Безопасность воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации

Фролов, Алексей Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Безопасность воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Безопасность воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Фролов Алексей Владимирович

БЕЗОПАСНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ПЕРЕХОДОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

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

2 5 НОЯ 2010

Уфа 2010

004614091

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

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

- кандидат технических наук Гумеров Айдар Кабирович

- доктор технических наук, профессор Зайнуллин Рашит Сибагатович

- кандидат технических наук Галяутдинов Анвар Асхатович

- ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Защита диссертации состоится 2 ноября 2010 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 1 октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В экономике России важное место занимает газовая отрасль, успешное функционирование которой во многом зависит от технического состояния системы магистральных газопроводов. Однако содержать систему магистральных газопроводов в исправном, работоспособном, надёжном и безопасном состоянии - непростая задача, учитывая множество усложняющих факторов, в числе которых можно отметить большие протяжённости, удалённость от промышленно-развитых районов, разнообразие климатических условий, большие диаметры и рабочие давления, большое количество переходов через дороги, реки и другие препятствия.

Магистральные газопроводы (МГ) относятся к опасным производственным объектам по нескольким признакам одновременно: наличие высоких давлений, легковоспламеняемый продукт (природный газ), который в ограниченном пространстве действует отравляюще. В связи с этим к ним предъявляются повышенные требования по безопасности.

МГ в основном проложены в подземном исполнении, что обеспечивает в некоторой степени их безопасность, но накладывает определённые требования по защите от почвенной коррозии. Однако, как показывает практика, существующая двухуровневая защита (изоляционное покрытие + катодный потенциал) обеспечивает защиту от общей и язвенной коррозии, но не защищает от другого опасного явления - стресс-коррозии. Это явление происходит особенно интенсивно на тех участках, где пленочное изоляционное покрытие изношено, потеряна адгезия к металлу, а напряжения в стенке трубы высоки (окружные - от рабочего давления, изгибные - от сложного рельефа местности). Поэтому проблема обеспечения безопасности является одной из актуальнейших.

На МГ встречаются и воздушные участки, проложенные на опорах. Например, на участке КС «Аркауловская» - КС «Полянская» протяжённостью 103 км газопровода Челябинск - Петровск имеются 10 воздушных переходов; в среднем через каждые 10 км. Все они являются участками повышенной опасности по следующим причинам.

ставляющих нагрузок вызывает дополнительные напряжения в стенке трубопровода. Причём эти напряжения распределяются неравномерно, с концентрацией в определённых местах, что затрудняет оценку эксплуатационных характеристик газопровода (прочности, надёжности, безопасности, ресурса, допустимых условий эксплуатации).

2. Воздушные участки открыты и доступны не только для наблюдения и технического обслуживания, но и для несанкционированного вмешательства сторонних лиц и организаций, поэтому более остро стоит проблема охраны таких участков.

3. Конструкции воздушных переходов разнообразны. Они зависят от протяжённости перехода, особенностей рельефа местности, климатических условий, вида температурных компенсаторов, конфигурации препятствия (характеристик береговой, русловой и пойменной частей рек). Разнообразие конструкций затрудняет унификацию операций по обследованию, оценке технического состояния и безопасности, обслуживанию и ремонту.

4. До сих пор не изучены некоторые явления на воздушных переходах. Не проведен сравнительный анализ развития износа и разрушений на подземных участках и воздушных переходах. В число таких явлений входят стресс-коррозия, усталость и старение металла.

5. Недостаточно исследовано влияние дополнительных нагрузок на напряжённое состояние газопровода. Не исследованы влияние самих опор на напряженное состояние трубопровода, поведение трубопровода за пределами упругости, особенности деформирования отводов, входящих в состав компенсаторов.

Всё это затрудняет совершенствование нормативной базы по диагностике, оценке безопасности, обслуживанию и ремонту воздушных переходов. Практически все инструкции в основном описывают порядок операций, но не приводят конкретные расчётные методы, формулы, алгоритмы, коэффициенты надёжности и другие необходимые элементы. Их выбор практически полностью зависит от эксперта, следовательно, от человеческого фактора. Это может послужить причиной значительных погрешностей и ошибок, которые могут привести к авариям.

Таким образом, существует актуальная проблема совершенствования методической и нормативной базы обследования, оценки технического состояния и безопасности воздушных переходов магистральных газопроводов.

Эту важную проблему невозможно полностью решить в одной работе, учитывая большое разнообразие конструкций и условий эксплуатации. По-

этому в настоящей работе в качестве конкретного примера исследований выбран наиболее сложный из воздушных переходов - переход МГ Челябинск - Петровск через реку Юрюзань на 249 км. Этот переход имеет следующие характеристики: диаметр 1420 мм, проектное давление 7,5 МПа, протяжённость около 600 м, устроен на 14 опорах, однониточный, эксплуатируется с 1980 года. Все эти особенности в совокупности требуют, чтобы надёжность и безопасность были выше, чем на остальных участках.

Цель работы - совершенствование методов оценки технического состояния и безопасности воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации.

Основные задачи работы:

1. Исследовать напряжённо-деформированное состояние воздушного перехода газопровода с учётом конструктивных особенностей и изменившихся условий взаимодействия с опорами;

2. Оценить возможность и особенности развития стресс-коррозии и других механизмов выхода из строя воздушного перехода газопровода;

3. Исследовать особенности изменения механических свойств металла труб на воздушном переходе газопровода;

4. Разработать методику оценки накопленной повреждаемости воздушного перехода газопровода с учётом фактических нагрузок и происходящих изменений;

5. Оценить остаточный срок безопасной эксплуатации воздушного перехода и разработать предложения по продлению этого срока.

Методы решения поставленных задач

Основой для решения данных задач явились работы известных ученых и специалистов: Аскарова P.M., Гумерова K.M., Зайнуллина P.C., Сираева А.Г., Харионовского В.В. и др.

В работе широко использованы численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов трубопроводов и других конструкций, положения теоретической механики, теорий упругости, термоупругости и прочности, результаты обследования ряда газопроводов после длительной эксплуатации, испытания образцов металла и сварных соединений. Также использован практический опыт эксплуатации магистральных газопроводов, накопленный в ООО «Газпром трансгаз Уфа».

Научная новизна

1. Исследованы поля напряжений на воздушном переходе газопровода с учётом фактических конструктивных особенностей, размеров, нагрузок,

условий взаимодействия с опорами и установлено следующее:

• на начальном участке перехода напряжения достигают предела текучести из-за нарушения работы первой опоры;

• на конечном участке перехода напряжения достигают предела текучести из-за неудачного расположения последних двух опор и неверного выбора расстояния между ними;

• контактное взаимодействие опор с трубой приводит к 4-кратному увеличению напряжений в стенке трубы, что эквивалентно созданию концентрации напряжений.

2. Аналитически, численно и экспериментально исследованы особенности напряжённого состояния отводов. Установлено, что наибольшие напряжения возникают вдоль внутренней образующей. Уточнена расчётная формула для коэффициента несущей способности отвода.

3. Разработан метод моделирования напряжённо-деформированного состояния трубопровода, находящегося за пределами упругости. Метод основан на деформационной теории пластичности в сочетании с методом переменных параметров упругости; позволяет сводить решение задачи теории пластичности к решению задачи теории упругости, что существенно облегчает расчёты.

4. На воздушных участках газопровода возможность протекания стресс-коррозии сильно ограничена из-за отсутствия основного источника атомарного водорода - механического и электрического контакта с влажным грунтом.

5. Металл труб на воздушном переходе сохранил все свои механические свойства за исключением пластичности и ударной вязкости при пониженной температуре. Эти изменения не привели к снижению прочности, но способны сократить остаточный ресурс воздушного перехода.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования полей напряжений на воздушном переходе газопровода и установленные закономерности, включая:

• влияние 2-образных компенсаторов и состояния опор на общее напряжённо-деформированное состояние;

• особенности напряжённого состояния отводов, образующих г-образные температурные компенсаторы;

• особенности контактного взаимодействия трубы с опорами и вызванную этим концентрацию напряжений в стенке трубы;

2. Выводы об ограниченной вероятности стресс-коррозии трубопровода на воздушном переходе;

3. Результаты исследования металла труб после длительной эксплуатации газопровода;

4. Методика и результаты расчётов накопленной повреждаемости на воздушном переходе с учётом произошедших изменений и режимов нагру-жения;

5. Методика и результаты расчётов допустимого срока безопасной эксплуатации воздушного перехода и методика продления ресурса.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. На примере одного из наиболее сложных воздушных переходов газопроводов проанализированы известные методы обследования и выявлены некоторые недостатки, показаны новые способы решения задач, разработаны новые алгоритмы и программы.

2. Усовершенствована методика оценки накопленной повреждаемости и остаточного ресурса воздушного перехода на основе результатов обследований, расчётов напряжённого состояния, фактических режимов нагружения с учётом их нестабильности.

3. Разработана методика исследования контактных напряжений в районе взаимодействия трубы с опорами. Методика позволяет варьировать типами, формами, размерами и расположением опор на этапе проектирования, тем самым оптимизировать конструкции опор и перехода.

4. Результаты исследования напряженного состояния отводов позволяют внести в строительные нормы и правила уточнение по определению коэффициента несущей способности.

5. По результатам обследования данного воздушного перехода разработано экспертное заключение о промышленной безопасности (40-ТУ-63427-2009) и предложены рекомендации по дальнейшей безопасной эксплуатации перехода.

Все результаты исследований могут быть использованы при обследовании других воздушных переходов трубопроводов.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на: • научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2009 г.);

• научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2009 г.);

• Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (Уфа, 2009 г.);

• Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2010 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе 2 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 118 наименований, семи приложений. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 28 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП «ИПТЭР» и ООО «БашНИПИнефть» за полезные советы и поддержку при выполнении диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приводится краткий анализ особенностей воздушных переходов газопроводов и проблемы обеспечения безопасности.

Изучение нормативной документации, научной литературы, а также некоторых доступных отчётов по результатам обследования газопроводов и аварий на них позволило выявить ряд нерешённых проблем.

1. Недостаточно полно и подробно методическое обеспечение применительно к обследованию воздушных переходов магистральных газопроводов. В большинстве случаев рекомендации сводятся к перечислению этапов работ без раскрытия сути методов, алгоритмов, расчётных формул. Получение и подготовка исходной информации для расчётов, необходимых параметров и коэффициентов также не всегда регламентированы. Вопросы анализа точности оценок вообще не рассматриваются.

2. Наиболее слабо разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния воздушных участков газопроводов. Какие приборы для этого существуют и какова их точность - сведений практически нет. Использование тензодатчиков неприемлемо, так как они позволяют измерять только изменение напряжений при переходе трубопровода из одного состояния в другое (например при изменении рабочего давления), а не абсолютные значения в каком-то одном состоянии. Расчётные оценки на основе геодезических измерений не дают удовлетворительных результатов по той же причине - неизвестны геодезические характеристики в исходном (ненагруженном) состоянии.

3. Расчёты напряжённо-деформированного состояния многопролётных воздушных переходов несовершенны.

Во-первых, каждый пролёт рассматривается как самостоятельный участок, независимый от других пролётов. При этом взаимное влияние отдельных пролётов остаётся без внимания. Поэтому изменение положения одной из опор на напряжённо-деформированное состояние всего перехода не определяется.

Во-вторых, не учитывается влияние 2-образных температурных компенсаторов на напряжённое состояние перехода в целом.

Если в пределах пролёта имеется отвод, то решение окажется вообще неверным из-за того, что не будет учтён возникающий при этом крутящий момент.

4. Одной из важных задач является оценка степени опасности для трубопровода происходящих на опорах изменений. Как показывают результаты обследований, некоторые скользящие опоры либо «выключаются» (возникает зазор между трубой и опорной площадкой), либо становятся нескользящими (контактные пластины «прикипают» друг к другу). При тех особенностях, которые указаны в предыдущем пункте, точность оценки таких изменений не может быть удовлетворительной.

5. Недостаточно исследованными элементами перехода являются отводы, за счёт которых образуются температурные компенсаторы. Распределение напряжений в таких отводах не раскрыто. Это тем более важно, что толщина стенки отводов не одинакова по разным образующим. Принято считать, что наибольшие напряжения возникают на внешней образующей, но некоторые экспериментальные исследования это опровергают.

6. Другой нерешённой задачей является исследование контактных напряжений при взаимодействии трубопровода с опорами. Контактные напря-

жения в нормативных документах вообще не рассматриваются. Как они изменяются при изменении нагрузок - не исследовано. Это тем более важно, что общее поле напряжений состоит из суммы полей напряжений, соответствующих разным видам нагрузок. Поэтому при оценке опасности изменений на опорах игнорировать контактные напряжения недопустимо.

7. Следующая нерешённая проблема - оценка ресурса трубопровода с учётом нестабильного характера большинства действующих нагрузок. В условиях, когда в трубопроводе образуются концентрации напряжений, а действующие нагрузки меняются (давление, температура, ветер, снег и т.д.), необходимо рассмотреть возможность усталостного развития разрушения. Без этого оценка безопасности будет некорректна.

Учитывая важность каждой из вышеперечисленных особенностей и проблем, целесообразно показать весь процесс обследования на каком-то одном переходе, и в ходе проведения исследований изложить суть разработанных методов, привести соответствующие обоснования, расчёты, сформулировать выводы. Это позволит исключить ряд неопределённостей в научном обеспечении безопасности воздушных переходов, а также восполнить впоследствии некоторые пробелы в нормативной документации.

Вторая глава посвящена изучению выбранного воздушного перехода по проектной и исполнительной документации и результатам ранее проведённых работ. Помимо проектной документации и отраслевой нормативной литературы изучались: технические отчёты по результатам внутритрубной диагностики; результаты шурфовых обследований по данным внутритрубной диагностики; результаты геодезических обследований воздушного перехода; сведения о режимах транспортировки газа (температура, давление) за последние годы; сведения об авариях, произошедших на газопроводе; сведения о ремонтно-восстановительных работах, выполненных на воздушном переходе.

Непосредственно на воздушном переходе газопровода аварий не происходило. Не обнаружены также скрытые дефекты труб и сварных соединений, представляющие опасность для газопровода. Возникали несколько нештатных ситуаций, связанных с изменениями состояния опор в процессе эксплуатации. Анализ этих ситуаций показал, что использование стальных пластин в качестве скользящих поверхностей не эффективно. С течением времени контактирующие друг с другом под большим давлением стальные пластины ржавеют и перестают скользить, элементы опор получают повреждения от температурных деформаций.

Авария произошла за переделами воздушного перехода - на 267 км газопровода (18 км от перехода) - в январе 2006 года. Причина аварии комплексная: аномальное снижение температур атмосферы и фунта, приведшее к повышению осевых растягивающих напряжений в стенке трубопровода; наличие дефектов в стыковом соединении, приведшее к снижению прочности трубопровода. Кроме того, на данном участке наблюдались признаки карстовых проявлений, что могло привести к изменению взаимодействия с грунтом и появлению дополнительных напряжений.

Методом внутритрубной диагностики на участке протяжённостью 103 км, включающем воздушный переход, выявлены 1993 дефекта на трубах и 168 дефектов на сварных стыках, в том числе коррозионных дефектов -1350, каверн - 40, поперечных и продольных царапин - 98, технологических дефектов труб (расслоений и включений) - 337. Из всего состава обнаруженных аномалий 3 дефекта оценены как опасные. На них допустимое давление оказалось ниже 0,9 от проектного значения. Эти дефекты находились на подземных участках вдали от воздушного перехода, и были ликвидированы методами ремонта.

На воздушном переходе обнаружены две особенности, которые в отчёте отмечены как «металл снаружи» и «технологический дефект».

Происхождение первой особенности («металл снаружи») вполне понятно: на воздушном переходе таких мест много, на каждой опоре как минимум по два хомута и одна опорная подушка. Поэтому возникают вопросы: Почему особенность типа «металл снаружи» обнаружена только на одной опоре? Почему в отчёте не указаны остальные такие особенности?

Происхождение другой особенности («технологический дефект») имеет металлургический характер. Обследование этой трубы ультразвуковым дефектоскопом показало, что причиной такого сигнала являются раскатанные неметаллические включения, которые дают эффект расслоения металла.

Таким образом, на воздушном переходе не обнаружены развивающиеся дефекты, которые могут представлять опасность для трубопровода.

На подземных участках газопровода, примыкающих к воздушному переходу, идёт процесс развития коррозионных дефектов, что свидетельствует о недостаточной эффективности защиты от почвенной коррозии.

Есть проблемы с обнаружением и измерением параметров дефектов сварки. Поэтому при оценке остаточного ресурса воздушного перехода целесообразно использовать дополнительные запасы прочности и надежности для сварных стыков.

В третьей главе приведены результаты исследований конструктивно-технологических особенностей перехода и свойств металла труб.

Схема перехода показана на рисунке 1. Компенсация температурных напряжений происходит за счёт использования двух г-образных участков.

По протяжённости пролётов между опорами на воздушном переходе можно выделить три участка: начальный (от начала до опоры № 2), средний (между опорами № 2 - № 13), конечный (от опоры № 13 до конца). На среднем участке опоры расположены равномерно, и пролёты между ними не превышают проектных значений. На начальном и конечном участках пролёты между действующими опорами неравномерны, некоторые значительно превышают проектные значения.

На опорах и узлах креплений выявлены несоответствия нормативным и проектным требованиям. Опора № 1 находится в нерабочем состоянии (нет контакта трубы с опорой). На крайних катках опор № 3 и № 4 нижние полухомуты не прижаты к трубе; труба не опирается, а висит над катком; нет изолирующей прокладки. Скользящая опора № 13 не обеспечивает свободное скольжение опорной части по пластине. Некоторые болтовые крепления хомутов вышли из строя.

Измерения толщины стенки труб и отводов выполнены с помощью ультразвукового толщиномера. Полученные результаты показывают, что толщина стенки во всех измеренных точках превышает проектное значение 19,5 мм. На отводах толщина стенки значительно больше проектного значения, в некоторых точках достигает 27 мм (на внутреннем радиусе отводов).

В условиях, когда нет возможности вырезать образцы металла для проведения механических испытаний, измерение твердости на поверхности изделия является единственным реальным методом оценки механических свойств металла. По измеренным значениям твёрдости можно приближённо оценить пределы прочности и текучести металла.

На воздушном переходе измерения твердости провели с помощью твердомера ТЭМП-3. Из полученных результатов следует, что предел текучести металла составляет не ниже 50 МПа, предел прочности - не ниже 60 МПа. Это вполне соответствует нормативным требованиям к стали марки Х70.

Заграждение

N21

Река

Поток газа

Расстояния

13,1

01 12П'|43,5(» 41,8 ./44,8 41,9 45 45,1 42 44,7 42,7 45Д 3,9 4 ■'■$-!—!| |1-б-в-16 8-«-в-8-в-^11

№2

Заграждение

1№3 №4) №5 №6 №7 №8 N39 №10 №11 №12

Опоры

№13 • ►

12,7

1,8

Заграждение

11 35,2 ¡13,3 13

//л ■Ш

№14

т.

опора № 7 - анкерная; опора № 13 - скользящая; опора № 14 — бетонный жёлоб; опора № 1 - нерабочая; остальные опоры - катковые

Рисунок 1 - Схема воздушного перехода газопровода через реку с указанием размеров участков

Газопровод в целом находится под электрохимической защитой от почвенной коррозии. Однако на воздушном переходе такой способ защиты бесполезен, поэтому все металлические элементы, включая трубы и опоры, покрыты защитной алюминиевой краской.

Металлические столбы опор являются фактически заземлениями. Если между трубой и столбом опоры нет изолирующей прослойки, то защитный ток будет свободно уходить в землю, сводя на нет электрохимическую защиту прилегающих подземных участков трубопровода. Поэтому при обследовании воздушного перехода важно установить наличие или отсутствие электрического контакта между трубопроводом и элементами опор. Это можно сделать, измеряя разность электрических потенциалов. Как показали такие измерения, трубопровод находится под защитным катодным потенциалом, но в отдельных точках имеется электрический контакт с конструктивными элементами опор. Также имеется влияние кабеля связи на потенциал трубы из-за некоторых несоответствий, допущенных при прокладке кабеля по трубопроводу.

Состояние сварных швов оценивалось визуально, а также по исполнительной документации, составленной при строительстве трубопровода.

По визуальным наблюдениям сварные швы выполнены качественно.

Из журнала сварки следует, что сварка выполнялась с подогревом до 200 °С. Из заключений по проверке качества сварных стыков у-лучами следует, что все стыки оценены как «годные».

Внутритрубная диагностика не выявила аномалий сварных стыков.

Итак, в результате всех видов контроля (визуальный, у-контроль, внутритрубная диагностика) на сварных швах воздушного перехода не выявлены дефекты и другие опасные отклонения. Однако это не означает, что таковых нет фактически, поскольку достоверность имеющейся информации недостаточна для однозначного вывода о состоянии сварных стыков.

Поскольку невозможно вырезать образцы из воздушного перехода, для исследований были использованы катушки труб, вырезанные с места аварии, произошедшей в 2006 году на 267 км. На месте аварии и на воздушном переходе металл труб одинаковый, рабочие напряжения тоже. Единственное отличие состояло в том, что авария произошла на подземном участке. Эту особенность учитывали при анализе результатов исследований.

Как показали исследования, химический состав металла труб соответствует нормам российского аналога стали Х70 по ТУ 14-3-995-81 «Трубы стальные электросварные прямошовные экспандированные диаметром

1420 мм из стали Х70». Механические свойства основного металла труб и ударная вязкость, измеренные на продольных образцах при температуре испытания минус 60 °С, удовлетворяют требованиям ТУ 14-3-995-81. Ударная вязкость на поперечных образцах при температуре минус 60 °С и процент волокна в изломе на поперечных образцах не удовлетворяют требованиям СНиП 2.05.06-85 (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты испытаний на ударную вязкость металла труб

Образцы КСУ1"20"0, кгс м/см2 КСу-бо°С) кгс м/см2 % волокна в изломе (при минус 60 °С)

Продольные образцы

Продольные образцы из трубы 1 25,60 27,50 26,25 среднее 26,4 14,40 16,25 15,00 среднее 15,2 80 70 75 среднее 75

Продольные образцы из трубы 2 26,25 23,75 27,50 среднее 25,8 15,00 12,50 16,25 среднее 14,6 100 87 80 среднее 89

Нормы по ТУ14-3-995-81 для стали Х70 - не менее 8,0 > 85 %

Поперечные образцы

Поперечные образцы из трубы 1 16,25 13,15 18,75 среднее 15,0 3,50 5,00 8,75 среднее 5,75 0 20 45 среднее 21,6

Поперечные образцы из трубы 2 17,50 18,75 13,15 среднее 16,5 7,50 6,90 7,50 среднее 7,3 47,5 13,0 50,0 среднее 36,8

Нормы по ТУ 14-3-99581 для стали Х70 - не менее 8,0 > 85 %

Таким образом, после длительной эксплуатации газопровода произошло некоторое охрупчивание металла труб (снижение ударной вязкости и процента волокна в изломе).

Микроструктура металла трубы 2 содержит феррит и перлит. При этом наблюдается полосчатость феррито-перлитной составляющих в 3 балла по шкале ГОСТ 5640-68 (рисунок 2). Загрязненность металла неметалли-

ческими включениями не превышает 2-х баллов по шкале ГОСТ 1778-70. Такая микроструктура и объясняет природу особенностей типа «технологический дефект», обнаруживаемых при внутритрубной диагностике. Такие особенности в большинстве случаев не влияют на безопасность трубопровода.

Рисунок 2 - Микроструктура основного металла трубы 2 (х 300)

В металле труб, извлечённых с места аварии на 267 км, обнаружены стресс-коррозионные трещины глубиной до 2 мм. Как показали многочисленные исследования этого явления, стресс-коррозия сопровождается и объясняется следующими явлениями:

- образованием атомарного водорода на поверхности трубы вследствие потери адгезии изоляции и проникновения грунтовой воды к поверхности трубы, восстановления катионов водорода до нейтрального состояния;

- проникновением атомарного водорода в металл и накоплением его в дислокациях, микропорах, микротрещинах;

- обезуглероживанием металла вследствие блокировки атомов углерода проникшими атомами водорода;

- блокировкой дислокаций новыми образованиями, вследствие чего металл охрупчивается;

- ростом внутренних напряжений, вследствие чего происходит растрескивание металла;

- объединением микротрещин, образованием и ростом макротрещин в направлениях, перпендикулярных максимальным растягивающим напряжениям.

Однако важно отметить, что данный механизм развития разрушения опасен для подземных участков трубопровода, где всегда имеется источник атомарного водорода (грунтовая влага, отрицательный электрический потенциал трубы, потеря адгезии изоляционного покрытия). На воздушных участках трубопровода условия протекания стресс-коррозии отсутствуют, поскольку отсутствует источник атомарного водорода. Поэтому на воздушных участках трубопроводов стресс-коррозия не ожидается.

В четвёртой главе приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния воздушного перехода с учётом всех конструктивных особенностей и произошедших изменений.

Напряженно-деформированное состояние можно оценивать разными методами, используя для этого всю имеющуюся информацию. Одним из таких источников информации являются результаты геодезических обследований воздушного перехода. Методом геодезических измерений получены высотные отметки верхней образующей трубопровода на опорах и в некоторых промежуточных точках трубопровода. Анализ полученных данных подтверждает вывод, сделанный выше по результатам измерений межопорных пролётов, а именно: на воздушной части перехода трубопровода можно выделить три характерные участка.

На начальном участке протяжённостью 54 м высотные отметки находятся в диапазоне 11533...12256 мм; перепад высотных отметок составляет 723 мм; усреднённый градиент высот (723 мм) /(0,5-54м) = 26,8 мм/м.

На среднем участке протяженностью 465,4 м высотные отметки находятся в диапазоне 11801... 11944 мм; перепад высотных отметок составляет 143 мм; усреднённый градиент высот (143 мм) /(0,5 • 465,4 м) = 0,6 мм /м.

На конечном участке протяжённостью 74,3 м высотные отметки находятся в диапазоне 11077... 11885 мм; перепад высотных отметок составляет 808 мм; усреднённый градиент высот (808 мм)/(0,5 ■ 74,3 м) = 21,7 мм/м.

Напряжённое состояние по результатам геодезических измерений оценили с помощью расчётной программы, реализующей метод конечных элементов. Оценка показала, что на начальном и конечном участках есть зоны, где напряжения превышают предел текучести металла трубы.

Однако оценка напряжений, основанная только на данных геодезических измерений, не отличается высокой точностью. Погрешности связаны с тем, что неизвестна точка отсчёта («нулевое положение» трубопровода, когда отсутствуют все нагрузки и напряжения).

С помощью тензодатчиков могут быть измерены только изменения напряжений в тех или иных точках при определённых изменениях нагрузок. При этом абсолютные значения напряжений остаются неизвестными.

Другие методы измерений, основанные на магнитных свойствах металла труб, также не дают надёжных результатов по напряжениям.

Самые надёжные данные по напряжённо-деформированному состоянию воздушного перехода можно получить только расчётным путём, используя численные методы, например метод конечных элементов. Этот метод хорошо апробирован при решении разных задач и позволяет учитывать практически все особенности перехода: наличие 2-образных компенсаторов, расположение опор, особенности взаимодействия с трубопроводом, различные виды нагрузок, произошедшие за время эксплуатации изменения.

В нормальном состоянии трубопровод находится в упругом состоянии, когда перемещения, деформации и напряжения линейно зависят друг от друга и от действующих нагрузок. Это даёт возможность решать задачу по частям, затем комбинировать общее решение путём сложения частных решений с учётом их весовых коэффициентов (метод суперпозиции).

Учитывая, что в общем случае на напряжённое состояние влияют независимо друг от друга внутреннее давление, температура, сила тяжести (вес), ветровая нагрузка, в качестве частных задач выбрали четыре вида нагрузок. Каждое частное решение получали при различных условиях крепления трубопровода на опорах в соответствии с таблицей 2. В частных решениях получены все компоненты смещений, углов поворотов, моментов, напряжений, деформаций вдоль всего перехода и реакций на всех опорах. Полученные частные решения позволяют увидеть характер распределения напряжений от действия каждой из видов нагрузок при различных условиях работы опор, определить наиболее перегруженные места, максимальные значения напряжений, перемещений, реакции опор.

Например, в таблице 2 показаны наименьшие и наибольшие значения напряжений, соответствующие рассмотренным частным решениям.

Из решений следует, что на данном воздушном переходе ветровая нагрузка не приводит к значительным напряжениям. Поэтому при оценках прочности и ресурса этими напряжениями можно пренебречь.

Таблица 2 - Наибольшие и наименьшие значения напряжений, соответствующие частным решениям при разных граничных условиях

Обозначение частного решения Вид нагрузки Состояние опор Напряжения ст, МПа

опора № 1 опора № 13 опора № 14 гшп ст шах ст

1а Вес Я4,- 7,74 кН/м есть есть есть -52,0 79,1

1Ь есть есть нет -71,9 134,3

1с нет есть есть -52,1 95,2

2а Давление в трубе Р = 7,0 МПа неподвижна неподвижна скользящая 115,3 124,2

2Ь скользящая скользящая скользящая 119,9 121,9

2с неподвижна скользящая скользящая 115,2 124,2

2(1 скользящая неподвижна скользящая 117,8 123,2

За Перепад температуры АТ = 100 °С неподвижна неподвижна скользящая -33,2 377,5

ЗЬ скользящая скользящая скользящая - 11,0 222,9

Зс неподвижна скользящая скользящая -33,2 337,5

3(1 скользящая неподвижна скользящая -21,0 313,6

4а Боковой ветер Я_>= 0,5 кН/м есть есть есть -3,36 5,11

4Ь есть есть нет -4,64 8,68

4с нет есть есть 3,37 6,15

Здесь приняты обозначения: щ - вертикальная нагрузка на 1 м трубы; - горизонтальная нагрузка на 1 м трубы.

На рисунке 3 показано для трёх частных решений (1а, 1Ь, 1с) распределение изгибных напряжений по верхней образующей воздушного перехода от действия веса = 7,74 кН/м.

оч, МПа

100

-50 -100

1 2 3 Л 5 6 7 8

а , МПа ~~

1Ь

-100

7 8 9 10 11 12 13 14

Рисунок 3 - Распределение изгибных напряжений

по верхней образующей воздушного перехода от действия веса = 7,74 кН/м

Результаты решений подтверждают, что на воздушном переходе существуют три характерные участка: начальный, средний, конечный. В средней части перехода наблюдается регулярность распределения всех компонент смещений, сил, моментов, напряжений. На начальном и конечном участках перехода наблюдаются значительные перенапряжения. Условия взаимодействия трубопровода с опорами оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние конечных участков.

Как показал анализ действующих нагрузок, все они отличаются нестабильностью. Это создаёт благоприятные условия для накопления повреждаемости трубопровода по механизму малоциклового разрушения. Для оценки остаточного ресурса по этому механизму необходимо описать нестабильность нагрузок в виде количества циклов в определённых пределах. Поскольку циклы имеют в разные периоды времени разные пределы, разработан метод блочного описания всех видов нагрузок. Так, обрабатывая диаграмму изменения рабочего давления за последние 5 лет эксплуатации, экстраполируя данный режим на весь наработанный срок (29,5 лет), а также учитывая коэффициент надёжности по рабочему давлению пр = 1,1, получили следующие данные, количественно характеризующие динамику изменения рабочего давления (таблица 3).

Таблица 3 - Параметры режима эксплуатации газопровода за полное время

эксплуатации (экстраполированные значения)

Блоки Минимальное давление Максимальное давление Перепад давления Количество циклов

1-ый блок ОМПа 6,60 МПа 6,60 МПа 109

2-ый блок 2,42 МПа 6,60 МПа 4,18 МПа 22

3-ый блок 5,50 МПа 6,60 МПа 1,10 МПа 868

4-ый блок 6,60 МПа 8,03 МПа 1,43 МПа 22

Аналогичные данные получены и для других видов нагрузок (веса, температуры). Эти данные послужили в дальнейшем исходными данными для оценки накопленной повреждаемости воздушного перехода.

В четвёртой главе рассмотрели также несколько более частных задач о напряжённо-деформированном состоянии элементов перехода.

1. При нормальных условиях эксплуатации трубопровод ни в одном сечении не должен выходить за пределы упругого состояния. Однако при эксплуатации иногда возникают нештатные ситуации, когда в отдельных сечениях напряжения и деформации превышают соответствующие пределы упругости. В работе рассмотрен такой случай и разработан метод, позволяющий решить упругопластическую задачу методом переменных модулей.

2. В работе также исследованы особенности напряженного состояния отводов, образующих г-образные компенсаторы. Исследование выполнено аналитически и численно, результаты получили экспериментальное под-

тверждение. Установлено, что наибольшие напряжения возникают вдоль внутренней образующей отвода. Для коэффициента концентрации напряжений к и коэффициента несущей способности отвода г| получены следующие новые формулы:

^ _ ^отвод _ 2И. ^ 2

атрУба ~ 211 - О + Б ~ 2 - Б/Я '

28 | 2И(Р - 2э) , 2Я , 2 Б В(2К-В + 8)~2К-0~2-В/К' где Э - диаметр трубы и отвода; б - толщина стенки; К - радиус кривизны средней линии отвода.

Сравнивая выражения (1) и (2) видим, что для тонкостенных труб и отводов (б «О) рассмотренные два коэффициента идентичны, т.е. к«т|.

Для отводов, использованных на воздушном переходе, эти коэффициенты равны 1,11. Как показали обследования, такая концентрация напряжений компенсируется увеличением толщины стенки отводов по внутренней образующей.

3. Все места взаимодействия трубопровода с опорами являются концентраторами напряжений. Методы расчёта коэффициента концентрации напряжений при контактном воздействии опор в отраслевых инструкциях не регламентированы. По всей вероятности, распределение напряжений в контактной зоне зависит от множества параметров, в том числе от конфигурации опорной плиты, хомутов крепления, их размеров и расположения, от реакции опоры, рабочего давления, диаметра и толщины стенки трубы.

В работе рассмотрен случай, соответствующий состоянию скользящих опор в средней части воздушного перехода. Решение показало, что осевые напряжения в некоторых точках трубы в районе опоры достигают значения 200 МПа. Это в 4 раза больше аналогичных напряжений, полученных без учёта контактного взаимодействия на опорах. В зоне контакта главные нормальные напряжения достигают значения а, = 345 МПа, эквивалентные напряжения а, =339МПа. Данные значения составляют 58,6% от предела прочности металла трубы и 73,5 % от предела текучести соответственно. Если для подземных участков трубопровода такие напряжения ещё можно считать нормальными, то для воздушных переходов, категория безопасности которых должна быть выше, они представляют опасность.

В пятой главе приведена оценка остаточного ресурса воздушного перехода по результатам обследований.

Существует вероятность развития нескольких механизмов старения и накопления повреждений:

- общая коррозия на наружной поверхности трубопровода в местах, где защитная краска отсутствует или повреждена;

- деградация свойств металла труб и сварных соединений;

- накопление и развитие микротрещин и объединение их в макротрещины по механизму малоциклового разрушения;

- развитие необратимых деформаций, потеря устойчивости и разрушение на наиболее перенапряжённых участках.

Первый и последний механизмы можно остановить за счёт ремонта, второй и третий механизмы не останавливаются. Поэтому в работе рассмотрен механизм малоциклового разрушения с учётом изменения свойств металла труб. При этом приняты: коэффициент концентрации напряжений на сварных стыках аа = 2,0; коэффициент запаса по остаточному ресурсу п, = 10. Расчёты построены на известной формуле Коффина-Мэнсона, который для симметричного режима нагружения имеет вид:

аа=Е-(1п-^—№+а_,. (3)

1 "Ув

Здесь оа - амплитуда изменения напряжений в наиболее напряжённом участке; N3 - число циклов до зарождения трещины; а.] - предел усталости металла; Е - модуль упругости металла; \|/„ - характеристика пластичности металла; % - показатель циклического нагружения. Для стали Х70 в исходном состоянии ув«0,2; 1 ~ 0,73; по мере старения металла параметр \\1Е

снижается, параметр % растёт.

Первая задача состояла в том, чтобы по параметрам фактических (несимметричных) нагрузок найти параметры эквивалентного симметричного нагружения. Затем по формуле (3) найти соответствующие значения N3 и накопленную повреждаемость П = п/И3 (п - наработанное количество циклов).

Поскольку нестабильные нагрузки описываются блоками, каждому блоку 1 соответствует определённая повреждаемость П|. Суммируя повреждаемости П^ соответствующие каждому блоку и каждому виду действую-

щих нагрузок, можно получить полную накопленную повреждаемость за время эксплуатации П = ^П,.

Расчёты показали, что суммарная накапливаемая повреждаемость воздушного перехода за год эксплуатации составляет:

П, =П1(вес) +П1(давлсн) + П,(темпер) =0,00958+0,00226+0,00275=0,01459.

Накопленная повреждаемость за время эксплуатации П = 0,27136.

Остаточная повреждаемость без учёта запасов составляет:

Пост=1-П = 1-0,27136 = 0,72864. (4)

С учетом запаса по остаточному ресурсу получим допустимый безопасный срок эксплуатации:

0,72864

0 П.-П, 10-0,01459 '

Таким образом, допустимый срок безопасной эксплуатации воздушного перехода магистрального газопровода составляет 5,0 лет, начиная с момента последнего обследования. По истечении этого срока требуются повторная проверка технического состояния и оценка нового допустимого срока эксплуатации с учётом произошедших за это время изменений.

В приложениях приведены фотографии некоторых конструктивных элементов опор, результаты геодезических измерений, диаграммы изменения рабочего давления и температуры, расчётные программы, результаты решения всех частных задач по напряжённо-деформированному состоянию, зависимость ресурса от степени охрупченности металла труб.

Основные выводы

1. Установлено, что на сварных стыках газопровода, включая воздушный переход, некоторые дефекты сварки не обнаруживаются внутритруб-ными дефектоскопами. Другие дефекты сварки обнаруживаются, но не определяются важнейшие параметры, необходимые для выполнения расчётов. Поэтому при оценке допустимого рабочего давления и остаточного ресурса воздушного перехода целесообразно вводить дополнительные запасы прочности и надежности сварных стыков.

2. На воздушном переходе газопровода металл труб претерпевает те же изменения, что и на подземных участках. При этом снижаются пластичность, ударная вязкость, температура перехода в хрупкое состояние. Эти изменения приводят к снижению остаточного ресурса.

В отличие от подземных участков, на воздушном переходе не обнаружены признаки стресс-коррозии. Она не ожидается и в будущем, поскольку отсутствуют источники атомарного водорода.

• на начальном и конечном участках перехода напряжения достигают предела текучести из-за неудачного расположения некоторых опор и нарушения заданных условий их взаимодействия с трубопроводом;

4. Определены нормативные нагрузки, действующие на воздушный переход с учётом режимов эксплуатации, температурных и климатических особенностей. Нестабильность и перепады нагрузок учтены введением специальных блоков и заданием количества циклов в каждом блоке. Блочно-циклическое описание действующих нагрузок позволяет рассчитывать накопленную повреждаемость и оценивать остаточный ресурс.

Предложен алгоритм продления ресурса воздушного перехода с учётом накопленной повреждаемости и динамики изменения механических свойств металла трубопровода. Разработанная расчётная программа позволяет учитывать любые вариации исходных данных и найти безопасные условия дальнейшей эксплуатации воздушного перехода.

5. В процессе исследований были сформулированы дополнительные актуальные задачи, имеющие отношение к воздушному переходу, и получены соответствующие решения.

отвода, которые позволяют определить допустимое рабочее давление в зависимости от размеров отвода, включая диаметр, толщину стенки, радиус изгиба, а также овальность поперечного сечения.

5.2. Исследованы закономерности деформирования трубопровода за пределами упругого состояния. Предложен подход, основанный на методе переменных модулей, позволяющий существенно упростить расчёты и пользоваться программами, разработанными для упругого состояния. Получены зависимости эффективного модуля упругости от свойств металла, размеров труб и действующих нагрузок.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Фролов A.B., Гумеров А.К. Накопленная повреждённость воздушного перехода газопровода // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. - Уфа, 2009. - С. 114-116.

2. Фролов A.B. Методика расчёта остаточного ресурса элемента трубопровода // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. - Уфа, 2009. - С. 119-121.

3. Фролов A.B. Пример оценки накопленной повреждённое™ участка газопровода // Трубопроводный транспорт - 2009. Матер. V Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 220-222.

4. Шуланбаева Л.Т., Фролов A.B. Нестандартные тепловые процессы на действующих трубопроводах // Трубопроводный транспорт - 2009. Матер. V Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. -С. 243-244.

5. Фролов A.B., Шуланбаева JI.T., Сунагатов М.Ф. Оценка опасности грунтовых изменений для трубопроводов // Проблемы строительного комплекса России. Матер. XIV Междунар. научн.-техн. конф. в рамках XIV специализир. выставки «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение - 2010». - Уфа: УГНТУ, 2010. - Т. 2. - С. 37-41.

6. Гумеров А.К., Фролов A.B., Шуланбаева JI.T. Напряжённое состояние воздушного перехода газопровода после длительной эксплуатации // Проблемы строительного комплекса России. Матер. XIV Междунар. научн.-техн. конф. в рамках XIV специализир. выставки «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение - 2010». - Уфа: УГНТУ, 2010. - Т. 2. -С. 41-43.

7. Фролов A.B., Шуланбаева JI.T., Сунагатов М.Ф., Гумеров А.К. Оценка напряжённого состояния подземных трубопроводов с учётом грунтовых изменений в процессе эксплуатации // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2010. - Вып. 1 (79).-С. 61-66.

8. Фролов A.B., Сунагатов М.Ф., Гумеров А.К., Сарбаев P.P. Обследование воздушного перехода магистрального газопровода // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2010. - Вып. 2 (80). - С. 45-51.

9. Фролов A.B. Оценка напряжений на воздушном переходе газопровода // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер, научн.-практ. конф. -Уфа, 2010.-С. 162-163.

10. Гумеров А.Г., Гумеров А.К., Фролов A.B. Контактные напряжения на опорах трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер, научн.-практ. конф. - Уфа, 2010. - С. 164-165.

11. Гумеров А.К., Фролов A.B., Сунагатов М.Ф., Шафиков P.P. Моделирование напряжённо-деформированного состояния трубопровода за пределами упругости // НТЖ «Территория "НЕФТЕГАЗ"». - М.: ВНИИОЭНГ, 2010.-Вып. 8.-С. 62-66.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 28.09.2010 г. Бумага писчая. Заказ № 355. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Фролов, Алексей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСОБЕННОСТИ ВОЗДУШНЫХ ПЕРЕХОДОВ ГАЗОПРОВОДОВ И ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

1.1 Особенности магистральных газопроводов и некоторые проблемы на воздушных переходах.

1.2 Обзор нормативных документов по воздушным переходам

1.3 Нерешённые проблемы и постановка задач для* исследований

2 ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВОЗДУШНОГО ПЕРЕХОДА

ПО ДОКУМЕНТАМ.

2.1 Общая характеристика магистрального газопровода и воздушного перехода.

2.1.1 Источники информации.

2.1.2 Общие характеристики.

2.1.3 Ранее проведённые обследования, технические решения, ре-монтно-восстановительные работы.

2.1.4 Аварийность газопровода и воздушного перехода.

2.2 Анализ результатов внутритрубной диагностики.

2.2.1 Особенности технологии внутритрубной диагностики.

2.2.2 Результаты внутритрубной диагностики.

2.2.3 О достоверности результатов диагностики сварных стыков

2.2.4 Анализ обнаруженных дефектов труб.

Выводы по разделу 2.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕРЕХОДА И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ТРУБ.

3.1 Визуально-инструментальное обследование воздушного перехода газопровода.

3.1.1 Общий вид и размеры воздушного перехода.

3.1.2 Измерения толщины стенки труб и отводов.

3.1.3 Измерения твердости металла труб и отводов .53?

3.1.4 Электрические потенциалы на трубопроводе и элементах опор . 54 3:1.5 Состояние сварных швов-.;.

3.2 Исследование свойств металла,труб и сварных соединений:. 56 3.2.1 Требования к стали Х-70 и сварным соединениям.

3.3 Исследование металла труб и сварных соединений после длительной эксплуатации газопровода.

3.3Л Химический анализ.

3;3.2 Механические испытания

3.3.3 Металлографический анализ.

Выводы по разделу

4 ИеСЛЕДОВЛНИЕНАПРЖКЁИНО-ДЕФОРМИРОВЛ1-ШО

ГО СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ПЕРЕХОДА.

4.1 Оценки напряжений трубопровода по косвенным данным . '

4.1.1 Оценканапряжений по геодезическим измерениям

4.1.2 Оценка температурных напряжений

4.1.3- Оценка напряжений от воздействия рабочего давления

4.1.4 Напряжения от внешних воздействий .•

4.2 Численное решение задачи о. напряжённом состоянии воздушного перехода .75;

4.2.1 Условия крепления трубопровода на опорах

4.2.2 Частные решения задачи о напряженно-деформированномзсо-стоянии воздушного перехода-.

4.3 Нормативные нагрузки на трубопровод

4.3.1 Режим нагружения внутренним давлением.

4.3.2 Режим температурного воздействия на трубопровод.

4.3.3 Нормативная нагрузка от веса трубы, газа, снега, льда.

4.3.4 Нормативная нагрузка в боковом направлении.

4.4 Моделирование напряжённо-деформированного состояния трубопровода за пределами упругости.

4.5 Напряжённое состояние отводов газопровода.

4.6 Контрактное взаимодействие трубы с опорой.

Выводы по разделу 4.

5 ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ВОЗДУШНОГО ПЕРЕХОДА.

5.1 Малоцикловый механизм разрушения воздушного перехода газопровода.

5.2 Оценка накопленной повреждённости от перепадов нагрузок

5.3 Оценка остаточной повреждаемости и остаточного ресурса воздушного перехода.

Выводы по разделу 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Безопасность воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации"

В экономике России важное место занимает газовая отрасль, успешное функционирование которой во многом зависит от технического- состояния системы магистральных газопроводов. Однако содержать, систему магистральных газопроводов в исправном, работоспособном, надёжном и безопасном состоянии - непростая задача, учитывая множество усложняющих факторов, в число которых можно отметить большие протяжённости^ удалённость от промышленно-развитых районов, разнообразие климатических условий, большие диаметры и рабочие давления, большое количество переходов через дороги, реки и другие препятствия.

Магистральные газопроводы (МГ) относятся к опасным производственным объектам по нескольким признакам сразу: наличие высоких давлений, легковоспламеняемый продукт (природный газ); который в ограниченном пространстве: действует отравляюще. Поэтому к ним предъявляются повышенные требования по безопасности.

МГ в основном проложены в подземном исполнении, что обеспечивает в некоторой степени безопасность, но накладывает определённые.требования по защите от почвенной коррозии. Однако, как показывает практика, существующая двухуровневая защита (изоляционное покрытие + катодный, потенциал) обеспечивает защиту от общей и язвенной коррозии, но не защищает от другого опасного явления - стресс-коррозии. Это явление происходит особенно интенсивно на тех участках, где пленочное изоляционное покрытие изношено, потеряна адгезия к металлу, а напряжения в стенке трубы высоки (окружные - от рабочего давления, изгибные - от сложного рельефа местности). Поэтому проблема обеспечения безопасности является одной из актуальнейших.

На МГ встречаются и воздушные участки, проложенные на опорах. Например, на участке КС "Аркауловская" - КС "Полянская" протяжённостью 103 км газопровода Челябинск — Петровск содержится 10 воздушных переходов; в среднем через каждые 10 км. Все они являются участками повышенной опасности по следующим причинам:

1. На воздушные участки трубопровода не действует реакция грунта, что вызывает совершенно другой результат от действия веса трубы, газа, снега, обледенения. На такие участки действуют дополнительные нагрузки и другие факторы: ветер, солнечная радиация, осадки, опоры. Каждая из составляющих нагрузок вызывает дополнительные напряжения в стенке трубопровода. Причём, эти' напряжения распределяются неравномерно, с концентрацией в определённых местах, что затрудняет оценку эксплуатационных характеристик газопровода (прочности, надёжности, безопасности, ресурса, допустимых условий эксплуатации).

2. Воздушные участки открыты и доступны не только для наблюдения и технического обслуживания, но и для несанкционированного •вмешательст-вахторонних лиц и организаций. Поэтому более остро стоит проблема охраны таких участков.

3. Конструкции воздушных переходов разнообразны. Они зависят от протяжённости перехода, особенностей рельефа местности, климатических условий, вида температурных компенсаторов, конфигурации препятствия-(например, характеристик русловой и пойменной частей реки). Разнообразие конструкций затрудняет унификацию операций по обследованию, оценке технического состояния и безопасности, обслуживанию и ремонту.

4. До сих пор не изучены некоторые явления на воздушных переходах. Не проведен сравнительный анализ развития износа и разрушений на подземных^ участках и воздушных переходах. В число таких явлений входят стресс-коррозия, усталость и старение металла.

5. Недостаточно исследовано влияние дополнительных нагрузок на напряжённое состояние газопровода. Не исследовано влияние самих опор на напряженное состояние трубопровода, поведение трубопровода за пределами упругости, особенности деформирования отводов, входящих в состав компенсаторов.

Всё это затрудняет совершенствование нормативной базы по диагностике, оценке безопасности, обслуживанию и ремонту воздушных переходов. Поэтому практически все инструкции в основном описывают порядок операций, но не приводят конкретные расчётные методы, формулы, алгоритмы, коэффициенты надёжности и другие необходимые элементы. Их выбор практически полностью зависит от эксперта, следовательно, от человеческого фактора. Это может привести к значительным погрешностям и даже ошибкам, далее к авариям.

Таким образом, существует актуальная проблема совершенствования методической и нормативной базы обследования и оценки технического состояния и безопасности воздушных переходов магистральных газопроводов. Эту важную проблему невозможно полностью решить в одной работе, учитывая большое разнообразие конструкций и» условий эксплуатации. Поэтому в настоящей работе в качестве конкретного примера исследований выбран наиболее сложный из воздушных переходов - переход МГ Челябинск - Пет-ровск через реку Юрюзань на 249 км. Этот переход имеет больший диаметр (1420 мм), протяжённость около 600 м, устроен на 14 опорах, находится под большим рабочим давлением (до 7,3 МПа), однониточный. Все эти особенности в совокупности требуют, чтобы надёжность и безопасность были выше, чем на остальных участках.

Цель работы — совершенствование методов оценки технического состояния и безопасности воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации.

Основные задачи:

2. Оценить возможность и особенности развития стресс-коррозии и других механизмов выхода из строя воздушного перехода газопровода.

3. Исследовать особенности изменения механических свойств металла труб на воздушном переходе газопровода.

4. Разработать методику оценки накопленной повреждаемости воздушного перехода газопровода с учётом фактических нагрузок и произошедших изменений.

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

1. Исследованы поля напряжений на воздушном переходе газопровода с учётом фактических конструктивных особенностей, размеров, нагрузок, условий взаимодействия с опорами и установлено следующее: на начальном участке перехода напряжения достигают предела текучести из-за нарушения работы первой опоры; на конечном участке перехода напряжения достигают предела текучести из-за неудачного расположения последних двух опор и неверного выбора расстояния между ними; контактное взаимодействие опор с трубой приводит к 4-х кратному увеличению напряжений в стенке трубы, что эквивалентно созданию концентрации напряжений.

2. Аналитически, численно и экспериментально исследованы особенности напряжённого состояния отводов. Установлено, что наибольшие напряжения возникают вдоль внутренней "образующей". Уточнена расчётная формула для коэффициента несущей способности отвода.

3. Разработан метод моделирования напряжённо-деформированного состояния трубопровода, находящегося за пределами упругости. Метод основан на деформационной теорией пластичности в сочетании с методом переменных параметров упругости; позволяет сводить решение задачи теории пластичности к решению задач теории упругости, что существенно облегчает расчёты.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

2. Развита методика оценки накопленной повреждаемости и остаточного ресурса воздушного перехода на основе результатов обследований, расчётов напряжённого состояния, фактических режимов нагружения с учётом их нестабильно сти.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования полей напряжений на воздушном переходе газопровода и установленные закономерности, включая: влияние 2-образных компенсаторов и состояния опор на общее напряжённо-деформированное состояние; особенности напряжённого состояния отводов, образующих Ъ-образные температурные компенсаторы; особенности контактного взаимодействия трубы с опорами и вызванная этим концентрация напряжений в стенке трубы.

2. Выводы об ограниченной возможности стресс-коррозии трубопровода на воздушном переходе.

3. Результаты исследования металла труб после длительной эксплуатации газопровода.

4. Методика и результаты расчётов накопленной повреждаемости на воздушном переходе с учётом произошедших изменений и режимов нагру-жения.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Гумерову Айдару Кабировичу и сотрудникам ГУП "ИПТЭР" РБ за критические замечания при разработке математического аппарата, помощь и содействие в постановке экспериментов и практическом внедрении результатов работы. Автор также благодарен руководству ООО "БашНИПИнефть" и коллегам по месту основной работы за понимание и содействие в процессе учёбы в аспирантуре.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Фролов, Алексей Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что на сварных стыках газопровода, включая воздушный переход, некоторые дефекты сварки не обнаруживаются внутритрубны-ми дефектоскопами. Другие дефекты сварки обнаруживаются, но не определяются важнейшие параметры, необходимые для выполнения расчётов. Поэтому при оценке допустимого рабочего давления и остаточного ресурса воздушного перехода целесообразно вводить дополнительные запасы прочности и надежности сварных стыков.

2. На воздушном переходе газопровода металл труб претерпевает те же изменения, что и на подземных участках. При этом снижаются ударная вязкость, пластичность, температура перехода в хрупкое состояние. Эти изменения приводят к снижению остаточного ресурса.

3. Исследованы поля напряжений на воздушном переходе газопровода с учётом всех конструктивных особенностей, включая фактические размеры, расстояния между опорами, наличие отводов, образующих 2-образные компенсаторы, изменившиеся условия взаимодействия с опорами. Для этого сформулирован ряд базовых частных задач и получены соответствующие частные решения, которые могут быть использованы для получения общего решения при любом заданном наборе нагрузок (вес, давление, температура, ветер, реакция опор). Установлен ряд особенностей, в том числе: на начальном и конечном участках перехода напряжения достигают предела текучести из-за неудачного расположения некоторых опор и нарушения заданных условий их взаимодействия с трубопроводом. контактное взаимодействие опор с трубой приводит к 4-х кратному увеличению напряжений в стенке трубы, что эквивалентно созданию концентрации напряжений.

5. В процессе исследований были сформулированы дополнительные актуальные задачи, имеющие отношение к воздушному переходу, и получены соответствующие решения:

5.1. Аналитическим методом и методом конечных элементов исследованы особенности напряженного состояния отводов и установлены важнейшие закономерности, которые получили экспериментальное подтверждение. Установлено, что наибольшие напряжения образуются на внутренней "образующей" отвода. Получены новые уточнённые формулы для коэффициента концентрации напряжений и коэффициента несущей способности отвода, которые позволяют определить допустимое рабочее давления в зависимости от размеров отвода, включая диаметр, толщину стенки, радиус изгиба, а также овальность поперечного сечения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Фролов, Алексей Владимирович, Уфа

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов. — Уфа: Гилем, 2003. — 100 с.

2. Басов К.A. Ansys. Справочник пользователя. М.: ДМК-Пресс, 2005. — 640 с.

3. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. — М.: Высшая школа, 1968. — 512 с.

4. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложения методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. — М.: Высшая школа; 1974. 200 с.

5. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1985.-560 с.

6. Временная инструкция .по оценке качества кольцевых сварных соединений газопроводов, находящихся в эксплуатации, М.: ООО "ВНИИГАЗ", 2006.

7. ВРД 39-1.10-001-99 Руководство по анализу результатов внутритрубной инспекции и оценке опасности дефектов.

8. ВРД 39-1.10-006-2000*. Правила технической эксплуатации магистральных газопроводов.

9. ВРД 39-1.10-016-2000. Методика оценки работоспособности балочных переходов магистральных газопроводов через малые реки, ручьи и другие препятствия.

10. Временная методика по экспертной оценке относительного риска эксплуатации объектов газовой промышленности. Газнадзор. 01.01.9811. ВСН 006-89. Сварка.

11. ВСН 39-1.10-003-2000 Положение по техническому обследованию и контролю за состоянием надземных переходов магистральных газопроводов.

12. ВСН 163-83. Учет деформаций речных русел и берегов, водоемов в зоне14:15.16;17,18,1920:21

Информация о работе

Фролов, Алексей Владимирович
кандидата технических наук
Уфа, 2010
ВАК 25.00.19

Диссертация

Безопасность воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы