Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка работоспособности нефтегазопроводов с внутренними расслоениями стенок труб

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

Автореферат диссертации по теме "Оценка работоспособности нефтегазопроводов с внутренними расслоениями стенок труб"

На правах рукописи

КОМАРОВ АЛЕКСЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ С ВНУТРЕННИМИ РАССЛОЕНИЯМИ

СТЕНОК ТРУБ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

1 2 (.«АР 2012

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005012579

Ухта-2012

Работа выполнена в Ухтинском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Бирилло Игорь Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кучерявый Василий Иванович

кандидат технических наук Александров Юрий Викторович

Ведущая организация:

ОАО «Северные магистральные нефтепроводы»

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.291.02 при Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, г. Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 20 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, профессор

Н.М. Уляшева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В процессе диагностирования магистральных нефтегазопроводов обнаруживается многочисленное количество разнообразных дефектов стенок труб: коррозионные повреждения, растрескивание металла, вмятины, задиры, внутренние несплошности (расслоение) и т.п. Устранение всех выявляемых дефектов невозможно по причине ограниченности временных, трудовых и финансовых ресурсов предприятий, кроме того это и экономически неоправданно, так как не каждый выявляемый дефект представляет реальную угрозу для безопасного функционирования объекта. В этом случае работоспособность магистральных нефтегазопроводов обеспечивается путем выборочного устранения только тех дефектов, которые в процессе дальнейшей эксплуатации объекта приведут к невозможности осуществления безопасного транспорта продукта с заданными техническими параметрами.

Для обоснования степени опасности наиболее распространенных наружных дефектов стенок труб разработаны и успешно используются на практике специальные расчетные методики, но для внутренних расслоений стенок труб, являющихся распространенными дефектами магистральных нефтегазопроводов, расчетное обоснование их степени опасности в настоящее время не проводится. Отбраковку труб с внутренними расслоениями стенок выполняют на основе требований к положению и размерам дефектов, возникающих при производстве труб. Опыт эксплуатации объектов транспорта нефти и газа показывает, что такой подход оправдан при сооружении или реконструкции объектов, но нерационален в тех случаях, когда объект уже находится в работе, особенно в течение длительного периода времени, и становятся известны отклонения от проектных решений, технологические режимы, конкретные нагрузки и воздействия, информация об использования материалах и их реальных свойствах. Вследствие того, что используемые нормы выбраковки труб с внутренними расслоениями стенки не учитывают опасность дефектов при эксплуатации, то некоторые элементы, подлежащие удалению, могут быть работоспособными. Для оценки работоспособности трубного элемента с внутренними расслоениями стенок необходимо иметь эксплуатационные критерии отбраковки, которые позволяют учесть опасность имеющихся дефектов для конкретной рассматриваемой конструкции. Поэтому комплексное расчетно-экспериментальное исследование работоспособности нефтегазопроводных труб с внутренним расслоением стенок является актуальной научно-практической задачей.

Цель работы: Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности нефтегазопроводов при наличии в стенках труб внутренних расслоений.

Задачи исследования:

- проанализировать методы нормирования допустимой дефектности металлических конструкций и фактологический материал о наличии и особенностях внутреннего расслоения стенок нефтегазопроводных труб;

- адаптировать зависимости по расчету тонкостенных цилиндрических оболочек для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и работоспособности нефтегазопроводных труб с внутренними расслоениями стенок, проанализировать особенности влияния внутреннего расслоения на НДС труб;

- оценить возможность идентификации внутренних расслоений стенок методом ультразвуковой толщинометрии;

- провести экспериментальные исследования по влиянию внутреннего расслоения металла на его механические свойства, на прочность трубы и сварного соединения;

- разработать методику оценки работоспособности нефтегазопроводных труб с внутренними расслоениями стенок на стадии эксплуатации объекта и оценить экономическую эффективность ее внедрения.

Научная новизна

1. На основе анализа 7500 данных установлен признак наличия внутреннего расслоения в стенке трубы: изменение в точке контроля показаний ультразвукового толщиномера не менее чем на 10 % при измерении толщины стенки двумя пьезоэлектрическими преобразователями с рабочими частотами 5,0 и 2,5 МГц, а площади поверхности с показаниями, составляющими 20...80 % от номинального значения толщины стенки, не менее чем в 1,5 раза.

2. По результатам испытания на статическое растяжение образцов из стали 17Г1С и Х70 установлено, что при протяженности внутренних расслоений до 90 % длины образцов не происходит снижения значений стандартных механических характеристик металла.

3. Теоретически обосновано, что при газообразном характере внутренней несплошности приращение напряжений в трубном элементе с расслоением стенки по сравнению с трубным элементом, не имеющем дефектов, составляет не менее 10 % и зависит от значений рабочего давления и радиальной величины дефекта, а при твердом характере несплошности приращение напряжений не превышает 5 %.

4. Установлено, что циклическое изменение внутреннего давления вызывает развитие внутренних расслоений в стенке трубы.

Защищаемые положения:

- аналитические зависимости, полученные для расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенной трехслойной цилиндрической оболочки,

4

позволяют оценить работоспособность трубного элемента с внутренними несплош-ностями стенки;

-разработанный алгоритм проведения ультразвуковой толщинометрии с использованием двух пьезоэлектрических преобразователей с рабочими частотами 5,0 и 2,5 МГц позволяет определить наличие внутреннего расслоения в стенках эксплуатирующихся магистральных нефтегазопроводов;

- наличие и площадь внутренних расслоений металла не влияют на значения его стандартных механических характеристик и на прочность сварного соединения;

-разработанная методика оценки работоспособности элементов эксплуатирующихся нефтегазопроводов с внутренними расслоениями стенок позволяет учесть эксплуатационные и конструктивные особенности трубопровода и исключить необходимости замены «дефектных» фрагментов трубопровода, которые могут обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта.

Достоверность полученных результатов определяется корректным применением современных теоретических и экспериментальных методов исследований, а также использованием поверенного исследовательского оборудования, приборов и средств измерений.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование разработанной методики на реальных объектах позволяет учесть эксплуатационные и конструктивные особенности трубопровода и оптимизировать объемы ремонтных работ, исключив необходимость замены фрагментов трубопровода с внутренними расслоениями, которые позволяют осуществлять дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта, что обеспечивает экономический эффект в размере не менее 1,5 млн. рублей для трубопроводной обвязки одного компрессорного цеха.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в работе, были использованы филиалом ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта при разработке рекомендаций по оценке работоспособности трубных элементов, имеющих внутренние расслоения стенки.

Методические указания по оценке работоспособности нефтегазопроводов с внутренними расслоениями стенок внедрены и используются в учебном процессе при подготовке магистров по программе 131006 - Надежность газонефтепроводов и хранилищ на кафедре «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» Ухтинского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ (г. Ухта, 2008, 2009, 2010 гг.); Межрегиональном семинаре «Рассо-

хинские чтения» (г. Ухта, 2009, 2012 гг.); X Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех» (г. Ухта, 2009 г.); III Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (ТГНГУ, г. Тюмень, 2009 г.); V Международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (ДОАО «Оргэнергогаз», г. Москва,

2010 г.); девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (РГУНГ, г. Москва, 2011 г.); четвертой Международной научно-технической конференции GTS -2011 (г. Москва,

2011 г.); девятнадцатой международной деловой встрече «Диагностика 2011» (г. Геленджик, пос. Кабардинка, 2011 г.); VII Международной учебно-научно-практической конференции "Трубопроводный транспорт - 2011" (г. Уфа, 2011 г.); VII Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (Республика Беларусь, г. Новополоцк, 2011 г.); IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (РГУНГ, г. Москва, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 5 - в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 103 наименований. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 18 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, охарактеризованы научно-методические пути ее решения.

В первой главе проанализированы методы нормирования допустимой дефектности металлических конструкций и фактологический материал о наличии и особенностях внутреннего расслоения стенок нефтегазопроводных труб, сформулированы цель и задачи исследования.

В общем случае назначение норм - гарантирование функциональных свойств конструкции, в том числе прочностных, за счет использования современных технологий изготовления, транспортировки, хранения и монтажа ее элементов. Различают технологические и эксплуатационные допустимости дефектов. Технологические нормы учитывают достигнутый уровень качества производства, основываются на статистических данных о частоте и размерах появления дефектов и не связаны с анализом прочности конструкции. Эксплуатационные нормы разрабатываются на основе результатов экспериментов и расчетов. При экспериментальной оценке влияния дефектов на несущую способность трубных элементов осуществляют испыта-

ние элементов с дефектами. Расчетные методы основываются на математическом моделировании НДС конструкции с дефектом путем использования: аналитических зависимостей, численных методов, инженерных (полуэмпирических) зависимостей. Вопросам теоретического и экспериментального обоснования опасности разнообразных дефектов посвящены работы H.A. Гафарова, K.M. Гумерова, А.Р. Даффи, Дж.М. Мак Клура, JI.A. Димова, О.М. Иванцова, В.Я. Кершенбаума, В.И. Кирноса, H.A. Махутова, У.М. Мэкси, М. Руди, В.В. Харионовского, В.П. Черния, Ю.А. Чиркова, А.М. Шарыгина, В.М. Шарыгина, М.А. Широкова, Н.Р. Ямурова и других ученых. Эксплуатационные нормы позволяют учесть фактическую несущую способность конструкций и исключить необходимость замены дефектных, но работоспособных элементов, что в условиях эксплуатации весьма важно, так как связано с уменьшением потребности материально технических ресурсов и обеспечением непрерывности технологического процесса.

Одним из типов дефектов, обнаруживаемых в процессе диагностических обследований магистральных нефтегазопроводов, являются внутренние расслоения стенок труб. Характерным признаком внутреннего расслоения является наличие аномально низких значений толщины стенки, составляющих, как правило, половину ее номинального значения. Низкие значения обусловлены нарушением однородности металла неметаллическими включениями, пористостью, газовыми пузырями, но не уменьшением толщины стенки. Формируется такая неоднородность в процессе производства металла и труб, при этом полное исключение появления такой дефектности является практически невыполнимой задачей. Для эксплуатирующихся магистральных нефтегазопроводов внутреннее расслоение стенок является достаточно распространенным дефектом. Например, по результатам внутритрубной инспекции участка нефтепровода протяженностью 150 км, построенного и принятого в эксплуатацию в 1973 г., было зарегистрировано 7265 расслоений и включений, что составило 65,4 % от общего объема обнаруженных дефектов. При оценке технического состояния надземных технологических трубопроводов «высокой» стороны компрессорных станций фиксируется от 5 до 10 элементов с расслоением стенки практически на трубопроводах каждого компрессорного цеха. Внутренние расслоения зарегистрированы на трубах их сталей 17Г1С, 14Г2САФ, 17Г2СФ, а также из сталей контролируемой прокатки производства Франции и Харцызского трубного завода. Размеры обнаруживаемых несплошностей (расслоений), как правило, превышают установленные нормативные значения. При этом все имеющиеся нормы регламентируют качество продукции, поставляемой потребителю, т.е. на стадии ее изготовления, а не в процессе последующей эксплуатации объекта. Методик оценки работоспособности магистральных нефтегазопроводов с внутренними расслоениями

стенок на стадии их эксплуатации в настоящее время не разработано.

Во второй главе обоснована расчетная схема для оценки напряженно-деформированного состояния трубных элементов с расслоением стенки, получены аналитические зависимости для определения параметров НДС тонкостенных цилиндрических элементов при разном характере внутренней несплошности, проанализировано влияние внутреннего расслоения на НДС тонкостенной цилиндрической оболочки, получены зависимости для оценки работоспособности трубы, имеющий внутренние расслоения стенки.

В качестве расчетной схемы была принята бесконечная трехслойная цилиндрическая конструкция, нагруженная внутренним давлением р. Трехслойная конструкция состоит из внешней и внутренней оболочек, между которыми находится прослойка толщиной Д. Прослойка располагается на всей протяженности оболочки, а в окружном направлении — по всему ее периметру. В процессе анализа было рассмотрено два вида прослойки: газообразная и твердая.

Для каждого из вышеназванных случаев были рассмотрены особенности работы трубной конструкции, выведены зависимости для вычисления максимальных механических напряжений и коэффициентов их концентрации, а также проанализировано влияние внутренних несплошностей на НДС трубы.

В первом случае, т. е. при газообразном характере прослойки, в процессе нагружения рассматриваемой конструкции внутренним давлением р было выделено два характерных этапа ее работы. На первом этапе, до тех пор, пока не закроется зазор Д, давление воспринимается только внутренней частью трубного элемента. На втором этапе, т.е. после того, как радиальная деформация внутренней оболочки достигает величины Д, нагрузка от дальнейшего повышения давления будет восприниматься обеими частями трубного элемента, т.е. в этом случае рассматривается оболочка с толщиной стенки, равной сумме толщин стенок обеих (наружной и внутренней) частей трубного элемента. Наибольшая величина напряжений для такой расчетной схемы определяется по формуле:

_ рА(Рн -28) (р-рд)(Р„-25) гаи 2(8-Ь) 28 '

где рд - давление, при котором закроется зазор Д, определяемое по формуле:

4Е(8 - Ь)А

РЛ (Он -28)2(1-0,5ц)' (2)

где Е - модуль упругости материала трубы, МПа; 8 - толщина стенки трубы, мм; Ь - глубина залегания расслоения от наружной поверхности трубы, мм; Д -размер внутренней несплошности в радиальном направлении, мм; Он - наружный диаметр

трубы, мм; (! - коэффициент Пуассона.

Коэффициент концентрации напряжений на первом этапе работы конструкции, т. е. до закрытия прослойки А и достижения внутреннего давления рд, не изменяется и равен отношению толщины стенки трубного элемента к глубине залегания прослойки, измеренной от внутренней поверхности стенки:

Ккц = 5/(5-Ь).

(3)

После закрытия радиального зазора Д выражение для вычисления коэффициента концентрации напряжений имеет следующий вид:

Ки=1 + Ь. « (4)

р 1-а

где а - относительная глубина залегания расслоения, равная а = Ь / 5.

Во втором случае, т. е. при твердом характере межоболочечной прослойки, она, испытывая сжатие, будет передавать часть давления от внутренней части трубного элемента на наружную. Поскольку величина сжимающих напряжений в прослойке мала (меньше величины внутреннего давления р), то прослойка была принята несжимаемой, а выражение для вычисления максимальных кольцевых напряжений в таком трубном элементе было получено исходя из условия совместности деформации его наружного и внутреннего слоев. Для такой расчетной схемы выражения для определения максимальных значений напряжений и коэффициента концентраций имеют следующий вид:

Р(Р„-28)

К.

1

2(8-Ь)

1 + -

(Р„-25)2Ь (ОН-2Ь)2(5-Ь).

(1 - а) +

а

(5)

1 +

25(1-а) 0-28

Выполненный анализ влияния внутренних несплошностей на НДС трубы показал следующее.

1. При газообразном характере внутренней несплошности приращение напряжений в трубном элементе с расслоением стенки составляет не менее 10 % и зависит от значения рабочего давления и радиальной величины дефекта (рис. 1; 2). При твердом характере несплошности рост напряжений незначителен и определяется только глубиной залегания дефекта. В рассмотренном примере (рис. 3) рост напряжений составил 2,3 %, при этом максимальное увеличение напряжений происходит в том случае, если дефект залегает посередине толщины стенки. При другом положении расслоения коэффициент концентрации напряжений снижается.

Давление, МПа

б

Давление, МПа

Рис. 1. Влияние положения расслоения по высоте стенки (а) и его радиальной величины (б) на напряженно-деформированное состояние стенки трубы:

1 - при отсутствии расслоения; 2.. .7 - при наличии расслоения: 2 - Ь = 4 мм, Д = 0,1 мм; 3 - Ь = 8 мм, А = 0,1 мм; 4-Ь= 12 мм, А = 0,1 мм; 5 - А = 0,05 мм, Ь = 8 мм; 6 - А = 0,1 мм, Ь = 8 мм; 7 - А = 0,2 мм, Ь = 8 мм. А2; Аз; Аь В5; Вв; В7 - точки, соответствующие закрытию расслоения А

01 2345678

Давление, МПа

б

Давление, МПа

Рис.2. Влияние положения расслоения по высоте стенки (а) и его радиальной величины (б) на концентрацию кольцевых напряжений в стенке трубы:

1 - Ь = 4 мм, А = ОД мм; 2 - Ь = 8 мм, Д = 0,1 мм; 3 - Ь = 12 мм, Д = 0,1 мм; 4 - Д = 0,05 мм, Ь = 8 мм; 5 - Д = 0,1 мм, Ь = 8 мм; 6 - Д = 0,2 мм, Ь = 8 мм. А2; А3; А4; В5; В6; В7 - точки, соответствующие закрытию расслоения А

Относительная глубина залегания расслоения, а = h/S

Рис. 3. Коэффициент концентрации напряжений в стенке трубы (D„=720 мм, 5=16 мм), имеющей внутренние расслоения стенки в виде твердой прослойки

2. При наличии газообразной несплошности абсолютная величина приращения напряжений определяется радиальной толщиной дефекта. После закрытия дефекта величина приращения напряжений остается постоянной, не зависящей от значения внутреннего давления (рис. 1).

3. Коэффициент концентрации напряжений до закрытия газообразной несплошности А не изменяется и равен отношению номинальной толщины стенки трубного элемента к глубине залегания дефекта, измеренной от внутренней поверхности стенки. После закрытия газообразной несплошности А происходит уменьшение коэффициента концентрации напряжений (рис.2).

4. При наличии газообразной несплошности более высокую опасность для трубы представляют расслоения, располагающиеся ближе к внутренней поверхности стенки (рис. 1; 2).

Критерий оценки работоспособности трубы на стадии эксплуатации объекта принят в следующем виде:

СТшах<М, (6)

где атах - максимальные напряжения в стенке «дефектного» элемента; [о] - допустимые напряжения, определяемые по формуле:

М = (7)

ш

где II" - нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб, МПа, принимаемое равным минимальному значению предела текучести по государственным стандартам и техническим условиям на трубы; ш - коэффициент условий работы трубопровода, принимаемый по СНиП 2.05.06-85*; кн - коэффициент надежности по назначению трубопровода, принимаемый по СНиП 2.05.06-85*.

При этом если выполняется условие 6, т.е. когда фактические напряжения сттах не превышают значения, установленного нормами на проектирование нового объекта, то, несмотря на наличие расслоений, уровень надежности трубы достаточен для обеспечения ее безопасной эксплуатации, и нет необходимости в ее замене.

Далее следует отметить, что при эксплуатации нефтегазопроводов наиболее понятной критериальной оценкой работоспособности дефектной трубы является значение допустимого рабочего давления [р]. Из условия (6) с учетом зависимостей (1), (2), (5) и (7) для расчета этого параметра были получены следующие выражения:

- при газообразном характере несплошности:

п. пн Ш 8___4ЕАЬ

И-%45кнВн-25>и-28)2(1-0,5,)' 14

- при твердом характере несплошности:

(РН-28)2Ь

Ы_„ т 8—Ь

0,45кн Бн-28

1 +

(Он-2Ь)2(8-Ь).

(9)

Третья глава посвящена исследованиям возможности идентификации наличия внутренних расслоений стенок труб методом ультразвуковой толщинометрии.

Для исследования использовали темплеты металла с внутренними расслоениями.

Результаты УЗ толщинометрии темплетов показали, что при наличии в металле внутренних несплошностей возможны два варианта интерпретации результатов контроля:

- остаточная толщина стенки после уменьшения ее номинального значения в процессе эксплуатации объекта внутренней коррозией, абразивным износом внутренней поверхности и т.п.;

- глубина залегания возможного нарушения сплошности материала без изменения его номинальной толщины.

Результаты УЗ толщинометрии металла с внутренними несплошностями зависят от положения ПЭП, от длины УЗ волны и от размеров внутренних несплошностей. Влияние этих параметров на результаты толщинометрии было исследовано на

12 образцах (темплетах), вырезанных при проведении ремонтных работ на МГ и имеющих в объёме металла нарушения сплошности, которые являются отражателями УЗ колебаний. Контроль темплетов осуществляли толщиномером УТ-93П, комплектовавшимся датчиками с рабочими частотами 2,5 и 5,0 МГц, что обеспечивает уменьшение длины УЗ волны в 2 раза. Во всех случаях проводилось сканирование исследуемой поверхности путем перемещения ПЭП вдоль плоскости темплета с одновременным вращением датчика вокруг собственной оси. В процессе освидетельствований было установлено, что при использовании ПЭП с рабочей частотой 5,0 МГц фиксируется в десятки раз больше точек контроля с внутренними несплош-ностями, чем при использовании датчика с рабочей частотой 2,5 МГц (рис. 4).

15,5 15,5 15,5 15,5 15.5 15,5 15,5 15,5 15,5 15.5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5

15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4

15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5 15,5

15,5 15,5 15,5 15,4 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5

15,5 15,5 15,4 '5,5® 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4

15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,5

15,5 15,5 15,5 15,4 15,5 15,4 15,4 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5

15,5 щ 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4

15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4

15,5 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,5 15,4 15,4 15,4 15,5

15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,5 15,5 15,5 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4

15,5 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4

15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,41 15,4 15,4 15,41 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4

15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,5 15,4 15,5 15,5 15.4

15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,4 15,5

15,5 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5 15,5

15,5 15,5 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4

15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,5

15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,4 15,5 15,5 15,5 15,4

15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4

15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 1.5,5 15,5 15,5 15,5 15,4 15,4 15,5

Рис.4. Результаты ультразвуковой толщинометрии (мм) темплета при использовании ПЭП с рабочими частотами 5,0 МГц (а) и 2,5 МГц (б)

Изменения показаний толщиномера А8 (%) при использовании ПЭП с рабочими частотами 5,0 МГц и 2,5 МГц определяли по формуле:

§,„ - 5,, А5 = -¡-^-^—100 %.

(10)

1шп(85 0;52 5)

где 55_о; 82,5 - значение толщины стенки, зафиксированное в точке контроля толщиномером при использовании ПЭП с рабочими частотами 5,0 и 2,5 МГц соответственно.

Результаты обработки измерений в 7500 точках контроля представлены в виде гистограммы на рис. 5.

* б0'° Т-^

>я

§ 50,0---. 1 , 1

о

к

§ 40 0 --

м §

а 30,0--

| 1! О 20,0--

£ 7,8 8,6

н 10,0---'

| 1 0 1,2 1.7 1,7 1,7 2,0 2>9

^ 0,0 ±-г—1— Г 1 ■ ' -I" ' I 1 -

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 >100 А5, %

Рис.5. Гистограмма распределения изменений Л8 показаний ультразвукового толщиномера в точках контроля толщины металла с внутренним расслоением при использовании ПЭП с рабочими частотами 5,0 и 2,5 МГц

Анализ результатов измерений показал, что дефекты металла в виде внутренней несплошности (расслоения) можно фиксировать УЗ толщиномерами, следуя алгоритму, приведенному на рис. 6. Для идентификации характера дефекта (расслоение или утонение стенки) следует осуществлять двукратное сканирование зоны трубы с аномальными значениями толщины датчиками с рабочими частотами 2,5 и 5,0 МГц. Изменение значений толщины, регистрируемых в точке контроля двумя датчиками, не менее чем на 10 %, а площади поверхности с показаниями, составляющими 20.. .80 % от номинального значения толщины стенки, не менее, чем в 1,5 раза, является признаком наличия внутренней несплошности (расслоения), который позволяет идентифицировать 99 % неоднозначных результатов. При отсутствии внутреннего расслоения показания толщиномера в точке контроля датчиками с частотами 2,5 и 5,0 МГц отличаются не более 1,5 % и соответствуют погрешности измерительного прибора.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния внутреннего расслоения металла на его механические свойства, на прочность сварного соединения и трубы.

Экспериментальные исследования включали испытания металла и гидравлические испытания труб. Для испытаний использовали фрагменты магистральных трубопроводов, имеющих участки на которых фиксировались значения толщины стенки, составляющие 30...70 % от номинального значения, но не имеющие поверхностных дефектов.

52,9

18,4

7,8 8,6

1 0 1.2 1,7 1,7 1,7 2,0 2,9 —Г—«.....

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 >100

А5 > 10,0 % и Р5,о/Р2,5>1,5

Точки с толщиной 5=(0,2...0,8)6„ОМ отсутствуют

Измерение толщины стенки в ячейках сетки толщиномером с датчиком, имеющим частоту 5,0 МГц

Выявление точек поверхности с толщиной 5=(0,2...0,8)5НОМ

Да Точки с толщиной 5=(0,2...0,8)6НОМ ^ отсутствуют __ Нет

Внутренние расслоения в металле отсутствуют Определение границ дефекта и его площади Р50

Измерение толщины стенки в ячейках сетки, расположенных в пределах выявленных границ дефекта, толщиномером с датчиком, имеющим частоту 2,5 МГц

Выявление точек поверхности с толщиной 5=(0,2...0,8)5

Определение границ дефекта и его площади Р25

Определение для каждой точки контроля параметра Д5, характеризующего степень изменения показаний толщиномера при использовании датчиков с частотами 5,0 и 2,5 МГц

Подготовка поверхности трубы для проведения измерений (очистка от загрязнений, разметка зоны контроля, нанесением координатной сетки)

Для идентификации природы аномальных значений требуется проведение дополнительного контроля

Аномальные значения вызваны уменьшением толщины стенки

Аномальные значения толщины вызваны наличием внутренних

расслоений. Площадь дефекта составляет Р5 0

Рис. 6. Алгоритм идентификации внутренних расслоений методом ультразвуковой толщинометрии

Оценку влияния внутренних расслоений стали на ее служебные характеристики (предел прочности ств, предел текучести ст0,2, относительное удлинение 65, относительное сужение поперечного сечения \|/) выполняли путем разрушения плоских полнотолщинных образцов растягивающей нагрузкой. Из фрагментов магистрального газопровода (МГ) и трубопроводной обвязки компрессорной станции было ■ подготовлено и испытано 56 образцов. Внутренние неспллошности располагались посередине ширины образцов и распространялись на их всю толщину. Суммарная протяженность внутренних несплошностей по отношению к длине образцов составила 0...90,6 %, а именно: у 18 образцов 0...4,4 %, у 12 образцов 5,4... 10,0 %, у пяти ' образцов 11,3...17,5 %, у шести образцов 22,9...29,2 %, у пяти образцов 31,3...50,0 ' %, у шести образцов 55,6...68,1 % и у четырех образцов 70,6. ..90,6 %. У образцов с относительной протяженностью внутренних несплошностей до 4,4 % дефекты располагались только на концевых участках, то есть механические характеристики этих образцов характеризовали служебные свойства стали.

Характерным признаком образцов с внутренними несплошностями после их разрушения явилось поверхностное или сквозное расщепление металла на 2...6 мм от линии разрыва (рис. 7). Несмотря на такую особенность, проявившуюся в процессе испытания образцов, у соответствующих значений механических характеристик не наблюдалось заметных различий (рис. 8). Все образцы, независимо от суммарной протяженности внутренних несплошностей, обладали высокой прочностью и пластичностью, и соответствовали по этим параметрам требованиям действующих норм. Таким образом, в процессе испытания образцов было установлено, что нали-[ чие в металле внутренних расслоений не вызывает снижения значений механических характеристик металла (предела прочности, предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения поперечного сечения).

Для оценки влияния внутренних несплошностей металла, примыкающих к сварным швам, на прочность сварного соединения было изготовлено 25 плоских продольных полнотолщинных образцов. Каждый образец в своей средней части содержал сварной шов, при этом валики усиления не удалялись.

Рис. 7. Характер линий разрушения образцов с внутренними несплошностями

Суммарная протяженность внутренних дефектов по отношению к номинальной длине образца, %

Рис. 8. Механические свойства образцов, изготовленных из фрагмента надземного участка магистрального газопровода

Внутренние расслоения были зафиксированы в металле только одного трубного элемента, входящего в сварное соединение. Суммарная протяженность внутренних дефектов по отношению к общей длине участков образцов трубного элемента с дефектами составила 60,9. ..89,5 %. В процессе испытаний 15 образцов разрушились по основному металлу, девять образцов - по сварному шву и один образец - по линии сплавления сваренных кромок. Все разрушившиеся сварные швы имели наружные и внутренние дефекты в виде утяжин, пор, газовых полостей и корневых непро-варов по линии сплавления кромок. Проведенные испытания показали, что наличие внутренних несплошностей металла у сварных швов не оказывает влияния на прочность сварного соединения. Фактором, определяющим прочность сварного соединения является качество сварного шва.

Влияние внутренних расслоений стенки трубы на ее прочность исследовали путем проведения гидравлических испытаний полноразмерных фрагментов МГ. Было испытано две трубы наружным диаметром 1420 мм с номинальной толщиной стенки 16,6 мм, демонтированные с надземного и подземного участков МГ после эксплуатации в течение 21 года. Испытываемые трубы имели многочисленные внутренние расслоения стенок, фиксируемые УЗ толщиномером. На локальных поверхностях труб размером 500 х 370 мм в процессе испытаний была исследована динамика расслоений. Доля аномальных значений на исследуемой поверхности трубы с надземного участка была в 6,0 раз выше, чем на исследуемой поверхности трубы с подземного участка МГ, и составила соответственно 41,8 и 7,0 % от общего объема из-

18

мерений. Сравнение результатов измерений толщины стенки труб, полученных до приложения испытательной нагрузки и после 5, 10 и 14 циклов нагружения внутренним давлением в режиме 0 —> 7,5 —» 0 МПа показало, что у трубы с надземного участка происходило увеличение доли аномальных значений на 14,0, 36,5 и 51,4 % соответственно, а у трубы с подземного участка количество аномальных значений не изменилось. С достоверностью 0,9976 увеличение площади расслоения на трубе № 1 описывается зависимостью Р=1,ОЗмР0 (Ы - номер цикла нагружения, Бо - начальная площадь внутреннего расслоения).

Разрушение испытываемых труб № 1 и 2 произошло при внутреннем давлении 13,2 и 13,0 МПа соответственно. Значения фактического коэффициента запаса прочности труб составили 2,11 и 2,13, что на 12,2 и 13,3 % выше нормативного значения. Результаты гидравлических испытаний показали, что, несмотря на наличие в стенках труб внутренних расслоений, трубы могли и дальше находиться в эксплуатации.

В пятой главе представлена методика оценки работоспособности нефтегазопроводов, имеющих внутренние расслоения стенок и показана ее практическая значимость.

Оценку работоспособности трубопровода на участке с внутренним расслоением стенки выполняют в соответствии со схемой, приведенной на рис. 9.

Оценка работоспособности труб с расслоением стенок осуществляется исходя из уровня возникающих механических напряжений. Допустимое значение напряжений принимают в соответствии с требованиями норм, предъявляемым к аналогичным вновь проектируемым объектам.

Разработанная методика позволяет определить:

- возможность дальнейшей эксплуатации участка магистрального трубопровода, имеющего внутренние расслоения стенки, с уровнем надежности, обеспечивающем безопасное функционирование объекта на технологических режимах, предусмотренных проектом;

- предельный уровень рабочего давления, при котором возможна безопасная эксплуатация участка с внутренним расслоением стенки без проведения ремонтных мероприятий по его замене или усилению.

Использование разработанной методики на реальных объектах позволяет учесть эксплуатационные и конструктивные особенности трубопровода и оптимизировать объемы ремонтных работ, исключив необходимость замены фрагментов трубопровода с внутренними расслоениями стенок, которые позволяют осуществлять дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта, что обеспечивает экономический эффект в размере не менее 1,5 млн. рублей для трубопроводной обвязки одного компрессорного цеха.

Определение геометрических и технологических параметров «дефектной» трубы (наружный диаметр и толщина стенки, марка стали и ее физико-механические характеристики, рабочее давление, категория участка)

5

Расчет параметров, характеризующих напряженно - деформированное состояние трубы: максимальные и допускаемые значения механических напряжений (ст„,ах, [ст]) и коэффициента их концентрации (К, [К])

Ультразвуковой контроль глубины залегания расслоения

Ж

Дальнейшая эксплуатация трубы без осуществления ремонтных мероприятий

1. Замена дефектного участка

2. Усиление дефектного участка

3. Снижение рабочего давления до [р]

Пши ^ И

К ¿[К]

Ж

Сти > М К>[К]

"ТГ"

Вычисление предельного значения внутреннего давления [р]

Л- -П-

р>[р]

V л

Рис. 9. Алгоритм оценки работоспособности трубы с внутренним расслоением стенки

Основные выводы

1. Установлено, что для труб эксплуатирующихся нефтегазопроводов дефекты в виде внутреннего расслоения стенок имеют значительную распространенность. При оценке допустимости таких дефектов используют только технологические нор мы, так как методик оценки работоспособности магистральных нефтегазопроводов внутренними расслоениями стенок на стадии их эксплуатации в настоящее время не разработано.

2. Обоснована расчетная схема для оценки напряженно-деформированного состояния трубных элементов с расслоением стенки. Получены аналитические зависимости для определения параметров НДС тонкостенных цилиндрических элементов при разном характере внутренней несплошности. Проанализировано НДС трубных элементов с внутренними несплошностями, вызванными воздушными и твердыми прослойками. Установлены характерные особенности НДС для рассмотрен-

ных случаев.

3. На основе результатов выполненных исследований разработан алгоритм выявление внутренних расслоений на эксплуатирующихся магистральных нефтегазопроводах с использованием ультразвуковой толщинометрии. В частности, для выявления внутренних расслоений следует проводить двукратное сканирование зоны контроля, используя датчики с рабочими частотами 2,5 и 5,0 МГц, и сопоставлять регистрируемые значения толщины стенки и площади с аномальными значениями.

4. На основе комплекса экспериментальных исследований установлено:

- наличие внутренних расслоений, которые не выходят на поверхность металла и не примыкают к другим типам дефектов, не оказывает влияния на механические свойства металла и на прочность сварного соединения, а трубы с внутренними расслоениями стенок, имеющими сверхнормативные размеры, могут обладать запасом прочности, достаточным для обеспечения их безопасной эксплуатации;

- циклическое изменение внутреннего давления вызывает развитие расслоений в стенке трубы.

5. Разработана методика оценки работоспособности эксплуатирующихся нефтегазопроводов, имеющих внутренние расслоения стенок труб. Использование разработанной методики на реальных объектах позволяет учесть эксплуатационные и конструктивные особенности трубопровода и оптимизировать объемы ремонтных работ, исключив необходимость замены «дефектных» фрагментов трубопровода, которые позволяют осуществлять дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта, что обеспечивает экономический эффект в размере не менее 1,5 млн. рублей для трубопроводной обвязки одного компрессорного цеха.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петров C.B. Оценка изменений механических характеристик металла длительно эксплуатируемых трубопроводов, работающих в различных условиях прокладки / C.B. Петров, A.B. Комаров, А.С.Кузьбожев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе - 2009 - № 5. - С. 34-39.

2. Петров C.B. Определение характеристик механических свойств металла труб и сварных швов в надземных газопроводах из сталей обыкновенного качества / C.B. Петров, A.B. Комаров, A.C. Кузьбожев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе - 2009 - № 5. - С. 40-47.

3. Петров C.B. Особенности выявления и оценки дефектов в материале и монтажных сварных швах трубопроводов из стали обыкновенного качества / C.B. Петров, A.B. Комаров, A.C. Кузьбожев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе -2009 -№ 6. - С. 56-65.

4. Комаров A.B. Методы микроанализа и классификация неметаллических включений в низколегированных сталях для нефтегазопроводов / A.B. Комаров, О.И. Предеин, Н.В. Князев, П.А. Колотовский // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2009. — № 8. - С. 26-31.

5. Бирилло И.Н. Методика отбраковки труб с внутренним расслоением стенки на стадии эксплуатации объекта / И.Н. Бирилло, A.B. Комаров // Трубо проводный транспорт: теория и практика. - 2011. - № 2. - С.12-15.

6. Комаров A.B. Особенности ультразвуковой дефектоскопии основного ме талла и монтажных сварных швов трубопровода / A.B. Комаров, С.В. Петров // Ма териалы X Международной молодежной научной конференции «Севергеотех-2009» г. Ухта, УГТУ, 18-20 марта 2009 г.: в 4 ч.; ч. 4 / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ 2009.-С. 153-157.

7. Усольцев М.Е. Совершенствование методов обработки результатов опти ческой металлографии / М.Е. Усольцев, A.B. Комаров // Сборник научных трудо [Текст]: материалы научно-технической конференции, г. Ухта, УГТУ, 14-17 апре. 2009 г.: в 2 ч.; ч. I / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2009. - С. 180-182.

8. Бирилло И.Н. Оценка работоспособности труб с внутренним расслоение стенки на стадии эксплуатации объекта / И.Н. Бирилло, A.B. Комаров. // Газотранс портные системы: настоящее и будущее. Тезисы докладов IV Международной науч но-технической конференции и выставки GTS - 2011, г. Москва, 26-27 октября 201 г.-М.: ГазпромВНИИГАЗ, 2011.-С. 140.

9. Бирилло И.Н. Способ отбраковки труб с внутренним расслоением стен) на стадии эксплуатации нефтегазопроводов / И.Н. Бирилло, A.B. Комаров // Надеж ность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта: материалы VI международной научно-технической конференции, Республика Беларусь, г. Новопо лоцк, Полоц. гос. ун-т, 22 - 25 ноября 2011 г. / под общ. ред. д-ра техн. наук, проф В. К. Липского. - Новополоцк, 2011. - С. 59-61.

10. Бирилло И.Н. Способ отбраковки труб с внутренним расслоением стенк на стадии эксплуатации нефтегазопроводов / И.Н. Бирилло, A.B. Комаров // Надеж ность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта: сб. научн. тр. под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В. К. Липского. - Новополоцк, 2011. - С. 194 199.

П.Комаров A.B. Способ оценки работоспособности труб с внутренним рас слоением стенки на стадии эксплуатации нефтегазопроводов // Трубопроводны транспорт - 2011: материалы VII Международной учебно-научно-практическо конференции, г. Уфа, УГНТУ, 10-11 ноября 2011 г. / редкол.: A.M. Шаммазов и др - Уфа, Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 52-54.

Подписано к печати 16.02.2012

Заказ № 547 Объем 1,5 п.л. Формат бумаги А5 Тираж 100 экз.

Отпечатано в филиале ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта по адресу 169300, г. Ухта, ул. Севастопольская, 1а, тел. 751685

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Комаров, Алексей Вячеславович, Ухта

61 12-5/2331

Ухтинский государственный технический университет

На правах рукописи

КОМАРОВ АЛЕКСЕИ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УДК 681.518.5:665.632.013.002.5

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ С ВНУТРЕННИМИ РАССЛОЕНИЯМИ СТЕНОК ТРУБ

Специальность-25.00.19. Строительство и эксплуатация

нефтегазопровдов, баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -канд. техн. наук И.Н. Бирилло

Ухтинский государственный технический университет

На правах рукописи

КОМАРОВ АЛЕКСЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УДК 681.518.5:665.632.013.002.5

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ С ВНУТРЕННИМИ РАССЛОЕНИЯМИ СТЕНОК ТРУБ

Специальность-25.00.19. Строительство и эксплуатация

нефтегазопровдов, баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -канд. техн. наук И.Н. Бирилло

СОДЕРЖАНИЕ

с

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ НОРМИРОВАНИЯ ДОПУСТИМОЙ ДЕФЕКТНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ, НАЛИЧИЯ И ОСОБЕННОСТЕЙ ВНУТРЕННЕГО РАССЛОЕНИЯ СТЕНОК НЕФТЕГАЗОПРОВОДЫХ ТРУБ............................................... 10

1.1. Дефекты металла и металлических конструкций.............. 10

1.2. Технологические и эксплуатационные нормы допустимости дефектов...................................................... 14

1.3. Общие сведения о расслоении металла......................... 19

1.4. Нормативные требования, предъявляемые к однородности металла нефтегазопроводных труб и сосудов высокого давления............................................................ 31

1.5. Экспериментальные данные о прочности трубных элементов с расслоением стенки......................................... 32

1.5.1. Исследования фрагментов трубопроводов Оренбургского НГКМ.................................................... 32

1.5.2. Гидравлические испытания фрагментов нефтепроводов............................................................ 36

1.5.3. Основные выводы по результатам

экспериментальных исследований................................. 39

1.6. Цель и задачи исследований......................................... 40

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАССЛОЕНИЙ НА

ПРОЧНОСТЬ ТРУБНОГО ЭЛЕМЕНТА..........................................................................41

2.1. Расчетная схема....................................................................................................................41

2.2. Вывод расчетных зависимостей........................................................................42

2.2.1. Газообразная межоболочечная прослойка.............. 42

2.2.2. Межоболочечная прослойка заполнена неметаллическими включениями................................... 44

2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния трубного элемента с расслоениями стенки........................... 45

2.3.1. Газообразная межоболочечная прослойка.............. 45

2.3.2. Межоболочечная прослойка заполнена неметаллическими включениями................................... 50

2.4. Критериальные оценки степени опасности труб

с расслоением стенки......................................................... 51

2.5. Основные выводы по результатам теоретических исследований.................................................................... 56

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВНУТРЕННЕГО РАССЛОЕНИЯ МЕТАЛЛА МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ТОЛЩИНОМЕТРИИ.................................................................58

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРУБНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С РАССЛОЕНИЕМ СТЕНКИ............................................................76

4.1. Методы исследования трубных элементов..........................................76

4.1.1. Визуально-измерительный контроль........................................76

4.1.2. Ультразвуковая толщинометрия......................................................77

4.1.3. Ультразвуковая дефектоскопия........................................................78

4.1.4. Металлография....................................................................................................79

4.1.5. Испытание образцов металла на растяжение..................79

4.1.6. Гидравлические испытания полноразмерных трубных элементов..........................................................................................................81

4.1.7. Электротензометрия......................................................................................85

4.2. Объекты исследований................................................................................................85

4.3. Лабораторные исследования фрагментов надземных трубопроводных обвязок компрессорных станций..................................86

4.3.1. Ультразвуковая толщинометрия трубных элементов и их фрагментов....................................................................................86

4.3.2. Металлографические исследования материала трубных элементов..........................................................................................................92

4.3.3. Лабораторные испытания образцов

на растяжение........................................................................................................................98

4.4 Гидравлические испытания полноразмерных

трубных фрагментов..................................................................................................................113

4.4.1. Объекты испытаний........................................................................................113

4.4.2. Этапы испытаний................................................................................................114

4.4.3. Ультразвуковой контроль толщины стенки..........................114

4.4.4. Результаты электротензометрии....................................................119

4.4.5. Оценка прочности трубных плетей................................................124

4 4 6 Теоретическое обоснование степени опасности

расслоении..................................................................................................................................|ои

4.5. Основные выводы по результатам экспериментальных

исследований..........................................................................................................................................131

5 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ, ИМЕЮЩИХ ВНУТРЕННИЕ РАССЛОЕНИЯ СТЕНОК ТРУБ, И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКАЯ

ЗНАЧИМОСТЬ............................................................................................................................................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Акты внедрения результатов работы......................................163

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

В настоящей работе использованы следующие сокращения и условные обозначения:

ВР - водородное расслоение

ГКС - газокомпрессорная служба

КС - компрессорная станция

ЛПУ - линейное производственное управление

МГ - магистральный газопровод

НГКМ - нефтегазоконденсатное месторождение

НДС - напряженно-деформированное состояние

НК - неразрушающий контроль

НТД - нормативно-техническая документация

ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь

РС - раздельно-совмещенный

СОП - стандартный образец предприятия

ТПО - трубопроводная обвязка

УЗ - ультразвуковой

УЗК - ультразвуковой контроль или ультразвуковые колебания

Рн - наружный диаметр трубного элемента

0ВН - внутренний диаметр трубного элемента

5 - толщина стенки трубного элемента

§в - толщина стенки внутренней оболочки

§н - толщина стенки наружной оболочки

И - глубина залегания расслоения, зафиксированная с наружной поверхности трубного элемента

д - толщина прослойки

дРЧ - радиальное расширение трубного элемента

а - относительная глубина залегания расслоения

Д5 - погрешность измерения толщины стенки

р - внутреннее давление

рд - давление, при котором закроется зазор Д

[р] - значение допустимого давления

Рраз - давление разрушения трубной плети

рпр - проектное (рабочее) давление

<?пр <5г

- кольцевые напряжения, возникающие в трубном элементе

- продольные напряжения, возникающие в трубном элементе

- радиальные напряжения, возникающие в трубном элементе датах - прирастание напряжений, вызванное воздушной прослойкой сттах - максимальные напряжения в стенке «дефектного» элемента [а] - допустимые напряжения

О0 2 - условный предел текучести металла 0Т - предел текучести металла

я н - нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб, 2 принимаемое равным минимальному значению предела текучести по государственным стандартам и техническим условиям на трубы

§5 - относительное удлинение металла после разрыва

Относительное сужение поперечного сечения.

Е - модуль упругости материала трубного элемента

ц - коэффициент Пуассона

Кпр - нормативный (проектный) коэффициент запаса прочности

Кд - фактический коэффициент запаса прочности

п - коэффициент надежности по нагрузке

т - коэффициент условий работы трубопровода

кч - коэффициент надежности по материалу

кн - коэффициент надежности по назначению трубопровода

К - коэффициент концентрации напряжений

[К] - предельное значение коэффициента концентрации

С - фактическая скорость ультразвука в материале

дС - погрешность измерения скорости ультразвука

I - время прохождения ультразвука в изделии

- погрешность измерения времени прохождения ультразвука в изделии

X - длина волны

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Протяженность сети магистральных трубопроводов в России составляет 207 тыс. км, которые, как и вся техносфера, подвержены неуклонному старению. К настоящему времени более 30 % газопроводов и 45 % нефтепроводов эксплуатируются свыше 20 лет, а 14 % газопроводов, 25 % нефтепроводов и 34 % продуктопроводов выработали свой нормативный ресурс (33 года). Кроме того, 3 % трубопроводов служат уже более 40 лет, а отдельные объекты

находятся в работе 50 и более лет [3; 59; 74].

Не вызывает сомнений то обстоятельство, что с увеличением продолжительности работы трубопроводов их состояние закономерно ухудшается, что влечет за собой возрастание риска возникновения аварий и отказов. В первую очередь такая ситуация обусловлена накоплением и развитием в стенках трубопроводов разнообразных дефектов (коррозия, растрескивание) и появлением дополнительных нагрузок и воздействий, не предусмотренных при проектировании. Вследствие того, что магистральные нефтегазопроводы проектируются как бездефектные сооружения, то наличие любого несовершенства или дефекта на эксплуатирующемся объекте делает его состояние неисправным, так как при исправном состоянии объект должен соответствовать всем требованиям документации. Наряду с этим не каждое отклонение от установленных требований ведет к нарушению функциональной работоспособности объекта, связанной с невозможностью осуществления транспорта продукта с заданными техническими параметрами. Как правило, предельно допустимые размеры дефектов обусловлены лишь возможностями осуществляемых технологических процессов. Такая ситуация характерна, например, при определении требований к качеству сварных швов [42;

102] и трубной стали.

Вследствие того, что технологические нормы не учитывают опасность дефектов при эксплуатации, то многие элементы, подлежащие удалению, могут обеспечить дальнейшую безопасную работу объекта. Нерациональность замены работоспособных элементов очевидна. Чтобы избежать ненужных вырезок, необходимо иметь эксплуатационные критерии отбраковки, которые учитывают опасность дефектов для конкретной рассматриваемой конструкции.

Главным критерием работоспособного состояния магистральных нефтегазопроводов является уровень их напряженно-деформированного состояния [93]. При этом следует иметь в виду, что и достижение устанавливаемых критериаль-

ных параметров не приводит к необходимости снятия объекта с эксплуатации. В этом случае он сохраняет работоспособное состояние, однако дальнейшая эксплуатация будет сопряжена с повышением риска возникновения отказов [82].

С целью предупреждения аварийных ситуаций на объектах трубопроводного транспорта в нефтегазовой отрасли разработана концепция безопасной эксплуатации трубопроводов и продления их срока службы. Согласно этой концепции работоспособность и безопасность эксплуатирующихся трубопроводов в условиях их старения обеспечивается путем реализации следующих взаимосвязанных мероприятий:

• диагностический контроль для выявления и идентификации различного вида несовершенств, повреждений, дефектов металла;

• оценка допустимости имеющихся дефектов и несовершенств, ранжирование их по степени опасности, определение приоритета ремонтных работ;

• выборочные ремонты, обеспечивающие полное восстановление несущей способности поврежденных участков.

Такой подход позволяет оценить фактическое состояние объекта и оптимизировать расходование финансовых ресурсов предприятий на поддержание системы трубопроводов в работоспособном состоянии.

В процессе диагностирования магистральных нефтегазопроводов обнаруживается многочисленное количество разнообразных дефектов: коррозионные повреждения, растрескивание металла, вмятины, задиры, внутренние несплошности (расслоение) и т.п. Для обоснования степени опасности наиболее распространенных наружных дефектов разработаны специальные нормативно-технические документы (НТД) [10; 11; 70]. Что же касается внутренних дефектов, то критериев оценки их степени опасности в настоящее время не существует, несмотря на то, что несплошности (расслоения) металла являются распространенным дефектом, который обнаруживается на магистральных нефтегазопроводах.

В настоящей работе автором, на основе расчетно-экспериментальных данных, проанализировано влияние внутреннего расслоения стенок на работоспособность нефтегазопроводов, и предложена методика оценки опасности внутренних расслоений стенок нефтегазопроводов, обнаруживаемых на стадии эксплуа-тиции объектов. В частности в работе изложены общие сведения о расслоениях металла, показаны примеры их проявления на объектах трубопроводного транспорта, приведены результаты теоретического анализа прочности трубных эле-

ментов с расслоением металла, лабораторных исследований реального трубного материала содержащего внутренние дефекты, и стендовых испытаний полноразмерных фрагментов реальных длительно эксплуатирующихся магистральных газопроводов и нефтепроводов.

На основании совокупности проведенных исследований и полученных результатов разработана методика оценки степени опасности расслоений металла, обнаруживаемых на эксплуатирующихся магистральных нефтегазопроводах.

Научная новизна:

1. На основе анализа 7500 данных установлен признак наличия внутреннего расслоения в стенке трубы: изменение в точке контроля показаний ультразвукового толщиномера не менее чем на 10 % при измерении толщины стенки двумя пьезоэлектрическими преобразователями с рабочими частотами 5,0 и 2,5 МГц, а площади поверхности с показаниями, составляющими 20...80 % от номинального

значения толщины стенки, не менее чем в 1,5 раза.

2. По результатам испытания на статическое растяжение образцов из стали 17Г1С и Х70 установлено, что при протяженности внутренних расслоений до 90 % длины образцов не происходит снижения значений стандартных механических характеристик металла.

3. Теоретически обосновано, что при газообразном характере внутренней несплошности приращение напряжений в трубном элементе с расслоением стенки по сравнению с трубным элементом, не имеющем дефектов, составляет не менее 10 % и зависит от значений рабочего давления и радиальной величины дефекта, а при твердом характере несплошности приращение напряжений не превышает

5%.

4. Установлено, что циклическое изменение внутреннего давления вызывает развитие внутренних расслоений в стенке трубы.

Основные защищаемые положения диссертации:

- аналитические зависимости, полученные для расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенной трехслойной цилиндрической оболочки, позволяют оценить работоспособность трубного элемента с внутренними несплошностями стенки;

- разработанный алгоритм проведения ультразвуковой толщинометрии с использованием двух пьезоэлектрических преобразователей с рабочими частотами 5,0 и 2,5 МГц позволяет определить наличие внутреннего рас-

слоения в стенках эксплуатирующихся магистральных нефтегазопроводов;

- наличие и площадь внутренних расслоений металла не влияют на значения его стандартных механических характеристик и на прочность сварного соединения;

- разработанная методика оценки работоспособности элементов эксплуатирующихся нефтегазопроводов с внутренними расслоениями стенок позволяет учесть эксплуатационные и конструктивные особенности трубопровода и исключить необходимости замены «дефектных» фрагментов трубопровода, которые могут обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технических конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ

(г. Ухта, 2008, 2009, 2010 гг.);

- семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, 2009, 2012 гг.);

- X Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех» (г. Ухта, 2009 г.);

- Ill Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (ТГНГУ, г. Тюмень, 2009 г.);

- V Международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (ДАО «Оргэнергогаз», г. Москва, 2010 г.);

- девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (РГУНГ, г. Москва, 2011 г.);

- четвертой Международной научно-технической конференции GTS - 2011 (г. Москва, 2011 г.);

- девятнадцатой международной деловой встрече «Диагностика 2011» (г. Геленджик, пос. Кабардинка, 2011 г.);

- VII Международной учебно-научно-практ�