Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование методов обеспечения безопасности магистральных нефтегазопроводов

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов обеспечения безопасности магистральных нефтегазопроводов"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Валекжанин Дмитрий Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г г авг 2013

Уфа 2013

005532203

005532203

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

- Гумеров Кабир Мухаметович,

доктор технических наук, профессор

- Идрисов Роберт Хабибович,

доктор технических наук, профессор, ГУП «ИПТЭР», зав. отделом «Безопасность эксплуатации трубопроводных систем»

- Мугаллимов Фанзиль Мавлявиевич,

доктор технических наук, доцент, Общество с ограниченной ответственностью «Научно-техническая фирма «ВОСТОКнефтегаз>; генеральный директор

- Общество с ограниченной ответственностью «Центр исследований экстремальных ситуаций»

Защита состоится

1 б00 часов

29 августа 2013 г. в на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсош по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 29 июля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

~ Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Благодаря функционированию системы экспертизы промышленной безопасности, усилению контроля технического состояния, внедрению современных методов диагностики в последние годы количество аварий на магистральных нефтегазопроводах неуклонно уменьшалось и достигло некоторого предела. Дальше снизить аварийность традиционными методами (диагностика и ремонт) не удается.

До настоящего времени в официальных докладах об аварийности в нефтегазовой отрасли приводилась классификация отказов по внешним признакам: несоответствие проекту, металлургический дефект, заводской дефект, строительный брак, коррозия, механическое повреждение, дефект сварки. Такая классификация в лучшем случае пригодна для статистики, но для дальнейшего снижения аварийности практически непригодна, поскольку не раскрывает истинную природу явлений и механизмы разрушений. Поэтому год от года происходят аварии на разных трубопроводах по одним и тем же причинам. Примером тому является стресс-коррозия, которая наблюдается на трубопроводах уже более полувека, а защита до сих пор не создана из-за недостаточной изученности механизмов явления.

Таким образом, дальнейшему снижению аварийности препятствуют, как минимум, два фактора:

1) недостаточная изученность некоторых важных физических явлений, сопутствующих развитию разрушений и используемых в основе методов контроля и диагностики;

2) недостаточное использование организационного и человеческого потенциала на уровне экспертов и научных кадров, особенно при исследовании малоизученных явлений и совершенствовании нормативной базы.

В настоящее время большое место уделяется методам внутритрубной диагностики (ВТД), однако роль ее часто преувеличивают, забывая, что этот метод не универсален. Остаются без, внимания некоторые важные показатели, такие как изменения напряженно-деформированного состояния трубопроводов и старение металлов труб при длительной эксплуатации. Наряду с дефектами, которые контролируются средствами ВТД, эти показатели являются определяющими в формировании прочности, ресурса, безопасности трубопроводов. Несмотря на несомненные успехи в разработке средств контроля, именно эти показатели пока не подаются надёжному контролю.

Главная причина этого - недостаточная изученность процессов, происходящих в трубопроводе при старении, и некоторых явлений, заложенных в основу работы приборов.

Влияние человека на безопасность системы обычно изучается с целью минимизации значения человеческого фактора. При этом пользуются традиционными методами: отбором персонала по состоянию здоровья и психологическим показателям, обучением, тренировками, аттестациями. Это даёт положительные результаты, но, как выяснилось, только до определённою уровня. Как показывает анализ, человеческий фактор главным образом изучался на уровне исполнителей (операторов, машинистов, диспетчеров) и практически не изучался на уровне руководителей, экспертов, научных кадров, разработчиков нормативных документов. Совершенно очевидно, что проявление человеческого фактора на нижнем уровне носит локальный характер (связан только с этим конкретным человеком и его рабочим местом), а на более высоком уровне - систематический характер. Если в инструкции из-за недостаточной изученности вопроса будут указаны неправильные методы борьбы с опасным явлением, то это явление будет происходить на всех трубопроводах, во всех регионах, независимо от исполнителей низшего звена (например стресс-коррозия). И это будет происходить, пока не будут установлены истинные механизмы явления и не определены методы борьбы.

Таким образом, система обеспечения безопасности объектов нефтегазового комплекса требует существенных изменений на базе планомерного изучения, новых и малоизученных явлений, сопутствующих отказам и разрушениям, а также совершенствования системы экспертизы промышленной безопасности за счёт более широкого привлечения экспертов с опытом ведения научных исследований и учёных отраслевых институтов.

Исходя из этого, были сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Цель работы - совершенствование системы обеспечения безопасности магистральных нефтегазопроводов планомерными исследованиями новых и малоизученных явлений и использованием результатов на практике.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Анализ проблемы аварийности магистральных нефтегазопроводов и исследование малоизученных факторов, ограничивающих безопасность при их длительной эксплуатации;

2. Исследование зависимости физических свойств металла труб при длительной эксплуатации трубопроводов и разработка новых методов не-разрушающего контроля динамики старения неразрушающими физическими методами;

3. Исследование реакции напряжённого металла труб на внешние воздействия и совершенствование методов контроля напряжений на действующем трубопроводе;

4. Анализ эффективности использования организационно-человеческого потенциала в обеспечении безопасности магистральных трубопроводов и разработка предложений по совершенствованию системы экспертизы промышленной безопасности при анализе аварийных ситуаций.

Методы решения поставленных задач

При разработке основных положений диссертационной работы использовались традиционные методы: анализ состояния аварийности по разным источникам, собственные расследования аварий, физические эксперименты, математическое моделирование, положения механики разрушения, теорий упругости и пластичности, численные методы.

Основой для решения данных задач явились работы ведущих ученых: P.M. Аскарова, Х.А. Азметова, В.А. Винокурова, А.Г. Гареева, А.Г. Гумеро-ва, K.M. Гумерова, В.В. Ерофеева, P.C. Зайнуллина, H.JI. Зайцева, AT: Игнатьева, П.В. Климова, В.И. Михайлова, Е.М. Морозова, Ф.М. Мустафина, Ю.И. Пашкова, М.В. Шахматова, О.И. Стеклова, K.M. Ямалеева и других.

Научная новюна результатов работы

1. Выполнен анализ источников погрешности при оценке остаточного ресурса металла труб по результатам сравнения механических свойств до и после эксплуатации. Основные источники погрешности: разброс свойств металла труб в пределах партий и марок сталей, отсутствие базы данных с исходными свойствами, несовершенность способов восстановления металла в исходное состояние.

2. Найден режим восстановления металла до уровня, соответствующего исходному состоянию трубы. Для этого требуется образец, вырезанный из трубопровода, подвергнуть двум операциям: 1) восстановительному отжигу по режиму: нагрев до 500 °С, выдержка 1,5 ч, охлаждение с печью (после этого металл переходит в состояние листа после прокатки); 2) правке на прессе и деформированию растяжением на величину е = 0,012 (после этого металл переходит в исходное состояние трубы).

3. Установлена практически однозначная корреляция между коэрцитивной силой и состоянием металла в разные моменты жизненного цикла: состояние листа после прокатки, состояние поставки труб и монтажа трубопровода, длительная эксплуатация до уровня деформаций 5%. Отсюда предложен метод оценки остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов, основанный на измерении коэрцитивной силы.

4. Проанализированы основные из существующих методов контроля напряженного состояния и взаимосвязь физических явлений, использованных на их основе. Показано, что наиболее достоверные методы измерений напряжений основаны на акустических и механических воздействиях. Установлено, что эти методы обладают наибольшей точностью за счёт того, что исключается влияние побочных факторов и явлений типа магнитного и электромагнитного полей, а используется однозначная связь между механическими воздействиями и механическими напряжениями.

5. Наиболее совершенный метод механического воздействия на металл - вдавливание твердого шарика, диаметром 2...5 мм на глубину до 0,1 мм; наиболее совершенный метод регистрации отклика - измерение перемещений и деформаций в зоне отпечатка с помощью голографической интерферограммы поверхности. Численным методом решена контактная задача о внедрении твердого шарика в ограниченное тело конечной толщины с учётом упругопластических деформаций и начальных (исходных) напряжений. Установлены основные закономерности, позволяющие повысить точность расшифровки интерферограммы.

На защиту выносятся:

1. Классификации аварийности по признакам: неизученное явление, несовершенство средств контроля, недостаток диагностической информации, методические недостатки научно-технической документации, организационные упущения, ошибка человека; с раскрытием их сути и формированием специальной базы данных. Такая база является лучшей экспериментальной основой для совершенствования нормативной базы и развития системы безопасности в отрасли;

2. Результаты исследований, позволившие найти взаимосвязь деформационного старения металла труб с изменением коэрцитивной силы, тем самым создать методическую базу для неразрушающего контроля свойств металла при длительной эксплуатации;

3. Анализ магнитных методов контроля напряженного состояния трубопроводов, который позволил сделать заключение, что они регистрируют

интегральный показатель, одновременно зависящий от ряда факторов: свойств металла, его структурных особенностей, состояния дефектности, напряжённого состояния. На действующих трубопроводах разделить вклад каждого из них - малоэффективная задача. Поэтому магнитные методы следует рассматривать только в режиме поиска аномальных зон с целью последующего детального обследования другими методами.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Проанализированы факторы и явления, оказывающие влияние на безопасность системы магистральных трубопроводов. Их можно разделить на две группы: известные и малоизученные. Установлено, что с увеличением срока эксплуатации количество малоизученных факторов и явлений растёт, проявляются ранее неизвестные, не отражённые в действующей нормативной базе отрасли. Безопасность трубопроводов в основном определяется наличием второй группы явлений.

2. Результаты исследований взаимного влияния механических свойств с физическими полями позволяют совершенствовать технологию и технику диагностирования трубопроводов в двух направлениях: неразрушающий контроль динамики старения металла труб при длительной эксплуатации и контроль напряженно-деформированного состояния, включая остаточные напряжения после выполнения технологических операций (сварка, монтаж, ремонт).

■ 3. Предложены и обоснованы направления повышения эффективности системы экспертизы при изучении аварийных ситуаций, позволяющие снизить отрицательную роль ряда малоизученных явлений при проектировании и эксплуатации трубопроводов и оборудования, более динамично совершенствовать нормативную базу отрасли, в итоге существенно снизить вероятность аварий по повторяющимся причинам и механизмам.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на:

• Международных научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2011,2012, 2013 гг.);

• Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2011,2012 гг.);

• 63-ей научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных УГНТУ (Уфа, 2012 г.);

• Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (Уфа, 2011, 2012 гг.);

• Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2011, 2012 гг.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 19 научных трудах, в том числе в 5 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 148 наименований. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 14 рисунков, 15 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе приводятся анализ состояния аварийности магистральных нефтегазопроводов, причины и механизмы разрушений, нерешённые проблемы для дальнейшего повышения безопасности.

Расследования аварийных ситуаций показывают, что существует очень большое количество разнообразных факторов и явлений, оказывающих влияние на работоспособность, надёжность и безопасность. Все явления, оказывающие в той или иной мере влияние на безопасность объектов, можно разделить на две большие группы:

• известные явления, которые в достаточной степени изучены, изложены в научной литературе и нашли отражение в нормативной базе отрасли;

• скрытые и малоизученные явления, природа, механизмы и закономерности которых в настоящее время изучены недостаточно, вызывают споры среди специалистов и учёных, поэтому не нашли достаточного отражения в нормативной базе.

Ко второй группе явлений следует отнести, например, стресс-коррозию магистральных газопроводов, старение металла всех трубопроводов при длительной эксплуатации, взаимное влияние физических полей, напряженно-деформированного состояния и свойств металла, некоторые виды

коррозии. Поиск эффективных методов контроля и торможения процессов, направленных на понижение прочности и ресурса, внесение соответствующих поправок в нормативные документы - целиком зависят от изучения этих явлений. Эту работу следует начинать с анализа состояния аварийности системы магистральных газонефтепроводов (МГ).

Обычно аварийность выражают в виде круговых диаграмм со следующего вида содержанием (на примере МГ за 2011 г.):

стресс-коррозия- 36%; наружная коррозия - 6 %;

строительные дефекты — 20 %; стихийные бедствия - 6 %;

прочие — 6 %.

Такие диаграммы, на наш взгляд, полезны для статистики, но не для изучения новых и малоизученных явлений, которые систематически приводят к разрушениям. Такие сведения содержатся (или должны содержаться) в заключениях по результатам расследований аварий. Но эти заключения, как правило, недоступны для широкого круга специалистов и научных сотрудников, которые могли бы их обобщить, проанализировать и использовать в новых разработках (приборов, нормативных документов). Поэтому, было бы полезно общие данные об авариях дополнить более конкретными сведениями, выражающими глубинные процессы и их взаимосвязь в соответствии со следующей схемой (рисунок 1).

заводские дефекты - 13 %; механические дефекты -11%;

внутренняя коррозия - 1 %; нарушения ПТЭ - 1 %;

Проблє организЕ рабо

Ошибка человека

ка )

Рисунок 1 - Влияние факторов на безопасность объектов

Анализ показывает, что по мере перехода малоизученных явлений в группу изученных объём накопленных знаний растёт для каждого этапа жизненного цикла оборудования по отдельности и в целом для отрасли. Этот объём знаний постепенно переходит из научных трудов в нормативные документы: стандарты, нормы проектирования, правила эксплуатации, руководящие документы, инструкции, методики. Этими знаниями должен владеть персонал. Схематично этот процесс показан на рисунке 2.

.ирсмЯ

Рисунок 2 - Рост объёма научной информации, которая должна

быть отражена в соответствующих нормативных документах

Процесс расширения информации особенно заметен при применении новых материалов, техники, технологий, новых приборов контроля.

В главе рассмотрены роль статистических методов при анализе аварийности трубопроводов, достоверность оценок. Отмечается важная роль экспертов, привлечённых к расследованию аварийных ситуаций, владеющих опытом научных исследований. Предлагается создать базу данных по результатам расследования аварийных ситуаций, которая будет иметь такое же значение, как и натурные эксперименты, и способствовать развитию системы безопасности.

Вторая глава посвящена анализу состояния металла труб при длительной эксплуатации. Рассмотрены следующие важные вопросы: Насколько существенны и важны изменения свойств металла в трубопроводах? Как

Время

Демонтаж, восстановление, V повторное использование

происходят изменения? Какими параметрами характеризуется предельное состояние металла? Как оценивать остаточный ресурс металла?

Очевидно, что любые изменения на объектах повышенной опасности надо фиксировать и изучать. Но есть мнение некоторого числа специалистов, которые утверждают, что на трубопроводах изменения металла отсутствуют или незначительны, несущественны, так как до сих пор аварии по этой причине не были зафиксированы.

И действительно, в отчётах по аварийности нет такого сектора, который бы назывался «старение металла» или «деградация механических свойств». Это объясняется просто: все разрушения происходят по нескольким причинам одновременно. Без наличия дефектов или без появления перенапряжений разрушения никогда не происходит. Поэтому в качестве причины аварии отмечается дефект (заводской, строительный, механический).

Но это не должно умалять роли старения металла. Если металл получил признаки старения, то у него снизился запас пластичности, уменьшилась ударная вязкость. Следовательно, запасов надежности, заложенных при проектировании трубопровода, не хватит для сопротивления разрушению при нештатных ситуациях (при появлении дефекта и концентрации напряжений), разрыв наступит при меньших нагрузках и распространится на большие расстояния. Поэтому старение металла является малозаметным, но важным показателем надежности и безопасности.

Существуют различные механизмы, приводящие к ухудшению механических свойств металла труб. Основные из них на магистральных трубопроводах: деформационное старение, связанное с взаимодействием дислокационной структуры с примесными атомами в кристаллической структуре, и стресс-коррозионные процессы, связанные с наводороживанием, накоплением газов в межзёренных зонах и повышением внутренних напряжений. На рисунке 3 показано изменение механических свойств стали 17ГС только за счёт деформационного старения (£ - накопленная пластическая деформация).

Остаточный ресурс - срок, в течение которого хотя бы один из показателей металла достигает установленного нормами предельного значения. На магистральных нефтегазопроводах таким показателем является ударная вязкость. При этом одновременно падает запас пластичности (относительное удлинение при испытании растяжением 5).

Зависимости на рисунке 3 получены следующим образом. Из трубы вырезали серию образцов для механических испытаний. После правки их

подвергали последовательному ступенчатому деформированию так, что прирост пластической деформации Ае на каждой ступени деформирования составлял примерно 0,5 %. После каждой ступени деформирования заготовки подвергали искусственному старению по режиму: нагрев до температуры 250°С, выдержка в течение 1 часа, охлаждение с печью. Деформирование с последующим искусственным старением проводили для имитации процесса естественного деформационного старения металла труб в процессе их длительной эксплуатации. После этого образцы испытывали на растяжение и ударный изгиб.

Рисунок 3 - Динамика изменения механических свойств металла труб с ростом пластических деформаций (марка стали 17ГС)

Остаточный ресурс металла Тост предлагается определять по формуле, выражающую линейную связь:

Тост=(Аекр-ТЭ)/еЭ, (1)

где Тэ - время эксплуатации до момента последнего обследования;

е3 — накопленная за время эксплуатации пластическая деформация;

Л£Кр - критический прирост пластической деформации, при котором достигается предельное состояние по ударной вязкости металла.

Определение значений еэ и Декр основано на изучении взаимосвязи этих параметров с коэрцитивной силой металла Нс. Как показали исследования, при термообработке металла коэрцитивная сила возвращается в исходное состояние, и при последующем деформировании опять повышается по некоторой постоянной для данного металла кривой. Зная эту кривую и измеряя коэрцитивную силу при обследовании трубопроводов, можно оценить остаточный запас пластических деформаций Лекр и соответствующее время Тост.

Например, для стали 17ГС получена следующая зависимость:

б = 2,121 -Нс -9,316. (2)

Данная методика для металла магистрального газопровода «Бухара-Урал», построенного в 1963 году, приводит к суммарному сроку эксплуатации 70 лет (остаточный ресурс металла 20 лет).

Экспериментальным путём установлены режимы термомеханической обработки образцов, позволяющие вернуть металл в состояние листа после прокатки и состояние трубы после экспандирования. Это позволяет избежать проблем, связанных с разбросом исходных свойств металла перед началом эксплуатации трубопровода, и добиться большей точности в оценке ресурса.

Третья глава посвящена обзору методов контроля механических напряжений применительно к действующим трубопроводам, анализу основных принципов контроля, положительных и отрицательных особенностей.

Для контроля напряженного состояния трубопроводов, их узлов и элементов могут применяться следующие методы: акустический, рентгенографический, метод тензометрии, метод струн (на основе струнных датчиков деформаций), метод фотоупругости (поляризационно-оптический), метод муаровых полос, метод хрупких покрытий, метод коэрцитивной силы, метод амплитудно-фазочастотных характеристик, магнитные методы. Анализ показал, что все методы контроля являются косвенными. Процесс изме-

рений состоит из трёх основных этапов: а) воздействие на объект контроля каким-либо способом: механически, акустически, магнитным полем и т.д.; б) регистрация реакции объекта контроля на это воздействие; в) обработка полученного сигнала (отклика) с целью выделения полезной информации (о напряжениях). Методы контроля различаются методом воздействия, видом регистрируемого отклика и способом выделения полезного сигнала.

Наиболее достоверные методы измерений напряжений основаны на акустических и механических воздействиях. В этих методах влияние воздействия на измеряемую величину (напряжение) осуществляется без участия побочных факторов и явлений (магнитных, электрических и др.).

Метод коэрцитивной силы и метод амплитудно- и фазочастотных характеристик имеют одно общее свойство: они в той или иной мере используют магнитные свойства. Это приводит к тому, что получаемые результаты зависят не только от напряженного состояния в металле труб, но и от всех характеристик, от которых зависят магнитные свойства: от природы металла, его структурных особенностей, наличия микротрещин или других дефектов структуры. Причём, невозможно в регистрируемой информации чётко отделить количественно вклад напряжений от вклада других свойств металла. Поэтому результат получается смешанный, в виде некоторой интегральной характеристики.

Методы, использующие магнитные свойства, можно с успехом применять при контроле партии изделий, отличающихся только одним фактором, либо только напряжением, либо только свойством материалов. Если измерения проводить на действующем трубопроводе, который состоит из разных труб, находящихся в разных условиях, то по результатам измерений не удастся однозначно определить, какие в них существуют напряжения. Если выберем одну точку на трубопроводе и будем проводить измерения при разных давлениях, то заметим, что отклик будет однозначно зависеть от давления. Если те же измерения поведём в другой точке трубопровода, то получим другую зависимость, отличающуюся от первой.

Ситуация схожа с тем, когда требуется решить одно уравнение с тремя неизвестными (напряжение, свойство металла, уровень дефектности): однозначного решения не получим, решений будет бесконечное множество. Это является общим недостатком всех магнитных методов контроля, которых в настоящее время существует много разновидностей. Из них наиболее широкое применение нашли: магнитошумовой метод, метод магнитной памяти металла, метод магнитной локации.

Поскольку магнитное поле металла содержит разные сведения (о дефектах, напряжениях, структурных особенностях), то нет смысла рассматривать отдельно методы контроля напряжений от методов магнитной дефектоскопии (магнитопорошковый, магнитографический, индукционный, магнитополупроводникоЕый, магниторезистивный, пондеромоторный, феррозондовый, метод эффекта Холла и др.). Все эти методы совпадают в том, что инструментом воздействия на объект контроля является магнитное поле, и отличаются способами регистрации отклика на это воздействие.

Таким образом, на действующих трубопроводах магнитные методы в чистом виде пока не могут быть применены как методы измерения механических напряжений. Они позволяют найти аномальные зоны с точки зрения магнитных свойств, что также имеет практическую ценность.

В настоящее время магнитные методы интенсивно развиваются, накапливается практический опыт, разрабатываются новые идеи. Вместе с этим стало очевидным, что теория доменной структуры металлов не завершена; помимо магнитоупругости надо развивать теорию магнитопластики.

Четвёртая глава посвящена анализу механических методов контроля напряженно-деформированного состояния трубопроводов. Результаты анализа убеждают, что наиболее «чистые» методы измерения напряжений (без влияния побочных факторов, полей, явлений) надо искать в классе механических методов, так как измеряемый параметр (напряжение) является механической величиной. Это означает, что воздействие на объект контроля должно быть механическим, регистрация отклика на это воздействие может быть любой, если обеспечивает точность.

Среди механических методов контроля наиболее известны метод тензометрии и метод струн. В обоих случаях вместе с объектом контроля деформируется тензодатчик или струна. Регистрация деформации осуществляется измерением электрическою сопротивления тензодатчика или измерением собственной частоты колебаний натянутой струны. В обоих случаях с достаточно высокой точностью определяются изменения напряжений при изменении нагрузки, но исходные напряжения (к моменту установки датчиков) остаются неизвестными. Поэтому абсолютные значения напряжений на действующем трубопроводе этими методами определить невозможно.

Для измерений остаточных напряжений известны метод канавки или отверстия. Идея метода состоит в том, что если в напряженном металле проделать небольшую канавку или отверстие (несквозное), то в этой зоне появляются дополнительные деформации, которые пропорциональны оста-

точным напряжениям. Взаимосвязь деформационных перемещений и искомых напряжений определяют, решением соответствующей упругопластиче-ской задачи.

На магистральных нефтегазопроводах данный метод нельзя признать эффективным из-за нанесения повреждений, хотя они могут завариваться после измерений. Если уменьшать размеры наносимых повреждений до такой степени, когда они уже не представляют опасности для трубопровода, то данный метод может стать перспективным. Среди предлагаемых разных вариантов наиболее интересным представляется следующее решение: вместо сверления вдавливать твёрдый шарик, как при измерении твердости по Бринеллю; реакцию металла на такое воздействие измерять методом голо-графической интерферометрии. На рисунке 4 показаны интерференционные картины, образующиеся вокруг отпечатка в ненапряженном и напряженном металлах. Как видно из рисунка 4, интерференционные картины чувствительны к напряжениям в металле.

а) напряжения отсутствуют; б) напряжение сжатия Рисунок 4 - Голографические интерферограммы поверхности металла

Данное направление получило экспериментальное развитие в работах Игнатьева А.Г. Однако для расшифровки получаемых картин нужны были решения соответствующих упругопластических задач с учётом механических свойств металла, толщины стенки, размера шарика, вдавливающей силы или глубины вдавливания, а также разных вариантов действия напряжений. Такие решения нами получены методом конечных элементов. Схема

о = О

| а<0 |

в окрестности отпечатка

задачи и некоторые результаты решения показана на рисунках 5 и 6. Решением установлены закономерности распределения нормальных перемещений \у в зависимости от всех варьируемых параметров.

-4т

У ' в Л 0< щ

СТл-

0,02 , мм

Рисунок 5 — Расчётная схема задачи

Сх = -250 МПа =0

3 . мм

Рисунок 6 - Распределение нормальных перемещений вдоль осей симметрии х и у при вдавливании твердого шара в напряженную стальную пластину (радиус шара 5 мм; глубина отпечатка 0,1 мм; сталь 17ГС; толщина пластины 20 мм)

Решения показывают, что после получения отпечатка в зоне пластического наплыва деформационные перемещения \у(х) и зависят от исходных напряжений в металле. Имея набор таких решений, можно решать обратную задачу — определить напряжения по интерференционной картине, где полосы соответствуют точкам с одинаковым перемещением \у.

Анализ показал, что способы механического воздействия при измерении напряжений по эффективности следует расположить в ряд в следующем порядке: разрушающие воздействия, канавка, отверстие, индентор (сферический шарик); способы регистрации отклика металла на механические воздействия - в последовательности: тензодатчики, муаровая сетка, индукционные и электромагнитные датчики, фотоупругие и когерентно-оптические методы, топографическая интерферометрия.

Проведены сравнительные испытания метода голографической интерферометрии, тензометрии и магнитных методов. Испытания проведены на стенде из труб, вырезанных из действующих магистральных нефтепроводов. Некоторые участки труб содержали приварные муфты, которые усложняли напряженное состояние и создавали концентрацию напряжений. Марка стали одной из труб не была определена преднамеренно, чтобы узнать возможности приборов. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты измерения напряжений различными методами _ (сткц - кольцевые напряжения; стПР - продольные напряжения)

Размеры труб, мм Давление, МПа Напряжения, МПа -

Расчётные значения Тензометрия 0 Голограф, интерф. Магнитный ■ метод

720x10,3 17Г1С 0 0 <4=0 <4 = 0 акц= 175,0 <4 = 125>°

3,2 скц= 108,6 <4=53,5 акц= 108,0 <4=56,0 акц =112,0 <4=64,0 <4= 260,0 <4 =17б'°

5,2 сткц = 176,5 °пр=87,0 акц = 183,0 <4 = 97,0 акц =210,0 <4= 112>° акц= 295,0 <4= 215

530x6,5 Марка неизвестна 0 0 0 <4 = 0 <4=0 Не определились

4,5 скц = 179,0 <4=88,3 =175,0 <4=87'0 акц =165,0 <4=73'0

Испытания показали, что приборы, использующие магнитные свойства материалов, неустойчивы к некоторым побочным факторам: магнитным свойствам металлов и марке стали. Поэтому эти методы требуют тариро-вочных кривых для каждого материала. Погрешности измерений значительно выше, что не гарантирует получения верных результатов.

Метод голографической интерферометрии устойчив к влиянию факторов, не имеющих непосредственною отношения к напряжениям: магнитным свойствам, химическому составу, микроструктурным особенностям. Точность определения напряжений данным методом сопоставима с методом тензометрии и вполне удовлетворяет требованиям трубопроводного транспорта.

В пятой главе приводится анализ современного состояния Системы экспертизы промышленной безопасности и некоторые предложения по её совершенствованию. Отмечается важная роль Системы в обеспечении безопасности опасных объектов, в том числе магистральных нефтегазопроводов. Однако изложенные в предыдущих разделах результаты анализа и исследований, а также ряд рассмотренных в настоящей главе диссертации примеров показывают, что система подготовки и аттестации экспертов накопила определённый положительный и отрицательный опыт, но нуждается в дальнейшем совершенствовании. В системе экспертизы промышленной безопасности в последние годы наметилось повышение роли человеческого фактора, причём, отрицательной направленности. В связи с этим выдвинуто несколько важных предложений:

1). Целесообразно организовать полноценную подготовку экспертов с выдачей бессрочного удостоверения. Затем с периодичностью раз в 5 лет проводить курсы повышения квалификации (или переподготовки), на которых обязательно должны знакомиться:

- с изменениями в системе экспертизы безопасности;

- с типовыми ошибками при проведении экспертизы безопасности;

- с результатами расследования аварий в своей отрасли;

- с новыми результатами исследований новых и малоизученных явлений, не нашедших достаточного отражения в нормативной базе отрасли;

- с материалами прошедших за последние 5 лет конференций, семинаров по проблемам промышленной безопасности.

Все эти материалы должны содержаться в электронных базах, доступных для всех экспертов своей отрасли.

2). В настоящее время аттестация экспертов ориентирована только на проверку знания нормативных документов. Но в последние годы их количество стремительно растёт, качество падает. Отдельные положения противоречат друг другу. Некоторые важные физические явления в них не находят отражения. В такой ситуации эксперт должен имеет право выходить за рамки нормативных документов, обосновать такую необходимость с опубликованием в специальном электронном оперативном журнале. Аналогичные случаи представляют большую ценность и должны изучаться при переподготовках.

3). Как известно, экспертиза деклараций промышленной безопасности выносится в разряд особо ответственных работ. Поэтому к экспертам в области деклараций предъявляются дополнительные требования по образованию, компетентности, квалификации. В такую же особую группу следует отнести экспертизу аварийных случаев, где в ещё большей степени необходимы широкий кругозор и глубокий охват явлений и механизмов, знание технологий и процессов. Поэтому к расследованию аварийных ситуаций должны привлекаться такие эксперты, которые обладают навыком выполнения исследовательских работ, что подтверждается учёными степенями.

Основные выводы

1. Выполнен анализ факторов и явлений, ограничивающих безопасность магистральных трубопроводов. Показано, что с увеличением срока эксплуатации проявляются всё большее количество малоизученных факторов и явлений, которые недостаточно отражены в нормативной базе. В настоящее время в число малоизученных входят закономерности старения металла труб и стресс-коррозии, взаимодействие трубопроводов и его напряженного состояния с физическими полями, природа появления магнитно-аномальных зон. Изучение этих явлений и совершенствование нормативной базы являются необходимыми условиями дальнейшего снижения безопасности.

2. Установлена практически однозначная корреляция между коэрцитивной силой и состоянием металла в разные моменты жизненного цикла: состояние листа после прокатки, состояние трубы до начала эксплуатации, состояние деформационного старения до разных уровней. Это позволило предложить метод оценки остаточного ресурса металла трубопроводов, ос-

нованный на закономерностях изменения коэрцитивной силы в процессе длительной эксплуатации.

3. Найдены режимы восстановления коэрцитивной силы металла до уровня, соответствующего начальным состояниям. Для этого требуется образец, вырезанный из трубы, подвергнуть двум операциям:

• восстановительному отжигу по режиму: нагрев до 500 °С, выдержка 1,5 ч, охлаждение с печью (после этого металл переходит в состояние листа после прокатки);

• правке на прессе и деформированию растяжением на величину е = 0,012 (после этого металл переходит в состояние трубы до начала эксплуатации в составе трубопровода).

4. Выполнен анализ существующих методов контроля напряженного состояния, физических явлений, использованных на их основе. Дана оценка эффективности всех методов применительно к действующим магистральным трубопроводам, выделены отличительные особенности, положительные и отрицательные стороны. Показано, что наиболее достоверные методы измерений напряжений основаны на акустических и механических воздействиях. В этих методах влияние воздействия на измеряемую величину (напряжение) осуществляется без участия побочных факторов и явлений (магнитных, электрических и др.).

5. Показано, что все магнитные методы контроля являются косвенными и фиксируют одновременно несколько характеристик: свойства металла, структурные особенности, состояние дефектности, напряженное состояние. При этом разделить вклад каждой из перечисленных характеристик в отклике на физическое воздействие не представляется возможным. Магнитные методы следует рассматривать как интегральные методы контроля, но не следует их рассматривать как количественные методы измерения напряжений на действующих трубопроводах.

6. Показано, что механические методы измерения напряжений обладают наиболее высокой точностью за счёт того, что используется однозначная связь между механическими воздействиями и механическими напряжениями. Наиболее совершенный метод механического воздействия - вдавливание твердого шарика, аналогично измерению твердости методом Бринел-ля, наиболее совершенный метод регистрации информации - получение топографической интерферограммы. Для расшифровки информации численным методом решена контактная задача о внедрении твердого шарика в ог-

раниченное тело конечной толщины с учётом упругопласшческих деформаций и начальных (остаточных) напряжений. Установлены основные закономерности.

7. На основе анализа накопленного опыта предложены пути совершенствования системы экспертизы при изучении аварийных ситуаций, позволяющие снизить отрицательную роль ряда малоизученных явлений при проектировании и эксплуатации трубопроводов и оборудования, более динамично совершенствовать нормативную базу отрасли, в итоге существенно снизить вероятность аварий по повторяющимся причинам и механизмам.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рег¡визируем ые научные журналы

1. Ларионов, В. И. Оценка прочности трубопровода на участке оползня при продольном сдвиге грунта [Текст] / В. И. Ларионов, С. П. Сущев, Д. Ю. Валекжанин, Д. Ю. Грязнев // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». — 2011. - № 4. - С. 111-117.

2. Александров, А. А. Определение прочности подземных участков трубопроводов по результатам обследования планово-высотного положения / A.A. Александров, С.П. Сущев, В.И. Ларионов, Д.Ю. Валекжанин [Текст] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». - 2011. -№4.-С. 16-23.

3. Валекжанин, Д. Ю. Механика развития стресс-коррозионных трещин на магистральных газопроводах [Текст] / Д. Ю. Валекжанин, П. В. Климов, А. К. Гумеров, К. М. Ямалеев // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011. -Вып. 4 (86). - С. 87-94.

4. Сарбаев, Р. Р. Эффективность защитных конструкций типа «труба в трубе» [Текст] / Р. Р. Сарбаев, А. С. Глазков, Д. Ю. Валекжанин, М. Ф. Су-нагатов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2012.-Вып. 2 (88).-С. 31-37.

5. Зайцев, Н. Л. Оценка остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов по признаку деформационного старения [Текст] / Н. Л. Зайцев, Д. Ю. Валекжанин, В. П. Климов, К. М. Гумеров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2013. - Вып. 2 (92). - С. 44-50.

Прочие печатные издания

6. Гумеров, А. К. Напряженное состояние трубопровода с дефектом типа «гофр» [Текст] / А. К. Гумеров, Р. Р. Сарбаев, Д. Ю. Валекжанин // Проблемы строительного комплекса России: матер. XV Междунар. научн,-техн. конф. - Т. 2. - Уфа: УГНТУ, 2011. - С. 26-27.

7. Загребельный, Д. Ю. Восстановление изношенных трубопроводов методом санации [Текст] / В. Г. Загребельный, Д. Ю. Валекжанин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2011.-С. 154-155.

8. Валекжанин, Д. Ю. Коррозионная стойкость полимерного покрытия гибкого рукава для санации трубопровода [Текст] / Д. Ю. Валекжанин, А. Г. Сираев, В. Г. Загребельный // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР,

2011.-С. 291-292.

9. Валекжанин, Д. Ю. Источники погрешности при определении переходного сопротивления изоляционного покрытия подземных трубопроводов [Текст] / Д. Ю. Валекжанин, М. Ф. Сунагатов // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. -Уфа, 2011.-С. 154-156.

10. Климов, П. В. Некоторые особенности развития стресс-коррозионных трещин [Текст] / П. В. Климов, Д. Ю. Валекжанин// Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2011. - С. 179-180.

11. Климов, П. В. Роль водорода в стресс-коррозии магистральных газопроводов [Текст] / П. В. Климов, Д. Ю. Валекжанин // Трубопроводный транспорт - 2011: матер. VII Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. / Ред-кол.: А. М. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 44-47.

12. Валекжанин, Д. Ю. Особенности стресс-коррозии на магистральных газопроводах [Текст] / Д. Ю. Валекжанин, П. В. Климов // Проблемы строительного комплекса России: матер. XVI Междунар. научн.-техн. конф. / УГНТУ. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2012. - С. 162-164.

13. Валекжанин, Д. Ю. Линейный вариант метода конечных элементов для исследования напряженно-деформированного состояния трубопроводов [Текст] / Д. Ю. Валекжанин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа:, матер. Междунар. научн.-практ. конф. 23 мая 2012 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР,

2012. - С. 140-141.

14. Валекжанин, Д. Ю. Напряжения в стенке отвода трубопровода [Текст] / Д. Ю. Валекжанин // Проблемы и методы обеспечения надёясносш и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 23 мая 2012 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2012. -С. 145-147.

15. Глазков, А. С. Особенности стресс-коррозии на магистральных газопроводах [Текст] / А. С. Глазков, В. П. Климов, Д. Ю. Валекжанин // 63-я научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных УГНТУ: сб. матер, конф. / УГНТУ. - Уфа, 2012.-Кн. 1.-С. 81-82.

16. Глазков, А. С. Продольно-поперечный изгиб трубопровода с учётом кривых вставок [Текст] / А. С. Глазков, Д. Ю. Валекжанин // Трубопроводный транспорт - 2012: матер. VIII Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. / УГНТУ. - Уфа, 2012. - С. 220-223.

17. Валекжанин, Д. Ю. Модель стресс-коррозии на магистральных газопроводах [Текст] / Д. Ю. Валекжанин, А. С. Глазков // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XII Всеросс. научн.-практ. конф. 17 октября 2012 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2012. - С. 122-124.

18. Валекжанин, Д. Ю. Механические свойства металла труб и коэрцитивная сила [Текст] / Д. Ю. Валекжанин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 22 мая 2013 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2013.-С. 182-183.

19. Валекжанин, Д. Ю. Контроль структурных изменений и напряженного состояния металла трубопроводов магнитными методами [Текст] / Д. Ю. Валекжанин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 22 мая 2013 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2013. -С. 184-185.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 03.07.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 0,95. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 165. РотапринтГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Валекжанин, Дмитрий Юрьевич, Уфа

Государственное унитарное предприятие 'Институт проблем транспорта энергоресурсов' (ГУП "ИПТЭР")

На правах рукописи

04201361160 Валекжанин Дмитрий Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гумеров Кабир Мухаметович

Уфа-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................. 4

1 НЕКОТОРЫЕ МАЛОИЗУЧЕННЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 13

1.1 Роль неизученных явлений в безопасности трубопроводов ... 13

1.2 Старение металла труб при длительной эксплуатации......... 15

1.3 Напряженное состояние трубопроводов и методы контроля ... 17

1.4 Состояние аварийности и организационные проблемы........ 19

2 ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ........................ 30

2.1 Срок службы, срок амортизации и остаточный ресурс......... 30

2.2 Механизмы изменения механических свойств металла труб. Деформационное старение.......................................... 33

2.3 Сравнение механических свойств металла труб аварийного запаса и действующего трубопровода с сертификатными данными ..................................................................... 36

2.4 Термическое восстановление исходного состояния металла

труб...................................................................... 43

2.5 Коэрцитивная сила и механические свойства металла труб ... 49

2.6 Методика оценки остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов....................................................................................................59

Выводы по разделу 2.................................................. 67

3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ДЕЙСТВУЮЩИХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 69

3.1. Принципы измерения напряжений на действующих магистральных трубопроводах............................................... 71

3.2. Анализ методов измерения напряжений, основанных на разных физических явлениях............................................ 75

3.3. Магнитные методы контроля напряженного состояния действующих трубопроводов..............................................................................................91

Выводы по разделу 3....................................................................................................101

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЁННО- 102 ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ........................

4.1. Способы механических воздействий для определения остаточных напряжений........................................................................................................102

4.2. Голографическая интерферометрия и её использование для измерения напряжений ..............................................................................................105

4.3. Развитие расчётных методов применительно к оценке остаточных напряжений механическим воздействием..............................107

4.4. Численное решение задачи о контактном внедрении твердого шара в предварительно напряженное упругопластическое тело 116

4.5. Сравнительные испытания методов контроля напряжений ... 119 Выводы по разделу 4..................................................................................................126

5. НЕКОТОРЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРТИЗЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ..........................................................................................................127

5.1. Система экспертизы промышленной безопасности........................127

5.2. Требования к экспертным организациям..................................................129

5.3. Аттестация и переаттестации экспертов....................................................132

5.4. Некоторые предложения............................................................................................137

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................139

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Магистральные трубопроводы играют важную роль в функционировании нефтегазового комплекса страны. От их технического состояния зависит безотказность поставок нефти и газа потребителям из районов добычи, многие из которых расположены в отдалённых труднодоступных районах со сложными природно-климатическими условиями.

Магистральные нефтегазопроводы являются объектами повышенной опасности по нескольким показателям одновременно. Они постоянно находятся под высокими рабочими давлениями, которые достигают 10 МПа и более. Поэтому существует вероятность разрушения, что сопровождается выбросом большого количества продукта перекачки, экологическим ущербом, иногда взрывом и горением, повреждениями сооружений и жертвами.

Благодаря функционированию системы экспертизы промышленной безопасности, усилению контроля технического состояния, широкому внедрению современных методов диагностики в последние годы количество аварий неуклонно уменьшалось и достигло некоторого предела. Традиционными методами (диагностика и ремонт) не удается дальше снизить аварийность. Следовательно, необходимо совершить скачок на другой уровень. Для этого требуется провести более глубокие исследования причин и механизмов разрушений. Если причины и механизмы повторяются на разных трубопроводах, то это говорит о том, что существуют какие-то системные проблемы, непознанные явления. Только изучив эти глубинные причины и механизмы, можем рассчитывать на успех в дальнейшем снижении аварийности.

До настоящего времени в официальных докладах об аварийности в нефтегазовой отрасли приводилась классификация отказов по следующим типовым причинам: несоответствие проекту, металлургический дефект, заводской дефект, строительный брак, коррозия, механическое повреждение, дефект сварки, человеческий фактор. Такая классификация преследовала в основном две цели: определить виновника аварии и вести статистику для отчётности. Но для дальнейшего снижения аварийности такая классификация

малоэффективна, поскольку не раскрывает истинную природу явлений и новые механизмы разрушений, следовательно, не может служить основанием для совершенствования системы. Поэтому год от года происходят аварии на разных трубопроводах по одним и тем же причинам.

Таким образом, дальнейшему снижению аварийности препятствуют, как минимум, два фактора:

1) недостаточная изученность некоторых важных физических явлений, сопутствующих развитию разрушений и (или) заложенных в основу методов контроля и диагностики;

2) недостаточное использование организационного и человеческого потенциала на уровне экспертов и научных кадров, в том числе при исследовании малоизученных явлений и совершенствовании нормативной базы.

Роль неизученных явлений в формировании безопасности объектов нефтегазового комплекса велика. С увеличением сроков эксплуатации оборудования проявляются всё новые и новые явления, требующие изучения. Например, в системе магистральных трубопроводов в последние годы стали заметны случаи наводороживания металла при низких температурах, что в дальнейшем приводит к структурным изменениям, охрупчиванию, повышению внутренних напряжений, растрескиванию стенки труб. Это - относительно новые явления, которые требуют срочного и глубокого исследования.

Изучение скрытых явлений позволит также совершенствовать средства неразрушающего контроля. В настоящее время большое место уделяется методам внутритрубной диагностики (ВТД), однако при этом иногда забывается, что этот метод не универсален. Остаются без внимания некоторые важные показатели, такие как динамика изменения напряженно-деформированного состояния трубопроводов и закономерности старения металлов труб при длительной эксплуатации. Наряду с набором дефектов (которые контролируются средствами ВТД), эти показатели являются определяющими в формировании прочности, ресурса, безопасности трубопроводов. Несмотря на несомненные успехи в разработке средств контроля, именно эти показатели пока не подаются надёжному контролю. Одна из причин - недостаточная изученность

процессов, происходящих в трубопроводе при старении, другая причина -недостаточная изученность некоторых явлений, заложенных в основу работы приборов. Без глубокого изучения этих процессов трудно рассчитывать на успех в обеспечении безопасности магистральных трубопроводов.

Влияние человека на безопасность системы обычно изучается с целью минимизации человеческого фактора. При этом пользуются традиционными методами: отбором персонала по состоянию здоровья и психологическим показателям, обучением, тренировками, аттестациями. Это даёт положительные результаты, но, как выяснилось, только до определённого уровня. Как показал анализ, человеческий фактор главным образом изучался на уровне исполнителей низшего уровня (операторов, машинистов, диспетчеров) и практически не изучался на уровне руководителей, экспертов, научных кадров, разработчиков нормативных документов. Совершенно очевидно, что проявление человеческого фактора на нижнем уровне носит локальный характер (связан только с этим конкретным человеком и его рабочим местом), а на более высоком уровне - систематический характер. Если в инструкции из-за недостаточной изученности вопроса будут указаны неправильные методы борьбы с опасным явлением, то это явление будет происходить на всех трубопроводах, во всех регионах, независимо от исполнителей низшего звена. И это будет происходить до тех пор, пока не будут установлены истинные механизмы явления и не определены методы борьбы. Правильные предложения отдельного специалиста могут быть услышаны, поняты и приняты коллективом, а могут и не приняты. Тогда должен появиться другой специалист с более высоким уровнем компетентности и полномочиями, который усмотрит положительное в предложениях и примет соответствующие организационные решения. Исход имеет элементы случайности, чего не должно быть.

Тщательный анализ аварийных ситуаций на разных объектах нефтегазового комплекса показывает, что в большинстве случаев одна или две ошибки персонала ещё не заканчиваются отказом или разрушением; запасы прочности, заложенные при проектировании оборудования, не дают развиться разрушению. Разрушение наступает тогда, когда эти ошибки совершены на

фоне развития физического или химического явления, которое не было учтено в проекте и последующих документах. Если эти явления не систематизировать и не отражать в нормативной базе, то аналогичные отказы и разрушения будут повторяться многократно. К сожалению, в некоторых случаях именно это и наблюдается на практике (например, стресс-коррозия на магистральных газопроводах).

Таким образом, глубокое изучение аварийных ситуаций, систематизация полученных сведений, своевременное отражение их в нормативной базе имеют важное народно-хозяйственное значение. Без такой работы невозможно предложить эффективные методы дальнейшего повышения безопасности опасных производственных объектов.

К сожалению, до настоящего времени расследование аварий выполняется с простой целью определить виновного и назначить соответствующее наказание. После этого заключение практически не используется, в лучшем случае пополняет статистику. А следовало бы все аварии рассматривать как ценные эксперименты, которые позволяют выявить и изучить неизвестные ранее опасные явления. Затем результаты использовать для совершенствования нормативной базы. Для систематического выполнения такой работы требуются организационные усилия, в том числе с более полным использованием научного потенциала системы экспертизы промышленной безопасности. Эксперты, ведущие расследования аварийных ситуаций, должны владеть навыками исследования, а не только выискивания нарушений отдельных пунктов инструкций и других руководящих документов.

Таким образом, система обеспечения безопасности объектов нефтегазового комплекса требует существенных изменений на базе планомерного изучения новых и малоизученных явлений, сопутствующих отказам и разрушениям, а также совершенствования системы экспертизы промышленной безопасности за счёт более широкого привлечения экспертов с опытом ведения научных исследований и учёных отраслевых институтов.

Исходя из этого, была выбрана цель настоящей работы - совершенствование системы обеспечения безопасности магистральных нефтегазопро-

водов путём исследования новых и малоизученных явлений и использования на практике.

Для достижения этой цели требуется решить ряд задач, из которых в данной работе выбраны следующие:

1. Анализ проблемы аварийности магистральных нефтегазопроводов и исследование малоизученных факторов, ограничивающих безопасность при их длительной эксплуатации.

2. Исследование зависимости физических свойств металла труб при длительной эксплуатации трубопроводов и разработка новых методов нераз-рушающего контроля динамики старения неразрушающими физическими методами.

3. Исследования реакции напряжённого металла труб на внешние воздействия и совершенствование методов измерения компонент напряжений на действующем трубопроводе.

4. Анализ эффективности использования организационно-человеческого потенциала в обеспечении безопасности магистральных трубопроводов и разработка предложений по совершенствованию системы экспертизы промышленной безопасности при анализе аварийных ситуаций.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ГУЛ "ИПТЭР", ООО "ВНИИГАЗ", ОАО "ВНИИСТ", ОАО "ГИ-ПРОТРУБОПРОВОД", ОАО "УралНИТИ"), академических институтов (Институт проблем сверхпластичности материалов, ИМЕТ им. A.A. Байкова, ИЭС им. Е.О. Патона, ИМАШ им. A.A. Благонравова), лабораторий и кафедр высших учебных заведений (УГНТУ, РГУНГ им. И.М. Губкина, ЮУрГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана), Центров технической диагностики "Диаскан", "Подводспецтранснефтепродукт", "Спецнефтегаз", региональных управлений магистральными нефтепроводами и газопроводами, экспертных организаций и других научно-технических центров, работы ведущих ученых: P.M. Аскарова, Х.А. Азметова, В.А. Винокурова, А.Г. Гареева, А.Г. Гумерова, K.M. Гумерова, В.В. Ерофеева, P.C. Зайнуллина, H.J1. Зайцева, А.Г. Игнатье-

ва, П.В. Климова, В.И. Михайлова, Е.М. Морозова, Ф.М. Мустафина, Ю.И. Пашкова, М.В. Шахматова, О.И. Стеклова, K.M. Ямалеева и других.

В работе использованы данные о фактическом техническом состоянии магистральных нефтепроводов и газопроводов, результаты обследования аварий, диагностических обследований, испытаний, а также положения действующих норм и правил в трубопроводной системе и системе экспертизы промышленной безопасности. При исследованиях применены современные теоретические и экспериментальные методы, физическое и математическое моделирование процессов, положения теории упругости и пластичности, физические эксперименты на образцах металла и на действующих трубопроводах.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну.

1. Выполнен анализ источников погрешности при оценке остаточного ресурса металла труб по результатам сравнения механических свойств до и после эксплуатации. Основные источники погрешности: разброс свойств металла труб в пределах партий и марок сталей, отсутствие базы данных с исходными свойствами, несовершенность способов восстановления металла в исходное состояние.

2. Найден режим восстановления металла до уровня, соответствующего исходному состоянию трубы. Для этого требуется образец, вырезанный из трубопровода, подвергнуть двум операциям: 1) восстановительному отжигу по режиму: нагрев до 500°С, выдержка 1,5 часов, охлаждение с печью (после этого металл переходит в состояние листа после прокатки); 2) правке на прессе и деформированию растяжением на величину 8 = 0,012 (после этого металл переходит в исходное состояние трубы).

3. Установлена практически однозначная корреляция между коэрцитивной силой и состоянием металла в разные моменты жизненного цикла: состояние листа после прокатки, состояние поставки труб и монтажа трубопровода, длительная эксплуатация до уровня деформаций 5 %. Отсюда пред-

ложен метод оценки остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов, основанный на измерении коэрцитивной силы.

4. Проанализированы основные из существующих методов контроля напряженного состояния и взаимосвязь физических явлений, использованных на их основе. Показано, что наиболее достоверные методы измерений напряжений основаны на акустических и механических воздействиях. Установлено, что эти методы обладают наибольшей точностью за счёт того, что исключается влияние побочных факторов и явлений типа магнитного и электромагнитного полей, а используется однозначная связь между механическими воздействиями и механическими напряжениями.

5. Наиболее совершенный метод механического воздействия на металл - вдавливание твердого шарика диаметром 2...5 мм на глубину д�