Разработка методов диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов

Новоселов, Федор Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методов диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов"

На правах рукописи

0050578/и

НОВОСЕЛОВ ФЕДОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ТРУБ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность - 25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 АПР 2013

Москва-2013

005057870

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Газпром трансгаз Ухта»

Научный руководитель:

Кузьбожев Александр Сергеевич, доктор технических наук

Официальные оппоненты:

Решетников Александр Данович, доктор технических наук, заместитель директора экспертно-аналитического центра ОАО «Оргэнергогаз»

Запевалов Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук, заместитель директора центра технологий строительства, ремонта и защиты от коррозии ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Ведущая организация:

ООО «ВолгоУралНИПИгаз», г. Оренбург

Защита диссертации состоится 15 мая 2013 г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 511.001.02, созданного на базе ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.

Автореферат разослан 9 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук О' ' ///) Ирина Николаевна Курганова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Сохранение надёжности и долговечности газопроводов за счет повышения эффективности их противокоррозионной защиты является первоочередной актуальной задачей газотранспортных предприятий и обеспечивается комплексом мероприятий, направленных на предупреждение и своевременное устранение повреждений защитных покрытий труб.

В настоящее время все более широкое применение при строительстве, ремонте и реконструкции газопроводов находят трубы с полимерным покрытием заводского нанесения. Однако для контроля качества покрытий используют методы, которые были разработаны применительно к традиционным типам покрытий - битумному, из полимерных лент и т.п. Контроль существующими методами мало информативен, а испытания на адгезию в качестве приемочных испытаний в принципе неприемлемы, как по причине необратимой (даже с учетом последующего ремонта) утраты гидроизолирующих свойств монолитного покрытия, так и в силу малой достоверности испытаний из-за масштабного эффекта.

В этой связи применительно к заводским покрытиям актуальной задачей является разработка новых методов диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов.

Основным фактором нарушения целостности заводских защитных покрытий газопроводов является сдвиг и отслаивание на кромках, проявляющееся в условиях высоких, низких и знакопеременных температур при хранении труб. Эти негативные процессы развиваются, как правило, в условиях избыточного теплового влияния сварки при выполнении монтажных соединений и нагрева труб при нанесении термоусаживающихся манжет при ремонте и монтаже газопроводов. Методов предотвращения и торможения развития скрытых повреждений покрытий при хранении, монтаже и ремонте газопроводов до настоящего времени не было разработано, что не соответствовало современным требованиям качества строительства и эксплуатации газопроводов. В этой связи разработка практических мер по предохранению и поддержанию качества заводских защитных покрытий газопроводов на этапах приемки, хранения и монтажа в условиях Севера является актуальной задачей строительных и газотранспортных предприятий.

Поэтому разработка методов диагностирования и предохранения защитных покрытий труб при строительстве трубопроводов, является актуальной задачей.

Цель работы: Разработка методов диагностирования и предохранения защитных покрытий труб при строительстве трубопроводов для повышения их надёжности и долговечности.

Задачи исследования:

- исследовать кинетику развития дефектности защитных покрытий труб при длительном хранении в условиях Крайнего Севера, при монтаже труб в секции на трубосварочных базах и в трассовых условиях;

- оценить изменение свойств защитных покрытий на трубах сверхнормативного хранения в зависимости от воздействующих факторов: времени хранения, местоположения трубы в штабеле;

- рассчитать и экспериментально определить параметры теплового поля при сварке труб с защитными покрытиями, установить степень влияния температуры сварочного процесса на состояние защитных покрытий на торцевых кромках;

- на основе анализа существующих методов контроля защитных покрытий труб разработать более эффективный акустический импедансный метод диагностирования, позволяющий оценить точность определения границ отслаивания покрытий при сварке труб;

- разработать имитационные образцы металла труб с характерными дефектами и повреждениями защитных покрытий и опробовать разработанный метод диагностирования защитных покрытий на газопроводах длительной эксплуатации, имеющих характерные повреждения;

- разработать метод проверки эффективности устройств для отвода избыточного тепла от торцевой кромки покрытия при сварке.

Научная новизна:

Экспериментально обоснован метод оценки изменения свойств защитного покрытия, позволяющий установить механизм развития отслоений покрытия под действием факторов окружающей среды, сопровождающийся упрочнением и снижением эластичности клеевого слоя на границе отслоений с адгезионной прочностью до 190-210 Н/см в сравнении с показателями бездефектных областей покрытия 130-150 Н/см;

Экспериментально обоснован метод и процедура калибровки импедансного акустического дефектоскопа на основе зависимостей величины выходного сигнала дефектоскопа и усилия отрыва приклеенного покрытия от его температуры, позволяющих определить оптимальный диапазон температур контроля, при котором выявляется не менее 95 % скрытых отслаиваний покрытия;

Расчетным путем обоснован метод определения параметров теплового поля при сварке труб на основе зависимостей температуры от времени и расстояния до источника сварки, проверенных экспериментально путем измерения температуры внутренней и наружной стенки трубы в окрестности сварного шва с расхождением расчетных и экспериментальных данных с учетом введенного поправочного коэффициента не более 5 %;

Разработан метод проверки эффективности теплоотводящих устройств при сварке на основе анализа полученных экспериментально диаграмм термического цикла сварки и введенного параметра количества получаемого покрытием тепла в единицу времени, а также использования экспериментальных средств количественной визуализации распределения температур.

Защищаемые положения:

- экспериментальное обоснование метода оценки изменения свойств защитного покрытия;

- экспериментальное обоснование метода акустического импедансного диагностирования защитного покрытия труб, позволяющего выявлять скрытые его отслаивания;

- расчетно-экспериментальное обоснование метода определения параметров теплового поля при сварке труб;

- метод проверки эффективности теплоотводящих устройств при сварке.

Практическая ценность работы заключается в разработке Рекомендаций ОАО «Газпром» «Инструкция по диагностике защитных покрытий труб ультразвуковыми методами», регламентирующих использование впервые разработанных методик при диагностировании отслаиваний защитного полиэтиленового покрытия труб, а также Рекомендаций ОАО «Газпром» «Методические указания по хранению, монтажу и ремонту труб с защитными покрытиями», устанавливающие требования к методике проведения работ по обеспечению целостности и ремонту защитных покрытий труб и монтажных секций труб на этапах приемки, хранения и монтажа в базовых и трассовых условиях.

Разработанные рекомендации внедрены в ходе нового строительства газопроводов Бованенково-Ухта и Ухта-Торжок, диагностировано порядка 1100 труб, из которых защитное покрытие 19 труб оперативно отремонтировано.

По результатам промышленного внедрения работ рассчитан ожидаемый экономический эффект (индекс эффективности не менее 8,5) в ООО «Газпром трансгаз Ухта» в 2012-2015 гг., достигаемый за счет снижения риска разрушений газопроводов вследствие внедрения информативных методик диагностирования защитных покрытий, своевременного выявления и устранения скрытых повреждений защитных заводских покрытий труб, а также за счет повышения качества нового строительства газопроводов, предотвращения повреждений покрытий труб при хранении, сварке и монтаже труб, устранения дефектов с минимальными затратами, ресурсосбережения (сокращения потерь от брака).

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

- IV Межд. науч.-техн. конф. «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (6-11 окт. 2008 г.);

- 3-ей международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009 г.);

- V Межд. науч.-техн. конф. «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (4-9 окт. 2010 г.);

- X Межд. науч. конф. «Севергеоэкотех» (УГТУ, г. Ухта, 4-5 февр. 2010 г.);

- Межд. конф. «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии» памяти Г.В. Акимова (ИФХиЭ РАН им. А.Н. Фрумкина, г. Москва, 23-25 мая 2011 г.);

- IV Межд. научн.-техн. конф. «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (СТ8-2011), (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2011 г.);

- VII Межд. науч.-практ. конф. «Ашировские чтения» (СамГТУ, п. Агой, 2629 сент. 2011 г.);

- IX Всероссийской науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 30 янв.-1 февр. 2012 г.);

- семинарах, деловых встречах, отраслевых совещаниях и научно-технических советах ОАО «Газпром» и его дочерних обществ за период 20072011 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 7 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 1 патент РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 142 страницы текста, 63 рисунка, 11 таблиц и список литературы из 143 наименований.

Содержание работы

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

В первой главе выполнен обзор и анализ состояния заводских защитных покрытий трубопроводов и методик их диагностирования, раскрыты проблемы, возникающие при длительном хранении труб с защитными покрытиями в атмосферных условиях.

Исследованиями проблем защитных покрытий газопроводов в разное время занимались академические институты, ИФХиЭ им. А.Н. Фрумкина, ИОиНХ им.Н.С.Курнакова, ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», УрО РАН, учебные институты РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, МГУ им. М.В. Ломоносова, РХТУ им. Д.И. Менделеева, отраслевые ВНИИСТ и Газпром ВНИИГАЗ.

Среди отечественных ученых следует выделить Антонова В.Г., Герасимова В.В., Глазкова В.И., Глазова Н.П., Дорошенко П.Г., Зинкевича A.M., Карякину М.И., Котика В.Г., Михайловского Ю.Н., Петрова Н.Г., Притулу В.В., Протасова В.Н., Санжаровского А.Т., а также ученых «Газпром ВНИИГАЗ» Алексашина A.B., Запевалова Д.Н., Петрова H.A., Скубина В.К., Харионовского В.В.

Несмотря на большое число работ и выполненных исследований в данном направлении, а также существенный прогресс в достижении высоких качественных показателей новых защитных покрытий труб, отмечен ряд проблем в области диагностирования защитных покрытий и в вопросах их надежности при строительстве трубопроводов.

Комплекс методов диагностирования защитных покрытий труб при строительстве включает магнитный метод контроля толщины покрытия и электроискровой метод контроля сплошности. В последнее время, в ряде работ разработан новый высокочастотный ультразвуковой метод диагностирования заводских покрытий. Однако в условиях массового строительства его реализация сопряжена с рядом практических и методических проблем: сложностью интерпретации результатов, необходимостью использования контактной среды при контроле, что сложно в зимнее время, отсутствием методик выявления отслоенного, но плотно прилегающего покрытия и т.д.

В работах тех же авторов описан опыт исследования образования сдвиговых деформаций и отслаиваний защитного покрытия применительно двухслойному заводскому покрытию, однако применение такого типа покрытий в настоящее время ограничено. Системные исследования применительно к трехслойным заводским покрытиям до настоящего времени были незначительны, способы сохранения работоспособности покрытий при хранении и монтаже труб имели только

расчетное обоснование, но не были проверены и отработаны экспериментально в условиях нового строительства.

Для исследования кинетики развития дефектности трехслойных защитных покрытий труб при длительном хранении в условиях Крайнего Севера проводились наблюдения и эксперименты на 154 трубах диаметром 1020-1420 мм, находящихся длительное время (более 20 лет) на открытых площадках без защиты от действия негативных факторов окружающей среды, таких как температурные перепады, солнечное ультрафиолетовое излучение и т.д. Проводился визуальный контроль покрытий труб на торцевых кромках на наличие усадки и отслаивания, экспериментально определялась величина прочности адгезии покрытия к металлу труб. Измерения проводились по стандартной методике путем отрыва контрольной полосы покрытия с измерением механического усилия с помощью электронного измерителя адгезии АМЦ 2-20. Анализ полученных данных показал, что адгезионная прочность покрытия, определённая в различных областях покрытия труб изменяется в достаточно широких пределах. Наиболее характерными являются следующие результаты.

Установлено, что для бездефектных областей среднее значение адгезионной прочности, измереное как в осевом, так и окружном направлении составляет 130-150 Н/см (рис. 1, а, б), при этом распределение контрольного параметра по интервалам приближенно соответствует нормальному.

В местах контакта смежных труб среднее значение адгезионной прочности составляет 170-250 Н/см, при этом, если непосредственно в области контакта произошло разупрочнение клеевого соединения (адгезионная прочность 30-50 Н/см), то по границе этой области наблюдается значительное увеличение контролируемого параметра до 350 - 370 Н/см (рис. 1, в, г).

Результаты измерения адгезионной прочности покрытия в окрестности отслоений показали, что на расстоянии в 3-5 см от границы отслоения наблюдается значительное упрочнение клеевого соединения покрытия и трубы, при этом контролируемый параметр достигает 370-390 Н/см (рис. 1, д, е). Среднее значение адгезионной прочности покрытия в окрестности отслоений по сравнению с бездефектными выше на 50-60 единиц и составляет 190-210 Н/см.

Таким образом, установлено, что в том случае, если покрытие не подвергалось каким-либо механическим воздействиям, его адгезионная прочность в пределах допустимого срока хранения изменяется незначительно. Увеличение адгезионной прочности покрытия на границе отслоений можно объяснить изменением свойств клеевого слоя (потеря эластичности, отверждение) под воздействием воздушной среды в полости отслоения при колебании температуры хранения.

Следует отметить разный механизм отслаивания при проведении измерений. Так, низкие значения контролируемого параметра наблюдаются при отслаивании покрытия со слоем сополимера и грунтовки (при этом под отслаиваемой контрольной полосой видна чистая металлическая поверхность), средние и высокие значения, при отслаивании с разрушением клеевого слоя (при этом на металле трубы остаются остатки клеевого слоя).

□ 200-300

□ 100-200 □ 0-100

Интервал, Н/см

□ 0-100 □ 200-300 □ 300-400

100-200 13

В)

□ 300-400

□ 200-300 И 100-200

□ 0-100

Интервал, Н/см а

№ сегмента (вдоль трубы)

Р, Н/см

Число значений

-б)

оооооооооооо

Т- Т- т- V- V- ™ СМ

Число значений 10

Интервал, Н/см

оооооооооооооооооооо

Р, Н/см

Число значений 9

Интервал, Н/см

Д)

№ сегмента (по окружности трубы)

4 ■

3 2 1 0

ііііі

Є)

оооооооооооооооо

т-т-ч-х-і-С^СЧС'ІСМСМСОСОСОтсО

Интервал, Н/см

Рис. 1 Адгезионная прочность защитного покрытия в бездефектной области (а, б), в области контакта смежных труб в штабеле (в, г) и в области сквозного дефекта с отслаиванием (д, е) а, в, д - поле значений, 6, г, е - гистограмма

Таким образом, можно сделать вывод, что любые механические воздействия, даже не способствующие возникновению сквозных повреждений, вызывают изменения качества прилипания грунтовочного слоя к металлу. Очевидно, что любое сквозное повреждение также сопровождается снижением качества соединения грунтовочного слоя и металла, то есть в том случае, если повреждение будет отремонтировано стандартными методами, но при этом ремонтные материалы будут наноситься на старый грунтовочный слой, в окрестностях такого повреждения, под действием внутренних напряжений возможно развитие отслоений.

Во второй главе выполнены экспериментальные исследования по разработке и внедрению метода неразрушающего диагностирования защитных покрытий труб. Диагностирование отслоений под неповреждённым защитным покрытием труб возможно только с использованием ультразвукового и акустического импе-дансного методов неразрушающего контроля. Применяемый электроискровой метод, предназначенный для определения качества нанесения защитного покрытия по пробою электрическим разрядом, возникающим в местах сквозных дефектов, не чувствителен к отслаиваниям покрытия, не обладает необходимой разрешающей способностью и не позволяет установить границы отслоений.

Ультразвуковой (УЗ) высокочастотный эхо-метод позволяет с высокой точность определять границы отслоений при контроле, как с поверхности покрытия, так и с внутренней стороны стенки трубы. Основными недостатками УЗ-метода являются:

а) сложность интерпретации результатов;

б) необходимость использования контактной среды между пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью покрытия, что затрудняет контроль при отрицательных температурах.

С целью устранения указанных недостатков для диагностирования защитных покрытий труб был экспериментально адаптирован акустический импеданс-ный метод, который основан на зависимости механического импеданса Z, характеризующимся отношением комплексной амплитуды Р возмущающей силы к комплексной амплитуде V возбуждаемой ею колебательной скорости контролируемого объекта, от наличия дефектов в контролируемом покрытии. При этом в трубе с покрытием возбуждаются изгибные упругие колебания звукового диапазона частот. В отличие от характеристического импеданса Ъ = р-с (р - плотность среды, с - скорость звука в ней), являющегося свойством среды, механический импеданс является параметром конструкции.

В ходе экспериментальной отработки метода на образцах установлено, что при возбуждении контролируемого покрытия трубы излучающим вибратором раздельно-совмещенного преобразователя амплитуда сигнала на выходе его приемного вибратора зависит от механического импеданса изделия в точках соприкосновения вибраторов с объектом. На дефектных участках контролируемого покрытия модуль импеданса меньше, чем в бездефектных зонах, поэтому амплитуда сигнала на выходе приемного вибратора обычно увеличивается, что является признаком дефекта.

Для калибровки прибора разработан и изготовлен контрольный образец (рис. 2).

Рис. 2 Имитационный образец для настройки импедансного дефектоскопа 1 - верхний стяжной элемент; 2 - нижний стяжной элемент; 3 - полиэтиленовое покрытие; 4 - стяжной болт; 5 - нажимной болт; 6 - нажимной элемент

Целью экспериментов является улучшение информативности неразрушаю-щего импедансного метода за счет создания оптимальных условий контроля, при которых характеристики физико-акустических свойств покрытия соответствуют величинам оптимальной чувствительности импедансного метода, а также за счет использования калибровочных зависимостей наличия нарушений соединения, получаемых на образце и применяемых для процедуры настройки приборов.

Образец состоит из верхнего 1 и нижнего 2 кольцевых стяжных элементов, между которыми зажимается полиэтиленовое покрытие. В образце имитируется плотное прилегание отслоившегося покрытия. Нажимные болты 5 при закручивании упираются в нажимной элемент 6, при этом верхняя часть нажимного элемента взаимодействует с нижней поверхностью полиэтиленового покрытия 3.

Контактные поверхности верхнего зажимного и нижнего зажимных элементов имеют шероховатость, исключающую проскальзывание полиэтиленового покрытия при нагружении. После завершения сборки, образец постепенно нагревается, при этом производятся контрольные замеры с помощью импедансного дефектоскопа. При нагреве образца происходит расширение полиэтиленового изоляционного покрытия, в результате чего зазор между нажимным элементом и нижней поверхностью полиэтиленового покрытия увеличивается до некоторой величины, что способствует увеличению выходного сигнала индикатора дефектоскопа при проведении измерений. На основании замеров, проведённых на образце, строят калибровочные зависимости величины выходного сигнала импедансного дефектоскопа и температуры полиэтиленового изоляционного покрытия, по которой определяют оптимальный диапазон температур контроля Дг (рис. 3). На калибровочных зависимостях также указывается график, характеризующий выходной сигнал дефектоскопа при контроле хорошо приклеенного покрытия при различной температуре, а так же график, показывающий усилие отрыва приклеенного полиэтиленового покрытия от поверхности трубы, в зависимости от температуры.

Рис. 3 Зависимости усилия отрыва защитного покрытия (1), выходного сигнала дефектоскопа (2) и хорошо приклеенного покрытия (3) от температуры

19 25 30 34 38 42 48 Температура покрытия, °С

I ш,и о 100,0 |

90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0

ё 2

2 2 я

О. я

а к-

св и

е-

4 К

о >.

Контроль защитного покрытия после сварки труб выполняется в прикро-мочной зоне покрытия, а также в районе продольного сварного шва трубы. Перед проведением измерений область проведения исследований нагревается до необходимой температуры, после чего датчик дефектоскопа перемещается по поверхности покрытия и по показаниям прибора устанавливается наличие отслоений, а также их геометрические размеры.

В ходе промышленного внедрения импедансного метода выявлены единичные сквозные и несквозные, одиночные и групповые дефекты защитного покрытия, в том числе в окрестности сквозных дефектов выявлены скрытые, значительные по площади отслоения, которые не могли быть выявлены другими методами. Практически все дефекты покрытия сопровождаются отслоениями площадью, превышающую площадь видимого дефекта в 2-10 раз.

В третьей главе разработаны рекомендации по поддержанию защитной способности покрытий при длительном хранении труб. Новыми, ранее не применявшимися организационно-техническими мероприятиями, обеспечивающими сохранность защитных покрытий при хранении труб, являются:

- периодическая перекладка труб в штабелях;

- использование защитных укрытий (экранов).

Периодическая перекладка необходима при хранении труб без использования защитных экранов, так как в этом случае вследствие длительного воздействия (в летний период) прямых солнечных лучей, способствующих неравномерному нагреву поверхности труб, а также под действием внутренних напряжений возможны деформации некоторых участков покрытия и, как следствие, возникновение отслоений. Длительное воздействие солнечных ультрафиолетовых лучей способствует растрескиванию поверхности покрытия за счет деструкции. Перекладку

штабелей труб выполняют один раз в 2 года в летний период при температуре воздуха не менее плюс 20 °С. При перекладке трубы с защитным покрытием из нижнего ряда, покрытие которых испытывает наибольшее давление в зонах контактного соприкосновения, укладывают в верхний ряд вновь формируемого штабеля. При длительном (более 2 лет) хранении труб с защитными покрытиями в трассовых условиях применяют защитные укрытия (экраны), изготавливаемые из укрывного материала, отражающего солнечные лучи и обеспечивающего однородность распределения температур на поверхности защитного покрытия труб.

Разработаны мероприятия по предохранению защитных покрытий труб в ходе сварочных работ при строительстве трубопроводов. Расчетным путем проводилась оценка распределения теплового поля сварки по трубе с защитным покрытием заводского нанесения. Цель расчета - обосновать уравнение, позволяющее определять температуру покрытия для прогноза его состояния (твердое, эластичное, вязко-текучее) при сварке. За основу расчета была взята известная методика расчета температур сварки в трубе без покрытия H.H. Рыкалина (1959 г.). Данная методика была усовершенствована путем учета влияния полимерного защитного покрытия в процессах теплообмена (рис. 4). 2

Рис. 4 Схема к расчету распределения сварочного тепла по трубе с покры-

тием

I - труба, 2 - покрытие, 0- теплота от сварочной дуги, (Зг теплота на кромке покрытия, <3' - теплота на удалении Ьг, С)" - теплота конвективной теплоотдачи через покрытие, О'" - теплота конвективной теплоотдачи внутрь трубы, 8ц - толщина покрытия, 8щ - толщина трубы

Теплота С?| характеризует такой вид передачи тепла, как теплопроводность и определяется по формуле:

Q,=-VT'-S-T,

(1)

где Х.м - коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м- С); 8сеч - площадь поперечного сечения трубы, м2; т - время действия сварочной дуги, с.

Площадь поперечного сечения трубы 8сеч определяется по формуле:

5Сеч = Тс'^м '(0-8м) (2)

где Г) - внешний диаметр газопровода, м.

Время сварки или время излучения электрической дугой теплоты определяется из выражения:

Т =-2"П (3)

где Dcp - срединный диаметр трубы, мм; v - скорость перемещения источника, м/с; п - общее число проходов сварочного аппарата.

Теплота Q2 определяется по формуле:

Q^ttj-F/.AT.-t (4)

где а3 - коэффициент теплоотдачи от трубы в пространство окружающей среды, Вт/(м • С); F/ - площадь теплоотдающей поверхности (участок 1-2, внешняя поверхность трубы), м2; ДТ) - температурный напор, °С; t - время с момента начала сварки, с.

Площадь теплоотдающей поверхности F/ выражается формулой:

F^tï — .L, (5)

Температурный напор находится по формуле:

ДТ, =Тср — Ттс (6)

где Тср - средняя температура по трубе на участке длиной Li, °С; Тос - температура окружающей среды, °С

В общем случае средняя по длине участка трубы температура определяется по следующей формуле

(7)

|т<Ьс

Ь,

Теплота СЬ определяется аналогично теплоте СЬ:

дз=а3-Р1"-АТ1.1, (8)

где Р," - площадь теплоотдающей поверхности (участок 1 -2, внутренняя поверхность трубы), м2.

Площадь теплоотдающей поверхности Б," выражается формулой:

(9)

где <1 - внутренний диаметр газопровода, м.

Определив все исходные величины, составляем уравнение теплового баланса, для нахождения закона распределения температуры на участке 1-2:

<3 = <2,+Р2+<5з

Си

|Т(к

—т„.

(10)

Введем следующие обозначения:

- а.^.^+Р,");

- Ь, =ХМ -5-х.

Решая уравнение (10), получаем следующую зависимость:

Т2 = (Т, - Тос) • е 'ь' + Т^ (11)

где х - расстояние от источника тепла до искомой точки. Теплота СЬ, распространяясь на участке 2-3, разделится на 3 части:

- О'_ будет распространяться дальше вдоль трубы на участке длиной Ь3;

- О" - теплоотдачи от внешней поверхности трубы через слой покрытия в окружающую среду;

- О' - теплоотдачи от внутренней поверхности трубы.

Меры этих теплот определяются подобно их аналогам на участке 1-2:

0/=-А.„-Т/.8-т, (12)

V с' лт1 * (13)

Сг -лт2 л,

2 0Г

(14)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С), Е^ - площадь теплоотдаю-щей поверхности (участок 2-3, внешняя поверхность трубы), м2; Б/ - площадь теплоотдающей поверхности (участок 2-3, внутренняя поверхность трубы), м2; ДТ2 - температурный напор, °С.

Коэффициент теплопередачи к, при условии, что трубное покрытие будет играть роль стенки, определяется по формуле:

к =-

1 5„ 1

— + —+ —

(15)

а,

а.

где аі - коэффициент теплоотдачи от материала трубы к покрытию Вт/(м2- С); 5„ — толщина слоя покрытия, мм; Хп - коэффициент теплопроводности материала покрытия, Вт/(м-°С); а2 - коэффициент теплоотдачи от материала покрытия в окружающую среду, Вт/(м2-°С).

Тепловой расчет на участке 2-3 аналогичен участку 1-2, с учетом следующих характеристик покрытия:

- толщина слоя покрытия 5П;

- теплопроводность покрытия А.п;

- коэффициент теплоотдачи покрытия в окружающую среду а2. Введем следующие обозначения:

- а2=-Цк-3+а3-^);

- Ь2=^м-8-х.

Определив все исходные величины, составляем уравнение теплового баланса, для нахождения закона распределения температуры на участке 1-3:

(3, =(2' +(/ +<3'"

Ґ L.+L,

Q = -XM-T'-S-x + (k-F2/+a3-F2//)-t-

jTdx

--Т

(16)

Порядок решения полученного уравнения (16) описан ранее, поэтому запишем только закон распределения температуры на участке 2-3:

Чх-L,)

T,=(T2-Tj-e"'1 +Т,, С учетом формулы (11) перепишем уравнение (17) в следующем виде:

_ íi.L,_ ЇЦх-Ц)

T3=(T1-Tj.e*b' ^ + ТК

(17)

(18)

Расчетные данные температур сварочного процесса были проверены экспериментально на трубосварочной базе. На первом этапе исследований был выполнен визуальный осмотр кромок защитного покрытия двухтрубных секций, расположенных в окрестности сваренных стыков. Установлено, что степень оплавления определяется толщиной свариваемых труб, а также расстоянием от сварного стыка до кромки покрытия. В большинстве случаев, для труб с толщиной стенки 21,6 мм наблюдается оплавление поверхности кромки покрытия, ширина зоны оплавления составляет 0,8—1,5 см.

Очевидно, что такой вид оплавления возникает под действием теплового излучения сварки, при этом покрытие не прогревается на всю толщину, и усадки не происходит. Для толстостенных труб (26,7 мм) зафиксировано значительное оплавление и деформация кромки покрытия, в некоторых случаях сопровождающаяся локальным отслоением и усадкой небольших участков на глубину 2-3 мм. Измерение температуры на поверхности защитного покрытия проводили несколькими датчиками, разнесенными от кромки торцевой кромки покрытия вдоль оси трубы через 10 см. Результаты измерения температуры защитного покрытия в момент завершения сварки для труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 21,6 и 26,7 мм представлены на рис. 5.

Т, °С Т,°С

т, с т, с

а) б)

Рис. 5 Зависимость температуры на поверхности защитного покрытия трубы диаметром 1420 мм с толщиной стенки 26,7 мм (а) и 21,6 мм (б) от времени после

завершения сварки

1 - температура металла на границе с кромкой покрытия; 2 - температура покрытия на кромке; 3 - в 10 см от кромки; 4 - в 20 см от кромки; 5 - в 30 см от кромки; 6 - в 40 см от кромки; 7 - в 50-100 см от кромки

Установлено, что температура металла трубы вблизи кромки покрытия составляет порядка 120 °С, и после завершения процесса сварки начинает убывать со скоростью 0,025 град/с. Температура на поверхности покрытия после завершения сварки, напротив, временно несколько увеличивается. При этом, с одной стороны, начальная температура уменьшается с удалением от торцевой кромки покрытия, что объясняется удалением от источника сварочного тепла, с другой стороны наблюдается возрастание температуры от начального значения во времени, причем длительность этого возрастания обратно пропорциональна удалению датчика от торцевой кромки покрытия. Это объясняется тем, что с приближением к точке сварки количество сварочного тепла увеличивается, в том числе и за счет нагрева излучением, которое является быстродействующим и быстро уменьшается со временем. С удалением от источника сварочного тепла увеличение температуры происходит за счет аккумулирования тепла металлом трубы, изолированным от конвективного теплообмена с воздухом защитным полимерным покрытием.

Очевидно, что вблизи торцевой кромки покрытия максимальная температура будет превышать 90 °С, с удалением от кромки по оси трубы распределение максимальных температур в покрытии будет подчиняться графикам, показанным на рис. 5 пунктирными линиями. С аналогичным расположением температурных датчиков на поверхности покрытия вдоль оси трубы с дискретностью 10 см от кромки получены зависимости температуры от расстояния до сварного шва в различное время после окончания сварки (рис. 6).

ЗО --■ ■' ■ 45

О 20 40 60 80 о 10 20 ЗО 40

Цсм Ь, см

а) б)

Рис. 6 Зависимость температуры на поверхности защитного покрытия трубы диаметром 1420 мм с толщиной стенки 26,7 мм (а) и 21,6 (б) от расстояния до сварного шва при различном времени после завершения сварки 1 - после завершения сварки; 2 - через 7 мин; 3-20 мин; 4-35 мин; 5-10 мин; - 20 мин; 1-4 толщина стенки трубы 26,7 мм, 5,6 - 21,6 мм

Подтверждено, что в этот период происходит перераспределение тепла вдоль оси трубы от торцевой кромки в покрытие, характеризуемое плавным уменьшением температуры на кромке с одновременным увеличением температуры удаленного от кромки покрытия. Из графиков также следует, что разогрев покрытия после завершения сварки тем выше, чем больше толщина стенок свариваемых труб. Установлено, что изменение температуры при сварке подчиняется следующей зависимости: интенсивный прирост температуры при приближении сварочной дуги к датчикам, достижение некоторого промежуточного максимального значения, плавное охлаждение до момента вторичного приближения дуги к датчикам, после которого следует дальнейший рост температуры и т.д. Измерение температуры стенки трубы на различном удалении от сварного шва проводилось с внутренней поверхности трубы (рис. 7). Датчики располагались вдоль сварного шва с расстоянием между датчиками и от шва 10 см (рис. 7, а) и перпендикулярно сварному шву с таким же расположением (рис. 7, б).

Наибольшая интенсивность роста температуры наблюдается на расстоянии до 20 см до сварного шва, скорость увеличения составляет 0,007 град/с. Для определения соответствия полученного расчетного выражения распределения температуры в стенке трубы при сварке, построили зависимости, характеризующие расчетное и экспериментальное распределение температуры. Очевидно, что для адаптации полученного теоретического уравнения к экспериментальным данным необходимо ввести поправочный коэффициент (рис. 8). Величина поправочного коэффициента определялась с помощью табличного редактора MS Excel, для чего, используя вкладку «Поиск решения» выполнялся подбор такого коэффициента, при котором сумма квадратов разностей соответствующих значений в двух массивах данных (расчетном и экспериментальном) будет минимальной.

Т, °С 50

6 30 1200 1800

Т, °С 22

1 А Л А*

-Ц

ф к 3 \

_ фг 4 \ V,

600

1200

т, с

1800 т, с

а) б)

Рис. 7 Зависимость температуры стенки трубы от времени после начала сварки с расположением датчиков вдоль шва (а)) и перпендикулярно шву (б) на различном расстоянии от сварного шва 1 - 20 см от шва; 2-30 см; 3 - 40 см; 4 - 50 см

Т, °С

350

250

150

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,51 • Ь, м

Рис. 8 Экспериментальная и теоретическая зависимости температуры от расстояния до сварного шва

1 - теоретическая зависимость; 2 - теоретическая зависимость с учетом поправочного коэффициента; 3 - экспериментальная зависимость

В результате формула (18) принимает окончательный вид

(19)

где ґ-поправочный коэффициент, составляющий 2,9-3,1. Необходимость корректировки исходного расчетного уравнения распределения температурного поля при сварке объясняется, прежде всего, тем, что при

расчетах использовались упрощенные модели, в которых не учитывались все факторы, сопровождающие процесс сварки. Например, известно, что теплопроводность некоторых сталей при нагреве до высоких температур может постепенно снижаться в 2-2,5 раза, при этом удельная теплоёмкость может возрастать более чем в 1,5 раза. Т.е. в данном случае все теплофизические характеристики, также будут представлять собой некоторые функции температуры, использование которых при определении теоретического закона распределения может значительно усложнить расчеты.

Итак, из результатов анализа при сварке следует, что интенсивность термического влияния на кромки покрытия труб зависит от расстояния до рассматриваемого сечения; температуры предварительного подогрева; режимов сварки и временного цикла «нагрев-охлаждение».

Экспериментально установлено, что цикл сварки труб газопроводов, гарантируя качество и надежность сварного шва, инициирует запуск механизма термического влияния на полимерные составляющие покрытия труб, воздействуя тем самым в различной степени на прочность их адгезионного соединения. Минимальное тепловое воздействие на торцевую кромку покрытия обеспечивается на расстоянии менее 160 мм от сварного шва при минимальной температуре предварительного и сопутствующего подогрева, не превышающей 50°С.

Между тем, для получения гарантированных служебных свойств сварных соединений, особенно при проведении сварочно-монтажных работ в условиях низких температур Крайнего Севера, требуется нагрев 50-100°С, а в некоторых случаях и выше. Поэтому с целью предотвращения возникновения тепловых повреждений покрытий при сварке были разработаны способы нейтрализации теплового воздействия процессов сварки на покрытие. При проведении монтажа МГ из труб с покрытиями заводского нанесения выполняют следующие мероприятия, обеспечивающие сохранность покрытия и отсутствие повреждений:

- мониторинг температур на торцовой кромке покрытия в процессе сварки, при нанесении термоусаживаемых манжет;

- контроль кромки покрытия на наличие отслаивания, сдвига;

- использование защитных экранов;

- использование фиксирующих хомутов.

Использующиеся до настоящего времени методы и устройства предохранения защитного покрытия были неэффективны, так как не учитывалось количество отводимого тепла от кромки покрытия, что приводило либо к избыточному охлаждению, в том числе сварного шва, что недопустимо, либо к перегреву покрытия. Усиливающие хомуты были громоздки, а в условиях отрицательных температур не приводили к требуемому фиксирующему эффекту.

Поэтому был разработан новый метод предохранения защитного покрытия, лишенный указанных недостатков. На свободную от покрытия часть трубы, на расстоянии не менее 1 см от края защитного покрытия устанавливается фиксирующий хомут (рис. 9). Фиксирующий хомут состоит из трех криволинейных элементов, каждый из которых представляет собой стальную криволинейную пластину с отогнутыми концами, на одном из торцов которой с внутренней стороны выполнен паз.

покрытия от деформации при сварке трубопроводов

1 - труба, 2 - защитное покрытие, 3 - фиксирующий хомут, 4 - прокладка из теплоизоляционного термоустойчивого материала, 5 - удерживающий хомут, 6 - быстросъёмный теплоот-вод

В паз устанавливается прокладка из теплоизоляционного термоустойчивого материала, препятствующая распространению тепла от фиксирующего хомута к защитному покрытию. Сборку фиксирующего хомута начинают у верхней образующей трубы, где болтовыми соединениями два криволинейных элемента присоединяют друг к другу, а затем к этим двум криволинейным элементам крепят третий. В пазы на криволинейных элементах фиксирующего хомута устанавливается прокладка из теплоизоляционного термоустойчивого материала.

Заканчивают сборку хомута затяжкой, обеспечивающей необходимый обжим трубы. На край защитного покрытия в такой же последовательности, как и при установке фиксирующего хомута, устанавливают удерживающий хомут. Удерживающий хомут состоит из трех криволинейных элементов и аналогичен по конструкции фиксирующему хомуту, за исключением того, что монтажный диаметр удерживающего хомута соответствует диаметру трубы с защитным покрытием.

Длина криволинейных элементов удерживающего хомута должна обеспечивать зазор в 2-3 мм между их отогнутыми концами для обеспечения возможности перемещения криволинейных элементов при деформации покрытия. На внутренней поверхности криволинейных элементов удерживающего хомута монтируется прокладка из фрикционного материала, исключающая скольжение удерживающего хомута относительно изоляционного покрытия.

Для того чтобы контактное давление между прокладкой из фрикционного материала и защитным покрытием при тепловой деформации покрытия уменьшалось незначительно и исключало скольжение фиксирующего хомута относительно покрытия под головки стяжных болтов устанавливаются винтовые пружины

сжимающиеся при затяжке болтов и обеспечивающие вдавливание прокладки из фрикционного материала в изоляционное покрытие при его разогреве. Для взаимного соединения фиксирующего и удерживающего хомутов используют болты, которые вставляются в прорези бобышек, приваренных равномерно по окружности к внешней поверхности хомутов. Для компенсации внутренних напряжений в покрытии, между головками болтов и бобышками удерживающего хомута устанавливаются винтовые пружины, обеспечивающие осевой натяг кромки защитного покрытия в сторону свариваемого торца трубы. Быстросъёмные теплоотводы крепятся к внешней поверхности криволинейных элементов фиксирующих хомутов болтами.

Устройство для отвода избыточного тепла от кромки покрытия было проверено экспериментально. В ходе нагрева кромки до 200 °С проводилось измерение температуры, при этом использовалось съемное теплоотводящее устройство, имеющее семь теплоотводящих пластин длиной 15, 30, 55 см.

Эффективность применения теплоотводящего устройства оценивалась уменьшением времени действия критических температур, превышающих 100 °С на кромке покрытия. Условно принималось, что если температура на кромке покрытия в течении 5 минут была 102 °С, то происходило размягчение, а если 140 °С - покрытие плавилось и переходило в вязкое состояние. Поэтому введен условный параметр количество получаемого тепла в единицу времени (град е) (рис. 10).

Площадь заштрихованной области, ограниченной кривой термического цикла и линией Т=100 °С, являлась искомым параметром, по которому оценивалась эффективность теплоотводящего устройства. Для нахождения площади использовали метод трапеций.

211.0 X

185,4 159,8 134,3 108,7 83,1 57,6 32,0 6.4

а)

б)

Рис. 10 Диаграмма температуры покрытия (а) и визуализация распределения температур с использованием теплоотводящего устройства

Установлено, что при длине теплоотводящих пластин более 30 см перегрев кромки покрытия не наблюдается. Эффективность применения теплоотводящих пластин длиной 15 см составила 40%.

Основные выводы:

1. Разработаны методы диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов, включая акустический импедансный метод, позволяющий выявлять скрытые отслаивания покрытия и проводить контроль при низких температурах окружающего воздуха без использования жидкой контактной среды, метод контроля тепловых процессов, сопровождающих сварку, позволяющий проводить оценку и нейтрализацию избыточного термического воздействия сварки на покрытие.

2. Выполнен контроль защитного покрытия труб диаметром 1420 мм со сроком хранения более 20 лет. Установлено, что адгезионная прочность защитного покрытия в бездефектных областях в среднем составляет 130-150 Н/см, адгезионная прочность покрытия в окрестности отслоений превышает показатели бездефектных областей и составляет в среднем 190-210 Н/см. Установлен механизм развития отслоений защитного покрытия, сопровождающийся упрочнением и снижением эластичности клеевого слоя на границе отслоений под действием факторов окружающей среды, ведущее впоследствии к увеличению его хрупкости и дальнейшему увеличению размеров отслоения.

3. Разработана номенклатура стандартных имитационных образцов металла труб с характерными скрытыми дефектами и повреждениями защитных покрытий, предназначенных для настройки и калибровки акустических импедансных дефектоскопов, включая образцы с имитаторами дефекта в виде расслаивания покрытия, с имитацией комбинированного покрытия и термоусаживаемой манжеты, с имитацией плотности сопряжения неприклеенного к металлу трубы покрытия.

4. Разработан метод предохранения защитного покрытия труб при хранении на трубных базах, включающий использование средств предохранения покрытия в виде специальных укрывных (изолирующих от воздействия факторов окружающей среды) и подстилающих материалов, применение специальных подставок и опор, периодическую перекладку труб в штабелях.

5. Рассчитаны параметры теплового поля при сварке труб с определением степени влияния температуры сварочного процесса на состояние защитных покрытий на торцевых кромках. Разработан и реализован метод экспериментального измерения температуры при сварке на внутренней и наружной стороне стенки трубы в окрестности сварного шва с применением многоканального измерительного комплекса. Установлено, что полученная расчетная зависимость распределения температур при сварке согласуется с экспериментальной зависимостью с учетом введенного поправочного коэффициента с расхождением не более 5 %.

6. Предложен для промышленного применения и опробован метод контроля и способы предупреждения развития повреждений покрытий при сварочных работах при строительстве трубопроводов, включая применение модернизированного устройства для предохранения защитного покрытия от деформации,

интегрированного с теплоотводящим устройством. Выбрана и обоснована оптимальная длина быстросъемных теплоотводящих пластин.

7. По результатам работы разработаны рекомендации ОАО «Газпром» «Инструкция по диагностике защитных покрытий труб ультразвуковыми методами», регламентирующие использование разработанных методик при диагностировании отслаиваний защитного полиэтиленового покрытия труб, а также «Методические указания по хранению, монтажу и ремонту труб с защитными покрытиями», устанавливающие требования к методике проведения работ по обеспечению целостности и ремонту защитных покрытий труб и монтажных секций труб на этапах приемки, хранения и монтажа в базовых и трассовых условиях. Рекомендации внедрены в ходе нового строительства газопроводов Бованенково-Ухта и Ухта-Торжок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Новоселов Ф.А. Планирование сроков ремонтных работ ЛЧМГ на основе постоянного мониторинга // Газовая промышленность, 2011. - № 2. - С. 61-62.

2. Новоселов Ф.А., Кузьбожев A.C. Анализ защитной способности заводских покрытий труб на основе данных внутритрубной дефектоскопии после продолжительной эксплуатации газопровода // Контроль. Диагностика, 2011. -№11.-С. 25-29.

3. Колотовский А.Н., Кузьбожев A.C.. Новоселов Ф.А. Методика обработки данных о техническом состоянии газопроводов перед капитальным ремонтом защитного покрытия труб // Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2012. - №1. -С. 38-42.

4. Колотовский А.Н., Кузьбожев A.C.. Новоселов Ф.А Разработка метода контроля защитного покрытия труб при эксплуатации газопроводов после капитального ремонта // Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2011. - №12. -С. 8-12.

5. Колотовский А.Н., Кузьбожев A.C., Новоселов Ф.А. Методы Восстановления заводских покрытий труб при строительстве и ремонте газопроводов // Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2012. - № 2. — С. 23-28.

6. Новоселов Ф.А., Кузьбожев A.C. Предупреждение повреждений заводских покрытий труб при хранении // Контроль. Диагностика, 2012. - № 10. -С. 51-57.

7. Новоселов Ф.А., Кузьбожев A.C. Предупреждение повреждений заводских покрытий труб при выполнении сварных соединений газопроводов // Контроль. Диагностика, 2013. - № 2. -С. 34-40.

8. Кузьбожев A.C., Шишкин И.В., Новоселов Ф.А. Способ предотвращения развития дефектов стенок трубопроводов Патент РФ № 2474752. Заявл. 20.01.2012 г. Опубл. 10.02.2013 г.

9. Кузьбожев A.C., Шишкин И.В., Новоселов Ф.А. Мониторинг заводских защитных покрытий труб при хранении труб, монтаже и ремонте газопроводов // В сб. докл. IX Всерос. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (30 янв. -1 февр. 2012 г.). - Москва: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина - 2012. - 420 с.

10. Колотовский А.Н., Новоселов Ф.А., Кузьбожев A.C., Шишкин И.В. Методы защиты заводских изоляционных покрытий от повреждений при хранении труб, монтаже и ремонте газопроводов // В сб. докл. IV Межд. науч.-техн. конф. Газотранспортные системы: настоящее и будущее (26-27 окт. 2011 г.). - Москва: Газпром ВНИИГАЗ. - 2012. - 102 с.

11. Кузьбожев A.C., Новоселов Ф.А. Разработка способов предупреждения повреждений полимерных покрытий труб при монтаже и ремонте газопроводов // В сб. докл. VIII Межд. науч.-техн. конф. «Ашировские чтения» (26-29 сент. 2011 г.).-Самара: СГТУ. -2011. - 112 с.

12. Кузьбожев A.C., Колотовский А.Н., Новоселов Ф.А. Метод выявления отслаиваний полимерного антикоррозионного покрытия газопроводов // В сб. докл. Межд. конф. «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии» (23-25 мая 2011 г.). - Москва: ИФХиЭ им. А.Н. Фрумкина РАН - 2011. - 145 с.

13. Новоселов Ф.А. Опыт работы ООО «Газпром трансгаз Ухта» в организации работ по отбраковке труб при капитальном ремонте изоляционных покрытий магистральных газопроводов // В сб. докл. IV Межд. науч.-техн. конф. «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (6-11 окт. 2008 г.). - Москва: ОАО Газпром. - 87 с.

14. Новоселов Ф.А. Планирование сроков проведения ремонтных работ на основе постоянного мониторинга // В сб. докл. V Межд. науч.-техн. конф. «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (4-9 окт. 2010 г.) - Москва: ОАО Газпром. - 31 с.

подписано к печати 4 апреля 2013 г. Заказ №4010 Тираж 100 экз. 1 уч.- изд.л. ф-т 60x84/16

Отпечатано в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу 142717, Московская область, Ленинский р-н, п. Развилка, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Новоселов, Федор Александрович, Москва

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ УХТА»

На правах рукописи

04201357279

НОВОСЕЛОВ Федор Александрович

Специальность - 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и

хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, А.С. Кузьбожев

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАВОДСКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ ИХ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ................................................................................9

1.1. Классификация методов диагностирования защитных покрытий труб...........9

1.2. Экспериментальная оценка изменения свойств защитных покрытий труб сверхнормативного хранения.............................................................................................13

1.2.1. Характеристика объекта контроля..........................................................................13

1.2.2. Виды характерных повреждений защитного покрытия труб в зависимости от времени хранения................................................................................................................................15

1.2.3. Виды характерных повреждений защитного покрытия труб в зависимости от положения трубы в штабеле................................................................................................19

1.2.4. Методика оценки изменения свойств защитных покрытий при длительном хранении труб 22

1.2.5. Анализ полученных результатов испытания защитного покрытия на прочность адгезии к металлу трубы....................................................................................................................26

1.3. Выбор и обоснование неразрушающего метода контроля защитных покрытий труб на основе анализа мирового и отечественного опыта.........................................30

2. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ТРУБ....................................................35

2.1. Теоретические основы акустического метода многократных отражений......35

2.2. Экспериментальная отработка импедансного метода для контроля защитных покрытий труб........................................................................................................................37

2.2.1. Сопоставление методов выявления скрытых отслаиваний защитных покрытий труб 37

2.2.2. Сущность импедансного метода контроля защитных покрытий..........................38

2.2.3. Экспериментальная проверка точности определения границы скрытого отслаивания защитного покрытия трубы..................................................................................................41

2.3. Разработка порядка калибровки методов диагностирования защитных покрытий труб .....................................................................................................................................45

2.3.1. Нормативные документы........................................................................................45

2.3.2. Разработка имитационных образцов металла труб с характерными дефектами и повреждениями защитных покрытий..................................................................................45

2.4. Разработка порядка диагностирования защитного покрытия труб импедансным методом при строительстве трубопроводов....................................................................51

2.4.1. Общая последовательность диагностирования покрытия.....................................51

2.4.2. Оценка результатов диагностирования покрытия труб УЗ методом.....................55

2.5. Опробование разработанного метода диагностики защитных покрытий на газопроводах длительной эксплуатации, имеющих характерные повреждения......57

2.5.1. Характерные виды повреждений покрытия заводского нанесения при эксплуатации газопроводов.........................................................................................................................57

2.5.2. Анализ состояния участков газопроводов из труб с покрытием заводского нанесения после продолжительной эксплуатации................................................................................59

2.5.3. Результаты диагностирования заводских покрытий труб после продолжительной эксплуатации.........................................................................................................................63

3. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРЕДОХРАНЕНИЮ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ХРАНЕНИИ ТРУБ И В ХОДЕ СВАРОЧНЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРУБОПРОВОДОВ.................................................................................69

3.1. Разработка превентивных мероприятий при длительном хранении труб с защитными покрытиями.......................................................................................................69

3.2. Рекомендации к процедуре пополнения, расходования и перекладки труб с защитными покрытиями в штабелях при длительном хранении.................................72

3.3. Требования к процедуре временного складирования труб с защитными покрытиями в трассовых условиях....................................................................................73

3.4. Анализ температурных характеристик сварочного процесса труб газопроводов 77

3.4.1. Анализ нормативных требований по регламентированию температур сварочного процесса газопроводов.........................................................................................................77

3.4.2. Влияющие факторы и исходные данные для расчета температуры сварки..........79

3.4.3. Учет влияния защитного покрытия при расчете распределения сварочного тепла по трубе 84

3.4.4. Расчет температуры сварки для различных условий.............................................92

3.5. Анализ температурного влияния на защитное покрытие при сварочных процессах................................................................................................................................94

3.5.1. Сущность влияния нагрева на состояние защитного покрытия............................94

3.5.2. Термодеформационная модель защитного покрытия............................................97

3.5.3. Термодеформационная модель защитного покрытия с учетом адгезионной связи с металлом трубы..................................................................................................................100

3.6. Напряженно-деформированное состояние системы «покрытие-труба» при различных термических циклах........................................................................................102

3.6.1. Напряженно-деформированное состояние защитного покрытия при охлаждении102

3.6.2. Напряженно-деформированное состояние защитного покрытия при нагреве ... 104

3.7. Экспериментальные исследования труб с защитными покрытиями при монтаже труб в секции на трубосварочных базах.........................................................................106

3.7.1. Методика экспериментальных измерений температур на трубах с защитными покрытиями......................................................................................................................... 106

3.7.2. Результаты экспериментальных измерений температур на трубах с защитными покрытиями и их анализ..................................................................................................... 107

3.8. Разработка рекомендаций по предотвращению повреждений покрытий, обусловленных воздействием теплового поля при сварке труб................................116

3.8.1. Технические решения............................................................................................116

3.8.2. Оценка эффективности устройства отвода сварочного тепла от кромки защитного покрытия труб.....................................................................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Задачи исследования:

Научная новизна:

ружной стенки трубы в окрестности сварного шва с расхождением расчетных и экспериментальных данных с учетом введенного поправочного коэффициента не более 5 %;

Защищаемые положения:

- экспериментальное обоснование метода оценки изменения свойств защитного покрытия;

- расчетно-экспериментальное обоснование метода определения параметров теплового поля при сварке труб;

- метод проверки эффективности теплоотводящих устройств при сварке.

Практическая ценность работы заключается в разработке Рекомендаций ОАО

«Газпром» «Инструкция по диагностике защитных покрытий труб ультразвуковыми методами», регламентирующих использование впервые разработанных методик при диагностировании отслаиваний защитного полиэтиленового покрытия труб, а также Рекомендаций ОАО «Газпром» «Методические указания по хранению, монтажу и ремонту труб с защитными покрытиями», устанавливающие требования к методике проведения работ по обеспечению целостности и ремонту защитных покрытий труб и монтажных секций труб на этапах приемки, хранения и монтажа в базовых и трассовых условиях.

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

- IV Межд. науч.-техн. конф. «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (6-11 окт. 2008 г.);

- V Межд. науч.-техн. конф. «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (4-9 окт.

2010 г.);

- X Межд. науч. конф. «Севергеоэкотех» (УГТУ, г. Ухта, 4-5 февр. 2010 г.);

- IV Межд. научн.-техн. конф. «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2011), (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2011 г.);

- VII Межд. науч.-практ. конф. «Ашировские чтения» (СамГТУ, п. Агой, 26-29 сент.

2011 г.);

- IX Всероссийской науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 30 янв.-1 февр.

2012 г.);

- семинарах, деловых встречах, отраслевых совещаниях и научно-технических советах ОАО «Газпром» и его дочерних обществ за период 2007-2011 г.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАВОДСКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ ИХ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

1.1. Классификация методов диагностирования защитных покрытий труб

Контроль защитного заводского полиэтиленового покрытия труб выполняется в несколько этапов [14,85-87]. Первый этап осуществляется на стадии разработки и конструирования покрытий, второй - на стадии выпуска готовой продукции в заводских условиях, третий - это контроль состояния покрытий на стадии завершения строительно-монтажных работ (СМР) и, наконец, четвертый - в процессе эксплуатации подземного газопровода (рисунок 1.1).

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЯ

ЭТАП 1. Оценка свойств материалов покрытия Определение стойкости к катодному отслаиванию, прочности при ударе, переходного сопротивления на образцах, температуры размягчения и хрупкости и др.

ЭТАП 2. Испытания покрытий труб в заводских условиях Визуальный контроль, определение прочности адгезии (выборочно), измерение толщины, оценка сплошности электроискровым методом

-U

ЭТАП 3. Испытания покрытий на стадии завершения СМР Визуальный контроль, оценка сплошности электроискровым методом

ЭТАП 4. Постстроительный мониторинг (после засыпки трубопровода) в доэксплуат�

Информация о работе

Новоселов, Федор Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.19

Диссертация

Разработка методов диагностирования целостности защитных покрытий труб при строительстве магистральных газопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы