Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов . 69. к м. гумеров

строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

88

4 (102) • 2015

Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов

бираются только на поверхности изделия, обра-

зовывая нужное покрытие.

Однако стали замечать, что хромированные 

и никелированные изделия более хрупки и ме-

нее  прочны,  чем  такие  же  изделия  без  покры-

тий. Специалисты­металловеды долго не могли 

понять, в чём тут дело, но наши уважаемые чи-

татели уже поняли, что и тут в игру вступают 

наши знакомые – протоны. Потому что в раст­

воре есть вода, следовательно, есть и катионы 

Н

+

. Они ещё быстрее устремляются к изделию, 

чем катионы никеля и хрома, превращаются в 

протоны, которые легко проникают в изделие и 

снижают его прочностные характеристики.

Некоторые  читатели  подумали:  Красивая 

сказка!  Где  доказательства?  Кто­нибудь  видел 

эти загадочные вездесущие протоны?

Протонов, конечно, никто не видел. И не мо-

жет видеть. Но водород и метан внутри металла 

вполне можно обнаружить. Для этого есть ме-

тод спектрального анализа. Этим методом опре-

деляют состав веществ не только земных, но и 

звездных, солнечных. Количество вещества мог 

ещё  измерять  великий  Ломоносов.  Современ-

ными методами и приборами эту задачу выпол-

нит  любой  лаборант.  И  эту  работу  проделали, 

конечно же, и авторы данной статьи.

Один  из  экспериментов  состоял  в  следую-

щем [5].

1.  Вырезали  из  разных  мест  трубопровода 

две  группы  образцов  металла.  Одна  группа  с 

One  of  the  experiments  consisted  of  the 

following steps [5].

1. Two groups of metal samples were cut from 

different  places  of  the  pipeline.  One  group  was 

taken from the place where stress corrosion cracks 

had developed, the other – from the place without 

cracks.

2. Samples were cleaned by special procedure 

and weighed on the analytical (accurate) balance.

3. All  samples  were  exposed  to  vacuum  heat 

treatment. The temperature, vacuum pressure and 

retention  time  were  selected  such  that  hydrogen 

might  get  mobility  in  the  metal,  and  the  rest 

elements remain motionless. So, hydrogen gradually 

«evaporated» from the metal.

4. After  that,  all  samples  were  again  weighed 

and  the  change  in  weight  was  determined.  The 

change  in  weight  corresponded  to  the  amount  of 

hydrogen released from the metal.

Such  experiments  were  repeated  many  times 

and  on  different  pipelines. The  samples  were  cut 

from different places at different distances from the 

fracture, from the inner and outer parts of the pipe 

wall. Also, mechanical tests of samples were carried 

out in order to check the changes in the strength of 

the  metal.  The  results  are  a  convincing  proof  of 

correctness of the physical model of stress corrosion, 

described above. 

Firstly,  in  the  zones  of  metal  cracking  the 

concentration of hydrogen was significantly higher 

than in the remote areas. 

 – стенка трубопровода;  – патрубок;  – усиливающий воротник;  – угловой сварной шов  

«труба – воротник»;  – участок сварного шва с наибольшей концентрацией напряжений

 – pipeline wall;  – branch pipe;  – reinforcing collar;  – fillet weld «pipe – collar»;  

 – weld portion with the highest concentration of stresses

Рисунок  – Конструкция вантуза на магистральном нефтепроводе и характер разрушения

Figure  – Design of a vent on the main oil pipeline and failure pattern

трещина 

сrack

89

4 (102) • 2015

места, где развились стресс­коррозионные тре-

щины, другая – где таких трещин не было.

2. По специальной технологии очистили об-

разцы  и  взвесили  на  аналитических  (точных) 

весах.

3.  Все  образцы  подвергли  вакуумно­терми-

ческой обработке. Температура, вакуум и время 

выдержки были подобраны ровно такими, что-

бы водород получал подвижность в металле, ос-

тальные  элементы  оставались  неподвижными. 

Поэтому водород постепенно «выпаривался» из 

металла.

4. После этого все образцы опять взвесили и 

определили изменение веса. Изменение веса со-

ответствовало количеству водорода, вышедше-

го из металла.

Такие эксперименты были повторены в боль-

шом  количестве  и  на  разных  трубопроводах. 

Образцы вырезались с разных мест, на разном 

удалении от места разрушения, с внутренней и 

наружной частей стенки труб. Также проводи-

лись механические испытания образцов с тем, 

чтобы  проверить  изменения  прочности  метал-

ла.  Полученные  результаты  убедительно  под-

тверждают  правильность  вышеописанной  фи-

зической модели стресс­коррозии. 

Во­первых, в зонах растрескивания металла 

концентрация  водорода  оказывалась  сущест-

венно выше, чем на удаленных участках. 

Во­вторых,  концентрация  водорода  всегда 

выше на внешней части стенки труб (водород в 

данном  случае  поступает  снаружи,  из  грунто-

вой воды).

В­третьих,  пластичность  и  прочность  образ-

цов тем ниже, чем выше концентрация водорода.

Такова  суть  предложенной  авторами  физи-

ческой  модели  стресс­коррозии.  Как  и  всякая 

новая теория, эта модель нуждается в проверке 

и апробации. В порядке апробации проанализи-

руем некоторые явления и события. 

1. Выше было отмечено, что на других тру-

бопроводах,  кроме  магистральных  газопрово-

дов,  стресс­коррозия  не  наблюдается.  Пришло 

время  объяснить  этот  феномен.  Объяснение 

простое и тоже имеет признаки единства. 

Все явления происходят только при опреде-

ленных условиях. Эти условия ограничиваются 

критическими  значениями  соответствующих 

физических  величин.  Например,  пластическое 

деформирование  металла  происходит  только 

при напряжениях, превышающих предел теку-

чести металла. Разрушение происходит при до-

Secondly, the hydrogen concentration is always 

higher on the outer part of the pipe walls (in this 

case,  hydrogen  comes  from  outside,  from  the 

ground water).

Thirdly,  the  higher  is  the  concentration  of 

hydrogen,  the  lower  are  ductility  and  strength  of 

the samples.

This  is  the  essence  of  the  physical  model  of 

stress  corrosion,  proposed  by  the  authors.  Like 

every new theory, this model needs to be verified 

and approved. Let’s analyze, as an approval, some 

phenomena and events. 

1. It was noted above that in other lines, except 

for the main gas pipelines, stress corrosion is not 

observed.  It  is  time  to  explain  this  phenomenon. 

The  explanation  is  simple  and  also  has  signs  of 

unity. 

All  phenomena  occur  only  under  certain 

conditions.  These  conditions  are  limited  to  the 

critical values of the respective physical quantities. 

For example, the plastic deformation of metal takes 

place only at stresses exceeding the yield strength 

of  the  metal.  Failure  occurs  when  the  ultimate 

strength is reached. Fatigue failure occurs at stresses 

above the fatigue limit. A crack propagates when 

the limit of crack resistance is reached. There are 

other  «limits».  It  turns  out  that  there  is  also  an 

ultimate stress corrosion, which is about 0.7 of the 

yield strength. Trunk pipelines differ from all other 

pipelines  by  large  diameters  and  high  working 

pressures. Here, stresses in the pipe wall reach and 

exceed the stress corrosion range. On all other lines 

operating stresses do not reach the range of stress 

corrosion. 

It  was  found  that  under  mechanical  stresses 

lower than the stress corrosion range slow protons 

had  not  penetrability  sufficient  for  appreciable 

stress corrosion development during «lifetime» of 

pipeline.

2.  The  reader,  who  has  studied  the  course  of 

resistance  of  materials,  may  recall  that  the 

distribution  of  stresses  (mechanical)  is  rarely 

uniform.  Almost  always,  there  are  areas  with 

concentration of stresses. Such zones, in particular, 

are  welded  joints.  The  coefficient  of  stress 

concentration in the welded joints is usually in the 

range of 1.2 ... 3.0. This means that in local zones 

stresses are as many times higher than the average 

stress. That is, by the stress level these zones will 

be in the same conditions as the main gas pipelines. 

Hence,  stress  corrosion  may  develop  in  these 

zones.

строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

90

4 (102) • 2015

Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов

стижении предела прочности. Усталостное раз-

рушение  происходит  при  напряжениях  выше 

предела усталости. Развитие трещины происхо-

дит при достижении предела трещиностойкос-

ти.  Есть  и  другие  «пределы».  Оказалось,  что 

есть также предел стресс­коррозии, который со-

ставляет около 0,7 предела текучести. Магист-

ральные газопроводы отличаются от всех дру-

гих  трубопроводов  большими  диаметрами  и 

большими рабочими давлениями. При этом на-

пряжения в стенке труб достигают и превыша-

ют предел стресс­коррозии. На всех других тру-

бопроводах рабочие напряжения не достигают 

предела стресс­коррозии. 

Оказалось, что при механических напряже-

ниях меньше предела стресс­коррозии медлен-

ные протоны не обладают достаточной прони-

кающей способностью, чтобы за «время жизни» 

трубопровода  стресс­коррозия  успела  заметно 

проявиться.

2. Читатель, изучавший курс сопротивления 

материалов, может вспомнить, что распределе-

ние  напряжений  (механических)  редко  бывает 

равномерным. Почти всегда существуют участ-

ки,  где  возникает  концентрация  напряжений. 

Такими зонами, в частности, являются сварные 

соединения.  Коэффициент  концентрации  на-

пряжений на сварных соединениях обычно на-

ходится в пределах 1,2…3,0. Это означает, что в 

локальных зонах напряжения во столько же раз 

превышают  средний  уровень  напряжений.  То 

есть эти зоны по напряженности будут в таких 

же условиях, как и магистральные газопроводы. 

Следовательно, в этих зонах может развиваться 

стресс­коррозия.

Рисунок  – Водородное растрескивание металла (увеличение 00 x)

Figure  – Hydrogen cracking of metal (00 x magnification)

If the proposed physical model is correct, then 

this line of thought can not be argued. But why no 

notice of stress corrosion was taken on oil pipelines 

with a lot of welded joints and seams? The answer 

is really on the surface. Suppose there was a failure 

due to stress corrosion on the weld of an oil pipeline. 

In this case the crack will be on the welded joint, 

and  it  will  be  visible  to  the  naked  eye.  To  what 

conclusion  shall  a  supervisory  body  inspector 

arrive?  Yes,  he  will  blame  the  welder.  Can  the 

welder argue? No, he cannot, because the destruction 

of  the  seam  is  real.  Will  anyone  drag  his  brains 

about stress corrosion? The reader is right – no one 

will. The welder will be deprived of bonus, his boss 

be reprimanded, penalty for damage be imposed on 

the  pipeline  company  and  the  column  «welding 

defects»  in  the  statistics  of  failures  will  be 

supplemented. With this everybody go away with a 

sense  of  their  duty  done.  Until  another  similar 

accident happens. 

Suppose the authors of this physical model (or 

like­minded persons) find themselves on the site of 

such accident. And such opportunities really arose. 

Recently, there have been several accidents on the 

main oil pipelines, one of them in Bashkortostan. 

Dimensions of pipes on site were Ø1220×14.8 mm; 

service period of 38 years. 

The  accident  occurred  on  the  vent  assembly 

(Figure 2). As a result of break the crack appeared 

with the length of 1430 mm and the opening up to 

350 mm. The center of the destruction was on the 

longitudinal  section  of  a  fillet  welded  seam,  by 

which reinforcing collar of the vent was welded to 

the  line  (point  5).  Technological  welding  defects 

such as cracks, incomplete penetration, pores, cuts, 

poor fusion were not detected. 

9

4 (102) • 2015

Если предложенная физическая модель вер-

на, то на такой ход мыслей невозможно возра-

зить. Но почему на нефтепроводах, где сварных 

стыков и швов множество, не заметили стресс­

коррозию? 

Ответ практически на поверхности. Предпо-

ложим,  произошло  разрушение  из­за  стресс­

коррозии на сварном соединении нефтепровода. 

При этом трещина пойдет по сварному соедине-

нию, и это будет видно невооруженным глазом. 

Какой вывод сделает проверяющий из надзор-

ного  органа?  Правильно,  обвинит  сварщика. 

Сварщик сможет возразить? Не сможет, потому 

что разрушение по шву – факт. Кто­то будет на-

прягать мозги по поводу стресс­коррозии? Чи-

татель  прав,  никто  не  будет.  Сварщика  лишат 

премии, его начальнику объявят выговор, неф­

тепроводному  управлению  назначат  штраф  за 

ущерб,  в  статистике  отказов  пополнят  графу 

«дефекты сварки». И на этом все расходятся с 

чувством  исполненного  долга.  До  очередной 

аналогичной аварии. 

Предположим, на месте такой аварии оказа-

лись бы авторы данной физической модели (или 

их единомышленники). И, действительно, такие 

случаи представились. В последнее время про-

изошло  несколько  аварий  на  магистральных 

нефтепроводах,  одна  из  них  на  территории 

Башкирии.  Размеры  труб  на  месте  аварии: 

∅

1220

×

14,8 мм; срок эксплуатации 38 лет. 

Авария  произошла  на  вантузном  узле  

(рисунок  2).  В  результате  разрыва  образова-

лась  трещина  длиной  1430  мм  с  раскрытием  

до 350 мм. Очаг разрушения находился на про-

дольном  участке  углового  сварного  шва,  кото-

рым был приварен усиливающий воротник ван-

туза к трубопроводу (точка 5). Технологические 

дефекты сварки типа трещин, непроваров, пор, 

подрезов, несплавлений не выявлены. 

При установке вантуза была снята изоляция 

с поверхности трубы и оказалась невосстанов-

ленной после его установки. Однако коррозион-

ные  дефекты,  представляющие  опасность  для 

нефтепровода,  не  наблюдаются;  есть  только 

следы коррозии. Это объясняется тем, что неф­

тепровод находился под электрохимической за-

щитой. 

Механические свойства металла трубы соот-

ветствуют  нормативным  требованиям,  серти-

фикатным и паспортным данным. Излом стенки 

трубы по месту разрушения хрупкий, без види-

мых следов пластической деформации. В изло-

When mounting vent the insulation was removed 

from the surface of the pipe and was not restored 

after the vent was assembled. However, corrosion 

defects dangerous for the pipeline are not observed; 

there are only traces of corrosion. This is due to the 

fact  that  the  pipeline  was  under  electrochemical 

protection. 

The mechanical properties of the pipe metal are 

in  compliance  with  standard  requirements  and 

certificate  and  passport  data.  The  fracture  in  the 

pipe wall at the place of the destruction is brittle, 

without any visible traces of plastic deformation. In 

the fracture microcracks are observed, representing 

hydrogen  lamination  of  the  pipe  metal. 

Microsections demonstrate partial decarburization 

of  pearlite  grains,  which  is  a  sign  of  interaction 

with  hydrogen  (protons).  We  found  numerous 

defects in the form of metal lamination, occurred 

due to hydrogen accumulated to very high pressures 

(Figure  3).  This  phenomenon  is  called  hydrogen 

lamination  of  metal,  hydrogen  cracking,  stress 

corrosion  cracking,  or  stress  corrosion.  These 

names  describe  virtually  the  same  phenomenon, 

but emphasize different sides of its manifestation.

The  results  show  that  the  following  factors 

played a key role in the destruction of oil pipeline:

–  high  stress  concentration  in  the  fillet  weld 

«collar – pipe»;

– the absence of insulation along the fillet weld 

«collar – pipe»;

– the presence of a negative electric potential.

All  this  is  nothing  but  conditions  for  the 

development of stress corrosion. Hence, it appears 

that local stress corrosion can be not only on main 

gas pipelines, but on oil pipelines and other lines, 

as well. 

3.  It  is  clear  that  the  development  of  stress 

corrosion requires the sources of atomic hydrogen 

(or protons). What other sources exist?

Some  oil  and  gas  fields  are  featured  by  high 

content  of  hydrogen  sulfide  H

2

S. When  pumping 

products  with  high  content  of  hydrogen  sulfide, 

steel pipes (also, other process equipment) become 

brittle  as  cast  iron.  The  cause  is  that  hydrogen 

sulfide­iron  reaction  produces  hydrogen  atoms 

(protons and electrons):

2Fe

++

 + 2HS

–

 

→

 FeS + 2H

+

 + 2e;

Fe

++

 + 2HS

– 

→

 FeS

2

 + 2H

+

 + 2e.

These protons are formed on the inner surface 

of the pipe and then penetrate into the metal. And 

our  reader  already  knows  how  they  behave 

themselves  there.  The  only  difference  from  the 

строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

9

4 (102) • 2015

Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов

ме наблюдаются микротрещины, представляю-

щие  собой  водородное  расслоение  металла 

трубы. В микрошлифах наблюдается частичное 

обезуглероживание перлитных зерен, что явля-

ется  признаком  взаимодействия  с  водородом 

(протонами). Обнаружены многочисленные де-

фекты  в  виде  расслоения  металла,  образовав-

шиеся  в  результате  накопления  водорода  до 

очень  высоких  давлений  (рисунок  3).  Данное 

явление  называют  водородным  расслоением 

металла, водородным растрескиванием, корро-

зионным  растрескиванием  под  напряжением, 

стресс­коррозией. Эти названия характеризуют 

практически одно и то же явление, но подчёрки-

вают разные стороны проявления.

Из  полученных  результатов  следует,  что  в 

разрушении  нефтепровода  сыграли  основную 

роль следующие факторы:

– высокая концентрация напряжений на уг-

ловом сварном шве «воротник – труба»;

– отсутствие изоляции вдоль углового свар-

ного шва «воротник – труба»;

–  наличие  отрицательного  электрического 

потенциала.

Всё это не что иное, как условия для развития 

стресс­коррозии.  Отсюда  следует  вывод,  что  в 

локальных  зонах  стресс­коррозия  возможна  не 

только на магистральных газопроводах, но и на 

нефтепроводах и других трубопроводах. 

3. Понятно, что для развития стресс­корро-

зии необходимы источники атомарного водоро-

да (или протонов). Какие ещё есть источники?

Некоторые месторождения нефти и газа от-

личаются высоким содержанием сероводорода  

H

2

S. При перекачке продуктов с высоким содер-

жанием  сероводорода  стальные  трубы  (другое 

технологическое оборудование тоже) становят-

ся хрупкими, как чугун. Причина состоит в том, 

что при взаимодействии сероводорода с желе-

зом  образуются  атомы  водорода  (протоны  и 

электроны):

2Fe

++

 + 2HS

–

 

→

 FeS + 2H

+

 + 2e;

Fe

++

 + 2HS

– 

→

 FeS

2

 + 2H

+

 + 2e.

Эти протоны образуются на внутренней по-

верхности труб и далее внедряются в глубь ме-

талла. А что там они дальше делают, наш чита-

тель  уже  знает.  Отличие  от  рассмотренных 

выше случаев только в том, что охрупчивание и 

растрескивание  происходят  на  внутренней  по-

верхности  труб,  и  потому  сеть  трещин  очень 

трудно  наблюдать.  Сероводородная  коррозия 

(явление в данном случае имеет такое название) 

cases  considered  above  is  that  embrittlement  and 

cracking  occurs  on  the  inner  surface  of  the  pipe, 

and, therefore, the network of cracks is very difficult 

for observation. Hydrogen sulfide corrosion (such 

is the name of phenomenon in this case) does not 

essentially  differ  from  the  external  stress 

corrosion.

If the physical model is comprehended, then it is 

possible  to  offer  methods  of  control  of  such 

dangerous  phenomenon  as  stress  corrosion.  The 

methods  should  be  based  on  the  following 

requirements.

1)  Do  not  allow  the  appearance  of  hydrogen 

atoms  and  protons  on  the  metal  surface;  high­

quality and durable insulation should be provided 

for this purpose;

2)  If  they  are  there  already,  slow  down  their 

penetration into the metal. To achieve this, reduce 

the  stresses  to  the  level  lower  than  the  range  of 

stress corrosion;

3) If you can not reduce the load, you have to 

agree that after some time failure will occur. Hence, 

you must learn to determine the remaining service 

life of the pipeline in view of this phenomenon. For 

this,  you  must  develop  diagnostic  methods  and 

computation methods.

Some progress may be noted in the development 

of  insulating  materials.  It  was  found  that  some 

polymers  of  Asmol  type  have  chemical  bonding 

with  iron  and  form  an  additional  thin  protective 

layer  that  is  impervious  to  ions.  With  time,  this 

protective  layer  does  not  lose  its  strength,  if 

compared with classic insulating film, but becomes 

stronger due to its chemical nature.

Metallurgists  do  not  give  up  their  attempts  to 

develop such new steel qualities that would not lose 

their strength in hydrogen­containing environment. 

In other words, the new steels must have high limit 

of  stress  corrosion.  So  far,  no  notable  success  is 

achieved in this line, yet one proposal is interesting. 

It is proposed that the thin surface layer of the pipe 

wall be enriched with carbon (to bring it to the state 

of iron). This thin layer will act as a scavenger of 

hydrogen atoms (protons). 

We  hope  that  the  offered  physical  model  will 

help  not  only  to  understand  some  complex 

processes,  but  also  to  solve  the  problems 

successfully.

9

4 (102) • 2015

принципиально мало чем отличается от наруж-

ной стресс­коррозии.

Если физическая модель понятна, то отсюда 

можно  предложить  и  методы  борьбы  с  таким 

грозным  явлением,  как  стресс­коррозия.  Они 

должны быть основаны на требованиях: 

1) не допускать появления атомов водорода и 

протонов  на  поверхности  металла;  для  этого 

следует  обеспечить  хорошую  и  долговечную 

изоляцию;

2) если уж они там появились, замедлить их 

проникновение в металл; для этого следует сни-

зить  напряжения  ниже  предела  стресс­корро-

зии;

3)  если  не  можем  снижать  нагрузки,  то  со-

гласиться с тем, что через какое­то время насту-

пит разрушение. Следовательно, надо научить-

ся определять остаточный ресурс трубопровода 

с учётом данного явления. Для этого необходи-

мо развивать методы диагностики и расчётные 

методы.

Можно отметить определенные успехи в раз-

работке изоляционных материалов. Оказалось, 

что некоторые полимеры типа Асмол обладают 

химической связью с железом и образуют тон-

кий дополнительный защитный слой, который 

не пропускает ионы. Со временем этот защит-

ный слой не ослабевает, как классические изо-

ляционные  пленки,  а  только  усиливается,  по­

скольку имеет химическую природу.

Металлурги не оставляют попыток разрабо-

тать такие новые марки сталей, которые бы не 

теряли прочность в водородосодержащей среде. 

Другими словами, новые марки сталей должны 

обладать  высоким  пределом  стресс­коррозии. 

Пока в этом направлении заметных успехов не 

достигнуто,  но  одно  предложение  интересно. 

Оно состоит в том, чтобы тонкий поверхност-

ный слой стенки трубы сильно обогатить угле-

родом (довести до состояния чугуна). Этот тон-

кий слой будет играть роль поглотителя атомов 

водорода (протонов). 

Есть надежда, что предложенная физическая 

модель  поможет  не  только  понять  некоторые 

сложные  процессы,  но  и  успешнее  решать  

проблемы.