Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем

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

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем"

УДК 622 692 4 На правах рукописи

Зубаилов Гаджиахмед Исшилович

111111111II111111111

□□3163432

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

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 4ЯНВ 2008

Уфа 2007

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИПТЭР»), г Уфа

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор технических наук Гумеров Кабир Мухаметович

- доктор технических наук Пашков Юрий Иванович

- доктор технических наук Ямалеев Ким Масгутович

- кандидат технических наук, доцент Худяков Михаил Александрович

• ЗАО Научно-технический центр «Технология, экспертиза и надежность», г Уфа

Защита состоится 25 января 2008 г в 1500 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 «Институт проблем транспорта энергоресурсов»

Автореферат разослан 24 декабря 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук - */ х--Л П Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Роль газораспределительных сетей для народного хозяйства и населения страны трудно переоценить По этим сетям доставляется природный газ непосредственным потребителям металлургическим комбинатам, электростанциям, другим промышленным, бытовым предприятиям, многомиллионному населению страны Газоснабжение является таким же необходимым атрибутом современной цивилизации, как электро- и водоснабжение, транспорт и связь Протяженность трубопроводов газораспределительных сетей в России сегодня превышает 840 тысяч км Из них трубопроводы протяженностью более 380 тысяч км являются подземными стальными и испытывают помимо рабочих нагрузок коррозионно-агрессивное воздействие грунта и блуждающих токов Срок эксплуатации этих трубопроводов в южных и центральных регионах страны достиг 50 55 лет Заменить их в массовом порядке практически нереально Возможности ремонта также сильно ограничены, особенно в густонаселенных районах Продолжать эксплуатацию трубопроводов без достаточного обоснования их безопасности недопустимо

С принятием Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» актуальность данной проблемы обострилась Стали обязательными обследование и экспертиза безопасности трубопроводов со сроком эксплуатации 40 и более лет Однако, как оказалось, нормативная база для организации таких работ была очень слаба Действовавший документ, который регламентировал порядок обследования и принятия решения о продлении срока эксплуатации трубопроводов (РД 204 РСФСР 3 3-87), основывался на так называемой балльной оценке технических характеристик трубопровода Продлеваемый срок эксплуатации хотя и определялся по шкале набранных баллов, но сильно зависел от субъективного мнения человека, производящего оценку Расчеты остаточного ресурса с учетом реальных механизмов и физических явлений, происходящих с трубопроводом в заданных условиях, не выполнялись

Чтобы ликвидировать этот и другие недостатки, был разработан РД 12-411-2002 «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов», который отвечал духу времени и

предусматривал оценку остаточного ресурса расчетным путем на основе результатов приборного обследования трубопроводов с учетом происходящих деградационных процессов В разработке документа принимал участие и автор настоящей диссертационной работы С созданием в стране Системы промышленной безопасности данный документ получил очень широкую известность и распространение С момента его утверждения до сегодняшнего дня накоплен колоссальный опыт диагностики газораспределительных трубопроводов Проблемой занимались десятки экспертных организаций и диагностических центров Только ОАО «ГИПРОНИИГАЗ» обследовало более 1,6 тыс км газопроводов со сроком службы более 40 лет и определило расчетным путем остаточный срок службы от 2 до 17 лет в зависимости от износа

Опыт показал, что данный документ действительно является прогрессивным Но накопилось достаточно много частных вопросов, замечаний, предложений, которые высказывались известными учеными на разных форумах и опубликованы в научных изданиях Предложения появились и у самих разработчиков данного документа Некоторые требования документа оказались излишне консервативными, другие потребовали корректировки Таким образом, появилась необходимость обобщить накопленный опыт, проанализировать предложения и усовершенствовать научные основы обследования и экспертизы безопасности газопроводов

Опасность старых газопроводов в том, что они проложены в населенных пунктах, «входят» в жилые дома и предприятия Хотя давление и снижено, сам газ остается опасным продуктом, горючим и взрывоопасным Можно себе представить последствия некачественной диагностики и экспертизы подземных газопроводов большого города, где много коммуникаций, и по ним газ легко может проникнуть и накопиться внутри здания После этого любая искра приведет к взрыву всего здания Такие примеры, к сожалению, имеются

Диагностика и ремонт газораспределительных сетей встречаются с множеством проблем, в том числе из-за сложностей трассы, насыщенности другими коммуникациями, наличия множества помех электрического и магнитного происхождения, недостаточной изученности некоторых проблем с научной точки зрения

В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в области безопасности газораспределительных систем, делается попытка решить значительную часть из них Для этого поставлены следующие цель и задачи

Цель работы - усовершенствовать методы обеспечения безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем

Основные задачи исследований:

1) выполнить анализ источников опасности при эксплуатации длительно эксплуатируемых трубопроводов газораспределительных систем с учетом накопленного опыта диагностики,

2) изучить динамику изменения свойств металла труб в условиях эксплуатации газораспределительных систем,

3) изучить динамику изменения защитных свойств изоляционного покрытия газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации,

4) усовершенствовать методы оценки безопасности и допустимых условий эксплуатации газопроводов по результатам диагностики,

5) разработать предложения по обеспечению эффективности диагностики и безопасности дальнейшей эксплуатации газораспределительных трубопроводов

Методы решения поставленных задач

Использованы прогрессивные методы и достижения в области диагностики, математическое моделирование физических процессов, положения теорий прочности и механики разрушения

При изучении свойств металла труб применялись методы механических испытаний в разных режимах и проводились металлографические исследования с использованием оптических и электронных микроскопов

Основой для решения поставленных задач явились труды отраслевых институтов (ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», ООО «ВНИИГАЗ», ГУП «ИПТЭР», УралНИТИ), работы ведущих ученых в данной области П П Бородавкина, В В Харионовского, В С Волкова, Ю И Пашкова, А Л Шурайца, Р С Зайнуллина, К М Ямалеева, А С Надршина, А Г Сираева и других

В работе использованы и обобщены результаты обследования трубопроводов газораспределительных систем в разных регионах страны (Саратовской, Московской и Нижегородской областях, Республике Башкортостан) Также использованы результаты многолетних исследований динамики изменения свойств металла труб и сварных элементов при длительном воздействии нагрузок, полученные в трех научных школах Уфимской, Челябинской, Саратовской, в том числе при непосредственном участии автора диссертации

Научная новизна

1 Установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем Показано, что изначально большие запасы прочности распределительных газопроводов практически полностью компенсируют снижение безопасности от эффектов старения металла и позволяют без изменения рабочих давлений эксплуатировать их длительное время

2. Методом математического моделирования установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты (СКЗ), которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всем участке трубопровода Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода

3 Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения с усилением формы при предельно малом радиусе перехода от шва к основному металлу Получена расчетная формула для коэффициента интенсивности напряжений (КИН) и разработан подход к оценке статической прочности на основе положений механики разрушения Установлено, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня

На защиту выносятся

1) закономерности старения и износа трубопроводов газораспределительных систем при длительной эксплуатации,

2) усовершенствованные методы оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации распределительных газопроводов,

3) методы диагностики, оценки состояния изоляционного покрытия, повышения эффективности катодной защиты распределительных газопроводов,

4) новые закономерности распределения напряжений в стыковых сварных соединениях с усилением формы шва,

5) рекомендации по обеспечению безопасности ремонта действующих трубопроводов системы газораспределения,

6) общая методология управления безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанная на усовершенствованных методах диагностики и ремонта

Практическая ценность и реализация результатов работы

1 На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что

- изначально большие запасы прочности газопроводов компенсируют снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов,

- опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство

2 Разработан подход, позволяющий рассчитать допустимый уровень рабочего давления трубопроводов с учетом эффектов старения металла и роста коррозионных дефектов

3 Показано, что путем установки дополнительных СКЗ возможно добиться полной защиты трубопроводов с изношенной изоляцией от коррозии и одновременно снизить энергозатраты на электрохимическую защиту (ЭХЗ)

4 Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и определения переходного сопротивления изоляции

5 Предложен безогневой метод ремонта дефектных участков действующих газопроводов, основанный на формировании композитной изоля-

ционно-силовой оболочки разработки ГУП «ИПТЭР», обеспечивающий безопасность работ при ремонте

Результаты исследований использованы при обследовании и экспертизе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов общей протяженностью более 1,6 тыс км в Саратовской, Ростовской, Оренбургской, Нижегородской и других областях

Результаты работы использованы при разработке следующих отраслевых нормативных документов

- Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД 12-411-01),

- Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления - Саратов ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2005

В настоящее время на стадии апробации находится новая редакция документа о порядке диагностики газораспределительных трубопроводов, где использованы результаты настоящей работы

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических, научно-практических конференциях, конгрессах и семинарах по проблемам строительства и безопасной эксплуатации объектов трубопроводного транспорта, в том числе

1) научно-практической конференции «Проблемы и пути эффективного освоения и использования ресурсов природного и нефтяного газа» (Томск, 2002 г),

2) научно-технической конференции «Научно-технические проблемы совершенствования и развития системы газоснабжения» (Саратов, 2004 г),

3) научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2007 г),

4) научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса» (Уфа, 2007 г),

5) международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2007» (Уфа, 2007 г),

6) научно-практической конференции «Нефтегазовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов» (Уфа, 2007 г)

Публикации

По материалам работы опубликованы 15 научных трудов Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 120 наименований Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 16 таблиц

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП «ИПТЭР» и ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», руководителям Волкову Владимиру Семеновичу, Пашкову Юрию Ивановичу и Гумерову Кабиру Му-хаметовичу за помощь и советы при выполнении и оформлении диссертационной работы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации Сформулированы цель работы и основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные защищаемые положения

В первой главе рассматриваются актуальные проблемы обеспечения длительной безопасности трубопроводов газораспределительных систем, которые вытекают из их особенностей, условий эксплуатации, а также качества нормативной базы

Подземные трубопроводы газораспределительных систем сооружаются из бесшовных и сварных труб из низколегированных и малоуглеродистых сталей спокойной и полуспокойной плавки с предельным содержанием углерода не более 0,27 %, серы - не более 0,05 %, фосфора - не более 0,27 % Эквивалент по углероду не более 0,46 %, что обеспечивает удовлетворительную свариваемость Пределы прочности и текучести сталей трубопроводов находятся соответственно в диапазонах 255 530 МПа и 174 323 МПа Отношение а,/ств малоуглеродистых сталей находится в диапазоне 0,50 0,65, низколегированных - в диапазоне 0,6 0,7 Относительное удлинение 5 сталей от 21 до 33 % Ударная вязкость (КСУ) или не регламентируется, или выше 35 Дж/см2

Более 96 % всех подземных стальных распределительных газопроводов имеют диаметры 377 мм и менее, толщину стенки от 4 до 7 мм (рисунок 1). Рабочие давления трубопроводов для распределения природного газа не более 1,2 МПа, для транспортировки СУГ - не более 1,5 МПа.

Трубопроводы газораспределительных систем являются низкона-груженными по отношению к предельному разрушающему давлению. Они обладают 10...15-кратным запасом прочности по отношению к пределу прочности применяемых сталей. Поэтому на этих трубопроводах не происходят разрушения от действия внутреннего давления (статические, усталостные, стресс-коррозионные).

Относительная

Наружный диаметр, мм

Рисунок 1 - Распределение стальных подземных газопроводов по диаметрам (по состоянию на июль 2006 г.)

Большую роль играет защита от почвенной коррозии, которая осуществляется изоляционным покрытием и катодным потенциалом. Условия эксплуатации характеризуются наличием блуждающих токов от многочисленных подземных, наземных и подземных коммуникаций, электротранспорта, электроустановок промышленных предприятий. На трубопроводах со сроком эксплуатации более 30 лет изоляционное покрытие на битумной основе по многим характеристикам (адгезии, прочности, переходному сопротивлению и др.) перестало удовлетворять нормативным требованиям.

Сроки эксплуатации подземных стальных газораспределительных трубопроводов достигают 50...55 лет. При этом сильно ограничены воз-

можности замены изоляции, и совсем невозможно проводить внутритруб-ную диагностику При обследовании, главным образом, выявляются места с поврежденной изоляцией, утечки газа, нарушения правил безопасности Ремонт сводится к восстановлению герметичности трубопровода и ликвидации локальных дефектов изоляции и трубы

Вышеуказанные особенности газопроводов и условия эксплуатации напрямую определяют механизмы образования источников опасности, из которых наиболее опасны следующие

- разгерметизация трубопровода от коррозии или механических повреждений, выход и скопление газа в ограниченном объеме помещений, образование газовоздушной смеси и взрыв,

- разрыв трубопровода по стыку под действием растягивающих и изгибающих нагрузок по разным причинам (наезд техники, размыв русла реки, оползень, землетрясение и т д)

Степень опасности газопроводов определяется также свойствами газа и газовоздушной смеси, образуемой при потере герметичности трубопровода Газ обладает отравляющим действием на организм человека Смесь метана с воздухом взрывается, если в ней содержится 5,3 15,0 % метана

Анализ нормативных документов по проектированию, обследованию и ремонту газораспределительных трубопроводов показал, что по некоторым важным положениям они нуждаются в существенной переработке с учетом накопленного опыта

Методы ремонта дефектных участков трубопроводов основаны на шлифовке и сварке, но в них недостаточно внимания уделяется

- особенностям системы газораспределения (низкие нагрузки и тонкие стенки труб),

- выбору безопасных способов, условий и режимов сварки и наплавки, сварочных материалов, контролю качества,

- безогневым методам усиления труб (без искр и сварочной дуги)

Вторая глава посвящена анализу опыта диагностики стальных подземных трубопроводов газораспределительных систем

Правилами безопасности систем газораспределения и газопотребления (ПБ 12-529-03) предусмотрено обязательное выполнение диагностики с определением возможности и условий дальнейшей эксплуатации стальных газопроводов, прослуживших 40 лет и более Обследование рекомендуется проводить в соответствии с Инструкцией по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД 12-411-01), разработанной с участием автора настоящей работы Несмотря на обнаруженные несовершенства, данный документ сыграл положительную роль в системе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов, позволил от субъективной балльной оценки технического состояния перейти к количественной оценке, основанной на расчетах В соответствии с требованиями РД 12-411-01, диагностика газопроводов состоит из двух этапов диагностирование без вскрытия грунта (бесшурфовое) и шурфовое диагностирование

Диагностирование без вскрытия грунта включает

- проверку трубопровода на герметичность (газоанализатором),

- проверку работы электрохимической защиты (электрометрическими измерениями),

- проверку состояния изоляции (приборами типа УКИ-1М),

- выявление участков с аномалиями металла труб (магнитометрическими методами),

- определение коррозионной агрессивности грунта (электрическими измерениями с помощью приборов типа М-416) и наличия блуждающих токов

Шурфовое диагностирование включает

- измерение защитного потенциала (поляризационного и суммарного),

- определение свойств изоляционного покрытия,

- определение степени коррозионных повреждений трубопровода,

- определение качества сварных стыков,

- определение физико-механических свойств металла,

- определение напряженно-деформированного состояния (приборами «Пион-01» и «Уралец» магнитно-шумового действия)

Опыт диагностики распределительных газопроводов, прослуживших 40 лет и более, показал, что за это время произошли существенные изменения

Изоляционное покрытие состарилось Это выразилось в значительном снижении адгезии, растрескивании, потере электрической плотности Переходное сопротивление, в основном, падает, разброс значений растет После 40 лет эксплуатации дисперсия переходного сопротивления в два раза превышает его среднее значение (рисунок 2)

Количество

измерений, % ________

30----------

25 -—---------

20 -—----------

15 ■■ - -------

10------- ---------

5---------

0 ---------

0 0 20 50 100 200 500 1000 2000

Переходное сопротивление июляции , Ом-м2

Рисунок 2 - Разброс значений переходного сопротивления изоляционного покрытия после 40 лет эксплуатации газопроводов

Металл труб претерпел изменения, но эти изменения не вывели его механические свойства за пределы нормативных требований

Остаточный ресурс трубопроводов по динамике изменения свойств металла и роста коррозионных дефектов колеблется в пределах от нуля до 40 лет

Остаточный ресурс изоляционного покрытия не удается рассчитать из-за погрешностей самой методики и из-за разброса значений переходного сопротивления изоляционного покрытия даже в пределах короткого участка трубопровода (шурфа)

Объемы требуемых ремонтных работ определяются, главным образом, неудовлетворительным состоянием изоляционного покрытия Но технология механизированного выполнения ремонтных работ по замене изоляционного покрытия подземных трубопроводов газораспределительных систем на сегодняшний день не отработана

Опыт обследований старых газопроводов также показал, что за 40 лет сама трасса местами сильно меняется появляются новые дороги, коммуникации, населенные пункты, предприятия Происходят эрозия и размыв грунта Некоторые реки меняют свои русла В результате появляются новые воздушные и водные переходы, не предусмотренные проектом Для этих случаев разработана расчетная программа, позволяющая решать задачи о напряженно-деформированном состоянии воздушных и подводных переходов трубопроводов по результатам обследования

На нескольких примерах показано, что обследование и ремонт переходов через железные дороги затруднены, и требуются новые методы и технологии

Опыт диагностики трубопроводов показал также, что нормативная база и приборная часть требуют дальнейшего совершенствования с учетом особенностей газораспределительных сетей

Третья глава посвящена изучению динамики изменения свойств металла при длительной эксплуатации трубопроводов Изучать общие закономерности невозможно, оставаясь только в рамках газораспределительных систем Поэтому в данной главе рассматривали поведение металла труб в широких диапазонах действия рабочих давлений, внешних нагрузок, температур и других воздействий Полученные закономерности можно использовать при оценке безопасности практически всех типов нефтегазопроводов (магистральных, промысловых, распределительных), а также оборудования и резервуаров с учетом условий их эксплуатации

Благодаря результатам ранее проведенных исследований, а также выполненных в рамках настоящей диссертации можно считать неоспоримым фактом, что металлы труб изменяют свои свойства при длительной эксплуатации Причем, деградационные процессы присущи как трубопро-

водам, испытывающим высокие напряжения, так и находящимся под относительно низким внутренним давлением

Как показали эксперименты, при нагружении внутренним давлением, соответствующим окружным напряжениям в стенке 0,75 стт, в течение 9,5 лет ударная вязкость металла снижается на 30 40 % При меньших рабочих давлениях этот процесс также происходит За относительно небольшое время нагружения, не превышающее 4-х лет, вся кривая зависимости ударной вязкости от температуры испытаний монотонно снижается и, в свою очередь, зависит от величины внутреннего давления (рисунок 3) При давлении 1,2 МПа уровень КСУ снизился примерно на 10 % по отношению к исходному значению, при давлении 13 МПа (соответствует а = 0,8 стт) - на 40 50 % при всех температурах испытаний

КСУ, Дж./см1

труба в исходном состоянии, труба нагружена давлением 1,2 МПа, труба нагружена давлением 13 МПа

Рисунок 3 - Температурная зависимость ударной вязкости стали 10

при разных уровнях окружных напряжений в стенке трубы

На графиках зависимости физических и механических свойств основного металла и сварного соединения трубопроводов от времени нагружения имеются два характерных интервала времени (рисунок 4) В первом интервале пластические и вязкие характеристики материалов трубопроводов мало изменяются, частота отказов остается относительно невысокой Во втором интервале происходит более существенное снижение пластических свойств, ударной вязкости и процента вязкой составляющей в изло-

мах ударных образцов как для основного металла, так и для сварного соединения При сроках эксплуатации более 20 25 лет значения ударной вязкости могут выйти за пределы, определенные нормативными требованиями При этом металлы трубы и сварного соединения переходят в хрупкое состояние Число отказов на трубопроводах заметно увеличивается

Из множества известных характеристик металлов при определении допустимого рабочего давления используются только предел текучести и предел прочности, которые названы расчетными параметрами При длительной эксплуатации трубопроводов расчетные параметры изменяются незначительно Другие параметры, не участвующие в расчетах (ударная вязкость, относительное растяжение, относительное сужение при разрыве, процент вязкой составляющей в изломе, температура вязкохрупкого перехода и другие), при длительной эксплуатации трубопроводов претерпевают значительные изменения (растут или снижаются) В диссертационной работе предложен метод учета нерасчетных характеристик металла, чувствительных к деградационным процессам, при корректировке допустимых рабочих параметров трубопроводов при длительной эксплуатации

KCV Дж/<

125 100 75 50

25

м2

\ О О

Г1

а)

KCV

125 100 75 50 25

м2

J 3 - _ !

1

^ Г\ l'X

I [\ ? 1 \S i <î

6) г 1 1 ! !

10 15 20 25 Т, лет

0 5 10 15 20 25 T, лет 0 !

а) б)

а) магистральные нефтепроводы (стали 17ГС, 14ХГС, 17Г1С),

б) магистральные нефтепроводы (стали 16Г2-У, 19Г), сварной шов (Св 08А, флюс АН-60)

Рисунок 4 - Зависимость механических свойств металла различных трубопроводов от продолжительности эксплуатации

Например, изменение ударной вязкости металла учитывается через баланс энергий, высвобождаемой при разрушении газопровода путем роста трещины и затрачиваемой на разрыв межмолекулярных связей при этом Характер взаимосвязи допустимого рабочего давления Рраб и ударной вязкости описывается следующим уравнением

03 + Рраа 1 О2

1п

' раб

Р

V го У

= 1 с

(1)

8Е1 4

Здесь Э - диаметр трубы, I - толщина стенки, Е - модуль упругости металла, Р0 -атмосферное давление (0,1 МПа), С, - удельная энергия образования трещины (величина, пропорциональная ударной вязкости)

На изменение каждого из п параметров металла (ударной вязкости КСУ, относительного удлинения при разрыве 5, относительного сужения при разрыве отношения пределов текучести и прочности % = ат /ств, трещиностойкости атр и т д) рекомендуется ввести п соответствующих частных коэффициентов старения (К^су, К8, К¥, Кх, Ка и т д ) Поскольку эти параметры описывают состояние одного и того же металла и поэтому не являются независимыми, предлагается найти интегральный коэффициент старения металла трубопровода следующим образом

К =

(2)

На рисунке 5 показан принцип построения частных коэффициентов старения металла

К,

ксу

а)

30 Дж/см2 КСУ

б)

Рисунок 5 - Определение коэффициентов старения по ударной вязкости (а) и относительному удлинению при разрыве (б) сталей труб

Для трубопроводов газораспределительных систем предложен алгоритм расчета допустимых рабочих давлений с учетом процессов старения металла и дефектов, обнаруженных в процессе диагностики В качестве иллюстрации приведен пример, взятый из практики

Газопровод диаметром О = 219 мм и толщиной стенки I = 5 мм эксплуатируется под рабочим давлением 1,2 МПа Материал трубы - Ст 4 Испытаниями определены временное сопротивление ств = 382 МПа, предел текучести металла труб ат = 255 МПа, относительное удлинение при разрыве 5 = 25 %, относительное сужение \|/ = 30 %, трещиностойкость металла атр = 0,75, ударная вязкость при температуре минус 20 °С КСУ~20 = 25 Дж/см2 На поверхности трубы обнаружены коррозионные язвы глубиной до 2 мм

По нормам расчета распределительных газопроводов, в исходном состоянии можно было допустить рабочее давление 6,89 МПа Интегральный коэффициент старения составил 0,91 Следовательно, явления старения металла снизили допускаемое рабочее давление до уровня 6,27 МПа Наличие дефекта привело к дальнейшему снижению допустимого рабочего давления до уровня 3,76 МПа Тем не менее, это выше существующего рабочего давления 1,2 МПа Следовательно, данный газопровод может эксплуатироваться без снижения существующего рабочего давления, если будет остановлен процесс коррозии Для этого рекомендуется провести ремонт - восстановить изоляционное покрытие на дефектных участках и следить за тем, чтобы защитный потенциал находился в пределах нормы

Данный пример показывает, что эффекты старения металла труб газораспределительных систем практически не требуют снижения рабочих давлений, поскольку изначально трубопроводы обладают очень большим запасом прочности

В четвертой главе рассматриваются вопросы контроля изоляционного покрытия трубопроводов газораспределительных систем

Подземные стальные трубопроводы имеют двойную защиту от коррозии пассивную и активную Роль пассивной защиты выполняет изоляционное покрытие, активной - катодный потенциал При сильном износе изоляционного покрытия активная защита не справляется из-за больших

потерь защитного тока через дефекты изоляции Поэтому роль покрытия важна вдвойне Контроль состояния изоляции обычно проводят электрометрическими методами Однако при интерпретации результатов измерений и последующих оценках имеются проблемы, которые исходят из следующих особенностей газораспределительных систем

1 Практически все распределительные газопроводы, отслужившие 40 и более лет и подлежащие комплексному обследованию, покрыты битумной изоляцией Нормативный срок эксплуатации битумной изоляции составляет всего 15 20 лет За 40 лет битум в значительной степени теряет защитные свойства, охрупчивается, растрескивается, отслаивается от поверхности трубы

2 Газораспределительные трубопроводы пересекают множество дорог, подземных, наземных и воздушных коммуникаций, которые затрудняют обследование Отдельные участки, где появились новые строения, насаждения, заборы, становятся недоступными для приборного и шурфо-вого обследований

3 В результате старения материалов значения всех характеристик покрытия - адгезии, переходного сопротивления, механических свойств, электрической плотности - имеют очень большие разбросы, практически от нуля, даже в пределах одного шурфа Дисперсии этих параметров как минимум в два раза больше, чем их средние значения Если по результатам локальных измерений (в шурфах) рассчитывать остаточный ресурс изоляционного покрытия, то получим цифры от нуля и выше - набор случайных остаточных ресурсов без определенного физического смысла Поэтому на старых трубопроводах при оценке их состояния нецелесообразно пользоваться локальными характеристиками покрытия Надо найти такие характеристики, которые описывают защитные свойства изоляционного покрытия на некотором конечном участке трубопровода Длина участка может быть различной в зависимости от конкретных условий, например 100 м или 1 км

Как известно, изоляционное покрытие должно выполнять две основные функции максимально препятствовать доступу к поверхности трубы грунтовой воды с ее солями и ионами, снизить до минимума утечку защитного тока с трубы в грунт Доступ грунтовой воды к поверхности ме-

талла и утечка электрического тока с трубы в грунт взаимосвязаны и описываются одним и тем же механизмом - движением молекул и ионов из грунта к поверхности металла и обратно Поэтому барьерные свойства изоляционного покрытия лучше всего характеризуются переходным сопротивлением, но не локальным, а интегральным для выбранного участка трубопровода (длиной 100 м или 1 км) Интегральное переходное сопротивление изоляции фактически вбирает в себя все локальные характеристики изоляции, но не является случайной величиной Поэтому здесь нет таких понятий как разброс и дисперсия Интегральное переходное сопротивление не является средним значением, а является однозначной характеристикой изоляционного покрытия на выбранном участке

Для определения интегрального переходного сопротивления покрытия разработана математическая модель растекания тока через покрытие на конечном участке трубопровода Согласно этой модели, распределение потенциалов ф и токов I вдоль трубопровода описывается следующими выражениями

Ф = С, ехр^г) + С, ехр{-цг), 5 = у ехр^г) - С, ехр(- (3)

г - Х ^в-Фа р (А. фА-фв) г

' 2 *г-1 ' 3 у (А2-1)'

Здесь фА, фв и 1в - потенциалы и токи на концах выбранного участка АВ длиной I (за точки А и В можно принять положения СКЗ), ры - удельное сопротивление металла трубы, II - переходное сопротивление изоляции (единицы площади) Задача состоит в том, чтобы по измеренным значениям фА, Фв и Дд, определить такое значение Я, которое удовлетворяет выражениям (3) Измерение потенциалов фА и <[>ц выполняется с помощью высокоомного вольтметра, измерение токов ^ и ^ - с помощью бесконтактного прибора типа «Орион-1»

Выражения (3) позволяют также рассмотреть различные варианты расположения станций катодной защиты и выбрать оптимальные с точки зрения обеспечения полной защиты и минимизации энергозатрат На ри-

сунке 6 приведены результаты такого анализа для ряда трубопроводов при разных характеристиках изоляционного покрытия Я. На графиках - полезная мощность катодной защиты трубопровода протяжённостью 100 км; ЛЬ - расстояние между смежными СКЗ.

\Л/, кВт

12 5 4

е 9 10

ли, КМ

Рисунок 6 - Энергозатраты на катодную защиту трубопроводов

Результаты расчетов показывают, что путем оптимизации расположения СКЗ можно обеспечить не только полную защиту трубопроводов с изношенной изоляцией, но и снизить энергопотребление в 2 3 раза Для каждого трубопровода существует предельное допустимое расстояние между СКЗ (на рисунке 6 отмечены темными точками) При больших расстояниях между СКЗ защитный потенциал в некоторых местах выходит за пределы минус (0,9 2,5) В при любых режимах работы СКЗ

В пятой главе рассматриваются вопросы диагностики, оценки и восстановления трубопроводов газораспределительных систем

На основе анализа источников опасности на газопроводах предложен следующий объем оценок по результатам диагностики

- оценка свойств металла труб и дополнительного коэффициента надёжности на возможное старение металла,

- оценка свойств изоляционного покрытия по интегральному переходному сопротивлению,

- оценка скорости коррозии и степени опасности обнаруженных дефектов металлической составляющей трубопровода

Контроль металла трубопроводов достаточно проводить один раз в 10 лет испытаниями образцов или методами неразрушающего контроля

Предложена трехуровневая диагностика изоляционного покрытия трубопроводов. 1) контроль интегрального переходного сопротивления, 2) поиск локальных дефектов изоляции, 3) шурфовые обследования Результаты предыдущего уровня контроля определяют необходимость последующих его этапов

Трубопроводы газораспределительных систем не приспособлены для проведения внутритрубной диагностики Обнаружить дефекты металлической составляющей трубопровода возможно по результатам комплексного применения трех методов, таких как

- электрометрические измерения (приборами типа УКИ-Ш, КАОДИ, АНТПИ, АНТПИ, «Поиск» и др),

- метод магнитной локации (с помощью приборов «Орион-1», «2опё»),

- работа с газоанализатором

Одним из характерных типов отклонений сварных стыков от проектных требований является чрезмерное усиление формы сварных швов. В связи с этим решена задача о концентрации напряжений в сварных соединениях с усилением формы шва и с резким переходом от шва к металлу трубы (рисунок 7). Решение показало, что резкий переход от шва к основному металлу (точка О) является трещиноподобным концентратором напряжений с особенностью вида

Ь'

-Т-^(ф) пРи

(4)

Здесь г, ф - полярные координаты вокруг точки О; К - коэффициент интенсивности напряжений; к - параметр особенности концентратора напряжений. Параметр к зависит только от угла со, в данном случае (со = 135°) к = 0,3264. Чем ближе точка находится к вершине концентратора О, тем меньше значение г и больше значения напряжений. При г —> 0 получаем а со (рисунок 8).

«5-

3.

С«. МПа 3.5 3 2,5 2

1,5 1

0,5 О

t = 10 мм Ь = 20 мм Ои = 1 МПа ^ = 2 мм Сечение Х = 0

Рисунок 7 - Расчётная модель сварного соединения и концентрация напряжений в окрестности резкого перехода от шва к основному металлу

Рисунок 8 - Распределение напряжений стх в окрестности резкого перехода от шва к основному металлу

0,5

Для коэффициента интенсивности напряжений получено выражение К = стн Iх Цц), Г = 0,3148 +0,088 г\, ц = 0,1<т]<0,5 (5) Это выражение можно использовать для сравнительной оценки степени опасности сварных соединений с различными усилениями формы Например, нормативными документами допускается высота шва до 30 % от толщины стенки, чему соответствует г|, = £,/5 = 0,3 Все, что выше, считается недопустимым Например, если обнаружен сварной шов с высотой усиления 50 %, то ему соответствует г\2 = 0,5 Отношение коэффициентов интенсивности для этих случаев найдем, используя (5)

К2 _ сгн 5х-Дть) _ 0,3148 + 0,088 0,5 _ 0,815 _} од К,~а„ 5х ^л,)" 0,3148+ 0,088 0,3 ~ 0,591 ~ ' Следовательно, во втором случае КИН выше на 5 %, а предельное состояние достигается при нагрузках на 5 % ниже, чем в первом случае

На основе анализа известных методов ремонта трубопроводов выбраны наиболее эффективные для газораспределительных систем

Показана эффективность установки дополнительных станций катодной защиты на участках с изношенным изоляционным покрытием, где замена изоляции затруднена

Показано, что наиболее перспективным безогневым методом локального ремонта действующих трубопроводов является формирование на дефектном участке трубопровода композитной изоляционно-силовой оболочки (разработка ГУП «ИПТЭР») Метод позволяет усиливать участки трубопровода с дефектами любых видов и размеров

Предложена сборно-разборная конструкция переходов трубопроводов через дороги, основанная на разработках специалистов ООО «Баштрансгаз», исключающая электрическую экранизацию трубопровода футляром

Основные выводы

1 На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что

- снижение прочности вследствие старения металла труб и появления коррозионных дефектов компенсируется изначально большими запасами прочности газопроводов,

- наибольшую опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство

2 Установлены и изучены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем Установлено, что на графиках зависимости физических и механических свойств основного металла и сварного соединения трубопроводов от времени эксплуатации имеются два интервала В первом интервале пластические и вязкие характеристики материалов трубопроводов практически не изменяются, частота отказов остается относительно невысокой Во втором интервале происходит снижение пластичности и ударной вязкости При сроках эксплуатации более 20 25 лет значения ударной вязкости могут выйти за пределы, определенные нормативными требованиями При этом металл трубы и сварного соединения переходит в хрупкое состояние Число отказов на трубопроводах заметно увеличивается

3 После 40 лет эксплуатации газораспределительных трубопроводов изоляционное покрытие в значительной степени теряет защитные свойства, что одновременно приводит к снижению эффективности электрохимической защиты (ЭХЗ) примерно на 50 % Разработана математическая модель системы ЭХЗ, которая позволила установить, что введением дополнительных станций катодной защиты возможно добиться полной защиты трубопровода с изношенной изоляцией и одновременно понизить суммарные энергозатраты на функционирование системы ЭХЗ Установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты, которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всем участке трубопровода Это расстояние уменьшается с уменьшением значений переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода

4 Для трубопроводов газораспределительных систем предложены методика и алгоритм расчета допустимых рабочих давлений с учетом процессов старения металла и дефектов, обнаруженных в процессе диагностирования Методика позволяет корректировать допустимые рабочие давления с учетом расчетных (пределы прочности и текучести) и нерасчетных характеристик металла, чувствительных к деградационным процессам, в

том числе ударной вязкости, пластичности, трещиностойкости, относительных удлинения и сужения при разрыве и т д

Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и определения переходного сопротивления изоляции

5 Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения Получена расчетная формула для коэффициента интенсивности напряжений, которая позволила установить, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления шва выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня

6 Разработаны предложения по управлению безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанные на усовершенствованных методах диагностики и ремонта Предложения нашли отражение в ряде отраслевых нормативных документов

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Пат 2191366 РФ, МПК в 01 N 3/30 Образец для испытаний металла цилиндрических изделий на ударный изгиб / Ю И Пашков, ВС Волков, Г И Зубаилов и др (РФ) - 2000126358/28, Заявлено 19 10 2000, Опубл 19 10 2002 Бюл 29

2 РД 12-411-01 Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов / Г И Зубаилов, В С Волков, Ю И Пашков, А Л Шурайц и др - М ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2001 - 101 с

3 Шурайц А Л, Поляков В И, Зубаилов Г И Апробация РД 12-411-01 «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» (Анализ и обобщение данных) // Проблемы и пути эффективного освоения и использования ресурсов природного и нефтяного газа Матер научн-практ конф - Томск, 2002 - С 21-26

4 Сорокин А А , Шурайц А Л, Зубаилов Г И, Ослопов Ю А Опыт технического диагностирования подземных газопроводов // Безопасность труда в промышленности -2003 -№5 - С 10-12

5. СП 42-102-2004. Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб / Г И Зубаилов, В С. Волков, А Л Шурайц и др - М ЗАО «Полимергаз», 2004 - 106 с

6 Зубаилов Г И., Маркушин А Г К определению напряженно-деформированного состояния металлопластмассовой газовой трубы высокого давления // Научно-технические проблемы совершенствования и развития системы газоэнергоснабжения Сб научн тр / СГТУ - Саратов, 2004 - С 24-28

7 Методика технического диагностирования надземных газопроводов /ЮН Вольнов, Р П Гордеева, Г И Зубаилов, М С Недлин - Саратов ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2004 -24 с

8 Зубаилов Г И, Ослопов Ю А, Самохвалова Л К Нормативные требования к качеству стальных труб для газораспределительных систем // Арматуростроение.-2005 -№2(34) - С. 10-13

9 Руководящий документ Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления / Г И Зубаилов, В С Волков, А Л Шурайц и др - Саратов ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2005 - 40 с

10 Зубаилов ГИ, Гумеров КМ, Чахеев АЛ Безопасность трубопроводов системы газораспределения // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа Матер научн -практ конф 22 мая 2007 г - Уфа, 2007 - С 86-88

11 Зубаилов Г И, Гумеров К М, Гиззатуллин Р Р Ударная вязкость металла и прочность трубопровода // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа Матер, научн -практ конф 22 мая 2007 г - Уфа, 2007 - С 169-171

12 Зубаилов Г И, Гумеров К М, Гиззатуллин Р Р Влияние ударной вязкости на прочность трубопровода // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» - Уфа, 2007 - Вып 3 (69) -С 33-36

13 Зубаилов Г И Влияние изменений механических свойств металла на рабочие характеристики газораспределительных трубопроводов // Нефтегазовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов Матер научн-практ конф 14-15 ноября 2007 г - Уфа, 2007 - С 159-162

14 Иваненков В В , Зубаилов Г И, Гиззатуллин Р Р Моделирование распределения токов и потенциалов в подземном трубопроводе // Нефтега-

зовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов Матер научн-практ конф 14-15 ноября 2007 г - Уфа, 2007 - С 156-158

15 Гиззатуллин Р Р , Арсланов И Н, Зубаилов Г И Моделирование и расчет концентрации напряжений в сварных стыковых соединениях // Трубопроводный транспорт - 2007 Тез докл Междунар учебн -научн -практ конф / Под ред А М Шаммазова и др - Уфа ДизайнПолиграф-Сервис, 2007 - С 130-131

Фонд содействия развитию научных исследований Подписано к печати 21 12 2007 г Бумага писчая Заказ № 704 Тираж 100 экз Ротапринт ГУП «ИПТЭР» 450055, г Уфа, пр Октября, 144/3

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Зубаилов, Гаджиахмед Исмаилович

ВВЕДЕНИЕ.

1 АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

1.1 Особенности трубопроводов систем газораспределения.

1.2 Анализ нормативной базы по обеспечению безопасности трубопроводов газораспределительных систем.

1.3 Некоторые проблемы оценки остаточного ресурса трубопроводов газораспределительных систем.

Выводы по разделу 1.

2 ОПЫТ ДИАГНОСТИКИ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

2.1 Диагностика межпоселковых и внутрипоселковых стальных газопроводов

2.2 Обследование воздушных и подводных переходов.

2.3 Обследование переходов газопровода через дороги.

Выводы по разделу 2.

3. ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ.

3.1 Экспериментальное исследование динамики изменения механических свойств металла трубопроводов.

3.2 Влияние ударной вязкости на допустимые рабочие параметры трубопровода.

3.3 Оценка влияния нерасчётных характеристик металла на допустимые режимы эксплуатации трубопровода.

3.4 Влияние изменений механических свойств металла на рабочие характеристики трубопроводов газораспределительных систем 117 Выводы по разделу 3.

4 КОНРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

4.1 Особенности изоляционного покрытия старых трубопроводов и выбор параметра, характеризующего его защитные свойства

4.2 Определение интегрального переходного сопротивления.

4.3 Методика обследования изоляционного покрытия подземных стальных трубопроводов.

4.4 Математическое моделирование электрохимической защиты трубопроводов с изношенным изоляционным покрытием.

Выводы по разделу 4.

5 ДИАГНОСТИКА, ОЦЕНКА И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

5.1 Особенности диагностики трубопроводов газораспределительных систем.

5.2 Оценка опасности дефектов в трубопроводах газораспределительных систем.

5.3 Моделирование и расчёт концентраций напряжений на сварных стыках.

5.4 Методы восстановления трубопроводов газораспределительных систем по результатам диагностики.

Выводы по разделу 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем"

Протяжённость трубопроводов газораспределительных сетей в России сегодня превышает 840 тыс. км, что почти в 4 раза превышает протяжённость магистральных газо-, нефте- и нефтепродуктопроводов вместе взятых. Роль газораспределительных сетей для народного хозяйства и населения страны трудно переоценить. По этим сетям доставляется природный газ к непосредственным потребителям: металлургическим комбинатам, электростанциям, другим промышленным, бытовым предприятиям, десяткам миллионам населения страны. Газоснабжение является таким же необходимым атрибутом современной цивилизации, как электро- и водоснабжение, транспорт и связь.

Если об опасности самого газа мы - потребители газа - ещё помним в повседневной жизни, об опасности самих трубопроводных сетей почти не задумываемся. Это является косвенным признаком высокой надёжности трубопроводов системы газораспределения. Практически никто из нас ни разу не встречался с разрывом трубопроводов газораспределительных сетей. Те пожары и взрывы, которые случаются из-за газа, мы обычно связываем с самим газом и (или) человеческим фактором.

Между тем, более половины газораспределительных трубопроводов подземные; 85 % из них стальные. Срок эксплуатации этих трубопроводов в южных и центральных регионах страны достиг 50-55 лет. Заменить их в массовом порядке практически нереально. Возможности ремонта также сильно ограничены, особенно в городских кварталах. Продолжать эксплуатацию трубопроводов без достаточного обоснования их безопасности недопустимо

С принятием Федерального закона "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" актуальность данной проблемы обострилась. Стало обязательным обследование и экспертиза безопасности трубопроводов со сроком эксплуатации 40 и более лет. Однако, как оказалось, нормативная база для этих работ была очень слаба. Действовал только один документ, который регламентировал порядок обследования и принятия решения о продлении срока эксплуатации трубопроводов - РД 204 РСФСР 3.3-87 "Оценка технического состояния подземных газопроводов. Общие требования". Он основывался на так называемой бальной оценке технических характеристик трубопровода. Баллы проставлялись в зависимости от количества случаев утечки газа за всё время эксплуатации, количества обнаруженных дефектов изоляции, выявленных коррозионных дефектов на поверхности трубопровода, от качественных характеристик сварных стыков, наличия или отсутствия блуждающих токов. Продлеваемый срок эксплуатации определялся по шкале набранных баллов. Расчёты остаточного ресурса с учётом реальных механизмов и физических явлений, происходящих с трубопроводом в заданных условиях, не выполнялись. В то же время на других отраслях, таких как магистральные трубопроводы, система диагностики была развита значительно шире и глубже.

Чтобы ликвидировать этот и другие недостатки, был разработан документ РД 12-411-2002 "Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов", который отвечал духу времени и предусматривал оценку остаточного ресурса расчётным путём на основе результатов приборного обследования трубопроводов, с учётом происходящих деградационных процессов. В разработке документа принимал участие и автор настоящей диссертации.

С созданием в стране Системы промышленной безопасности данный документ получил очень широкую известность и распространение. С момента его утверждения до сегодняшнего дня получен колоссальный опыт диагностики газораспределительных трубопроводов по стране. Проблемой занимались десятки экспертных организаций и диагностических центров. Только ОАО "Ги-прониигаз" обследовало более 1,6 тысяч км газопроводов со сроком службы более 40 лет и определило расчётным путём остаточный срок службы от 2 до 17 лет в зависимости от полученного износа.

Опыт показал, что данный документ действительно является прогрессивным. Но накопилось и достаточно много частных вопросов, замечаний, предложений по методике, которые высказывались известными учёными на разных форумах и опубликованы в научных изданиях. Предложения появились и у самих разработчиков данного документа. Некоторые требования документа оказались излишними, другие потребовали корректировки. Таким образом, появилась необходимость обобщить наработанный опыт, проанализировать предложения, и представить новую редакцию инструкции по обследованию газопроводов.

Значение такого документа огромно для безопасности страны. Опасность старых газопроводов в том, что они проложены в населённых пунктах, входят в жилые дома и предприятия. Хотя давление и снижено, сам газ остаётся опасным продуктом, горючим и взрывоопасным. Можно себе представить последствия некачественной диагностики и экспертизы подземных газопроводов большого города, где много коммуникаций и по ним газ легко может проникнуть и накопиться внутри здания. После этого любая искра приведёт к взрыву всего здания. Примеры таких случаев имеются.

Диагностика и ремонт газораспределительных сетей встречается с множеством проблем, в том числе из-за сложностей трассы, насыщенности другими коммуникациями, наличия множества помех электрического и магнитного происхождения, недостаточной изученности некоторых проблем с научной точки зрения. И действительно, по сравнению с другими отраслями мало защищенных диссертаций по газораспределительным сетям.

В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в области безопасности газораспределительных систем, делается попытка решить часть из них. Для этого поставлены следующие цель и задачи:

Цель - совершенствовать методы обеспечения безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем.

Задачи:

1. Выполнить анализ источников опасности при эксплуатации длительно эксплуатируемых трубопроводов газораспределительных систем с учётом наработанного опыта диагностики.

2. Изучить динамику изменения свойств металла труб в условиях эксплуатации газораспределительных систем.

3. Изучить динамику изменения защитных свойств изоляционного покрытия газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации.

4. Усовершенствовать методы оценки безопасности и допустимых условий эксплуатации газопроводов по результатам диагностики.

5. Разработать предложения по обеспечению эффективности диагностики и безопасности дальнейшей эксплуатации газораспределительных трубопроводов.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ОАО "Гипрониигаз", ООО "ВНИИГАЗ", ГУП "ИПТЭР", УралНИТИ), работы ведущих ученых в данной области: П.П. Бородавкина, В.В. Харионовско-го, B.C. Волкова, Ю.И. Пашкова, A.JI. Шурайца, Р.С. Зайнуллина, К.М. Яма-леева, А.С. Надршина, А.Г. Сираева и других.

В работе использованы и обобщены данные о результатах обследования трубопроводов газораспределительных систем в разных регионах страны (Саратовская, Московская и Нижегородская области, Республика Башкортостан). Также использованы результаты многолетних исследований динамики изменения свойств металла труб и сварных элементов при длительном воздействии нагрузок, полученные в трёх научных школах: Уфимской, Челябинской, Саратовской, в том числе при непосредственном участии автора диссертации.

Использованы прогрессивные методы и достижения в области моделирования процессов, положения теорий прочности и механики разрушения.

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

1. Установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем. Показано, что изначально большие запасы прочности распределительных газопроводов практически полностью компенсируют снижение безопасности от эффектов старения металла и позволяют без изменения рабочих давлений эксплуатировать длительное время.

2. Методом математического моделирования установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты (СКЗ), которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.

3. Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения с усилением формы при предельно малом радиусе перехода от шва к основному металлу. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений и разработан подход к оценке статической прочности на основе механики разрушения. Установлено, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:

- изначально большие запасы прочности газопроводов компенсируют снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов;

- опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.

2. Разработан подход, позволяющий рассчитать допустимый уровень рабочего давления трубопроводов с учётом эффектов старения металла и роста коррозионных дефектов.

3. Показано, что путём установки дополнительных СКЗ возможно добиться полной защиты трубопроводов с изношенной изоляцией от коррозии и одновременно снизить энергозатраты на электрохимическую защиту (ЭХЗ).

4. Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и переходного сопротивления изоляции.

5. Предложен безогневой метод ремонта дефектных участков действующих газопроводов, основанный на формировании композитной изоляционно-силовой оболочки разработки ГУП "ИПТЭР", обеспечивающий безопасность работ при ремонте.

Результаты исследований использованы при обследовании и экспертизе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов с общей протяжённостью более 1,6 тысяч км в Саратовской, Ростовской, Оренбургской, Нижегородской и других областях.

Результаты работы использованы при разработке отраслевых нормативных документов:

- Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов РД 12-411-01;

- Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления. - Саратов: ОАО "Гипрониигаз", 2005.

В настоящее время находится на стадии апробации новая редакция документа о порядке диагностики газораспределительных трубопроводов, где использованы результаты настоящей работы.

На защиту выносятся:

- закономерности старения и износа трубопроводов газораспределительных систем при длительной эксплуатации;

- усовершенствованные методы оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации распределительных газопроводов;

- методы диагностики, оценки состояния изоляционного покрытия, повышения эффективности катодной защиты распределительных газопроводов;

- новые закономерности распределения напряжений в стыковых сварных соединениях с усилением формы шва;

- рекомендации по обеспечению безопасности ремонта действующих трубопроводов системы газораспределения;

- общая методология управления безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанная на усовершенствованных методах диагностики и ремонта.

Автор выражает глубокую благодарность коллективам ОАО "Гипронии-газ" и ГУЛ "ИПТЭР", своим руководителям и коллегам за неоценимую помощь в выполнении настоящей работы.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Зубаилов, Гаджиахмед Исмаилович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:

- снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов компенсируются изначально большими запасами прочности газопроводов;

- наибольшую опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.

2. Изучены и установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем. Установлено, что на зависимостях физических и механических свойств основного металла и сварного соединения трубопроводов от времени эксплуатации имеются два интервала.

В первом интервале пластические и вязкие характеристики материалов трубопроводов практически не изменяются, частота отказов остаётся относительно невысокой.

Во втором интервале происходит снижение пластичности и ударной вязкости. При сроках эксплуатации более 20.25 лет значения ударной вязкости могут выйти за пределы, определённые нормативными требованиями. При этом металл трубы и сварного соединения переходят в хрупкое состояние. Число отказов в трубопроводах заметно увеличивается.

3. После 40 лет эксплуатации газораспределительных трубопроводов изоляционное покрытие в значительной степени теряет защитные свойства, что одновременно приводит к снижению эффективности электрохимической защиты (ЭХЗ) на половине суммарной протяжённости трубопроводов.

Разработана математическая модель системы ЭХЗ, которая позволила установить, что введением дополнительных станций катодной защиты (СКЗ) возможно добиться полной защиты трубопровода с изношенной изоляцией и одновременно понизить суммарные энергозатраты на функционирование ЭХЗ. Установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты, которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.

4. Для трубопроводов газораспределительных систем предложены методика и алгоритм расчёта допустимых рабочих давлений с учётом процессов старения металла и дефектов, обнаруженных в процессе диагностики. Методика позволяет корректировать допустимые рабочие давления с учётом "расчётных" (пределы прочности и текучести) и "нерасчётных" характеристик металла, чувствительных к деградационным процессам, в том числе: ударной вязкости, пластичности, трещиностойкости, относительного удлинения и сужения при разрыве и т.д.

Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и переходного сопротивления изоляции.

5. Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений, которая позволила установить, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления шва выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.

6. Разработаны предложения по управлению безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанные на усовершенствованных методах диагностики и ремонта. Предложения нашли отражение в ряде отраслевых нормативных документов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Зубаилов, Гаджиахмед Исмаилович, Уфа

1. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. М.: Металлургия, 1972.

2. Бакиев А.В., Зайнуллин Р.С., Гумеров К.М. Напряженное состояние в окрестности острых концентраторов напряжений конструктивных элементов газонефтехимического оборудования // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 1988. - № 8. - С. 85-88.

3. Бобровский С.А., Яковлев Е.И. Газовые сети и газохранилища. М.: Недра, 1980.-413 с.

4. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных газопроводов. М.: Недра, 1987. - 471 с.

5. Бородавкин П.П., Березин В.П. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1977. - 407 с.

6. Васин Е.С. Оценка технического состояния магистральных нефтепроводов по результатам диагностического контроля // Трубопроводный транспорт нефти. 1996. -№ 4. - С. 26-28.

7. ВРД 39-1.10-026-2001. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов. М.: ОАО "Газпром", ООО "ВНИИГАЗ", 2001.

8. Галлямов А.К., Черняев К.В., Шаммазов A.M. Обеспечение надежности функционирования системы нефтепроводов на основе технической диагностики. Уфа: УГНТУ, 1998. - 600 с.

9. Гордюхин А.И. Эксплуатация и ремонт газовых сетей. Л.: Недра, 1974.

10. ГОСТ 9.602-2005. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.12