Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование методов контроля изоляционного покрытия магистральных трубопроводов в процессе длительной эксплуатации

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов контроля изоляционного покрытия магистральных трубопроводов в процессе длительной эксплуатации"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Иваненков Виктор Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 25.00.19 - "Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00345 1522

Уфа 2008

003451522

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов»

Научный руководитель

- доктор технических наук Гумеров Кабир Мухаметович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Азметов Хасан Ахметзиевич

- кандидат технических наук Галяутдинов Анвар Асхатович

Ведущее предприятие

• ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Защита диссертации состоится 14 ноября 2008 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУЛ «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 14 октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

__ Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Значение системы магистральных нефте-, газо- и нефтепродукто-проводов для России трудно переоценить. Однако стоит проблема обеспечения их сохранности, поскольку трубопроводы в подземном исполнении и подвергаются почвенной коррозии длительное время.

Подземные трубопроводы можно рассматривать как конструкции, состоящие из двух основных составляющих: собственно трубопровода (металлической части) и изоляционного покрытия. Поэтому долговечность (ресурс) целесообразно также рассматривать по отдельности: ресурс металлической составляющей, ресурс изоляционного покрытия, ресурс их взаимодействия (адгезия, обеспечение защитного потенциала).

На обеспечение долговечности металлической составляющей трубопроводов направляются большие средства, и в этом направлении работают большие группы учёных и специалистов. В результате достигнуты большие успехи: созданы внутритрубные диагностические комплексы, разработаны методики расчётных оценок прочности и ресурса, расчётные программы, созданы электронные базы данных, система нормативных документов. Всё это доведено до практической реализации и используется эксплуатирующими организациями в качестве инструментария.

Успехи в обеспечении надёжной защиты трубопроводов от почвенной коррозии более скромны из-за ряда нерешённых проблем.

Как известно, на магистральных трубопроводах имеет место двухуровневая защита от коррозии: пассивная (изоляционное покрытие) и активная (электрохимическая). Там, где изоляционное покрытие изношено или повреждено, катодный потенциал препятствует реакциям растворения металла в грунте. Эффективность электрохимической защиты определяется путём измерений защитного потенциала при плановых обходах трассы. Если износ изоляционного покрытия достиг такого уровня, когда не может обеспечиваться защитный потенциал, принимают решение о ремонте изоляционного покрытия. Но при этом обычно исходят из опыта и экспертных оценок специалистов служб антикоррозионной защиты, не прибегая при этом к расчётному прогнозированию изменения защиты в результате запланированных объёмов ремонта.

Существуют проблемы выбора критериев отбраковки изоляционного покрытия действующих трубопроводов. При длительной эксплуатации трубопроводов все защитные характеристики изоляционного покрытия снижаются. Скорость снижения зависит от многих факторов, в том числе от температурно-климатических условий на местности, грунтовых явле-

ний, физико-химических особенностей грунтов, качества нанесения покрытия, качества исходных материалов и др. После нескольких лет эксплуатации трубопровода изоляционное покрытие становится неоднородным по дистанции, начинают выделяться участки, где покрытие перестаёт удовлетворять требованиям норм. При этом защитный потенциал ещё сохраняется на нормативном уровне. Так возникает задача правильного выбора критериев качества: по свойствам самого покрытия или по параметрам электрохимической защиты. Но в любом случае приходим к противоречию с некоторыми утверждёнными нормами.

Другая проблема - прогнозирование состояния и эксплуатационных свойств изоляционного покрытия. Прогнозирование необходимо выполнять во времени (с учётом динамики старения) с учётом результатов обследований, неоднородности по дистанции трубопровода и покрытия, рассматривая разные возможные варианты методов и объёмов ремонта. Без этого невозможно обеспечить эффективное планирование ремонта. В свою очередь, задачи прогнозирования невозможно решать без математического моделирования процессов с учётом вышеуказанных факторов и особенностей. Между тем, существующие расчётные методы слишком упрощены и не учитывают большинства важных особенностей.

Одна из важнейших задач состоит в совершенствовании приборов диагностики изоляционного покрытия трубопроводов. Принцип действия практически всех применяемых до сих пор приборов основан на измерении потенциалов на поверхности земли над трубопроводом. Такой метод позволяет обнаружить дефектные места изоляции по появлению аномальных градиентов потенциала на поверхности земли. Но эффективно использовать эти результаты в расчётах и прогнозировании пока не удаётся. Для моделирования процессов необходимы значения потенциалов и токов непосредственно на трубопроводе, а не на поверхности земли. Перспективным в этом направлении представляется использование возможностей технологии магнитной локации, известной в других областях техники.

Таким образом, существуют проблемы совершенствования методов контроля изоляционного покрытия находящихся в эксплуатации магистральных трубопроводов, прогнозирования их состояния с учётом динамики процессов, эффективного планирования ремонтных работ. В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в данной области, делается попытка решить часть из них на основе использования технологии магнитной локации. Для этого поставлены следующие цель и задачи.

Цель работы - повышение долговечности и безопасности магистральных трубопроводов совершенствованием методов контроля изоляционного покрытия на основе технологии магнитной локации.

Основные задачи исследований

1. Анализ технического состояния изоляционного покрытия магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.

2. Анализ существующих методов контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов и установление путей их совершенствования.

3. Разработка математического аппарата контроля трубопроводов с неоднородными характеристиками изоляции и грунта.

4. Совершенствование методов оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия и обоснования объёмов ремонта.

5. Разработка приборного комплекса, использующего технологию магнитной локации, для контроля изоляционного покрытия.

Методы решения поставленных задач

В работе использованы положения теории электричества в сплошных средах (в трубопроводе и грунте), методы математической физики, численное моделирование, метод конечных элементов.

Кроме того, использованы опыт контроля изоляционного покрытия подземных трубопроводов, результаты обследования ряда трубопроводов методами электрометрических измерений, данные внутритрубной диагностики, результаты шурфовых осмотров. В процессе создания и отладки приборного комплекса использованы положения теории магнитной локации и некоторые достижения электроники.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ИПТЭР, ВНИИСТ, ВНИИГАЗ), лабораторий и кафедр высших учебных заведений (УГНТУ, РГУНГ им. И.М. Губкина, МИЭТ) и других научных центров, специалистов АК «Транснефтепродукт», работы ведущих ученых в данном направлении: Березина B.JL, Глазкова В.И., Глазова В.Н., Зиневича A.M., Колчина В.А., Коршака A.A., Кузнецова М.В., Мустафина Ф.М., Новосёлова В.Ф., Притулы В.В., Ращепкина К.Е., Шам-шетдинова K.JI. и других.

Научная новизна работы

1. Установлено, что защитные свойства изоляционных материалов, измеряемые в локальных точках трубопровода (адгезия, электрическая плотность, переходное сопротивление), не могут служить критериями качества магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации дли-

тельное время. При длительной эксплуатации все эти свойства приобретают характер случайных величин с увеличивающимся разбросом (дисперсией). Показано, что количественной характеристикой технического состояния изоляционного покрытия конечного участка действующего трубопровода может быть интегральное переходное сопротивление.

2. Разработаны универсальные методы определения интегрального переходного сопротивления изоляционного покрытия, основанные на полученных уравнениях распределения токов и потенциалов в действующем трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием. В качестве исходных данных могут быть использованы результаты электрометрических измерений на трубопроводе, а также результаты обследований методом магнитной локации.

3. Разработана методика численного моделирования распределения защитных токов и потенциалов на трубопроводе с учётом разнородности свойств изоляционного покрытия и динамики процессов старения и выборочного ремонта. Методика позволяет на основе данных по интегральным переходным сопротивлениям расчётным путём оценивать остаточный ресурс изоляционного покрытия в целом, оптимизировать планы восстановления покрытия по участкам и срокам.

4. Разработана методика обследования трубопровода с использованием технологии магнитной локации. Методика позволяет с высокой точностью получить магнитограмму трубопровода с точной привязкой на местности и зафиксировать её в виде электронного файла. Обработка полученной информации позволяет определить токи в трубопроводе на нескольких частотах, места утечки тока в грунт через изношенное или повреждённое покрытие, блуждающие токи. Полученная информация достаточна для реализации методов, указанных в пунктах 1 и 2.

На защиту выносятся:

- математический аппарат для описания распределения токов и потенциалов в действующем подземном трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием;

- критерий оценки качества изоляции - интегральное переходное сопротивление на конечных участках;

- методы расчётного определения интегрального переходного сопротивления изоляции действующих трубопроводов;

- методика оптимизации планов ремонта (по срокам и объёмам) изоляционного покрытия;

- методика обследования изоляционного покрытия с использованием технологии магнитной локации.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Устранены логические ошибки в расчётных методах и формулах для количественной оценки параметров, характеризующих техническое состояние изоляционного покрытия действующих магистральных трубопроводов.

2. Разработаны методика обследования трубопровода на базе технологии магнитной локации и соответствующий приборный комплекс, позволяющие на новом качественном уровне выполнять диагностику изоляционного покрытия действующих магистральных трубопроводов, отвечающие современным требованиям.

3. Разработаны методы математической обработки результатов диагностики, позволяющие выполнять оценку остаточного ресурса изоляционного покрытия, обосновывать необходимость ремонта изоляции на дефектных местах и изношенных участках, оптимизировать объёмы и сроки ремонта по участкам.

Результаты исследований использованы при разработке документов:

- Методика оценки технического состояния изоляционного покрытия и фактического положения подземных трубопроводов с использованием технологии магнитной локации;

- Методика оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия магистральных нефтепродуктопроводов.

С использованием разработанных методик обследованы и оценены изоляционные покрытия магистрального нефтепродуктопровода Куйбышев - Брянск протяженностью 105 км и магистрального аммиакопровода Тольятти - Одесса протяженностью 115 км.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических, научно-практических конференциях, семинарах и т.п. по проблемам трубопроводного транспорта, в том числе:

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России (Уфа, 2007 г.);

- научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса» в рамках VII Российского энергетического форума (Уфа, 2007 г.);

- научно-практической конференции «Нефтегазовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов» в рамках международного форума «НЕФТЕГАЗСЕРВИС-2007» (Уфа, 2007 г.);

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках XVI международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2008» (Уфа, 2008 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 12 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 101 наименование, и двух приложений. Изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 13 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективам Института проблем транспорта энергоресурсов, Московского института электронной техники, а также своему научному руководителю за неоценимую помощь в выполнении настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные защищаемые положения.

В первой главе приводится анализ состояния изоляционного покрытия магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации длительное время, а также обзор известных методов контроля и оценки эффективности защиты от коррозии.

Как известно, при длительной эксплуатации магистральные трубопроводы постепенно стареют. Старение «имеет» много проявлений, в том числе следующие:

- металл труб и сварные швы постепенно охрупчиваются, накапливаются различные повреждения и дефекты на самом трубопроводе;

- изоляционное покрытие растрескивается, теряет адгезию к поверхности трубы, снижается переходное сопротивление, и как следствие, уменьшаются защитные свойства;

- со снижением переходного сопротивления и накоплением дефектов изоляции эффективность электрохимической защиты снижается, затраты электроэнергии на поддержание защитных потенциалов растут, в результате ускоряется почвенная коррозия трубопровода.

Старение изоляционного покрытия происходит более интенсивно, чем металла труб. Чтобы удерживать старение в безопасных рамках, периодически проводят комплексное обследование трубопроводов. Наиболее эффективные методы диагностики на сегодняшний день: металлической составляющей - внутритрубная диагностика, изоляционного покрытия - электрометрические измерения. По результатам диагностики проводят оценку опасности выявленных дефектов и выборочный ремонт.

Методы оценки дефектов металла труб и изоляционного покрытия существенно и принципиально отличаются друг от друга.

Любой дефект металлической составляющей при определённых нагрузках может привести к разрушению трубопровода. При этом влияние других дефектов распространяется на небольшое расстояние - не более диаметра трубы (принцип Сен-Венана). Поэтому каждый дефект рассматривают по отдельности, независимо от других.

Дефекты изоляционного покрытия влияют на трубопровод по-иному. Сам дефект изоляции ещё не приводит к разрыву трубопровода. Он может привести только к ускорению коррозии трубы, а может и не привести, в зависимости от размеров и расположения всей остальной совокупности дефектов изоляции. Определяющую роль при этом играет эффективность электрохимической защиты, которая сама зависит от дефектности изоляционного покрытия в целом. То есть задачу оценки опасности каждого отдельного дефекта изоляционного покрытия невозможно решить по отдельности, не решая задачу в целом для всей совокупности обнаруженных дефектов и с учётом особенностей расположения и режимов работы установок катодной защиты.

Это усложняет оценку дефектов изоляции. Поэтому обычно поступают просто: считают недопустимыми такие дефекты, которые приводят к снижению переходного сопротивления ниже определённого критического значения. Однако выбор критического значения переходного сопротивления неоднозначен. Как показал анализ, результаты оценок по разным методикам могут отличаться друг от друга на порядок и более.

В качестве критерия применяют также градиент потенциала, который появляется на поверхности земли над дефектным участком изоляционного покрытия. Условно считают, что перепад потенциала более 30 мВ на базе 5 м характеризует состояние изоляционного покрытия как неудовлетворительное. Вопросы: насколько эти дефекты опасны для трубопровода и как срочно их необходимо ликвидировать - остаются нерешёнными из-за отсутствия расчётных методов.

В действительности, как показывает практика, многие трубопроводы ещё долго продолжают оставаться в эксплуатации с разными дефектами

изоляционного покрытия, в том числе недопустимыми как по критерию переходного сопротивления, так и по критерию градиента потенциала.

Однако так бесконечно продолжаться не может. Наступает момент, когда без ремонта обойтись дальше будет нельзя. Потребуется составлять программы ремонтных работ с оптимизацией по объёмам и срокам, которую невозможно выполнить без соответствующих расчётных методов.

Рассмотрен ряд примеров, которые показали, что при длительной эксплуатации трубопровода наряду с общим снижением защитных свойств изоляционного покрытия появляется и усиливается со временем разброс всех свойств изоляционного покрытия, что выражается в усилении градиентов потенциалов на отдельных участках (рисунок 1). Изоляционное покрытие вдоль трассы становится неоднородным по всем характеристикам. Их локальные значения приобретают характер случайных величин и перестают однозначно характеризовать общее состояние покрытия трубопровода в целом.

Эти же примеры показали, что имеются существенные методические проблемы изучения и оценки состояния противокоррозионной защиты трубопроводов по результатам обследований. Требуется разработать более надёжные количественные критерии качества изоляционного покрытия, развивать методы математического моделирования состояния электрохимической защиты на базе результатов диагностики с целью выработки обоснованных программ ремонта.

Градиент потенциала, тВ/5 м

Инстанция, м

Рисунок 1 - Градиенты потенциалов на 12-ом км магистрального

нефтепродуктопровода Набережные Челны - Альметьевск

Вторая глава посвящена выбору критериев качества и методов контроля изоляционного покрытия трубопроводов в процессе длительной эксплуатации.

Особенностью этапа эксплуатации, как отмечалось выше, является старение. Интенсивность старения определяется многими факторами: исходными свойствами изоляционных материалов, физико-химическими и механическими свойствами грунта, технологическими особенностями процесса нанесения изоляции (технологической дисциплиной), температурно-силовыми воздействиями, параметрами электрохимической защиты (высокие потенциалы приводят к катодному отслаиванию покрытия). Факторы, влияющие на старение изоляционного покрытия, действуют неодинаково вдоль трубопровода. Поэтому интенсивность старения изоляционного покрытия по длине трубопровода различна. В результате все величины, характеризующие защитные свойства, становятся разными, приобретают свойства случайных чисел и функций. Разброс этих случайных величин со временем растёт и становится в 2...3 раза больше их средних значений (рисунок 2). При этом локальные свойства изоляционного покрытия (адгезия, переходное сопротивление) перестают характеризовать защитные свойства изоляционного покрытия не только трубопровода в целом, но даже его небольших участков. Так возникает проблема выбора и правильного использования критериев качества изоляции на этапе длительной эксплуатации трубопроводов.

Количество измерений, %

О 10 20 50 100 200 500 1000 5000 20000 105 Переходное сопротивление, Ом-м?

Рисунок 2 - Разброс значений переходного сопротивления изоляционного покрытия на битумной основе усиленного и весьма усиленного типов после 40 лет эксплуатации (по данным Сираева А.Г.).

Рассмотренные примеры показывают, что во многих случаях потеря переходного сопротивления на некоторых локальных участках трубопровода ниже установленных пределов (ниже 1000 Ом-м2) и наличие градиен-

тов потенциалов на поверхности земли над трубопроводом выше допустимого уровня (более 30 мВ на 5 м) не являются достаточным основанием считать, что защита от коррозии исчезла. Даже в таких случаях система электрохимической защиты продолжает поддерживать необходимые защитные потенциалы.

Анализируя характеристики изоляционных покрытий действующих трубопроводов, приходим к выводу, что целесообразно рассматривать две отдельные группы критериев качества:

1) для этапов проектирования и строительства трубопровода и его участков, приемки законченных строительством объектов в эксплуатацию;

2) для этапов эксплуатации, включая диагностику, оценку состояния и остаточного ресурса, экспертизу безопасности трубопровода.

Если применить критерии первой группы к этапам второй группы, то практически всегда получаем несоответствие изоляционных покрытий этим критериям. Об этом свидетельствуют практически все результаты обследований действующих трубопроводов методами электрометрических измерений.

При изучении состояния изоляционного покрытия трубопровода, находящегося в эксплуатации, целесообразно разбить его на конечные участки и описывать состояние этих участков с помощью интегральных характеристик. В качестве интегрального показателя качества может служить интегральное переходное сопротивление изоляции на данном конечном участке риз (Ом-м2). Этот показатель имеет следующие особенности.

1. Все локальные дефекты изоляционного покрытия на выбранном конечном участке отражаются на интегральном переходном сопротивлении. Поэтому интегральное переходное сопротивление является комплексным показателем состояния изоляционного покрытия на выбранном участке.

2. Учитывая, что магистральные нефтепродуктопроводы имеют пассивную и активную защиту от почвенной коррозии, интегральное переходное сопротивление одновременно может служить характеристикой как пассивной, так и активной защиты трубопровода.

3. Определение интегрального переходного сопротивления изоляции основано на электрометрических измерениях, в том числе периодически выполняемых службами антикоррозионной защиты, и не требует трудоёмких шурфовых обследований трубопровода.

Разбивку трубопровода на конечные участки целесообразно провести исходя из следующих соображений и требований:

- каждый конечный участок будет характеризоваться общим значением интегрального переходного сопротивления риз(. Поэтому протяжённость конечных участков ЛЬ должна быть в пределах от 10 м до 1 км;

- в пределах каждого выбранного конечного участка изоляционное покрытие и внешние факторы должны быть приблизительно однородными (равномерность распределения защитных потенциалов, токов, однородность грунтов, отсутствие отводов или электрических перемычек с соседними подземными сооружениями);

- конечными участками следует также считать переходы через авто- и железные дороги, подводные переходы, участки в защитных футлярах, труднодоступные участки, поскольку они находятся в особых условиях.

Существуют два направления развития диагностики изоляционных покрытий, основанные на измерениях потенциалов и на измерениях токов.

На измерениях потенциалов основаны хорошо известные в настоящее время приборы типа «УКИ-1М» и их модификации. Они позволяют производить измерения потенциалов и их градиентов на поверхности земли. Однако из курса физики известно, что абсолютное значение потенциала прибором измерить невозможно. Можно измерить только относительное значение (разность потенциалов), когда за «ноль» принимается какая-то другая базовая точка. В качестве такого «ноля» выбирают либо сам трубопровод в определённой точке, либо другую точку на поверхности земли. Отсюда следуют недостатки данного подхода:

- погрешности измерений вносятся от двух точек измерения одновременно. Поэтому суммарная погрешность измерений может быть значительной на фоне малых полезных сигналов;

- потенциалы на поверхности земли не участвуют непосредственно в расчётных формулах оценки состояния изоляционного покрытия;

- имеет место влияние других источников и стоков тока на распределение потенциалов земли.

Использование токов в диагностике имеет значительные преимущества по сравнению с потенциалами. Поэтому перспективным направлением совершенствования диагностики изоляционного покрытия подземных трубопроводов является создание приборов, измеряющих токи в трубопроводе, например с применением технологии магнитной локации. Результаты измерений данным методом можно напрямую использовать в качестве исходных данных в расчётных формулах.

Третья глава посвящена математическому моделированию распределения потенциалов и токов в трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием.

Анализ нормативных документов и научной литературы по распределению потенциалов и токов в подземном трубопроводе показал, что в них приняты следующие упрощающие предположения:

1) трубопровод однородный по всей длине (постоянные диаметр, толщина стенки, переходное сопротивление изоляционного покрытия, удельное сопротивление грунта);

2) трубопровод находится под действием одного источника тока;

3) в трубопроводе нет локальных источников и стоков тока в виде дефектов изоляции, перемычек, электрических контактов с другими токо-ведущими элементами.

Фактически на действующих трубопроводах эти условия не соблюдаются. Поэтому пересмотрен математический аппарат с учётом вышеуказанных особенностей (старения, неоднородности и др.).

В пределах каждого конечного участка для потенциалов ф, токов в трубе I и токов через изоляционное покрытие j получены формулы

Ф = С, • ехр^г) + С2 • ехр(- qz); 1 = 71-0

Рм • Ри

{- С, • ехр(яг)+С2 • ехр(- с12)};

) = -

{С, • ехр^г) + С2 • ехр(- ёг)},

(1)

где ъ - координата по оси трубы; q = /(б-риз); О, 5 - наружный

диаметр и толщина стенки трубы; рм - удельное сопротивление металла трубы; риз - интегральное переходное сопротивление изоляции на данном конечном участке. За точку отсчёта потенциала принят потенциал земли на бесконечности. Неопределённые коэффициенты С1 и С2 можно найти, используя дополнительные условия. В качестве дополнительных условий могут быть использованы измеренные значения потенциалов ф , токов 3 или ] в некоторых точках, включая граничные точки или любые промежуточные точки данного конечного участка.

При переходе от одного конечного участка к другому все параметры выражений (1) меняются. Непрерывность сохраняется только в зависимостях ф(г) и 1(г).

Таким образом, выражения (1) позволяют описать распределение потенциалов и токов на всех конечных участках обследованного подземного трубопровода при известных переходных сопротивлениях рщ. Эти же уравнения можно использовать для решения обратной задачи - опреде-

ления переходных сопротивлений изоляции риз по измеренным значениям потенциалов и токов в отдельных точках трубопровода. Для этого разработаны алгоритм и программа «Поиск-1», которые имеют следующие особенности:

- в пределах каждого конечного участка необходимо выполнить не менее трёх измерений потенциалов и (или) токов (для определения трёх параметров: Сь Сг, риз);

- если измеренных значений больше трёх, то «включается» метод наименьших квадратов по формуле

Смысл формулы (2) в том, чтобы отклонение измеренных и расчётных значений было наименьшим.

После определения значений риз на всех выделенных конечных участках получим количественную картину о состоянии изоляции в целом по трубопроводу на момент обследования. По этой картине можно выделить наиболее изношенные участки, где переходное сопротивление ниже принятого документами допустимого уровня, и планировать ремонт. Но при этом пока остаются без ответа следующие практически важные вопросы:

• Что будет, если не все рекомендованные к ремонту участки будут отремонтированы в текущем году, в следующем году и т.д.?

• Можно ли поддерживать нормативные защитные потенциалы на трубопроводе с таким изоляционным покрытием? Какие должны быть режимы работы установок катодной защиты (УКЗ)?

• Сколько времени можно поддерживать потенциалы? Каков остаточный ресурс покрытия?

• Оптимально ли расположены установки катодной защиты с учётом фактического состояния изоляции?

Вопросы можно продолжить. Но ответов не будет, пока не составим математическую модель растекания токов в трубопроводе с неоднородным изоляционным покрытием.

Эту работу (моделирование) наиболее эффективно можно выполнить, используя возможности метода конечных элементов. Для этого разработаны алгоритм и программа «Поиск-2». Схема конечно-элементной сетки показана на рисунке 3, разрешающее уравнение имеет вид (3).

)2+а,

I расчет (т)

]»МСр(ш))г}=™п- (2)

¿¡2 ji токи через изоляцию

-- а *— и—--,

^ р Ь2 Г И рТу!'. ^н-! рм р конечные элементы

1^2 II 1^+2 14+3 токи в трубопроводе

Ф|-2 Ф1-1 Ф1 Ф1+1 Фю потенциалы на трубе

Рисунок 3 - Конечно-элементная сетка и обозначения величин

Фы-Фы , Ф|+2___Фщ__

Ф1— ^ J • ч-*,)

-+-

А7 • р ...

Здесь =-—--продольное сопротивление трубы на ¡-ом

конечном элементе длиной Аг; II ют = —^^— - переходное сопротив-

п ■ • Дг

ление изоляции трубы ¡-ого конечного элемента.

Таким образом, разработанные программы «Поиск-1» и «Поиск-2» позволяют количественно оценить состояние покрытия трубопровода и моделировать состояние электрохимической защиты при разных вариантах ремонта, разных расположениях и режимах работы установок катодной защиты.

Четвёртая глава посвящена разработке методики расчётной оценки остаточного ресурса и принятия решений по ремонту изоляционного покрытия. Методика основана на численном моделировании с помощью программы «Поиск-2», учитывает неоднородность трубопровода по геометрическим, физическим свойствам, а также по характеристикам изоляционного покрытия, использует известные законы снижения защитных свойств, позволяет варьировать начальные и граничные условия.

В качестве допустимого технического состояния изоляционного покрытия принимается состояние, при котором защитные потенциалы по всему трубопроводу удаётся поддерживать в нормативных рамках, подбирая оптимальные режимы работы установок катодной защиты. Эффективность защиты от коррозии можно повышать тремя методами: подбирая режимы работы имеющихся УКЗ, вводя в эксплуатацию дополнительные (промежуточные) УКЗ, выборочным ремонтом изоляционного покрытия.

В двух последних случаях распределение защитных потенциалов становится более равномерным, и одновременно снижаются энергозатраты.

Рассмотрен пример, в котором изучена динамика распределения защитных потенциалов на участке трубопровода с изношенным изоляционным покрытием при разных технических решениях:

а) длительной эксплуатации без ремонта;

б) использовании промежуточной УКЗ;

в) выборочном ремонте коротких участков изоляционного покрытия.

Результаты численного моделирования показаны на рисунках 4 и 5.

и, в

Рисунок 4 - Динамика распределения потенциалов

в исходном состоянии (а) и после использования промежуточной УКЗ (б)

и, в -0,8 -1,0 "1,2 -1,4 -1,6

1

3

СЖЗ-5 СКЗ-б

3 4 5 6 7 Объём ремонта 340 и. график 2

Объём ремонта 930 м. график 3

8 Дистанция, км

III I

Рисунок 5 - Изменение распределения потенциалов

в результате выборочного ремонта изоляции (ремонт на затемнённых участках)

Проанализированы существующие расчётные методы и формулы для определения конечного значения переходного сопротивления «труба -грунт» 11к, содержащиеся в нормативных документах и научной литературе. Выявлены разногласия между этими методиками, которые, возможно, стали результатом накопившихся опечаток или ошибок. Наиболее существенные несоответствия обнаружены в зависимостях Як от величины заглубления трубопровода в грунт Н.

Получено аналитическое решение задачи о растекании тока от оголённого трубопровода в грунт, которое позволило выразить конечное переходное сопротивление как

11к =0,5-В-рф-к^ЮО/Б), Ом-м2, (4)

где Б - диаметр трубы, м; ргр - удельное сопротивление грунта, Ом-м. Выражение (4) позволяет более точно описывать динамику изменения со временем общего переходного сопротивления «труба - грунт».

В пятой главе изложены сведения о разработке приборных комплексов нового поколения серии «Орион», предназначенных для обследования изоляционного покрытия подземных трубопроводов.

В настоящее время широко применяются приборы для электрометрических измерений на трассе (УКИ-1М, АНПИ, АНТПИ, ПОИСК, ТРОПА и др.). Они позволяют по измерениям потенциалов на поверхности земли обнаруживать места нарушения изоляции.

Всё более широкое применение получают приборы, основанные на принципах магнитометрического контроля (токовый топограф РСМ фирмы «Radiodetection», измерители концентраторов напряжений ИКН-2М и ИКН-ЗМ, комплекс «Скиф МБС/04», высокоточные трассоискатели типа «Оникс», «С-Scan» и др.). Точность регистрации контролируемых параметров (токов) сильно зависит от множества факторов: точности позиционирования над осью трубы, пространственного положения магниточувст-вительных датчиков, глубины заложения трубопровода. Сложную систему электромагнитных помех создают блуждающие токи, токи электрических силовых кабелей и кабелей связи, ЛЭП, которые снижают эффективность и точность их работы. Поэтому главным недостатком вышеуказанных комплексов является невысокая степень их помехозащищенности.

В настоящей работе рассматривается и выносится на защиту альтернативный магнитометрии метод диагностического обследования технического состояния изоляционного покрытия подземных трубопроводов -метод магнитной локации, который реализован в комплексе «Орион». Основное отличие метода в том, что по результатам измерения магнитных полей в нескольких точках пространства определяют местоположение их источника и его характеристики (аналогично методу радиолокации).

Определение местоположения повреждения и расчет технических параметров изоляционного покрытия основаны на локации магнитных полей контролируемых токов в зоне повреждения: тока катодной защиты 1г и тока в боковом направлении 16. На рисунке 6 приведены схемы распределения тока катодной защиты и магнитных полей в зоне повреждения изоляционного покрытия.

Рисунок 6 - Схемы распределения токов (а) и магнитных полей (б) в зоне дефекта в изоляционном покрытии трубопровода

Магнитограмма локации тока катодной защиты (тестового генератора) после обследования подземного трубопровода, имеющего повреждения изоляционного покрытия, имеет вид, который представлен на рисунке 7. На графике выделены два участка (обозначены о^ и а2), где наблюдается падение тока. Следовательно, на этих участках имеет место потеря тока через дефекты изоляции. Далее по падению токов можно рассчитывать переходное сопротивление изоляционного покрытия по участкам.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ь.КМ

Рисунок 7 - Магнитограмма локации токов в зоне нарушения изоляционного покрытия

Использование математических аппаратных средств магнитной локации позволяет с высокой точностью определять параметры объекта, находясь в произвольной точке относительно самого объекта (например дефекта изоляционного покрытия). При этом не имеет значение ни ориентация приемной магнитной антенны, ни ее отклонение от вертикальной оси, ни расстояние между антенной и трубопроводом. Таким образом можно зафиксировать очень малые изменения трех компонент и модуля токов, находясь в непрерывном движении по оси трубопровода. Метод, технически реализованный в приборном комплексе «Орион», позволяет получить распределение интегрального сопротивления изоляции по дистанции с детализацией до 1 метра.

Основные выводы

1. Путём анализа результатов обследования магистральных трубопроводов методами электрометрических измерений и внутритрубной диагностики установлено, что их изоляционные покрытия стареют значительно быстрее, чем трубы и сварные соединения. В результате старения накапливаются дефекты изоляции, снижаются все защитные свойства, увеличиваются потери защитного тока. Все характеристики изоляционного покрытия, измеренные в локальных точках, приобретают свойства случайных чисел. Их дисперсия по дистанции со временем растёт и становится сопоставимой со средними значениями. Тем не менее, на большинстве

трубопроводов удаётся поддерживать защитные потенциалы в рамках нормативных требований.

2. Методы контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов основаны на измерениях потенциалов (электрометрические измерения) и на математической модели распространения потенциалов в подземном трубопроводе с однородными защитными свойствами. Методическая база контроля изоляции несовершенна (содержит ряд логических ошибок и неоднозначных толкований) и не позволяет использовать результаты электрометрических измерений в расчётах оценки остаточного ресурса и оптимизации объёмов и сроков ремонта по участкам. Совершенствование методов контроля возможно за счёт построения математической модели неоднородных изоляционных покрытий и измерения токов в трубопроводе по технологии магнитной локации.

3. Разработан математический аппарат распределения защитных токов в трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием. Качество покрытия на отдельном конечном участке предложено выражать через его интегральное переходное сопротивление 11инт. Неоднородность покрытия описывается функцией Яинт(г). Разработаны методы определения параметра Яищ. на действующем трубопроводе по результатам измерений.

4. На основе полученной функции Кинт(г) разработан метод численного моделирования распределения защитного тока и потенциала на трубопроводе. Метод позволяет рассматривать разные режимы работы установок катодной защиты, разные расположения их по дистанции, разные объёмы и участки ремонта изоляции. Все эти варианты реализуются путём подбора граничных условий для потенциалов (токов) и изменением функции Я,,.,, (г) в местах предполагаемого ремонта. Для автоматизации процессов подготовки данных и выполнения расчётов разработана компьютерная программа.

5. В качестве критерия технического состояния изоляционного покрытия трубопровода в целом предложена возможность обеспечения защитными потенциалами в рамках нормативных требований. За остаточный ресурс изоляционного покрытия принимается время, в течение которого сохраняется эта возможность с учётом динамики старения покрытия.

6. Разработаны приборный комплекс и методика обследования изоляционного покрытия действующего трубопровода на основе технологии магнитной локации. Метод и приборный комплекс позволяют в режиме реального времени наблюдать и записывать в файл токи, протекающие в трубопроводе и уходящие через изоляционное покрытие в грунт. Получаемые результаты позволяют в полной мере реализовать вышеуказанный

математический аппарат. Испытания и практическая работа на действующих трубопроводах показали, что данный метод и приборный комплекс обладают рядом существенных преимуществ по сравнению со всеми известными до настоящего времени и отвечают современным требованиям диагностики.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Иваненков В.В., Гумеров K.M., Зубаилов Г.И. Диагностика изоляционного покрытия трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 102-104.

2. Григорашвили Ю.Е., Гумеров K.M., Стицей Ю.В., Иваненков В.В. Метод магнитной локации для оценки состояния изоляционного покрытия трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 157-159.

3. Григорашвили Ю.Е., Гумеров K.M., Стицей Ю.В., Иваненков В.В. Алгоритм расчета сопротивления изоляционного покрытия в методе магнитной локации // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 256-258.

4. Григорашвили Ю.Е., Гумеров K.M., Стицей Ю.В., Иваненков В.В. Физические основы метода магнитной локации при оценке состояния изоляционного покрытия // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 259-260.

5. Султанов М.Х., Иваненков В.В. Формирование процедуры дистанционной магнитной локации подземных стальных трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 377-378.

6. Иваненков В.В., Семиков С.А., Гиззатуллин Р.Р. Оценка изоляционного покрытия трубопровода по интегральному переходному сопротивлению // Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса. Матер. научн.-практ. конф. 24 октября 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 96-98.

7. Иваненков В.В., Зубаилов Г.И., Гиззатуллин P.P. Моделирование распределения токов и потенциалов в подземном трубопроводе // Нефтегазовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов. Матер, научн.-практ. конф. 14-15 ноября 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 156-158.

8. Иваненков В.В., Гиззатуллин P.P. Оценка сопротивления стеканию защитного тока в грунт на трубопроводах со стареющим изоляционным покрытием // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 98-100.

9. Иваненков В.В. Метод магнитной локации и диагностический комплекс «Орион-1М» // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. - Уфа, 2008. - С. 110 - 112.

10. Иваненков В.В. Моделирование ЭХЗ методом конечных элементов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г.-Уфа, 2008.-С. 241 -242.

11. Иваненков В.В., Гиззатуллин P.P., Гумеров K.M. Моделирование работы ЭХЗ методом конечных элементов // Нефтегазовое дело. - 2008. -Т. 6. - № 2. - http://www.ogbus.ru/autors/Ivanenkov/ Ivanenkov_l.pdf.

12. Иваненков В.В., Гумеров K.M. Методика оценки качества изоляционного покрытия подземных стальных трубопроводов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. -Уфа, 2008. - № 3 (73). - С. 39 - 46.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 7.10.2008 г. Бумага писчая. Заказ № 451. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Иваненков, Виктор Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

1.1 Особенности изоляционного покрытия длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов.

1.2 Обзор методик обследования изоляционного покрытия подземных трубопроводов.

1.3 Методические проблемы оценки состояния изоляционного покрытия действующих трубопроводов.

Выводы по разделу 1.

2 ВЫБОР КРИТЕРИЕВ КАЧЕСТВА И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2.1 Выбор критериев качества изоляционного покрытия действующих трубопроводов.

2.2 Выбор методов контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов.

Выводы по разделу 2.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ И ТОКОВ В ТРУБОПРОВОДЕ С ИЗНОШЕННЫМ ИЗОЛЯЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ.

3.1 Уравнения распределения потенциалов и токов на однородном конечном участке трубопровода.

3.2 Методы определение переходного сопротивления изоляционного покрытия на однородных конечных участках трубопровода

3.3 Моделирование распределения потенциалов и токов на неоднородном трубопроводе методом конечных элементов

Выводы по разделу

4 ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ О РЕМОНТЕ.

4.1 Методика оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия

4.2 Оценка предельного значения переходного сопротивления

4.3 Методика принятия решений по ремонту изоляционного покрытия

Выводы по разделу 4.

5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ КОНТРОЯ ИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

5.1 Выбор метода контроля на основе магнитной локации.

5.2 Математические аспекты метода магнитной локации.

5.3 Технические решения, реализованные в диагностическом комплексе "Орион".

5.4. Разработка методики обследования подземных трубопроводов с использованием технологии магнитной локации.

5.5 Испытания и практический опыт использования диагностического комплекса и технологии магнитной локации.

Выводы по разделу 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование методов контроля изоляционного покрытия магистральных трубопроводов в процессе длительной эксплуатации"

Роль системы магистральных нефте-, газо- и нефтепродуктопроводов в экономике России трудно переоценить. Однако стоит проблема обеспечения их сохранности, поскольку все эти трубопроводы находятся в подземном исполнении и подвергаются почвенной коррозии. Отсюда - важнейшим условием обеспечения долговечности является качественная защита от коррозии.

Подземные трубопроводы можно рассматривать как конструкции, состоящие из двух основных составляющих: собственно трубопровода (металлическая часть) и изоляционного покрытия. Поэтому долговечность (ресурс) следует также рассматривать по отдельности: ресурс металлической составляющей, ресурс изоляционного покрытия, а также ресурс их взаимодействия (адгезия, обеспечение защитного потенциала).

Металлическая часть отвечает за прочность трубопровода, способность выдерживать рабочие давления, обеспечивать герметичность. Появление и рост дефектов на трубах и сварных соединениях может привести к потере герметичности, разрыву, выходу продукта в окружающую среду, пожару, взрыву, экологическому ущербу, жертвам. Поэтому диагностике металлической части трубопроводов уделяется очень большое внимание. В этом направлении работают большие группы учёных и специалистов, используются значительные материальные средства. В результате в этом направлении достигнуты заметные успехи. Созданы внутритрубные диагностические комплексы, разработаны методики расчётных оценок прочности и ресурса, расчётные программы, электронные базы данных, система нормативных документов. Всё это доведено до практической реализации и применяется эксплуатирующими организациями в качестве инструментария.

Изоляционное покрытие призвано сдерживать коррозию металлической составляющей трубопровода. В расчётах прочности и остаточного ресурса трубопровода (металлической составляющей) характеристики изоляционного покрытия непосредственно не участвуют. Обнаруженные при обследованиях трубопровода дефекты и несоответствия изоляционного покрытия в лучшем случае заносятся в паспорт трубопровода, а в большинстве случаев остаются только в отчётах. При планировании ремонта изоляционного покрытия, конечно, учитываются результаты обследований, но большинство обнаруженных дефектов изоляции остаются на трубопроводе ещё долгие годы. Остаточный ресурс изоляционного покрытия практически не рассчитывается из-за несовершенства существующих методик.

Как известно, на магистральных трубопроводах имеет место двухуровневая защита от коррозии: пассивная (изоляционное покрытие) и активная (электрохимическая). Там, где изоляционное покрытие изношено или повреждено, катодный потенциал препятствует реакциям растворения металла в грунте. Эффективность электрохимической защиты определяют путём измерений защитного потенциала при плановых обходах трассы. Если износ изоляционного покрытия достиг такого уровня, когда не может обеспечиваться необходимый защитный потенциал, принимают решение о ремонте изоляционного покрытия. Но при этом исходят только из опыта и экспертных оценок специалистов служб антикоррозионной защиты, не прибегая при этом к расчётному прогнозированию изменения защиты в результате выполнения запланированных объёмов ремонта.

Существуют проблемы по выбору критериев отбраковки изоляционного покрытия действующих трубопроводов. При длительной эксплуатации трубопроводов все защитные характеристики изоляционного покрытия снижаются. Скорость снижения зависит от многих факторов, в том числе от температурно-климатических условий на местности, физико-химических особенностей грунтов и происходящих в них процессов, качества нанесения покрытия, качества исходных материалов и др. После нескольких лет эксплуатации трубопровода изоляционное покрытие становится неоднородным по дистанции, начинают выделяться участки, где покрытие перестаёт удовлетворять требованиям норм. При этом защитный потенциал ещё продолжает сохраняться на нормативном уровне. Так возникает задача с правильным выбором критериев качества: по свойствам самого покрытия или по параметрам электрохимической защиты. Но в любом случае приходим к противоречию с некоторыми утверждёнными нормами.

Другая проблема - прогнозирование состояния и эксплуатационных свойств изоляционного покрытия. Прогнозирование необходимо выполнять во времени (с учётом динамики старения), опираясь на результаты обследований, принимая во внимание разнородность трубопровода и покрытия по дистанции, учитывая методы и объёмы ремонта. Без этого невозможно обеспечить эффективное планирование ремонта. Задачи прогнозирования невозможно решать без математического моделирования процессов с учётом вышеуказанных факторов и особенностей. Между тем, существующие расчётные методы слишком упрощены и не отражают большинства важных явлений и особенностей.

Одна из актуальных задач состоит в совершенствовании приборной части диагностики изоляционного покрытия трубопроводов. Практически все применяемые до сих пор приборы основаны на измерении потенциалов на поверхности земли над трубопроводом. Такой метод позволяет обнаружить дефектные места изоляции по появлению аномальных градиентов потенциала на поверхности земли. Но использовать эти результаты в расчётах и прогнозировании пока не удаётся. Для моделирования процессов необходимы значения потенциалов и токов непосредственно на трубопроводе. Перспективным в этом направлении представляется использование возможностей технологии магнитной локации, известной в некоторых других областях техники.

Таким образом, существуют проблемы по усовершенствованию методов контроля изоляционного покрытия находящихся в эксплуатации магистральных трубопроводов, прогнозирования их состояния с учётом динамики процессов, эффективного планирования ремонтных работ. В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в данной области, делается попытка решить часть из них на основе использования технологии магнитной локации. Для этого поставлены следующие цель и задачи:

Цель - повышение долговечности и безопасности магистральных трубопроводов совершенствованием методов контроля изоляционного покрытия на основе технологии магнитной локации.

Задачи:

1. Анализ технического состояния изоляционного покрытия магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.

2. Анализ существующих методов контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов и установление путей их совершенствования.

3. Разработка математического аппарата контроля трубопроводов с неоднородными характеристиками изоляции и грунта.

4. Совершенствование методов оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия и обоснования объёмов ремонта.

5. Разработка приборного комплекса, использующего технологию маг- * нитной локации, для контроля изоляционного покрытия.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ИПТЭР, ВНИИСТ, ВНИИГАЗ), лабораторий и кафедр высших учебных заведений (УГНТУ, РГУНГ им. И.М. Губкина) и других научных центров, специалистов АК «Транснефтепродукт», работы ведущих ученых в данном направлении: Березина B.JL, Глазкова В.И., Глазова В.Н., Зиневича A.M., Колчина В.А., Коршака A.A., Кузнецова М.В., Мустафина Ф.М., Новосёлова В.Ф., Притулы В.В., Ращепкина К.Е., Шамшетдинова K.JI. и других.

Кроме того, в работе использованы результаты обследований ряда действующих трубопроводов методами электрометрических измерений, а также результаты внутритрубной диагностики. Использованы прогрессивные методы и достижения в области математического моделирования процессов. В процессе создания и отработки метода магнитной локации использованы некоторые достижения приборостроения.

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

1. Установлено, что защитные свойства изоляционных материалов, измеряемые в локальных точках трубопровода (адгезия, электрическая плотность, переходное сопротивление), не могут служить критериями качества магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации длительное время. При длительной эксплуатации все эти свойства приобретают характер случайных величин с увеличивающимся разбросом (дисперсией). Показано, что количественной характеристикой технического состояния изоляционного покрытия конечного участка действующего трубопровода может быть интегральное переходное сопротивление.

2. Разработаны универсальные методы определения интегрального переходного сопротивления изоляционного покрытия, основанные на полученных уравнениях распределения токов и потенциалов в действующем трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием. В качестве исходных данных могут быть использованы результаты электрометрических измерений на трубопроводе, а также результаты обследований методом магнитной локации.

3. Разработана методика численного моделирования распределения защитных токов и потенциалов на трубопроводе с учётом разнородности свойств изоляционного покрытия и динамики процессов старения и выборочного ремонта. Методика позволяет на основе данных по интегральным переходным сопротивлениям расчётным путём оценивать остаточный ресурс изоляционного покрытия в целом, оптимизировать планы восстановления покрытия по участкам и срокам.

4. Разработаны методика обследования трубопровода с использованием технологии магнитной локации. Методика позволяет с высокой точностью получить магнитограмму трубопровода с точной привязкой по местности и зафиксировать её в виде электронного файла. Обработка полученной информации позволяет определить токи в трубопроводе на нескольких частотах, места утечки тока в грунт через изношенное или повреждённое покрытие, блуждающие токи. Полученная информация достаточна для реализации методов, указанных в пунктах 1 и 2.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Устранены логические ошибки в расчётных методах и формулах для количественной оценки параметров, характеризующих техническое состояние изоляционного покрытия действующих магистральных трубопроводов.

- Разработана методика обследования трубопровода на базе технологии магнитной локации и соответствующий приборный комплекс, позволяющие на новом качественном уровне выполнять диагностику изоляционного покрытия действующих магистральных трубопроводов, отвечающие современным требованиям.

- Разработаны методы математической обработки результатов диагностики, позволяющие выполнять оценку остаточного ресурса изоляционного покрытия, обосновывать необходимость ремонта изоляции на дефектных местах и изношенных участках, оптимизировать объёмы и сроки ремонта по участкам.

На защиту выносятся:

- математический аппарат для описания распределения токов и потенциалов в действующем подземом трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием;

- критерий оценки качества изоляции — интегральное переходное сопротивление на конечных участках;

- методы расчётного определения интегрального переходного сопротивления изоляции действующих трубопроводов;

- методика оптимизации планов ремонта (по срокам и объёмам) изоляционного покрытия,

- методика обследования изоляционного покрытия с использованием технологии магнитной локации.

Результаты исследований использованы при разработке документов:

- Методика оценки технического состояния изоляционного покрытия и фактического положения подземных трубопроводов с использованием технологии магнитной локации;

- Методика оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия магистральных нефтепродуктопроводов.

С использованием разработанных методик обследованы и оценены изоляционные покрытия магистрального нефтепродуктопровода "Куйбышев-Брянск" протяженностью 105 км и магистрального аммиакопровода "Тольятти-Одесса" протяженностью 115 км.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективам Института проблем транспорта энергоресурсов, Московского института электронной техники, а также своему научному руководителю за неоценимую помощь в выполнении настоящей работы.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Иваненков, Виктор Васильевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Путём анализа результатов обследования магистральных трубопроводов методами электрометрических измерений и внутритрубной диагностики установлено, что их изоляционные покрытия стареют значительно быстрее, чем трубы и сварные соединения. В результате старения накапливаются дефекты изоляции, снижаются все защитные свойства, увеличиваются потери защитного тока. Все характеристики изоляционного покрытия, измеренные в локальных точках, приобретают свойства случайных чисел. Их дисперсия по дистанции со временем растёт и становится сопоставимой со средними значениями. Тем не менее, на большинстве трубопроводов удаётся поддерживать защитные потенциалы в рамках нормативных требований.

2. Методы контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов основаны на измерениях потенциалов (электрометрические измерения) и на математической модели распространения потенциалов в подземном трубопроводе с однородными защитными свойствами. Методическая база контроля изоляции несовершенна (содержит ряд логических ошибок и неоднозначных толкований) и не позволяет использовать результаты электрометрических измерений в расчётах оценки остаточного ресурса и оптимизации объёмов и сроков ремонта по участкам. Совершенствование методов контроля возможно за счёт построения математической модели неоднородных изоляционных покрытий и измерения токов в трубопроводе по технологии магнитной локации.

3. Разработан математический аппарат распределения защитных токов в трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием. Качество покрытия на отдельном конечном участке предложено выражать через его интегральное переходное сопротивление Кинт. Неоднородность покрытия описывается функцией К1ШТ(г). Разработаны методы определения параметра Кшгг на действующем трубопроводе по результатам измерений.

4. На основе полученной функции 11ннт(2) разработан метод численного моделирования распределения защитного тока и потенциала на трубопроводе. Метод позволяет рассматривать разные режимы работы установок катодной защиты, разные расположения их по дистанции, разные объёмы и участки ремонта изоляции. Все эти варианты реализуются путём подбора граничных условий для потенциалов (токов) и изменением функции Кинт(г) в местах предполагаемого ремонта. Для автоматизации процессов подготовки данных и выполнения расчётов разработана компьютерная программа.

5. В качестве критерия технического состояния изоляционного покрытия трубопровода в целом предложена возможность обеспечения защитными потенциалами в рамках нормативных требований. За остаточный ресурс изоляционного покрытия принимается время, в течение которого сохраняется эта возможность с учётом динамики старения покрытия.

6. Разработаны приборный комплекс и методика обследования изоляционного покрытия действующего трубопровода на основе технологии магнитной локации. Метод и приборный комплекс позволяют в режиме реального времени наблюдать и записывать в файл токи, протекающие в трубопроводе и уходящие через изоляционное покрытие в грунт. Получаемые результаты позволяют в полной мере реализовать вышеуказанный математический аппарат. Испытания и практическая работа на действующих трубопроводах показали, что данный метод и приборный комплекс обладают рядом существенных преимуществ по сравнению со всеми известными до настоящего времени и отвечают современным требованиям диагностики. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Иваненков, Виктор Васильевич, Уфа

1. Бекман В. Катодная защита. Справочник. М.: Металлургия, 1992. -С. 121-126.

2. Березин B.JL, Ращепкин К.Е., Телегин Л.Г. и др. Капитальный ремонт магистральных трубопроводов. М. Недра, 1978. - 364 с. Борисов Б.и. Защитная способность изоляционных покрытий подземных трубопроводов. - М.: Недра, 1987. - 126 с.

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

4. Воронин В.И., Воронина Т.С. Изоляционные покрытия подземных трубопроводов. М.: ВНИИОЭНГ, 1990. - 200 с. ВРД 39-1.10-026-2001. Методика оценки фактического положения и состояния подземных трубопроводов.

5. Глазов Н.П., Дуков Б.С., Сидоров Б.В. Способ измерения поляризационных потенциалов подземных конструкций. Авт. свид. № 74435 // БИ 1980.-№24.

6. Глазов Н.П. и др. Методы контроля и измерений при защите подземных сооружений от коррозии. М. Недра, 1978. - 216 с.

7. Глазов В.Н. Эффективность электрохимической защиты магистральных нефтепроводов. Серия "Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности". М.: ВНИИОЭНГ, 1982. - Вып.5. - 56 с.

8. ГОСТ 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.

9. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии.

10. Григорашвили Ю.Е., Карпов Р.Г., Бухлин A.B., Локатор источников слабых магнитных полей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М.: " Научтехлитиздат", 2006. - № 9. - С. 21-25.

11. Григорашвили Ю.Е., Карпов Р.Г., Степанов A.M. Метод локации источников слабых магнитных полей // Известия вузов. Электроника.- М.: МИЭТ, 2006. № 2. - С. 37-41.

12. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Ямалеев K.M., Росляков A.B. Старениетруб нефтепроводов. М.: Недра, 1995. - 218 с.

13. Гумеров А.К., Иваненков В.В., Арсланов И.Н. Особенность острых концентраторов напряжений // Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса: Матер, научн.-практ. конф. 24 октября 2007 г. Уфа, 2007. - С. 137-139.

14. Гумеров И.К., Хайрутдинов Ф.Ш., Шмаков В.А. Моделирование состояния изоляционного покрытия на основе результатов электрометрических измерений // Нефтегазовое дело. 2006. - № 4. - С. 141. http://www.ogbus.ru/authors/GumerovIK/GumerovIKl.pdf

15. Гумеров K.M., Козин И.В., Галяутдинов A.A. Стресс-коррозия как основной источник опасности на магистральных газопроводах. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов.- Уфа, ТРАНСТЭК, 2004. С. 39-50.

16. Защита подземных металлических сооружений от коррозии: Справочник / И.В. Стрижевский, А.Д. Белоголовский, В.И. Дмитриев и др.- М.: Стройиздат, 1990. 303 с.

17. Защита трубопроводов от коррозии: Сборник научных трудов. М.: ВНИИСТ, 1985.- 115 с.

18. Защита трубопроводов от коррозии: Том 1: Учеб. пособие / Ф.М. Мус-тафин, М.В. Кузнецов, Г.Г. Васильев и др. СПб.: ООО "Недра", 2005.- 620 с.

19. Защита трубопроводов от коррозии: Том 2: Учеб. пособие / Ф.М. Мус-тафин, Л.И. Быков, А.Г. Гумеров и др. СПб.: ООО "Недра", 2007.- 708 с.

20. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.- 541 с.

21. Зиневич A.M., Глазков В.И., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии. М.: Недра, 1975. - 288 с.

22. Иваненков В.В. Метод магнитной локации и диагностический комплекс «Орион-1М» // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. Уфа, 2008. - С. 110-112.

23. Иваненков В.В. Моделирование работы ЭХЗ методом конечных элементов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. Уфа, 2008. - С. 241-242.

24. Иваненков В.В., Гиззатуллин P.P., Гумеров K.M. Моделирование работы ЭХЗ методом конечных элементов // Нефтегазовое дело. 2008. - Т. 6. - № 2. - С. 44. http://www.ogbus.ru/autors/Ivanenkov/ Ivanenkovl .pdf

25. Иваненков В.В., Гумеров K.M. Методика оценки качества изоляционного покрытия подземных стальных трубопроводов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИП-ТЭР. Уфа, 2008. - № 3 (73). - С. 39-46.

26. Иваненков В.В., Семиков С.А., Гиззатуллин P.P. Оценка изоляционного покрытия трубопровода по интегральному переходному сопротивлению // Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса:

27. Матер, научн.-практ. конф. 24 октября 2007 г. Уфа, 2007. - С. 96-98.

28. Иванов В.Т., Глазов Н.п., Макаров В.А. Математическое моделирование электрохимической защиты // В сб. Итоги науки и техники: Сер. Коррозия и защита от коррозии. М.: ВИНИТИ, 1987. - Т. 13. - С. 117.

29. Изоляция трубопроводов. Сборник научных трудов. М.: ВНИИСТ, 1982.- 110 с.

30. Иоссель Ю.Я., Клёнов Г.Э. Математические методы расчёта электрохимической коррозии и защиты металлов: Справочник. М.: Металлургия, 1984. - 271 с.

31. Кнеппо П., Титомир JI. Биомагнитные измерения. М.: Энергоатомиз-дат, 1989. - 288 с.

32. Комплексный технический отчет по диагностическому обследованию трубопровода ультразвуковыми и магнитными дефектоскопами. МНПП "Горький Новки". - Самара: ЗАО "Нефтегазкомплектсервис", 2005.

33. Комплексный технический отчет по диагностическому обследованию трубопровода ультразвуковыми и магнитными дефектоскопами. МНПП "Кириши. Самара: ЗАО "Нефтегазкомплектсервис", 2004.

34. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 831 с.

35. Кочнев В.А. Адаптивные методы решения обратных задач геофизики. Учебное пособие. Красноярск: Изд-во ВЦК СО РАН, 1995. - 130 с.

36. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения ы частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. -712 с.

37. Кузнецов М.В., Новосёлов В.Ф., Тугунов П.И., Котов В.Ф. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров. М.: Недра, 1992.- 238 с.

38. Маделунг Э. Математический аппарат физики. М.: Наука, 1968. -618 с.

39. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980.- 536 с.

40. Методическое руководство по оптимизации параметров и оценке эффективности электрохимической защиты объектов магистрального транспорта газа. М.: Мингазпром, 1988. - 44 с.

41. Мороз A.A. Оценка технического состояния и остаточного ресурса нефтепроводов по результатам диагностики. Автореф. . докт. техн. наук. Уфа, 2003. - 44 с.

42. Мустафин Ф.М. Современное состояние защиты трубопроводов от коррозии изоляционными покрытиями // Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ: Сб. науч. Тр. Уфа: Изд-во УГ-НТУ, 2002. - С. 103-127.

43. Новосёлов В.Ф., Коршак A.A., Димитров В.Н. Типовые расчёты противокоррозионной защиты металлических сооружений нефтегазопроводов и нефтебаз. Уфа: УНИ, 1985.- 100 с.

44. Нормы проектирования электрохимической защиты магистральных трубопроводов и сооружений НПС. Версия 1/02.2008. М.: ОАО "АК "Транснефть", 2008.

45. ОР-16.01-60.30.00-КТН-053-1-04. Регламент технической эксплуатации переходов магистральных нефтепроводов через водные преграды.

46. OP-13.02-74.30.90-КТН-001 -2-03. Регламент по контролю качества изоляционного покрытия замененных при ремонте, реконструкции участков методом катодной поляризации.

47. Петров H.A., Сидоров Б.В., Соколов A.C. и др. Современные средства комплексной защиты подземных металлических трубопроводов от коррозии // Сер. Транспорт и хранение газа. Вып. № 8. М.: ВНИИЭГазпром, 1984. - С. 18-32.62