Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование системы оценки технического состояния и оптимизации ремонтов на основе результатов внутритрубной диагностики магистральных газопроводов

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование системы оценки технического состояния и оптимизации ремонтов на основе результатов внутритрубной диагностики магистральных газопроводов"

На правах рукописи

БАРЕНБОЙМ ИОСИФ ИСАКОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ РЕМОНТОВ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ВНУТРИТРУБНОЙ ДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003 г.

Работа выполнена в Научно-производственном объединении «Спецнефтегаз».

Научный руководитель: доктор технических наук

Чабуркин Владимир Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Халлыев Назар Халлыевич

кандидат технических наук Гаспарянц Рубен Саргисович

Ведущее предприятие: ИТЦ «Оргтехдиагностика»

Защита состоится "_"_2003 г. в_час. в ауд._на

заседании диссертационного совета Д 212.200.06 при Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, д. 65, г. Москва, В-296, ГСП-1,119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.

Автореферат диссертации разослан "_" ноября 2003 г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета ^ / /

доктор технических наук, профессор - /.! г\СЛ / С. Г. Иванцова

А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России создана и эксплуатируется развитая сеть магистральных газопроводов (МГ) общей протяженностью более 150 тыс. км. Возраст 85% МГ превышает 15 лет. В условиях резкого нарастания потока отказов (в основном, по причине коррозии) после 1015 лет эксплуатации практически вся система МГ нуждается в диагностических обследованиях и ремонтах. Вопросам оценки технического состояния и ремонтов магистральных трубопроводов посвящены исследования и разработки B.JI. Березина, Б.В. Будзуляка, Г.Г. Васильева, Ф.Г. Тухбатуллина, Н.Х. Халлыева, В.В. Харионовского и др.

В течение длительного времени обеспечение безопасности и надежности эксплуатации МГ базировалось на проведении планово-предупредительных и капитальных ремонтов, как правило, со сплошной заменой изоляционного покрытия и труб. В условиях старения трубопроводных систем такой подход становился все менее эффективным.

С развитием внутритрубной диапгостики основой стратегии обеспечения безопасности МГ становится эксплуатация трубопроводов «по техническому состоянию». Переход к выборочным ремонтам по результатам диагностики позволил реально сократить поток отказов магистральных газопроводов при сохранении общих объемов ремонтных работ. С наращиванием объемов диагностических обследований и получением большого массива данных о реальных дефектах МГ вопросы совершенствования системы оценки технического состояния и оптимизации технологий ремонтов по результатам диагностики приобретают все большую актуальность.

В связи с вышеизложенным, делью диссертационной работы является

повышение безопасности и эффективности эксплуатации магистральных

газопроводов путем развития " "ггаттичу^пй ftl?" оценки

I рос. национальная] БИБЛИОТЕКА I

эксплуатационной прочности и оптимизации технологий ремонтов на основе результатов внутритрубной диагностики.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:

• анализ дефектности и параметров фактического технического состояния магистральных газопроводов по данным внутритрубной диагностики;

• разработка моделей и алгоритмов оптимизации стратегий проведения ремонтов;

• совершенствование методологии и методики расчета эксплуатационной прочности участков газопровода при локальных ремонтах композиционными материалами;

• разработка алгоритмов и процедур для оперативного расчета параметров технологий ремонта композиционными муфтами.

Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах, впервые полученных автором:

• Установлены характеристики одномерных и трехмерных статистических распределений параметров коррозионных дефектов типа «потери металла», свидетельствующие о наличии различных механизмов образования и развития повреждений, что позволяет адекватно классифицировать дефекты по показателям опасности и ремонтопригодности на питинговые, развитые, продольно и поперечно ориентированные коррозионные повреждения.

• Развита методология оценки эффективности восстановления несущей способности газопровода в рамках которой:

- определяется прочность трубы до и после ремонта;

- на основе прогнозных оценок по критериям «годности к эксплуатации» и «проектной прочности» выбираются оптимальная стратегия и методы ремонта.

• Построены модели оптимизации обслуживания газопроводов по «техническому состоянию» в условиях подрастания дефектов. Модель минимизации интенсивности эксплуатационных затрат связывает периодичность профилактических ремонтов с неконтролируемым ростом глубины дефекта от выявленного диагностикой начального уровня. Модель минимизации суммарных эксплуатационных затрат предусматривает проведение обследований и ремонтов по упреждающим уровням размеров дефектов, определяемых диагностикой.

• Разработана математическая модель и программное обеспечение для определения разрушающего давления на участке газопровода, отремонтированного композиционной муфтой, учитывающие параметры коррозионного повреждения, прочностные и деформационные характеристики композиционного материала, что позволило определить требования к материалу муфт и дифференцировать применение муфт в зависимости от вида и параметров ремонтируемого дефекта.

Практическая ценность и внедрение результатов работы. Практическая ценность работы заключается в направленности на комплексное максимальное использование результатов диагностики при планировании и проведении ремонтов МГ. Разработанная методика оценки прочности трубопровода в местах ремонта композиционными материалами с учетом их прочностных и деформационных характеристик позволила сформулировать условия ремонтопригодности коррозионных повреждений и определить оптимизирующие требования к материалу муфт.

Результаты работы использованы при разработке «Инструкции по ремонту дефектных труб магистральных газопроводов полимерными композиционными материалами» ВСН 39-1.10-001-99, «Правил и норм оценки технического состояния и остаточного ресурса элементов и участков

трубопроводов по результатам диагностических обследований» (1-я редакция) и внедрены на предприятиях ОАО «Газпром».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований автора докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

• 1-й Международной научно-технической конференции «Развитие компьютерных комплексов моделирования, оптимизации режимов работы систем газоснабжения и их роль в диспетчерском управлении технологическими процессами в газовой отрасли». Москва, 2002 г.

• Научно-практической конференции в рамках Российской выставки с международным участием «Трубопроводные системы. Реконструкция, ремонт, строительство». Москва, 2002 г.

• Научно-практической конференции в рамках Международной специализированной выставки «Антикор-гальваносервис - 2003». Москва, 2003 г.

• Заседании научно-технического Совета НПО «Спецнефтегаз». Москва, 2003 г.

• Научно-техническом семинаре кафедры «Сооружение и ремонт газонефтепроводов» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Москва, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы из 97 наименований. Объем диссертации составляет 145 страниц, включает в себя 49 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель и задачи работы, обоснована актуальность выбранной темы диссертации.

В первой главе проанализированы базовые показатели технического состояния трубопроводной системы МГ России, включающие в себя основные технические характеристики Единой системы газоснабжения ОАО «Газпром», данные по возрастной структуре трубопроводов, статистику отказов на МГ, обобщенные результаты диагностических обследований, динамику объемов капитальных ремонтов и внутритрубной дефектоскопии.

Капитальный ремонт с полной или частичной заменой труб остается основным методом производства ремонтных работ. Доля ремонтов по результатам внутритрубной диагностики пока составляет 17%, однако наблюдается устойчивая тенденция к росту их объемов.

В условиях старения системы МГ (только 5% трубопроводов имеют возраст менее 10 лет, 39% - от 10 до 20 лет и 32% - от 20 до 30 лет) важнейшим резервом обеспечения высокой надежности и безопасности эксплуатации системы МГ при ограниченности ресурсов является более полный переход к выборочным методам ремонта на основе результатов технической диагностики.

Наиболее эффективным методом диагностики магистральных газопроводов является внутритрубная дефектоскопия. Основные объемы которой в России (до 12-14 тыс. км в год) выполняются НПО «Спецнефтегаз».

Предварительный анализ данных внутритрубной дефектоскопии показывает, что более 70% дефектов, выявляемых магнитными дефектоскопами, составляют коррозионные повреждения. Среди них доля дефектов типа «потери металла» с глубиной до 15% от толщины стенки составляет 45%, а глубиной более 30% - около 5%. Наблюдаются дефекты различной конфигурации и ориентации. Это свидетельствует о

необходимости дифференцированного применения ремонтных технологий и оптимизации ремонтов с учетом прогнозируемого развития дефектов.

Анализ методов и технологий ремонтов, проводимых по результатам внутритрубной диагностики, показывают, что основными видами ремонта остаются традиционные методы: устранение дефектов путем вырезки составляет 38 % от общего числа ремонтных работ, переизоляция - 32 %; доля ремонтов с применением композиционных материалов составляет около 10 %.

Важным элементом в реализации эффективной стратегии выборочных ремонтов и обеспечения безопасной эксплуатации МГ является оценка прочности поврежденного участка трубопровода и восстановления его несущей способности после ремонта. В диссертации рассмотрены положения ряда нормативно-методических документов, применяемых в России и за рубежом для расчетов на прочность поврежденных труб, в первую очередь, с дефектами коррозионной потери металла.

Из проведенного сопоставления следует, что практически все методики расчетов, применяемые для оценки опасности дефектов потери металла, используют только два размера дефекта: глубину и протяженность вдоль трубы. Тем самым, диагностическая информация о дефекте в расчете учитывается не в полном объеме, а результаты оценки опасности дефектов, развитых в окружном направлении, могут не соответствовать реальной остаточной прочности поврежденной зоны.

Анализ положений ведомственного документа ОАО «Газпром» ВРД 39-1.10-004-99 показывает, что указанный документ позволяет вести оценку допустимости дефекта с учетом его глубины, длины и угловой ширины и увязывать коэффициенты запаса по предельным состояниям с действующей нормативной документацией на проектирование магистральных трубопроводов.

Указанный документ явился основой для развития расчетных методов оценки несущей способности поврежденного участка, отремонтированного

композиционными муфтами. Использование данных о длине, ширине и глубине дефекта позволило в диссертации поставить и решить задачи обоснования целесообразности и оптимизации параметров таких ремонтов.

Результаты главы 1 позволяют сделать вывод о необходимости совершенствования и развития расчетных методов для оценки технического состояния МГ в местах ремонтов, прочностного обоснования и оптимизации технологий выборочных ремонтов композиционными материалами по результатам диагностики.

Вторая глава посвящена анализу технического состояния МГ по результатам внутритрубной диагностики, выполненной НПО «Спецнефтегаз» магнитными снарядами-дефектоскопами серии ДМТ.

По результатам инспекции для каждого выявленного дефекта (поврежденного элемента МГ) с высотой А, длиной Ь и окружной шириной IV можно рассчитать предельное давление Рщ, и условный ресурс ¿расч. Эти характеристики (А, I, Ж, Рщ,, /расч) можно рассматривать в качестве детерминированных параметров технического состояния конкретного поврежеднного элемента МГ. При оценке технического состояния нескольких участков МГ как единого объекта (включая участки, на которых инспекция не проводилась) параметры технического состояния (А, Ь, РГ, р„р, 'расч) следует рассматривать как случайные величины, описываемые статистическими распределениями.

Накопленный информационный материал по первичным внутритрубным инспекциям, выполненным НПО «Спецнефтегаз», требует корректной системной обработки и аналитического осмысления. Наиболее представительными являются данные инспекций магистральных газопроводов диаметром 1420 мм. Эти газопроводы имеют возраст не более 20 лет (в среднем 15-17 лет), сходные технологии изготовления и характеристики изоляционных покрытий, на них приходится основной объем транспортировки газа.

Проведен комплексный статистический анализ данных внутритрубной диагностики 56 участков МГ диаметром 1420 мм общей протяженностью 6635 км, на которых выявлено 26142 коррозионных дефектов «потери металла». Выполнена специальная статистическая обработка этих данных, при которой каждый дефект описывается совокупностью трех своих размеров (высота, длина, ширина). Получены характеристики одномерных и трехмерных статистических распределений высоты, длины и окружной ширины выявленных коррозионных дефектов.

Показано, что плотность распределения трехмерной случайной величины размеров коррозионных дефектов имеет мульти-модальный характер (рис. 1). Это свидетельствует о реализации нескольких различающихся механизмов образования и развития коррозионных дефектов потери металла.

Рис. 1. Условная плотность распределения двумерной случайной величины (длина Ь и ширина № дефекта) при высоте дефекта А = 10 % от толщины стенки.

При глубине дефекта менее 20 % от толщины стенки можно выделить четыре типа дефектов со своими характерными размерами: компактные

и

дефекты (коррозионные пятна); дефекты, развитые преимущественно в продольном и поперечном направлениях; обширные дефекты общей коррозии. Более глубокие дефекты в большинстве случаев представляют собой коррозионные пятна (питинговую коррозию).

Основным расчетным параметром, характеризующим прочность поврежденного участка, является расчетное предельное давление рщ,. На основании сопоставления р„р с рабочим давлением р^ оценивается степень опасности (или наоборот, допустимость) дефекта. Из всей совокупности дефектов расчетом по методикам КЗТШЗШ, БЫУ НР-БКИ и ВРД 39-1.10004-99 были выделены дефекты, которые по той или методике являются недопустимыми. Расчет проводился для трубопровода диаметром 1420 мм с толщиной стенки 15,7 мм (при рабочем нормативном давлении 7.5 МПа), были использованы значения предела текучести 500 МПа и предела прочности 585 МПа. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Количество недопустимых по нормам дефектов

Документ

врд БЛУКР- Повеем Хотя бы по

39-1.10- квтмж; И01 трем одному

004-99 (РаП А) документам документу

Число дефектов 72 80 74 57 96

Выявленные закономерности в сочетаниях размеров дефектов коррозионной потери металла имеют важное значение для оценки ремонтопригодности и выбора параметров технологий ремонтов. Данные по срочным ремонтам на общей выборке из более 26 тыс. дефектов показывают, что данный объем работ может быть обеспечен выборочными ремонтами по показаниям методик расчетов на прочность.

Третья глава посвящена развитию методологии оценки эксплуатационной прочности и обоснования показаний к ремонтам участков магистральных газопроводов по результатам внутритрубной диагностики.

Анализ статистических данных показал, что дефекты коррозионной потери металла, снижающие прочность труб, в настоящее время составляют около 1.5% от всех выявляемых при инспекции дефектов, а срочному ремонту по наиболее консервативной оценке подлежат 0.37% выявленных дефектов. Работоспособность участков магистральных газопроводов в этих условиях может, в основном, поддерживаться выборочным ремонтом на базе результатов внутритрубной диагностики.

Рассмотренные в диссертации методологические подходы к оценкам прочности и обоснованиям показаний к ремонтам участков трубопровода с коррозионными повреждениями основаны на положениях методики расчетов на прочность ВРД 39-1.10-004-99, согласно которой для участков с дефектами рассчитывается разрушающее давление, выделяются «недопустимые» дефекты (расчетное разрушающее давление меньше максимального давления гидроиспытаний) и «безопасные» дефекты с расчетным коэффициентом запаса по разрушающему давлению не ниже проектного.

Для растущего коррозионного дефекта расчетом могут быть определены два временных показателя (условный ресурс в годах), отсчитываемых от момента проведения инспекции: (1) время /„, необходимое для того, чтобы дефект дорос до предельных «безопасных» размеров; (2) время ¿02. необходимое для того, чтобы дефект стал «недопустимым». Отрицательные значения условного ресурса tB или t02 означают, что дефект на момент проведения инспекции, соответственно, либо не является «безопасным», либо относится к «недопустимым». На рис.2 изображены рассматриваемые коррозионные дефекты в системе координат «снижение прочности относительно требований СниП 2.05.06-85* - показатели условного ресурса».

В соответствии с ранжированием дефектов по прочностным и ресурсным показателям рассмотрено два подхода к обоснованию вывода в ремонт: по критериям «годности к эксплуатации» и «проектной прочности».

Коэффициент снижения прочности

Рис. 2. Расчет ресурсных и прочностных показателей для определения приоритетов ремонтных работ. «Недопустимые» и «безопасные» дефекты определены на момент проведения инспекции.

Подход, использующий критерий «годности к эксплуатации», предусматривает планирование ремонтов «недопустимых» дефектов, по значению условного ресурса Гог я обеспечивает прочность трубопровода после ремонта при давлениях не ниже давления гидроиспытаний.

Подход, использующий критерий «проектной прочности», заключается в ремонтах как «недопустимых» дефектов, так и дефектов, снижающих прочность трубы, и использует для планирования оба значения /02 и Реализация этого подхода направлена на поддержание показателей прочности трубопровода на некотором стабильном уровне, связанном с проектными (нормативными) требованиями.

В зависимости от того какой подход используется при планировании ремонтных работ по рис. 2 можно оценить объемы неотложных и плановых ремонтных работ (на момент проведения инспекции ремонту подлежат дефекты, расположенные под «нулевой» линией). При расчетах по критерию «годности к эксплуатации» (верхняя группа точек) к неотложным относятся ремонты тех дефектов, у которых значение Ы меньше нуля (это «недопустимые» дефекты на момент проведения инспекции). Вывод в ремонт остальных дефектов осуществляется в соответствии с расчетными значениями /02- При расчетах по критерию «проектной прочности» (нижняя группа точек) к неотложным относятся ремонты тех дефектов, у которых значение гъ меньше нуля, т.е. объем неотложных дефектов существенно выше. Аналогично, планирование последующих ремонтов осуществляется в области положительных значений

Одним из показателей эффективности выбранной стратегии ремонтов является вероятность отказа Рр Анализ вероятности отказов и объемов ремонтов в зависимости от указанных подходов для рассматриваемой совокупности дефектов показал следующее.

Если в соответствии с критерием «годности к эксплуатации» сразу после проведения инспекции отремонтировать все «недопустимые» дефекты (0.14% из выявленных), то частота отказов уменьшится на порядок с 0.11 до 0.011 отказов/(годх1000 км). Через пять лет с учетом роста оставшихся дефектов частота отказов составит 0.23 отказов/(годх1000 км). Если в этот момент снова отремонтировать все «недопустимые» дефекты, подросшие до «недопустимых» за эти пять лет (примерно 0.15% дефектов), то частота снизится до уровня 0.057 отказов/(годх1000 км). Таким образом, стратегия ремонтов, основанная на ремонте только «недопустимых» дефектов, в долгосрочной перспективе должна привести к росту частоты отказов.

Если реализовывать стратегию ремонта по критерию «проектной прочности», то по результатам инспекции необходимо отремонтировать 0.9%

от выявленных дефектов. Через пять лет эксплуатации вероятность отказа составит 0.01 отказов/(годх 1 ООО км), что существенно ниже, чем в первом случае.

Таким образом, использование прочностных и ресурсных показателей позволяет позволяет формировать базовые стратегии ремонтов по критериям «годности к эксплуатации» и «проектной прочности». Эти стратегии различаются как по объемам ремонтных работ, так и по достигаемым показателям надежности работы трубопровода (вероятности отказа). Наиболее благоприятной реализацией стратегии в долгосрочной перспективе можно считать проведение «упреждающих» ремонтов. В этой связи становится актуальной задача оптимизации ремонтных стратегий по критериям затрат.

В четвертой главе рассмотрены подходы к оптимизации сроков, объемов ремонтов и периодичности последующих диагностических обследований МГ по результатам проведенной диагностики.

Подход, основанный на минимизации интенсивности эксплуатационных затрат, устанавливает оптимальное время профилактического ремонта тот по предельно допустимому увеличению глубины дефекта Аh^.

Если задаться затратами на профилактический ремонт (СО затратами на ремонт после аварии (Сг), то средние суммарные затраты С на конец интервала времени т могут быть спрогнозированы следующим выражением:

С(т) = С1х[1-Р/т)] + С2хР/т), где Pj(x) - вероятность отказа поврежденного участка, зависящая от времени. Математическое ожидание времени до ремонта Гр(т) (профилактического, если дефект не привел к отказу до момента времени г, или восстановительного после аварии, если отказ произошел до момента т) рассчитывается по формуле

гДтЬ^Сф.

о

Оптимальный интервал времени Тощ. до планового профилактического ремонта определяется из условия минимума интенсивности эксплуатационных затрат R(x): R(т) = С(т)/Гр(т). Величина хот при заданном отношении С1/С2 линейно зависит от предельного допустимого подроста = Л„р - h0, где /г„р - предельно допустимая высота дефекта по критерию годности к эксплуатации; ho— высота дефекта по результатам инспекции.

В случаях, когда возможный аварийный отказ приведет к существенным материальным, экологическим и иным потерям, для разработки оптимальной стратегии ремонтов необходимо использовать уточненные данные о размерах дефектов и скоростях коррозионного роста, а сроки выполнения ремонтов по этой стратегии по возможности приближать к расчетным значениям т011Г.

С учетом невозможности выполнения ремонтных работ в точно назначенные сроки рассмотрена т. н. квазиоптимальная стратегия, допускающая 5 % отклонение затрат от минимального значения R = R(тот). Получены временные интервалы, в которых следует проводить ремонтные работы. С уменьшением степени опасности дефекта (при увеличении Айпр) эти интервалы расширяются, свидетельствуя о повышении «устойчивости» ремонтной стратегии. Уменьшение соотношения С\/С2 приводит к сужению временных интервалов. Квазиоптимальный диапазон Ahap (при Tom = const) представляет собой решение задачи о ремонте «при удобном случае», когда на вскрытом трубопроводе дополнительно ремонтируются те дефекты, сроки ремонта которых близки к оптимальным.

Подход, основанный на минимизации суммарных эксплуатационных затрат, предусматривает проведение диагностических обследований и ремонтов по упреждающим уровням размеров дефектов. Обследования назначаются после того, как глубина дефекта h превысила некоторый упреждающий уровень (h>h^~ 8), и по результатам обследований принимаются решения о ремонтах. Искомая стратегия на временном

интервале 0...Т должна минимизировать эксплуатационные затраты, которые зависят от затрат на обследование (ремонт) Ci и от аварийных затрат С2. Коррозионное развитие дефекта во времени (увеличение высоты) носит случайный характер, скорость коррозии v описывается функцией распределения FV(X) с соответствующим средним значением vm.

В этом случае оптимальная стратегия описывается следующим уравнением:

С2 К

Задавая время х (до следующего диагностического обследования), можно определить оптимальные значения упреждающих уровней {h„v — 5).

Для дефекта с высотой h0 и при известном значении Ъщ можно определить оптимальное время ремонта (обследования) т из следующего уравнения:

iJ&zSksÉ.j,

Ci К V ' J

Результаты расчетов по критерию минимума суммарных эксплуатационных затрат при Ci/C2 = 0 (отказы крайне нежелательны) для магистральных газопроводов диаметром 1420 мм приведены на рис. 3,4. На рис. 3 рассмотрена зависимость оптимального времени повторного диагностирования от коэффициента снижения прочности (рассчитанного на момент проведения первичной инспекции). Изображены все дефекты, выявленные при внутритрубных инспекциях, за исключением дефектов, отнесенных на момент инспекции к «недопустимым». «Безопасным» дефектам соответствуют значения коэффициента снижения прочности меньше единицы. Из рисунка 3 следует, что оптимальные сроки повторного диагностического обследования для «безопасных» дефектов составляют не менее двух лет. Часть дефектов, влияющих на прочность трубы (коэффициент снижения прочности больше единицы), тем не менее могут

Чр-А, Л

—V_

находиться в эксплуатации достаточно длительное время при условии своевременного проведения повторных обследований.

Коэффициент снижения прочности

Рис. 3. Связь коэффициента снижения прочности и оптимального времени следующего диагностического обследования для дефектов коррозионной потери металла.

На рис. 4 представлены результаты планирования ремонтных работ для дефектов коррозионной потери металла, выявленных на магистральных газопроводах диаметром 1420 мм. С течением времени суммарные объемы ремонтов увеличиваются (кривая на рис. 4) с резким нарастанием, начиная с пятого года после проведения инспекции. Среднегодовые объемы ремонтных работ остаются стабильными примерно в течение 4 лет после проведенной инспекции. Таким образом, интервал порядка 4 лет может рассматриваться как оптимальный период внутритрубных обследований: между двумя

инспекциями необходимо отремонтировать примерно 1.2% выявленных дефектов, ремонтируя в год в среднем по 0.3 % выявленных дефектов.

2 3 4 5

Время посла инспекции, годы

Рис. 4. Планирование ремонтных работ по критерию минимума суммарных затрат при эксплуатации.

В пятой главе рассмотрена задача о выборе и расчетном обосновании параметров ремонтов МГ с коррозионными повреждениями муфтовыми композиционными материалами. Выполненный в диссертации анализ свидетельствует, что основной объем выборочных ремонтов по результатам диагностики может и должен проводиться с установкой композиционных муфт. Оценка, выполненная соответствии с документом ВСН 39-1.10-001-99 (разработан НПО «Спецнефтегаз») для рассматриваемой совокупности коррозионных дефектов, показала, что 82 % дефектов, подлежащих ремонту, могут быть отремонтированы композиционными муфтами и только для 18 % наиболее опасных дефектов необходима вырезка.

Выбор параметров ремонта основан на результатах оценки прочности поврежденного участка до и после ремонта с расчетом коэффициентов запаса по разрушающему давлению.

Для расчетной оценки восстановления несущей способности поврежденного участка после ремонта была разработана модель совместного деформирования и разрушения поврежденного участка трубы с установленной муфтой (муфтами) (рис. 5).

Рис. 5. Модель совместного деформирования ремонтной муфты и трубы.

Совместное деформирование участка трубы с муфтой приводит к тому, что часть внутреннего давления р воспринимается муфтой (давление рк). Это давление вызывает в муфте окружные напряжения а^

где 1> - диаметр трубы; А - толщина муфты. В свою очередь, давление,

воспринимаемое трубой, снижается до уровня р-рт что приводит к

номинальным окружным напряжениям трубы под муфтой Сеном:

_(р-р„)Р 8к"" 2Н '

где Н- толщина стенки трубы.

В модели принято, что композиционная муфта воспринимает нагрузки, действующие только в окружном направлении и до момента разрушения деформируется упруго. Упругая окружная деформация муфты е0„ равна

где — модуль упругости муфты.

По значениям номинальных напряжений в трубе и коэффициентам концентрации для заданных размеров дефекта по формулам документа ВРД 39-1.10-004-99 могут быть рассчитаны компоненты упруго-пластических деформаций. Распространение расчетных положений ВРД 391.10-004-99 на случай ремонта потребовало для описания совместного деформирования ввести новый параметр - давление р^. Величина р^ определяется из уравнения совместности «средних» окружных деформаций:

где РУ - ширина дефекта; £е„ом - номинальная окружная деформация в неповрежденной стенке трубы; ее - окружная деформация в зоне дефекта.

Расчет по модели сводится к решению системы нелинейных уравнений. Процедура расчетов по модели реализована в виде набора программ. Адекватность разработанной модели подтверждена результатами натурных гидроиспытаний отремонтированных труб.

С применением разработанной модели рассмотрены вопросы механизма восстановления несущей способности поврежденного участка при ремонте, влияния деформационных и прочностных характеристик муфты на несущую способность отремонтированного участка, пределов оптимального изменения деформационных и прочностных характеристик ремонтных муфт и оценки показателей восстановления несущей способности для дефектов различной геометрии. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Обобщенные данные для проведения расчетов

Ха рактеристики ремонтных муфт Характеристики трубы

Модуль упругости, МПа Предел прочности, МПа Толщина, мм Ширина, мм Свойства Размеры

Модуль

200 упругости 200000 МПа Диаметр 1420 мм Толщина стенки 15.7 мм

18000 36000 54000 300 400 500 600 12 300 Предел текучести 500 МПа Предел прочности 585 МПа

Ремонтная муфта сдерживает развитие окружной деформации в поврежденной зоне. Наибольшая эффективность ремонта достигается в тех случаях, когда максимальной деформацией в зоне дефекта становится осевая деформация и разрушения в продольном направлении не происходит.

Перераспределение окружной нагрузки определяется условиями совместного деформирования муфты и поврежденного участка и зависит от модуля упругости композиционного материала (рис. 6). Протяженные и широкие дефекты могут быть эффективно отремонтированы с применением «мягкой» муфты, у которой модуль упругости 18000 МПа. Применительно к относительно коротким дефектам ремонт не приводит к значимому повышению несущей способности поврежденного участка, а результат ремонта мало зависит от модуля упругости устанавливаемых муфт. Относительно короткие дефекты, которые расчетом отнесены к «недопустимым», ремонту композиционными муфтами не подлежат. С точки зрения расширения области ремонтов использование «жестких» муфт наиболее результативно для протяженных дефектов шириной 100...600 мм, когда такими муфтами могут быть отремонтированы дефекты, отнесенные к «недопустимым». При увеличении ширины дефектов свыше 600 мм результативность ремонтов слабо зависит от модуля упругости муфты. Применение «жестких» муфт также целесообразно для ремонта узких

(шириной до 360 мм) и протяженных дефектов. Поэтому «жесткие» муфты могут быть востребованы при комбинированной технологии локального ремонта стресс-коррозионных дефектов с выборкой поврежденного металла.

Прочность материала муфты должна быть достаточной, чтобы разрушение муфты не происходило до общего разрушения зоны ремонта.

Полученные результаты позволяют оптимизировать требования к композиционным муфтам в направлении стабилизации во времени показателей жесткости (модуля упругости не менее 36000 МПа) и обеспечения предела прочности, близкого к пределу прочности (текучести) металла трубы.

Длина, >

Ж-М0...600мм —

Рис. 6. Безопасные и предельные размеры дефектов с учетом ремонтов композиционными муфтами с пределом прочности 600 МПа и модулем упругости Е = 18000...54000 МПа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Комплексной статистической обработкой^ данных внутритрубных инспекций МГ диаметром 1420 мм получены характеристики одномерных и трехмерных статистических распределений высоты, длины и окружной ширины выявленных коррозионных дефектов. Плотность распределения трехмерной случайной величины параметров коррозионных дефектов имеет мульти-модальный характер, свидетельствующий о реализации нескольких механизмов образования и развития коррозионных дефектов потери металла и необходимости их адекватного ражнирования по показателям опасности и ремонтопригодности.

2. Развита методология принятия решений о возможности и эффективности восстановления несущей способности участка МГ в местах выявленных коррозионных повреждений, предусматривающая оценку остаточной прочности трубопровода до и после ремонта, выбор стратегии и методов ремонтов.

3. Рассмотрена задача оптимизации стратегии обслуживания, обеспечивающей минимум средних суммарных потерь на отрезке времени эксплуатации участка МГ. Построены модели оптимизации обслуживания газопроводов по «техническому состоянию» в условиях подрастания дефектов. Модель минимизации интенсивности эксплуатационных затрат связывает периодичность профилактических ремонтов с неконтролируемым ростом глубины дефекта от выявленного диагностикой начального уровня. Модель минимизации суммарных эксплуатационных затрат предусматривает проведение обследований и ремонтов по упреждающим уровням размеров дефектов.

4. Разработана расчетная модель определения разрушающего давления для участка трубопровода, отремонтированного композиционной муфтой, отражающая совместное упруго-пластическое деформирование трубы с дефектом коррозионной потери металла и ремонтной муфты с учетом прочностных и деформационных характеристик материала муфты.

Разработано программное обеспечение проведения расчетов в пакетном режиме для массива выявленных диагностикой дефектов. Результаты расчета по разработанной программе позволили определить требования к материалу муфт и дифференцировать применение муфт в зависимости от вида и параметров устраняемого дефекта.

5. Комплексом прочностных расчетов в обоснование проведения ремонтов МГ композиционными муфтами при варьировании предела прочности муфт в диапазоне 200...600 МПа и модуля упругости в диапазоне 18000...54000 МПа показано, что эффективность ремонта возрастает с увеличением ширины и протяженности дефекта. «Мягкие» муфты с модулем упругости 18000 МПа могут быть ограниченно применены для ремонта протяженных и широких дефектов. Наибольший эффект при ремонте протяженных дефектов шириной 100...600 мм достигается при использовании «жестких» муфт. Применение «жестких» муфт целесообразно также при комбинированной технологии локальных ремонтов стресс-коррозионных дефектов с выборкой зоны поврежденного металла шириной 100.. .600 мм и последующей установкой муфт.

6. Результаты работы использованы при разработке «Инструкции по ремонту дефектных труб магистральных газопроводов полимерными композитными материалами» ВСН 39-1.10-001-99, «Правил и норм оценки технического состояния и остаточного ресурса элементов и участков трубопроводов по результатам диагностических обследований» (1-я редакция), внедрены на предприятиях ОАО «Газпром» и способствовали снижению аварийности МГ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чабуркин В. Ф., Баренбойм И. И., Налимов С. В., Барзилович Е. Ю. Группирование дефектов при формировании планов ремонтов по результатам диагностики участков трубопроводов // Научно-технический

сборник «Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация». №3. М., 2001. - С. 38-47.

2. Баренбойм И. И. Планирование ремонтно-восстановительных работ на основе оценки технического состояния магистральных трубопроводов по результатам диагностики // Сборник тезисов докладов 1-й Международной научно-технической конференции «Развитие компьютерных комплексов моделирования, оптимизации режимов работы систем газоснабжения и их роль в диспетчерском управлении технологическими процессами в газовой отрасли». М., 2002. - С. 70.

3. Чабуркин В. Ф., Баренбойм И. И., Аладинский В.В., Маханев В.О. Восстановление несущей способности трубопровода при ремонте композиционными муфтами // Научно-технический сборник «Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация». №1. М., 2002. - С. 10-21.

4. Баренбойм И. И. Разработка стратегии эксплуатации по техническому состоянию поврежденных участков газопроводов // Научно-технический сборник «Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация». №2. М., 2002. - С. 29-33.

5. Чабуркин В. Ф., Баренбойм И. И., Барзилович Е.Ю. Выбор оптимальной стратегии устранения дефектов трубопроводов по результатам диагностики // Химическое и нефтегазовое машиностроение №3, 2003. -С. 45-47.

6. Баренбойм И. И. Диагностика и ремонт коррозионных повреждений магистральных газопроводов // Сборник материалов научно-практической конференции в рамках Международной специализированной выставки «Антикор-гальваносервис - 2003». М., 2003. - С. 78-79.

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 14.11.2003 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 880. Тел. 939-3890,939-3891,928-1042. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В Ломоносова.

»2105 i

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Баренбойм, Иосиф Исакович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ

МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ.

1.1 Анализ технического состояния и опыт диагностики магистральных газопроводов.

1.2. Сравнительный анализ существующих методов расчета на прочность трубопроводов с коррозионными повреждениями.

1.3. Планирование диагностических и ремонтно-восстановительных мероприятий.

1.4. Ремонт коррозионных повреждений трубопроводов с применением композиционных муфт.

1.5. Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. ОБОБЩЕННЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МГ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВНУТРИТРУБНЫХ ИНСПЕКЦИЙ.

2.1. Внутритрубная магнитная дефектоскопия МГ.

2.2. Основные элементы анализа технического состояния МГ по результатам внутритрубной диагностики.

2.3. Характеристики геометрии дефектов потери металла.

2.4. Характеристики остаточной прочности поврежденных участков.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование системы оценки технического состояния и оптимизации ремонтов на основе результатов внутритрубной диагностики магистральных газопроводов"

Современное состояние единой системы газопроводов Россини характеризуется общим «старением» МГ и накоплением повреждений, в основном за счет развивающихся коррозионных и стресс-коррозионных дефектов. Это приводит к значительному снижению надежности как отдельных участков газопроводов, так и всей системы газоснабжения в целом. В условиях резкого нарастания потока отказов (в основном, по причине коррозии) после 10-15 лет эксплуатации практически вся система МГ нуждается в диагностических обследованиях и ремонтах.

В течение длительного времени обеспечение безопасности и надежности эксплуатации МГ базировалось на проведении планово-предупредительных и капитальных ремонтов, как правило, со сплошной заменой изоляционного покрытия и труб. В условиях старения трубопроводных систем и недостатка ресурсов для их обновления такой подход становился все менее эффективным.

С развитием внутритрубной диагностики основой стратегии обеспечения безопасности МГ становится эксплуатация трубопроводов «по техническому состоянию».

Совершенствование технологий и средств внутритрубной дефектоскопии, позволяющей выявлять, идентифицировать и оценивать размеры несовершенств и дефектов различного вида, общее увеличение объемов диагностики и выборочный (по результатам диагностики) ремонт поврежденных участков дают возможность снизить аварийность и повысить общую надежность системы МГ.

Учитывая большую протяженность системы МГ (свыше 150 тыс. км) и нарастающее количество выявляемых дефектов (3-5 дефектов на 1 км), единовременный ремонт всех поврежденных зон практически невыполним. На передний план выходит проблема выбора оптимальных или близких к оптимальным «выполнимых» стратегий диагностических и ремонтновосстановительных работ при безусловном обеспечении безопасности МГ. Основой для такой оптимизации является оценка технического состояния МГ по результатам диагностики, прогнозирование остаточного ресурса поврежденных участков, определение их ремонтопригодности, выбор способов и технологий ремонта, обеспечивающих требуемое восстановление прочности и долговечности.

В этой связи особую актуальность приобретает дальнейшее совершенствование системы оценки технического состояния и оптимизации ремонтов МГ по результатам диагностики на основе качественного и количественного анализа параметров поврежденности трубопроводов, развития методов расчета эксплуатационной прочности при локальных ремонтах, разработки алгоритмов и процедур для расчета параметров технологий ремонтов и моделей оптимизациии стратегий ремонтно-восстановительных работ.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Баренбойм, Иосиф Исакович

9. Результаты работы использованы при разработке «Инструкции по ремонту дефектных труб магистральных газопроводов полимерными композитными материалами» ВСН 39-1.10-001-99, «Правил и норм оценки технического состояния и остаточного ресурса элементов и участков трубопроводов по результатам диагностических обследований» (1-я редакция), обобщены в 6-ти публикациях, апробированы на 3-х международных конференциях и внедрены на предприятиях ОАО «Газпром».

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Баренбойм, Иосиф Исакович, Москва

1.В., Маханев В.О., Мельников В.Л., Мирошниченко Б.И. Расчетное прогнозирование работоспособности газопроводов с коррозионными повреждениями // Третья международная конференция «Безопасностьтрубопроводов»,-М., 1999-Т. 2 — С. 107-116.

2. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход-М.: Радио и связь, 1988 -392 с.

3. Баренбойм И. И. Диагностика и ремонт коррозионных повреждений магистральных газопроводов // Сборник материалов научно-практической конференции в рамках Международной специализированной выставки «Антикор-гальваносервис 2003».— М., 2003.-С. 78-79.

4. Баренбойм И.И. Разработка стратегии эксплуатации по техническому состоянию поврежденных участков газопроводов // Научно-технический сб. «Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация».- М., 2002. № 2. - С. 29-33.

5. Барзилович Е.Ю. Техническое обслуживание- М.: Высшая школа,1982.-88 с.

6. Барзилович Е.Ю., Беляев Ю.К., Каштанов В.А. Вопросы математической теории надежности. Под ред. Гнеденко Б.В.- М.: Радио и связь,1983.-376 с.

7. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Безопасность трубопроводного транспорта — М.: МГФ «Знание», 2002.- 752 с.

8. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1973. - 200 с.

9. Болотин В.В. Применение методов теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1971. - 256 с.

10. Будзуляк Б.В. Методология повышения эффективности системы трубопроводного транспорта газа на стадии развития и реконструкции. М.: Недра, 2003. - 176 с.

11. Будзуляк Б.В., Губанок И.И., Салюков В.В., Велиюлин И.И. Концепция ремонта линейной части МГ // Газовая промышленность. — 2003. -№8.-С. 62-65.

12. Будзуляк Б.В., Салюков В.В., Харионовский В.В. Продление ресурса магистральных газопроводов // Газовая промышленность. — 2002. -№7 .-С. 59-60.

13. Васин Е.С. Выбор эффективной технологии выборочного ремонта по результатам внутритрубной диагностики // Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт. Научно-технич. сборник. М., 1998. - № 2. — С. 41-47.

14. Велиюлин И.И. Совершенствование методов ремонта газопроводов. -М.: Нефть и газ, 1997. 224 с.

15. Вопросы математической теории надежности. Под ред. Б.В. Гнеденко. -М.: Радио и связь, 1983. 376 с.

16. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация М.: Мир, 1985.-352 с.

17. ГОСТ 25866-83. Эксплуатация техники. Термины и определения. — М.: Изд. Стандартов, 1984. 25 с.

18. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения М.: Изд. Стандартов, 1990. - 37 с.

19. ГОСТ 27.004-75. Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения М.: Изд. Стандартов, 1986. — 13. с.

20. ГОСТ 27.310-95. Надежность в технике. Аанализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения. М.: Изд. Стандартов, 1995.- 17 с.

21. Гусак В.Д., Альшанов А.П. Оценка срока службы участка газопровода с коррозионной каверной // Газовая промышленность- 1991.- № 8-С. 14-15.

22. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. — М.: Металлургия, 1981. 269 с.

23. Даффи А., Эйбер Р., Макси У. О поведении дефектов в сосудах давления // Новые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению. М.: Мир, 1972. - С. 301- 332.

24. Зайцев К.И. О старении труб магистральных нефтегазопроводов II Строительство трубопроводов. — 1994. №6. - С. 2-5.

25. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1978. - 165 с.

26. Иванцов О.М. Надежность и безопасность магистральных трубопроводов России // Трубопроводный транспорт нефти- 1998- № 10.-С. 26-31.

27. Инструкция по отбраковке и ремонту труб линейной части магистральных газопроводов. ВСН 39-1.10-009-2002. -М., 2002.

28. Инструкция по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности. -М.: ВНИИГАЗ, 1992. 31 с.

29. Инструкция по ремонту дефектных труб магистральных газопроводов полимерными композиционными материалами. ВСН 39-1.10-001-99-М., 2000.

30. Инструкция по ремонту дефектов действующих нефтегазопроводов и нефтепродуктопроводов с применением композиционных спиральных муфт. М.: ВНИИСТ-СКТ, 1998.

31. Канайкин В.А. Диагностика коррозионных повреждений магистральных газопроводов. М., МГТУ, 2000. - 115 с.

32. Канайкин В.А., Чабуркин В.Ф. Внутритрубная диагностика стресс-коррозионных повреждений магистральных газопроводов. II Химическое и нефтегазовое машиностроение 2003- № 2. — С. 43-44.35