1

Evaluarea defectelor conductelor pentru transportul gazelor naturale (I) Dr. Ing. Ion Irimia ZECHERU

Expert CEN/ ISO ANRE - Bucuresti

Abstract. Ageing of gas transmission pipelines places the task of their functioning safety and reliability assurance in the list of the most important state problems. The suggested complex diagnostics is based on assessment of the real failure state: it most optimally combines the operational experience and the early diagnostics of future damages. Timely replacement of segments with stress concentration zones will allow ensuring the fail-safety of pipelines operation.

Majoritatea conductelor utilizate astăzi pentru transportul petrolului si gazelor au fost construite cu mulŃi ani în urmă, in prezent cele mai importante studii se refera la nivelul securitate, atat in ceea ce priveste capacitatea tehnica de operare in continuare a acestor conducte, dar si securitatea in aprovizionarea cu energie. Intorcandu-ne in istorie, la originile conductelor, de mii de ani, acestea au fost construite în diferite părŃi ale lumii pentru a transporta la inceput apă de băut şi de irigare a culturilor agricole. In antichitate, materialul folosit la acestor conducte includea argila arsă şi lemnul de bambus gol pentru transportul apei, iar egiptenii foloseau cuprul pentru a transporta apa inca din 3000BC. La 2000 i.Hr si pana la 1500 i.Hr cretanii utilizau tevi din faianŃă pentru apă, iar grecii antici (din 1600 i.Hr la 300 i.Hr) au utilizat tevi din faianŃa, plumb, bronz şi chiar tevi din piatra. În această epoca, conducte metalice erau realizate in jurul anilor 500 î.Hr, de perşi şi de romani, pur şi simplu prin ciocănire, când romanii foloseau tevi de plumb pentru a distribui apă în oraşele foarte dezvoltate. Prima utilizare a unei conducte pentru transportul de hidrocarburi a fost înregistrată fost o în China cu aproximativ 2500 de ani în urmă, era o conducta de bambus chinezesc, folosita pentru a transporta gazele naturale din puturi de mică adâncime să ardă pentru a fierbe apa de mare pentru separarea sarii şi pentru a o transforma in apă potabilă. Mai târziu, la 400 î.Hr, Ńevile de bambus învelite în ceară au fost folosite la iluminatul Pekingului. încă din anul 400 î.Hr . Industria conductelor de petrol şi gaze, din antichitate si pana azi, îşi are originile în afacerile cu petrol. Până în secolul al 19-lea, petrolul a fost obŃinut numai din zacamintele naturale de la mica adancime, incepand cu primele foraje de la Baku, Azerbaidjan în 1848 şi Polonia în 1854, apoi in Romania la 1859, dar prima mare exploatare şi utilizare comerciala a conductelor a început acum 150 de ani în SUA, de către colonelul Drake . În 1859, Edwin Drake fora in SUA, la Titusville, Pennsylvania, două puŃuri de petrol, în apropierea unor infiltraŃii de petrol de suprafaŃă,. Puturile au avut o valoare totala de 40000 dolari si au produs 2000 barili de titei brut, dar acest titei brut urat mirositor, plin de noroi, nu a fost popular pana in jurul anului 1870, cand a fost introdus în funcŃiune un procedeu simplu de rafinare in blazuri pentru procesarea titeiului (figura nr. 1). In aceste rafinării, din ŃiŃeiul brut incalzit, se obtinea kerosen si o fractie grea de petrol şi gudron. Kerosenul a fost un inlocuitor perfect şi ieftin al uleiului de balena utilizat pentru iluminat şi a permis ca petrolul sa fie vândut cu 20$ /baril. În aceste zile de pionierat, benzina şi alte produse de rafinare erau pur şi simplu aruncate, pentru că oamenii nu le-au folosit initial, dar în 1892, transportul a rezolvat aceasta problema, deoarece incepuse cererea de gasolina.

2

Figura nr. 1 Rafinaria cu blazuri de la Newhall, California (1876)

primea titei prin conducta de la zacamantul Pico Canyon©

(Sursa: Texaco-Chevron)

La începutul anului 1860, petrolul se transporta pe râurile interioare în butoaie de lemn, pe barje trase de cai. Acest lucru a fost periculos multa vreme, iar conflictele de muncă, de cele mai multe ori au perturbat traficul. Transportul pe calea ferată a insemnat o noua etapa, dar conductele au fost o soluŃie la această problemă evidentă de transport. Tevi din fonta sau din fier forjat, de diferite diametre, au fost folosite în jurul sondelor producătoare de titei. In 1865, prima conducta de petrol cu diametrul de 6 toli, care lucra gravimetric, a fost construita în Pennsylvania, SUA si transporta 7000 de barili/ zi de-a lungul Pithole Creek pana la gura pârâului unde acesta se varsă în râul Allegheny (figura nr. 2).

Figura nr. 2 Secventa din timpul constructiei conductei Pithole Creek, SUA©

3

In alte zone din lume s-a dezvoltat primul sistem de conducte de transport de 3 toli si cu o lungime de10 km în 1878, la Baku, Azerbaidjan de catre fraŃii Nobel, conductele de petrol reducand costurile de transport cu 95%. Este interesant de observat că la conducta din Baku teava a fost importata din Statele Unite, din cauza costului redus şi a înaltei calitati. A urmat la începutul secolului 20 constructia unor conducte magistrale, de exemplu: - în 1906 la Oklahoma, în Texas conducta cu o lungime de 472 mile (755 km) si cu diametrul de 8 toli (200mm); - similar au fost construite la Baku conducte de lungime mai mica, cu diametre de la 8 (80 mm) pana la 12 toli (350 mm); - în 1912, în Insula Bow, Canada a fost executata, in numai 86 de zile, o conducta de gaze de 170 (272 km), cu diametrul de 16 toli (400mm), una dintre cele mai mari conducte din America de Nord. Până la sfârşitul anului 1920, principalele rafinării construite erau capabile sa proceseze de la 80.000 pana la 125,000 de barili de titei pe zi, pentru a alimenta creşterea uriaşă a cererii de carburanti, de exemplu, intre 1910 - 1920 numărul de automobile şi camioane de pe soselele americane a crescut de la mai puŃin de 500.000 la peste 9 milioane, iar in jurul anilor 1920, determinată de această creştere a industriei de automobile, lungimea conductelor de transport din SUA a crescut la peste 115000 mile (184000 km). Următoarea schimbare mare în ingineria de conducte a fost construirea conductelor cu diametru mari pe distanŃe lungă; acestea au constituit pionieratul în SUA în anii 1940, datorita cererilor de energie ale celui de-al doilea război mondial, dar dezvoltarea a continuat si intre anii 1950 şi 1960, cand mii de kilometri de conducte de gaze naturale au fost construite pe teritoriul Statelor Unite, ca urmare a cererii crescute pentru acest tip de energie. Tipurile de conducte de petrol şi gaze pot fi rezumate astfel (figura nr. 3):

Figura nr. 3 Tipuri de conducte de hidrocarburi

4

Noile conducte, proiectate si construite dupa criterii si metode bine stabilite, din oteluri de inalta calitate, sunt operate astfel incat sa asigure fiabilitate si securitate in furnizarea de energie pe o piata competitiva si echitabila. Viitorul conductelor este atât stralucitor, cat si provocator. Ele vor continua să desfăşoare cea mai mare parte a resurselor de energie primară, iar inginerii vor trebui să se asigure că îndeplinesc condiŃiile de securitate in operare, industria de conducte fiind judecata privind standardele de securitate si integritate din industria de petrol si gaze. Integritatea conductelor de transport a gazelor naturale face in prezent obiectul unor noi reglementări, coduri şi standarde în toate zonele lumii. Un element cheie al integrităŃii conductelor, in aceste noi iniŃiative, este acela de evaluare a defectelor care apar în mod inevitabil pe durata de viaŃă a unei conducte, prin urmare, metodele de evaluare sunt necesare pentru a determina gradul de severitate al defectelor atunci când sunt detectate în conducte. Ultimii 40 de ani au vazut o dezvoltare a unui număr de metode importante de evaluare a defectelor. Unele dintre aceste metode au fost introduse deja în reglementari de orientare in domeniu, iar altele pot fi găsite în literatura de specialitate publicata. Cu toate acestea, nu există nici o orientare definitivă care sa compare metodele de evaluare sau sa evalueze fiecare metodă dupa rezultatele incercarilor sau sa recomande cele mai bune practici în aplicarea lor. A fost elaborat un studiu în cazul defectelor mecanice din conductele pentru oŃel transportul gazelor naturale pentru aplicaŃii legate energetice, in cadrul caruia, un defect mecanic este definit ca fiind: o deteriorare localizata a conductei rezultată din contactul cu un obiect. Deteriorarea mecanica nu pot fi caracterizata ca un criteriu singular, iar localizarea se refera la limitarea prejudiciului pentru o portiune din sectiunea transversala a conductei sau la o dimensiune limitata pe lungimea acesteia (de exemplu: pe o lungime de mai putin de cinci diametre ale tevii). Cele mai cunoscute si caracterizate defecte mecanice sunt: Deformatiile produse de lovituri, reprezentate ca depresiuni (infundari), care produc o perturbare gravă a curburii peretelui Ńevii, cauzate de contactul cu un corp străin din care rezultă deformarea plastică a peretelui Ńevii. Deformatia poate fi clasificata ca fiind:

- aplatisare sau deformatie simpla care produce o modificare fără probleme în curbura peretelui Ńevii, nu conŃine un concentrator de tensiuni sau reducerea grosimii de perete şi nu se schimbă raza de curbura a circumferintei unei suduri adiacente sau a profilului imbinarii sudate; - nerestrictionata, adica o deformatie care este libera sa-si revina elastic (ca un resort), atunci când contactul este eliminat, dar este libera să revina la variatii ale presiunea internă; - limitată (constrânsa), adica deformatie care nu-si revine, deoarece contactul nu este eliminat. Deformatia produsa de un colt de stanca este un exemplu de deformatie constransa(figura nr. ; - complexa, adica crestatura sau sant care introduce concentratori de tensiuni sau alte defecte secundare sau o deformatie care afectează raza de curbură a unei suduri adiacente.

Scobituri, reprezentate ca deterioari pe suprafata conductei cauzate de contactul cu un obiect străin care a deplasat sau a eliminat material din conducta, cu pierdere de metal, deteriorarea microstructurii, fisuri etc. Scobiturile de obicei apar atunci cand, de exemplu un de excavator zgarie suprafata exterioara a conductei.

5

Defecte combinate, deformatii si scobituri care se găsesc împreună, care conŃin fisuri sau deteriorare de material sau atunci când una sau ambele sunt în apropierea unei imbinari sudate. Defecturl trebuie să fie tratat cu prudenŃă. Daunele mecanice complexe nu sunt uşor de evaluat, nici nu se incadreaza in <<regulile de aur>> aplicabile in astfel de situatii. Multe caracteristici ale defectelor sau combinatii ale acestor caracteristici pot afecta gradul de severitate al distrugerilor. Aceste caracteristici pot include una, mai multe sau toate elementele din următoarele: Modificări de formă ale Ńeavii:

- Deformare localizata cu modificarea curburii pe direcŃia circumferenŃială şi / sau modificarea rectilinitatii axile a Ńevii;

- Ovalizarea secŃiunii transversale în apropierea sau la pozitia scoasa din punctul de contact sau din zona celui mai semnificativ contact.

Modificări de grosime de perete: - Pierdere de material prin taiere, zgariere, frecare, polizare, daltuire sau

mecanisme similare; - Reducere cauzata de intindere sau anomalie de forma similara. Modificări de

formă ale Ńevii. Modificări de grosime de perete; - Suprapunerei de material; - Tensiunilor reziduale şi eforturi. Tensiuni şi câmpuri de eforturi cu componente

circumferenŃiale, axiale şi radiale. Tensiunile locale şi eforturile sunt influenŃate de ordinul şi marimea sarcinilor şi deformatiilor

- Concentratori locali de tensiuni, de exemplu, in colturile unei scobituri; - Alte creşteri sau reduceri de tensiuni ale datorită schimbărilor în forma; - Rerotunjiri create la îndepărtare contactelor de deformare dintr-o conducta sub

presiune. Modificări ale proprietăŃilor materialelor:

- Modificarea proprietăŃilor mecanice (şi magnetice) ale materialului Ńevii din cauza deformări plastice. Eforturile pot creşte curgerea, pot reduce ductilitatea (de exemplu, alungirea la tracŃiune) şi/ sau pot afecta tenacitatea. Aceste schimbări pot fi de la modeste, în zonele în care eforturile locale sunt de acelaşi ordin de mărime ca limita de curgere, pana la extrem, imediat in punctul de contact;

- Modificări datorită transformărilor de faza care rezultă la încălzire şi răcire rapidă;

Alte anomalii sau defecte: - Fisuri de suprafaŃă, formate, fie pe suprafaŃa interioară sau pe suprafaŃa

exterioară în timpul rerotunjire. Fisuri la rerotunjire sunt de cele mai multe ori pe un plan înclinat de 45 °, la direcŃia radială şi/ sau <<forma de Z>>;

- Fisuri ascunse sau acoperite, în special în stratul deformate; - Extinderea fisurilor sau microfisurilor de oboseală, coroziune la oboseala sau o

deschiderea unei fisuri stabilizate; - Fisuri produse de coroziune sub sarcina; - Coroziune locale sau generalizata, uneori legate acoperirea de protectie

deteriorata şi/ sau prezenŃa rocilor în imediata vecinătatea peretelui Ńevii; - Alte defecte sau anomalii, cum ar fi defectele latente dintro imbinare sudata sau

dintro imbinare sudata adiacenta. Figura nr. 4 prezinta modul in care un defect simplu de pe suprafata tevii se poate transforma intro rupere, deci o defectare majora.

6

Figura nr. 4 Schema dezvoltarii defectului

Tabelul 1. Metode de evaluare a defectelor din conductele de gaze dupa tipul defectului si

incarcare

Metodele de evaluare pentru fiecare tip de defect (Tabelul 1) urmează în linii mari următoarele etape:

1. DefiniŃia succintă a tipului de defectului; 2. Schita care ilustrează dimensiunile şi orientarea defectului în raport cu axa Ńevii

şi tipul defectului (figura nr. 5);

7

Figura nr. 5 Schita defectului

3. Nota scurta care evidentiaza problemele specifice asociate defectului; 4. Diagrama care rezuma evaluarea defectului (figura nr. 6)1; 5. InformaŃiile minime necesare pentru evaluarea defectului; 6. Metroda de evaluare; 7. Domeniul de aplicabilitate a metodei şi orice limitări specifice; 8. Factorul de incertitudine aplicat metodei de evaluare in cazul modelului

defectului; 9. Exemplul de aplicare a metodei de evaluare a defectului; 10.Referirea la sursele alternative de orientare disponibile din reglementari

naŃionale sau internaŃionale, coduri sau standarde. Diagramele incluse pentru fiecare tip de defect constau, în general, dintr-un număr de întrebări de tipul da-nu concepute pentru a identifica dacă metodele cuprinse în acest caz sunt sau nu sunt adecvate pentru cazul respectiv, precum şi, daca este cazul, să se indice metoda cea potrivită de a fi utilizata. .Obiectivul metodei corespunzatoate de evaluare a defectului este acela de a determina daca exista suficiente elemente de securitate, astfel ca defectul sa nu produca daune pentru incarcarile existente. Pentru a stabili dacă defectul este sau nu este acceptabil, trebuie să fie luati în considerare trei factori2:

1. Presiunea (sarcina) de aparitie a defectului in conducta; 2. Incertitudinea inerentă modelului de predicŃie a presiunii (sarcinii) de defectare; 3. Factorul corespunzător de securitate la presiunea(sarcina) de defectare.

Factorul corespunzător de securitate va tine cont de incertitudinea fata de sarcina aplicata, materialul conductei si dimensiunile defectului, precum si de consecintele defectarii. Factorul de securitate poate avea o singura valoare3 sau poate fi o combinatie de factori de securitate partiali4.

1 Katz, D.,, Ming Gao, Limon, S., Crack Assessment for Pipeline Integrity, Pipeline Solutions, Houston, USA; 2 The 4th International Pipeline Technology Conference, Mai 2004, Belgia; 3 De exemplu conform ASME B31.G poate fi 1.39; 4 A se vedea DNV-RP-F101 part A.

8

Figura nr. 6 Diagrama evaluarii defectului

In evaluarea defectelor din conductele pentru transportul gazelor naturale este esential sa fie identificate/ detectate zonele susceptibile aparitiei si dezvoltarii defectarilor:

- detectare zonelor locale de dezvoltare a concentrarilor de tensiuni (ZCT); - detectare ZCT cele mai periculoase, in care este cel mai probabila aparitia

amorselor de defectare/ fisurare; - determinarea energiei de stare în ZCT cele mai periculoase; - determinarea caracteristicilor reale structuralmecanice ale materialului

conductei în ZCT; - evaluarea ratei defectelor şi direcŃia de dezvoltare a acestora, bazata pe

mecanismul cel mai relevant care a produs relevat deteriorarea. PrezenŃa ZCT atât la conductele noi, cat si la cele vechi reduce suficient de mult ciclul lor de viaŃa, prin urmare, alegerea metodelor si mijloacelor de control nedistructiv este o sarcină importantă a operatorilor conductelor pentru transportul gazelor naturale.