Статья опубликована в Журнале "АНРАРНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ". Выпуск 3. 2016 год. ISSN 2313-8432

Авторы статьи:

ШУВАЛОВ Дмитрий Сергеевич, ООО «Промпроект», Санкт- Петербург

 ШКРАБАК Владимир Степанович, «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

ОРЛОВ Павел Сергеевич, «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

ШКРАБАК Роман Владимирович, «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

 В статье приведены результаты исследований по проблемам безопасности при использовании подземного трубопроводного транспорта и его аварийности с учетом того, что основными причинами указанных обстоятельств в практике эксплуатации магистральных трубопроводов являются стресс-коррозия и межкристаллитная коррозия металла сварного шва и околошовной зоны.

Необходимость использования трубопроводного подземного транспорта для транспортирования различных веществ в жидком (полужидком) и газообразном состоянии диктуется технико-экономическими, экологическими, противопожарными и трудоохранными параметрами. Причем параметры трудоохранного характера Конституцией РФ считаются наиглавнейшими.

Применительно к подземному водопроводному транспорту названным проблемам уделено внимание в ряде работ, в том числе и в [2]. Связано это с большой протяженностью трубопроводного транспорта, а также авариями на них и гибелью людей. Так, протяженность только для магистральных трубопроводов нефти и нефтепродуктов в России составляла по состоянию на 2012 г. около 251 тыс. км, где ежегодно происходят десятки крупных аварий. За период с 2001 по 2013 г. эта динамика выглядела следующим образом: в 2001 г. произошло 52 аварии, в которых погибло 8 чел., в 2002 г. (в числителе число аварий, а в знаменателе число погибших): 43/9, в 2003 г. – 53/5, в 2004 г. – 47/6, в 2005 г. – 45/4, в 2006 г. – 40/7, в 2007 г. – 30/7, в 2008 г. – 25/2, в 2009 г. – 28/1, в 2010 г. – 13/3, в 2011 г. – 17/3, в 2012 г. – 21/1. В значительном числе случаев аварии и травмы, так или иначе, связывают с человеческим фактором, не учитывая динамику первоначальных прочностных свойств металла, из которого изготовлены трубопроводы. Эта динамика не всегда очевидно входит в число определяющих опасных факторов.

По данным Ростехнадзора, в стране осредненно около 41 % аварий происходит по причине коррозионного влияния и 19% по причине низ- кого качества строительно-монтажных работ. Иными словами, в качестве первой причины вы- ступает стресс-коррозия, а в качестве второй – межкристаллитная коррозия металла сварного шва и околошовной зоны.

Оба перечисленных вида коррозионных процессов – следствие навоодороживания стали атомарным водородом под действием внешних механических напряжений в металле трубопроводов. Первый – чисто механическое разрушение по малоугловым межблочным и межфрагментарным полостям с дальнейшим развитием транскристаллитного растрескивания под действием внешних растягивающих нагрузок; второй- по большеугловым полостям по этим же причинам с участием электрохимических коррозионных процессов.

От стресс-коррозии и межкристаллитной коррозии разрушаются не только газопроводы больших диаметров, но и нефтепроводы и стальные трубопроводы теплотрасс и холодной воды. Но все эти аварии сравнительно «тихие» и незаметные и сравнительно быстро локализуемые. Разрыв стенки газопровода, транспортирующего природный газ под давлением 60 атм, приводит к тому, что сжатый под высоким давлением газ совершает работу по разрушению трубопровода, чаще всего с воспламенением газа.

Совершенствование теории кристаллизации вещества привело к введению понятия пространственного компонента в понятие агрегатного состояния вещества, представляющего собой способ распределения элементов вещества в окружающем пространстве и внутри реальных тел. Из определения вытекает: любое физическое тело (в том числе любое его агрегатное состояние) включает в себя два необходимых внутренних компонента, вещественный и пространственный, локализованные в окружающем нас пространстве, описываются субстанциальным и реляционным способами [1].

Открытие связи пространства и материи принадлежит В.И. Вернадскому. Одним из первых использовал связь вещества и пространства Е.С. Федоров при описании кристаллическихрешеток. Академик Н.С. Курнаков затрагивал проблемы вещества и пространства в химических соединениях. Он показал, что имеется связь химического процесса со свойствами пространства. Я.И. Френкель одним из первых обнаружил одну из форм внутренних элементов пространства в твердых металлах в виде вакансий и увязал строение вакансий с вакуумом. Работы двух основателей точечных дефектов В. Шоттки и Я.И. Френкеля позволяют считать вакансии элементами пространства, находящимися в равновесии с кристаллической решеткой вещества. Подобных взглядов придерживаются Б.Я. Пинес и Я.Е. Гегузин, рассматривающие вакансии в кристаллической решетки как равновесный компонент, обладающий объемом и не имеющим массы. Принимая этот подход, получаем: в твердом агрегатном состоянии вещество в виде материи непрерывно, а пространство (вакуум) в виде вакансий – дискретно.

Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости и уравнение Бернулли распространяют этот вывод на жидкое агрегатное состояние вещества, а уравнение Менделеева–Клайперона (совместно с уравнениями Бернулли и непрерывности) на газы и на плазму, хотя это не так очевидно, как в твердом теле, в котором дефекты решетки значительно легче заметить. Кавитация позволяет физически увидеть и непрерывность и дискретность жидкости, находящейся в движении и влияние кавитации на твердое тело. Непрерывны и неразрывны электрическое поле статического заряда и постоянное магнитное поле.

Непрерывны переменные электрическое и магнитное поля, а также электромагнитное поле постоянного по величине значения, хотя последнее имеет двойственную корпускулярно (квантовую) – волновую (электромагнитную) структуру. Но дискретна и сама кристаллическая решетка непрерывного твердого тела и неразрывной жидкости. Дискретны и их связи, обеспечивающие их неразрывность, жесткость и прочность.

Современная теория металлов, учитывая наличие межкристаллитных (большеугловых) и межблочных и межфрагментарных (малоугловых) полостей в металле, не видит их серьезного влияния на резкое снижение прочностных свойств металлов и сплавов, связывая это только с влиянием точечных (вакансии) и линейных (дислокации) дефектов структуры, что абсолют- но справедливо только для «усов». Авторы, полагая, что наибольшее влияние на снижение прочностных характеристик металлов имеют именно объемные дефекты структуры (так как связи между элементарными объемами металла и монолитами объемов фрагментов и блоков становятся не «плоскостными» – по плоскостям взаимодействия, а только линейными и точечными), выдвинули гипотезу, что проникновение атомарного водорода в сталь осуществляется по межкристаллитным, межблочным и межфрагментарным объемам (в которых сохраняется глубокий вакуум), входные сечения в которые соизмеримы с эффективным сечением атома водорода.

Облегчают эту процедуру растягивающие внешние механические нагрузки. Предложенная автором работы [6] физическая модель проникновения водорода в сталь при климатических температурах учитывает строение реальных металлов, состоящих из отдельных кристаллов, значительно отличающихся друг от друга как своими размерами – от 100 до 1000000 [нм], так и по-разному ориентированных в пространстве.

Каждый кристалл состоит из разноориентированных фрагментов, состоящих, в свою очередь, из блоков с линейными размерами менее 10 [мкм]. В результате в металле появляются межкристаллитные, межфрагментарные и межблочные пустоты, объемы которых на 4–8 порядков меньше объемов окружающих их кристаллов. Пустоты представляют собой в общем случае тонкий клин, утопленный острием в металл. Протяженность пустот значительно превышает наибольший из размеров кристаллов, а входное поперечное сечение элементарного пространства (основание клина) в первом приближении имеет очертания прямоугольника (bd) [нм2 ], расположенного на поверхности металла, ширина которого d << b [нм] соизмерима с диаметром атома водорода, равного (0,05 ...0,09) [нм] [4].

Границы между отдельными зернами (кристаллами) в металле – большеугловые, достигающие десятков градусов, а между субзернами (фрагментами и блоками) –малоугловые, составляющие менее одного углового градуса. Так как входные сечения в микрообъемы соизмеримы с параметрами кристаллической решетки, в межкристаллитных, межблочных и межфрагментарных полостях сохраняется глубокий вакуум. Атомарный водород буквально «заколачивается» атмосферным давлением в межкристаллитные, межблочные и межфрагментарные полости.

Предложенная модель транспорта водорода в металл позволяет объяснить явление понижения электродного потенциала наводороженной стали: так как водород воздействует на стенки микрополостей, создавая высокое давление на них из условий нагружения, то и стенки микрообъемов оказывают точно такое же давление на атомы водорода, находящегося в микрополостях под давлением, превышающим атмосферное на несколько порядков, что создает условия (при контакте с водным электролитом) для функционирования концентра-ционного гальванического элемента дифференциальной наводороженности, расходным материалом которого служит водород, находящийся в микрополостях.

 На наводороженной (анодной) поверхности идет реакция окисления атомарного водорода НАДС с образованием электрона е и протона Н+ .Термодинамическая возможность функционирования подобного электрохимического процесса и величина электродвижущей силы jК [В], создаваемая этим концентрационным гальваническим элементом дифференциальной наводороженности, определяется уравнением Нернста, и пропорциональна логарифму отношения давлений водорода на слабо наводороженной наружной поверхности металла РА и в сильно наводороженных межкристаллитных, межфрагментарных или межблочных объемах РС (в стали): jК = 0,0592 [lg (РА/РС)].

Это физическое явление, подтверждающее адекватность предложенной модели проникновения водорода в сталь, позволило авторам разработать методики идентификации стресс- коррозионной и межкристаллитной коррозии наружных поверхностей подземных и подводных трубопроводов» [7, 8], разрешающие возможности которых на 1–2 порядка выше всех применяющихся в настоящее время внутритрубных методов идентификации коррозионных процессов. Современные кристаллография и материаловедение совершенно не объясняют причины высокой прочности кристаллов.

В соответствии с современными взглядами атомы (и ионы) в узлах кристаллической решетки связаны между собой прочными межатомными связями, но если внимательно рассмотреть модели предлагаемых систем (сингоний) кристаллических решеток, то становится очевидным, что подавляющее их число не может самостоятельно сохранять свою форму, так как их пространствен- ный каркас, в большинстве случаев, не имеет элементов жесткости, которыми в механике являются диагональные связи плоских и пространственных рам.

Простейшей кристаллической решеткой, предлагаемой кристаллографией, является кубическая решетка галитакаменной соли NaCl, представленной ионной решеткой, в которой ионы натрия Na+ и хлора Cl– попеременно располагаются в углах кубов, из которых состоит массив галита. Если бы натрий и хлор были многовалентными элементами, то можно было бы предположить, что межатомные связи следует полагать «вмороженными» в узлы кристаллической решетки, что их взаимное пространственное положение определяется ограничениями, накладываемыми взаимным расположением валентных электронов на орбитах атомов. Но и натрий и хлор одновалентны и связи в этой кристаллической решетке осуществляются путем последовательного «опроса» в пространстве валентным электроном своих соседей, расположенных в узлах кристаллической решетки. И если связи между узлами решетки ограничиваются только ближним (ближайшим) порядком – по ребрам куба, то подобная кристаллическая решетка обязательно должна сложиться под собственным весом, так как в принципе не может сохранить свою форму (как любая жидкость, принимающая под действием силы тяжести форму сосуда, в который она помещена). Но каменная соль твердый и прочный материал и не рассыпается, словно дробь, и не образует пирамиду как гантели, на горизонтальной поверхности.

Аналогичная картина наблюдается при рассмотрении объемно центрированной кубической кристаллической решетки a-железа, соответствующей строению большинства конструкционных сталей. Подобная решетка состоит из 6 полуоктаэдров, имеющих одну общую вершину А (расположенную в центре куба). Квадратные основания полуоктаэдров – грани объемно центрированного куба также не представляют жесткую конструкцию при отсутствии диагоналей граней. Причины, по которой кристаллография не показывает диагональных связей, вполне понятны: все изображаемые связи решетки минимально достаточны, чтобы показать взаимное пространственное положение атомов в кристалле твердого тела.

Все связи кристаллография показывает только тогда, когда необходимо объяснить дырочную или электронную проводимость полупроводниковых материалов, или в том случае, когда их не показать просто невозможно (при описании строения цементита с октаэдрической упаковкой атомов показаны все связи, но в модели призматического варианта строения структуры цементита связи по граням призм современная кристаллография не показывает).

Не могут современные кристаллография и материаловедение объяснить, почему сталь, состоящая более чем на 90 % из a-Fe с ее объемно центрированной кубической решеткой, также представляемой кристаллографией без диагональных связей по граням куба (без которых вещество не может сохранить свою форму), значительно прочнее g-Fe (аустенита), имеющего диагонали по граням, обеспечивающие кристаллической решетке необходимую жесткость.

В процессе разработки модели межатомных связей в твердом теле на примере водорода предложена уточненная модель строения кристаллической решетки [9], учитывающая наличие коротких и длинных диагональных связей, проходящих по граням и между наиболее удаленными вершинами элементарного куба (для кристаллической кубической решетки водорода [5], щелочных металлов [3], галита). Короткие связи по ребрам куба определяют прочность кристалла на сжатие. Это самые короткие связи, которые не могут укорачиваться.

Наличие коротких диагоналей свидетельствует о том, что газообразное вещество превратилось в жидкость. Длинные диагональные связи свидетельствуют о том, что жидкость превратилась в твердое тело. Длинные диагонали самые прочные и именно они способствуют фазовому переходу, так как вследствие периодичности опросов связей длинная диагональ сильно искажает кристаллическую решетку. А так как в любой из моментов времени часть атомов кристаллической решетки не связана между собой связями, то в результате температурных колебаний, наложенных на искажения геометрии решетки, атомы успевают «убежать» на расстояние, превышающее длину связей, в результате чего происходит фазовый переход.

Одновременно осуществлять опрос связей с соседними атома- ми в элементарном кубике, не мешая друг другу, могут только при условии синхронизации опроса связей. Если синхронизация опроса связей по одной из осей измерения по каким-то причинам нарушается, то строго синхронизированный массив элементарных кристаллических ячеек обособляется в блок или фрагмент. Наличие хотя бы малоугловых границ между частями одного кристалла является причиной нарушения синхронизации опроса связей и образования блоков и фрагментов. Наличие большеугловых границ между кристаллами свидетельствует о сильном нарушении синхронизации опроса связей, что в итоге ведет к значительному снижению прочностных характеристик металлов по сравнению с прочностными характеристиками кристаллов.

Выделение «активных» атомов вовсе не означает, что наложен какой-либо запрет остальным атомам на опрос связей со своими соседями. Просто опрос в этот момент времени происходит преимущественно в других плоскостях, чтобы не нарушить синхронизацию опроса связей блока или фрагмента. Предложенная модель строения кристаллической решетки твердого тела дает объяснение более высокой прочности феррита по сравнению с g-Fe (аустенитом), решетка которого кроме коротких связей между центральным атомом грани куба с вершиной грани куба, имеет «диагональные» связи по ребрам куба.

В подобной системе есть и длинные диагональные связи между наиболее удаленными вершинами куба. Учет изложенных положений позволяет обеспечить более высокие прочностные свойства металла, из которого делают магистральные трубы для транспортировки нефтепродуктов, газа, горячей и холодной воды и других компонентов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 1. Голдобина Л.А., Шкрабак В.С., Орлов П.С. Предупреждение аварий и катастроф на катодно-защищенных подземных трубопроводах бесконтактными методами идентификации коррозионного разруше-ния (Теория и практика)– СПБ.; Ярославль, 2012. – 204 с.

 2. Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. – Владимир, 2000. – 250 с. 3. Гусев В.П., Орлов П.С., Земсков А.А. Расчет температур фазовых переходов лития, калия, рубидия и цезия // Фундаментальные и прикладные проблемы науки // материалы VIII Междунар. симпозиума. – М.: РАН, 2013. – Т. 1.– С. 92–102.

4. Краткий справочник физико-химических вели- чин / под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя. – Л: Химия, 1967. – 184 с.

5. Модели конденсированных фаз водорода / Л.А. Голдобина [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы науки // материалы Х Междунар. симпозиума, посвящ. 70-летию Победы. – М.: РАН, 2015. – Т. 2. – С. 21–36.

6. Орлов П.С. Механизм проникновения водорода в стенку стальной трубы. – М.: ВНИИГАЗ, 1996. – С. 164–173.

 7. Орлов П.С. Уточненная модель кристаллической решетки твердого тела // Механика и процессы управления: Труды ХХХIХ Уральского семинара. – Екатеринбург: УРО РАН, 2004. – Т. 1. – С 137–144.

8. Способ определения стойкости металла подземных трубопроводов к стресс-коррозии / П.С. Орлов, Л.А. Голдобина, В.П. Гусев. Г.Ф. Мокшанцев, В.В. Шкрабак, В.С. Шкрабак, Р.В, Шкрабак // Патент РФ № 2222000 от 20.01.2004. G01N27/26. Бюл. № 7. Опубл. 10.03.2008.

 9. Способ определения межкристаллитной кор-розии и коррозионных повреждений наружных поверхностей подземных и подводных трубопроводов / Л.А. Голдобина, П.С. Орлов, Е.С. Попова // Патент РФ № 2457465 G01N 17/02. Бюл. № 21, Опубл. 27.07.2012.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Шкрабак Владимир Степанович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Россия. 196601, г. Санкт-Петербург – Пушкин, Санкт-Петербургское шоссе, 2. Тел: (812)-451-76-18.

Орлов Павел Сергеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Электрификация», Ярославская государственная сельскохозяйственная академия. Россия. 150042, г. Ярославль, Тутаевское шоссе, 58. Тел.: 89159774697.

Шкрабак Роман Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Профессиональная аттестация и внедрение инноваций», Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Россия.

Шувалов Дмитрий Сергеевич, инженер, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Россия. 196601, г. Санкт-Петербург – Пушкин, Санкт-Петербургское шоссе, 2. Тел: (812)-451-76-18.