отличается от предшествующих, приведенных на рис. 3.1.

Рисунок 3.8 – Изменение производительности на участке газопровода Уренгойского коридора, диаметром 1420 мм

В результате регулирования производительности данного газопровода уменьшилась амплитуда колебаний производительности β, что привело к увеличению коэффициента загрузки σ силовых агрегатов на КС и более эффективному их использованию.