Анализ механизма образования дефектов газопровода в результате воздействия дугового разряда на стенку трубы

Полный текст

При обследовании газопровода, проходящего под высоковольтной линией 110 кВ, в районе верхней образующей трубы были обнаружены дефекты, внешний вид которых имел признаки воздействия электрической дуги, в том числе наплывы и брызги металла, оплавленные края кратера дефектов. На внутренней стенке трубы в зоне каждого дефекта выявлены локальные потемнения, характерные для термического воздействия на металл (рис. 1).

 

Рис. 1. Повреждения, выявленные при обследовании газопровода: наружная поверхность (а); внутренняя поверхность (б).

 

Было выдвинуто предположение о повреждении газопровода в результате воздействия мощного дугового разряда на стенку трубы с проплавлением металла и образованием сквозных дефектов. Такая ситуация может возникнуть, например, в результате удара молнии [1—3]. Для подтверждения предположения были подготовлены темплеты, содержащие дефектные участки трубы, а также проведены лабораторные исследования по определению структуры и элементного состава материала трубопровода в местах его повреждений и механические испытания. Рассмотрены сценарии возникновения мощных дуговых разрядов в грунте природного или техногенного характера.

По результатам локального спектрального анализа металла непосредственно в очаге дефектов установлено наличие повышенного количества примесных элементов (кремний, алюминий, калий, кальций, титан) вследствие переноса их из грунта при высокотемпературном воздействии. Присутствие примесных элементов в грунте в месте укладки газопровода подтверждено также качественным элементным анализом (рис. 2).

 

Рис. 2. Результаты элементного анализа вблизи очага дефекта.

 

После проведения металлографических исследований было установлено, что структура металла трубы вдали от дефектов — феррито-перлитная, характерная для горячекатаной низколегированной трубной стали. В зоне дефекта с малым проплавлением на глубину до 700 мкм от поверхности наблюдается слой металла, характеризующийся наличием участков столбчатой структуры, затем наблюдается переходная зона глубиной до 600 мкм со структурой неполного проплавления. Такая структура характерна для процессов формирования сварочной ванны. В случае образования дефектов с большим проплавлением на глубину до 700 мкм от поверхности установлено наличие зоны со структурой мартенсита, образование которого характерно для высокотемпературного нагрева с последующим резким охлаждением.

Электронно-микроскопический анализ показал, что на внешней поверхности трубопровода в кратере дефектов присутствуют множественные очаги оплавления металла, для которых характерны плавные линии внешних контуров, отдельные сформированные капли металла, напоминающие брызги (рис. 3). На внутренней поверхности трубопровода подобных явлений не наблюдается, что свидетельствует о высокотемпературном точечном воздействии именно на внешнюю поверхность трубы.

 

Рис. 3. Следы расплавления металла в зоне кратеров сквозных дефектов (электронная микроскопия).

 

Измерения твердости по сечению стенки трубы (рис. 4) от поверхности вглубь образцов в зоне дефектов показали наличие резкого скачка твердости с 200—250 HV в основном металле до 450—600 HV в зоне закалочной структуры на поверхности. На расстоянии порядка 700 мкм от поверхности дефекта различима четкая граница, разделяющая подвергнутый термическому воздействию металл и основной. Данная картина характера для трех исследованных дефектов.

 

Рис. 4. Результаты измерения микротвердости для образца с дефектом.

 

Расчет методом конечных элементов распространения зоны проплавления подтвердил, что множественные повреждения стенки трубопровода возможны в течении достаточно кроткого времени воздействия дугового разряда: для толщины стенки трубы 6,5 мм оно составляет 1,8 с (рис. 5). При этом в случае множественных поражений стенки трубы для сквозного повреждения стенки трубопровода достаточно тока 200—300 А.

 

Рис. 5. Конфигурация зоны плавления в различные моменты времени, ток дуги 300 А, радиус канала 7 мм.

 

Сопоставление наблюдаемых и расчетных размеров повреждения позволяет заключить, что для указанного диапазона тока единичного разряда радиус дугового канала составляет величину порядка (3—7) мм. Принимая во внимание, что токи через единичный дуговой канал во время, например, разряда молнии характеризуются амплитудами 10—150 кА при длительности импульса до 100 мкс [4], можно предполагать, что указанного тока наряду с диффузной зоной растекания достаточно для образования трех дуговых каналов с указанными в предыдущем пункте заключения токами, что соответствует числу повреждений, обнаруженных в стенке трубопровода.

Максимальная длина зарегистрированных в экспериментах [5] искровых каналов для характерных для молнии токов, стекающих с заземляющей проводящей структуры, составляет 10—20 м. Поэтому при инициации канализированной структуры при ударе молнии опасным расстоянием от места удара молнии до трассы трубопровода можно считать величину менее 20 м.

Теоретический анализ конфигурации зоны плавления вследствие распространения теплового потока плазменной дуги в различные моменты времени согласовывается с характером повреждений газопровода (см. рис. 1).

Таким образом, по результатам выполненных исследований показано, что вероятным механизмом повреждения трубопровода с образованием дефектов с оплавлением металла трубы явилось образование в грунте дугового разряда природного или техногенного характера.

Работа выполнена в рамках государственного задания МИНОБРНАУКИ России (тема «Диагностика», Г.р. № 122021000030-1).

Об авторах

А. В. Михайлов

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mikhaylov@imp.uran.ru
Россия, 620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

Л. В. Михайлов

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: mikhaylov@imp.uran.ru
Россия, 620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

Н. Ю. Трякина

ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»

Email: N.Tryakina@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620075 Екатеринбург, ул. Клары Цеткин, 14

С. В. Трапезников

ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»

Email: N.Tryakina@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620075 Екатеринбург, ул. Клары Цеткин, 14

А. С. Саломатин

ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»

Email: N.Tryakina@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620075 Екатеринбург, ул. Клары Цеткин, 14

С. С. Кукушкин

ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»

Email: S.Kukushkin@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620075 Екатеринбург, ул. Клары Цеткин, 14

Я. Г. Смородинский

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: S.Kukushkin@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

В. Н. Костин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: S.Kukushkin@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

О. Н. Василенко

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: S.Kukushkin@ekaterinburg-tr.gazprom.ru
Россия, 620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

Список литературы

Дополнительные файлы