Научные основы повторного использования демонтированных труб на магистральных трубопроводах

На правах рукописи

Галяутдинов Анвар Асхатович НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕМОНТИРОВАННЫХ ТРУБ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефте газопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопас ность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2007

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»), г. Уфа Научный руководитель – доктор технических наук Гумеров Кабир Мухаметович - доктор технических наук Научный консультант Пашков Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, член-корр. АН РБ Нугаев Раис Янфурович кандидат технических наук Файзуллин Саяфетдин Минигулович Ведущее предприятие – Открытое акционерное общество «Уралтранснефтепродукт», г. Уфа

Защита состоится 18 октября 2007 г. в 1400 часов на заседании дис сертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транс порта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов».

Автореферат разослан 18 сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Как показывают опыт эксплуатации трубопроводов и результаты об следований их технического состояния, внутренняя и внешняя коррозия выводит из строя промысловые трубопроводы за 5…10 лет, магистральные трубопроводы – за 20…40 лет, трубопроводы системы газораспределения – за 40…50 лет, водопроводы – за 10…20 лет.

Все трубопроводы проходят несколько характерных «жизненных» этапов. Последний из них характеризуется увеличением отказов и, соот ветственно, объёмов ремонтных работ. При этом надёжность и безопас ность падают, риски аварии растут. Так, с определенного момента стано вится невыгодным дальнейшая эксплуатация трубопровода, возникает не обходимость вывода из эксплуатации наиболее изношенных участков и замена их на новые линии.

Необходимость вывода из эксплуатации может возникнуть не только из-за изношенности трубопроводов. Существуют и другие причины, на пример: выработка месторождения, изменение направления транспорта, моральное старение трубопровода, изменение экономической политики.

До момента вывода из эксплуатации трубопровода все вопросы (на учно-технические, юридические, нормативные, организационные) отрабо таны;

за состояние трубопроводов отвечает конкретная организация.

«Жизнь» трубопровода после вывода из эксплуатации практически остаётся вне поля зрения эксплуатирующих организаций и администраций регионов.

Между тем, остаётся ещё один важный этап – утилизация, за который прак тически никто не отвечает. Важность вопроса следует хотя бы из того, что Россия всё больше интегрируется в мировую экономику. Это требует ува жительного отношения к признанным в мире нормам, особенно в отноше нии к окружающей среде. Одна из таких норм – цивилизованная утилизация предметов, продукции и объектов после их использования. Это относится и к трубопроводам.

Выведенный из эксплуатации трубопровод может быть в зависимо сти от ситуации законсервирован на некоторый период или передан другой организации для транспортировки других продуктов при более безопасных режимах работы. Если нет никакой возможности обеспечивать безопас ность трубопровода после его вывода из эксплуатации, то он, несомненно, должен быть демонтирован.

После демонтажа трубопровода появляется вопрос: утилизировать (передать на переплав) или повторно использовать демонтированные тру бы. На практике вопросы демонтажа и повторного использования труб нормативно не обеспечены. В каждом случае решение принимается вла дельцем трубопровода. Тем не менее, к настоящему времени накоплен не который практический опыт по восстановлению и повторному использо ванию демонтированных труб. Анализ этого опыта показал следующее.

1. Проблема повторного использования труб оказалась значительно сложнее, чем в случае применения новых труб.

2. Не решены методические вопросы. Например, проблематично группировать демонтированные трубы в партии, поскольку степень износа каждой трубы разная.

3. Недостаточна нормативная база для повторного применения де монтированных труб. Не определены допустимые условия повторного ис пользования труб, отслуживших разные сроки в разных условиях;

не опре делён необходимый объём сертификационных испытаний.

Для налаживания производства по восстановлению и подготовке к повторному использованию демонтированных труб необходимо на дос тойном уровне решить несколько задач с учётом специфики проблемы, в том числе: проведение дефектоскопии демонтированных труб, позволяю щей выявить все дефекты;

контроль состояния металла труб после дли тельной эксплуатации трубопроводов;

выбор эффективных методов вос становления;

определение допустимых условий эксплуатации восстанов ленных труб.

Методы и объёмы контроля, применяемые при производстве новых труб, в данном случае не достаточны из-за большого разброса исходных параметров. Кроме того, для демонтированных труб невозможно приме нить понятие «партия труб» в том же смысле, что и для новых труб. Отсю да следуют проблемы сертификации восстановленных труб.

Цель работы – повышение эффективности повторного использова ния демонтированных труб на магистральных трубопроводах.

Основные задачи исследований:

1. анализ проблем, связанных с повторным использованием демонти рованных труб после вывода из эксплуатации магистральных трубопроводов;

2. исследование явлений, связанных с деградацией свойств металла труб при длительной эксплуатации и возможностью повторного использо вания на магистральных трубопроводах;

3. обоснование и выбор методов контроля труб, предназначенных для повторного использования на магистральных трубопроводах;

4. обоснование и выбор методов восстановления демонтированных труб, предназначенных к повторному использованию;

5. разработка методов определения допустимых режимов эксплуатации трубопроводов, построенных с использованием демонтированных труб.

Методы решения поставленных задач В работе использованы и обобщены данные о фактическом техниче ском состоянии магистральных нефтегазопроводов, результаты техниче ских обследований и экспертиз безопасности ряда нефтепродуктопроводов и трубопроводов системы газораспределения, результаты изучения метал ла труб после длительной эксплуатации.

Для эффективного решения задачи диагностики использованы прин ципы внутритрубной диагностики с применением ультразвука.

При изучении свойств металла труб применялись методы механиче ских испытаний в разных режимах и металлографические исследования с использованием оптических микроскопов с увеличением до 1000 раз.

Оценка допустимых режимов эксплуатации производилась на основе математического моделирования процессов накопления усталости и по вреждений с экспериментальным подтверждением.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых ин ститутов (ИПТЭР, ВНИИГАЗ), специалистов АК «Транснефтепродукт», ОАО «Газпром», АНК «Башнефть» и других научных центров, работы ве дущих ученых: А.Г. Гумерова, Р.С. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, К.М. Ямалеева, Х.А. Азметова, М.М. Загирова, Ю.И. Пашкова и других.

Использован опыт восстановления демонтированных труб на пред приятиях Республики Татарстан (АНК «Татнефть») и Челябинской области (ООО «Уралтрубопроводстрой»).

Научная новизна 1. Установлено, что деградация свойств металла труб происходит по двум механизмам: деформационного старения и водородно индуцированной коррозии, приводящей к структурным изменениям, рас слоению и растрескиванию под напряжением. Ускорению деградации ме талла способствуют концентрация напряжений на дефектах, наличие ис точников атомарного водорода (сероводорода, грунтовой воды), цикличе ские перепады нагрузок.

2. Разработаны методы и образцы для определения ресурса металла труб и сварных соединений. Методы основаны на ускоренных испытаниях образцов за счёт применения концентратора напряжений в виде сквозного отверстия и за счёт блочно-циклического нагружения с нарастающей ам плитудой. Экспериментально подтверждено, что ресурс сварных соедине ний в 2,5...3 раза ниже, чем основного металла труб. Наличие коррозион ных дефектов глубиной до 1 мм в околошовной зоне приводит к снижению ресурса в 8...10 раз.

3. Предложена методика определения допустимого рабочего давле ния восстановленных труб, использующая дополнительный коэффициент запаса прочности на эффекты старения металлов при длительной эксплуа тации трубопроводов. Коэффициент запаса на старение нелинейно растёт с увеличением срока эксплуатации трубопровода и с повышением углерод ного эквивалента.

4. Разработаны два метода расчётной оценки остаточного ресурса демонтированных труб. Показано, что ресурс восстановленных труб силь но зависит от рабочего давления, запаса пластичности, наличия дефектов.

Установлено, что:

- снижение относительного удлинения при разрыве на 35 % приводит к снижению ресурса более чем в три раза;

- снижение рабочего давления на 25 % приводит к повышению ресурса в 4 и более раз;

- повышение концентрации напряжений на 1/3 снижает ресурс в 4,2 раза.

На защиту выносятся:

1. комплекс методических решений по контролю, восстановлению и повторному использованию демонтированных труб на магистральных тру бопроводах, в том числе:

· новая методика сплошного контроля демонтированных труб, ис пользующая передовой опыт внутритрубной диагностики действующих трубопроводов, позволяющая с помощью ультразвука выявлять все скры тые дефекты, в том числе внутристенные (расслоения) и расположенные на внутренней поверхности стенки (коррозию);

· новые методы контроля металла и сварных соединений труб, ис пользующие испытания образцов на трещиностойкость и ресурс, позво ляющие выявлять степень старения материалов труб до демонтажа и при годность к повторному использованию;

· комплекс методов восстановления труб, включающий механиче скую обработку, наплавку и сварку, а также формирование силовой обо лочки и изоляционного покрытия, позволяющий добиться практически любого уровня прочности и надёжности;

· методы оценки допустимых эксплуатационных характеристик восстановленных труб, включая оценку рабочего давления и ресурса;

2. новые закономерности, полученные в процессе решения методи ческих вопросов, в том числе:

· зависимость трещиностойкости металла от вида трещины (по верхностная, сквозная), размеров образцов и трещины;

· зависимость ресурса от механических свойств металла (пределов прочности и текучести, относительного удлинения при разрыве) и от кон центрации напряжений;

· взаимосвязь между разными параметрами, характеризующими пластичность металла (относительное удлинение, относительное сужение, радиус пуансона при статическом изгибе) и другие.

Практическая ценность и реализация результатов работы 1. Рассмотрены и практически решены все методические проблемы, связанные с организацией производства по восстановлению демонтиро ванных труб и подготовкой их к повторному использованию на магист ральных трубопроводах.

2. Методика дефектоскопии труб значительно усовершенствована за счёт применения стенда полного ультразвукового контроля, основанного на достижениях внутритрубной диагностики трубопроводов. Стенд может и должен быть внедрён на всех трубных заводах, в том числе по производ ству новых труб.

3. Методики испытаний металла труб и сварных соединений на пла стичность и трещиностойкость позволяют контролировать эффекты старе ния на этапе восстановления и гарантировать надёжность труб при по вторном использовании.

4. Существующие методы восстановления труб, дополненные фор мированием изоляционно-силовой оболочки и базового изоляционного по крытия, позволяют добиться практически любой прочности и любого ре сурса, в том числе более высоких значений, чем те же трубы до начала эксплуатации (в новом состоянии).

5. Методики определения эксплуатационных характеристик (допус тимого рабочего давления и ресурса труб) позволяют выдать на каждую трубу индивидуальный технический паспорт, указав в нём всю необходи мую информацию для обеспечения безопасности трубопроводов, в кото рых использованы демонтированные трубы.

Результаты исследований использованы в следующих практических работах:

- Оценка возможности вторичного использования труб для переуклад ки нефтепровода (по заказу Бугурусланского районного нефтепроводного управления, 1989 г.);

- Разработка рекомендаций и выдача заключений о возможности по вторного использования демонтированных труб при капитальном ремонте нефтепродуктопровода Уфа - Омск (по заказу Уральского управления ма гистральными нефтепродуктопроводами, 1990 г.);

- Диагностическое обследование, определение остаточного ресурса и выдача заключения о возможности вторичного использования демон тированных труб нефтепроводов Александровское – Анжеро-Судженск и Самотлор - Александровское (по заказу ОАО «Центрсибнефтепро вод», 1999 г.).

Результаты исследований использованы при разработке документа «Инструкция по технологии утилизации и повторного использования труб трубопроводов, выведенных из эксплуатации» (Минэнерго РФ). – Уфа, ИПТЭР, УГНТУ, 2004;

документ согласован с Ростехнадзором.

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

1. Всероссийском семинаре «Проблемы промышленной безопасно сти в системе нефтегазового комплекса трубопроводного транспорта» (Уфа, 2005 г.).

2. научно-практической конференции «Энергоэффективность. Про блемы и решения» (Уфа, 2005 г.);

3. VII Всероссийском форуме единой системы оценки соответствия на объектах, подконтрольных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Москва, 2006 г.);

4. научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспе чения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродук тов и газа» (Уфа, 2005 г.).

Публикации По результатам работы опубликовано 15 научных трудов.

Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основ ных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 106 наименований. Работа изложена на 137 страницах ма шинописного текста, содержит 44 рисунка, 10 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП «ИПТЭР» и научному руководителю Гумерову Кабиру Мухаметови чу за помощь и советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассматриваются проблемы, связанные с повторным использованием демонтированных труб после вывода из эксплуатации ма гистральных трубопроводов.

Экспертная оценка трубопроводов России приводит следующие приближённые цифры: суммарная протяжённость всех трубопроводов (ма гистральных, промысловых, газораспределительных, технологических) со ставляет порядка L » 1,5… 2,0 млн км;

срок эксплуатации T » 10…50 лет;

интенсивность вывода из эксплуатации V » L/T » (1 500...2 000)/(10…50) » » 30...200 тыс. км в год. Для системы магистральных нефте-, газо- и нефте продуктопроводов получаются следующие цифры: общая протяженность L = 217 тыс. км., срок эксплуатации Т » 50 лет;

в год требуется заменить V » L/T » 217/50 » 4300 км. Это – огромное количество труб, которые мо гут представлять проблему, если не найти им эффективного применения.

Выведенный из эксплуатации трубопровод может быть подвергнут следующим действиям в зависимости от ситуации:

- он может быть законсервирован на некоторый период;

- он может быть передан другой организации для транспортировки других продуктов при более безопасных режимах работы;

- он может быть демонтирован.

На практике все эти случаи имеют место. Но при рассмотрении «жизненного цикла» трубопроводов до сих пор серьёзно (на нормативном уровне) не рассматривался этап утилизации трубопроводов, который дол жен последовать за выводом из эксплуатации. Составной частью утилиза ции трубопроводов является демонтаж с последующим контролем и опре делением эффективных вариантов использования демонтированных труб.

Как показал анализ практического опыта, имеются следующие вари анты использования демонтированных труб (перечислены в порядке убы вания эффективности):

- они могут быть восстановлены и переданы для повторного использо вания на таких же трубопроводах;

- они могут быть подготовлены и переданы для использования на тру бопроводах с меньшими рабочими давлениями;

- они могут быть переданы для изготовления металлоконструкций;

- они могут быть отправлены на переплав.

Повторное использование демонтированных труб в ряде случаев да ёт положительный эффект. Существующий опыт показал, что стоимость восстановленных труб может быть до 2-х раз меньше, чем аналогичных новых труб при равных эксплуатационных характеристиках. Однако по вторное использование демонтированных и восстановленных труб на ма гистральных трубопроводах требует наличия специальной нормативной базы, которая до настоящего времени практически отсутствует. Норматив ная база, ориентированная на новые трубы, по многим причинам не может быть применена к демонтированным трубам. Главные причины состоят в следующем:

- демонтированные трубы несут в себе отпечатки старения металла, протекающего по нескольким механизмам;

- демонтированные трубы испытывают широкий разброс по всем по казателям (по размерам, дефектам, материалам), что затрудняет формиро вание партии труб и усложняет контроль.

Деградация металла труб происходит по двум механизмам: деформа ционного старения и водородно-индуцированной коррозии, переходящей в структурные изменения, расслоение и растрескивание под напряжением.

В действующих строительных нормах и правилах для магистральных трубопроводов водородная коррозия не имеет отражения. Применяемые на практике методы защиты трубопроводов от коррозии не защищают от во дородной коррозии, а в ряде случаев, наоборот, ускоряют её. При восста новлении демонтированных труб необходимо проверить наличие возмож ной водородной коррозии. Поэтому нормативный документ на повторное использование труб должен быть более совершенным, чем на применение новых труб.

На механические свойства металла труб может оказать влияние так же и сама технология демонтажа. Если при демонтаже трубопровод полу чает пластические деформации, то не только форма трубы будет нарушена, но и металл потеряет некоторый запас пластичности. Это снизит остаточ ный ресурс демонтированных труб. Следовательно, необходимо контроли ровать механические напряжения, которые напрямую зависят от усилий, приложенных к трубопроводу, в том числе трубоукладчиками.

Научными основами демонтажа трубопроводов и восстановления труб для повторного использования занимается ряд научных организаций и специалистов, поэтому третья глава посвящена рассмотрению имеющих ся наработок по данной проблеме.

Таким образом, основной проблемой при восстановлении демонти рованных труб является надёжный контроль, который состоит из двух эта пов: контроль дефектов и контроль металла труб с учётом того, что партия поступивших на восстановление труб сильно отличается от партии новых труб, изготовленных на трубном заводе.

Вторая глава посвящена анализу методов контроля труб, посту пающих на трубную базу и подлежащих восстановлению и повторному использованию на магистральных трубопроводах.

Как отмечено выше, на демонтируемые трубы понятие «партия» нельзя распространить в том же смысле, что и на трубных заводах.

Можно только говорить о партии труб, вырезанных из какого-то одного трубопровода. Но каждая труба при этом будет индивидуальна. Поэтому при восстановлении демонтированных труб каждая из них должна прой ти обследование;

по результатам обследования должен быть составлен документ (акт, технический паспорт, сертификат) с указанием следую щих основных параметров: диаметра, толщины стенки, длины, кривиз ны, марки стали, углеродного эквивалента. После всех работ для каждой трубы должны быть определены допустимая область использования (нефтепровод, газопровод, продуктопровод, водопровод;

категория тру бопровода) и допустимое рабочее давление. При этом должны быть уч тены имеющиеся на трубе несоответствия (дефекты). Допускаемые к по вторному использованию демонтированные трубы должны иметь допол нительный запас прочности с учётом того, что разброс параметров у них выше, чем у новых труб.

Проанализированы возможности традиционных методов неразру шающего контроля для дефектоскопии демонтированных труб. Установ лено, что все эти методы имеют определённые преимущества, но не позво ляют в полном объеме контролировать все трубы, поступающие на труб ную базу для восстановления.

Предложено проводить дефектоскопию труб на специальном стенде, использующем те же принципы, что и внутритрубный ультразвуковой де фектоскоп. Учитывая, что контроль трубы происходит в заводских услови ях, конструктивное исполнение стенда намного проще, чем ультразвуково го снаряда (рисунок 1). Стенд может быть оборудован внутренними или внешними датчиками.

Рисунок 1 – Стенд ультразвукового контроля труб с внешним датчиком Конструктивное исполнение стенда с внешним датчиком:

- труба устанавливается в специальные патроны, обеспечивающие вращение вокруг своей оси;

- параллельно трубе по рельсу движется тележка, на которой установ лена штанга с ультразвуковым датчиком;

- труба и датчик находятся в воде (в бассейне).

Дефектоскопия проводится следующим образом:

- труба вращается вокруг своей оси;

- тележка с датчиком движется поступательно;

- ультразвуковой датчик излучает импульсы и принимает отраженные сигналы от наружной и внутренней поверхностей;

- информация записывается в блок памяти, одновременно отражается на экране компьютера в режиме реального времени;

- оператор имеет возможность повторить обследование сомнительных участков, а также просматривать записи несколько раз.

Выходными параметрами являются:

- информация о толщине стенки по всей поверхности;

- информация о наличии, точном местоположении и размерах сле дующих дефектов: дефектах от коррозии на внутренней и наружной по верхностях;

внутристенных дефектах типа расслоений металла и включе ний;

локальных дефектах геометрии трубы (вмятинах, гофрах);

- информация о кривизне трубы.

Определение кривизны трубы основано на измерении изменения расстояния от датчика до внешней поверхности труб при вращении вокруг собственной оси.

Распечатка о дефектах передаётся специалисту для принятия реше ния о способах восстановления трубы и определении допустимого рабоче го давления.

Определён состав минимально необходимых средств контроля для производства работ по восстановлению труб и подготовке к повторному использованию на магистральных трубопроводах.

Исследована микроструктура стыковых соединений, выполненных га зопрессовой сваркой. Установлено, что причиной низкой прочности таких стыков являются остающиеся при сварке неметаллические включения на плоскости сплавления. Включения остаются из-за технологических особен ностей сварки, при которой не образуется сварочная ванна (рисунок 2). Ус тановлено, что не подлежат восстановлению и повторному использованию трубы, содержащие стыки, выполненные на подкладных кольцах и газо прессовой сваркой. Такие стыки следует вырезать.

100 Рисунок 2 – Структура линии сплавления при газопрессовой сварке Третья глава посвящена вопросам контроля металла демонтирован ных труб. Как и дефектоскопия, контроль металла демонтированных труб должен проводиться намного детальнее и тщательнее, чем при производ стве новых труб. С другой стороны, операции контроля металла не должны превращаться в самоцель и приводить к резкому повышению себестоимо сти продукции.

Установлено, что контроль свойств металла демонтированных труб должен происходить в два этапа: на первом этапе – все трубы;

на втором этапе – выборочно по одному образцу из «группы» труб. Группа труб должна включать не более 10 труб, имеющих одинаковые характеристики (диаметр, толщину стенки, химический состав, твердость) по результатам первичного контроля.

При первичном контроле определяются химический состав (спек тральным анализатором), марка стали, твердость металла труб и сварных швов, оценка пределов прочности и текучести (по результатам твердомет рирования).

На втором этапе контроля рекомендовано определять на образцах стандартные механические свойства (сертификатные данные), а также пла стичность, трещиностойкость, ресурс. Для этих испытаний разработаны образцы (формы и размеры), способы испытаний, параметры нагружения.

Контроль пластичности металла труб основан на статическом изгибе образца (рисунок 3). Количественная связь между пластичностью металла (относительным сужением при разрыве y), толщиной стенки трубы t и радиусом пуан сона r выражается формулой t 1 1 - 1 = t r= - 1, (1) e 2y 2C где eС – пластическая деформация при рас тяжении. Подбирая пуансон с заданным ра диусом закругления r и выполняя испыта ние образца, можем проверить способность металла деформироваться без растрескива Рисунок 3 – Статический изгиб образца ния до заданной величины.

Учитывая, что при длительной эксплуатации трубопроводов могут появиться как поверхностные, так и сквозные трещины, в работе выполне ны эксперименты по оценке трещиностойкости при разных конфигурациях трещин. Полученные закономерности показаны на рисунке 4, где приняты следующие условия и обозначения: относительные размеры трещин оди s С = s С / s B = PC /( t b s В ) ;

b1 = b1 / t ;

l / t = 0,5 ;

l / b1 = 0,5 ;

наковы b 2 = b 2 / t ;

sВ – предел прочности;

РС – разрушающая нагрузка;

радиус вершины надреза 0,1 мм.

Экспериментально установлено, что в области b1 5 и b 2 5 со противляемость росту поверхностных трещин в два раза выше, чем сопро тивляемость росту сквозных трещин. Эта закономерность позволяет в два раза снизить количество образцов при испытаниях на трещиностойкость.

Самым сложным и трудноконтролируемым этапом в экспериментах по определению трещиностойкости является «выращивание» трещины на образце. Из результатов испытаний следует, что для трубопроводных ста лей статическая прочность образцов с трещинами и с надрезами практиче ски одинакова. Поэтому на практике можно ограничиться только надреза ми, если радиус в вершине надреза не превышает 0,1 мм.

Таким образом, достаточно сделать образцы квадратного сечения с острым надрезом глубиной 0,5 толщины. По результату испытания опре делить s c = Pc /(b t s В ). Тогда сопротивляемость развитию поверхност ных и сквозных трещин определяется соответственно выражениями:

s С ( пов ) = s С ;

sС ( сквоз ) = 0,5 s С. Допущенная при этом погрешность не пре вышает 10 %.

Рисунок 4 – Влияние формы и размеров образцов со сквозным и поверхностным дефектом на статическую прочность Методика определения ресурса металла труб и сварных соединений основана на циклических испытаниях образцов с концентратором напря жений в виде сквозного отверстия (рисунок 5). Номинальные напряжения при испытаниях должны соответствовать максимальному допустимому ра бочему давлению, тогда количество циклов до разрушения и будет соот ветствовать остаточному ресурсу.

Нагрузку на образцы можно задавать растяжением, изгибом, сдви гом, кручением. В условиях трубной базы, где нет разрывных машин, наи более подходящим способом испытания является изгиб (рисунок 5). Изги бающий момент М, обеспечивающий номинальное напряжение на уровне s ном = 0,8 s 0, 2, определяется по формуле 0,8 s 0,2 B t М= = 0,13 s 0, 2 B t. (2) Рисунок 5 – Схема испытаний металла труб на ресурс Зависимость коэффициента концентрации напряжений a от разме ров образца (ширины В, толщины стенки h = t, диаметра отверстия d) най дена методом конечных элементов и проверена на тестовых задачах.

Экспериментально установлено, что ресурс сварных соединений в 2,5...3,0 раза ниже, чем металла труб. Наличие коррозионных дефектов глу биной до 1 мм в околошовной зоне приводит к снижению ресурса в 8...10 раз.

Разработан, экспериментально апробирован метод гидроиспытаний сборных плетей по ускоренному режиму за счёт блочно-циклического на гружения с нарастающей нагрузкой. Плети собираются из катушек, выре занных из одной трубы каждой группы. Метод испытаний имеет следую щую положительную особенность: испытания доводятся до разрушения образцов за относительно небольшое число циклов (порядка 1000), и затем результат пересчитывается на любое рабочее давление.

В четвертой главе рассматриваются вопросы восстановления труб и подготовки к повторному использованию.

Восстановление труб должно включать следующие операции:

- очистку наружной и внутренней поверхностей труб от старой изоля ции, грязи, ржавчины;

- исключение недопустимых дефектов и других несоответствий нор мативным требованиям;

- подготовку торцов труб к сварке;

- нанесение нового изоляционного покрытия в заводских условиях;

- определение допустимых эксплуатационных характеристик;

- оформление сопроводительных документов (технического паспорта, сертификата).

Очистка должна проводиться в три этапа: при демонтаже трубопро вода, после доставки труб на трубную базу для проведения визуального контроля, перед операциями контроля неразрушающими методами и вос становления. На третьем этапе необходимо применение одного из песко-, дробе-, водоструйного методов очистки.

Рассмотрены все операции по восстановлению труб, включая исправ ление дефектных участков и подготовку кромок. Для каждого вида дефектов проанализированы известные методы ремонта и выбраны оптимальные для восстановления труб в условиях трубной базы. Кривизну труб не целесооб разно устранять, а следует отразить в техническом паспорте на трубу радиус кривизны R и угол поворота оси q, определяемые по формулам:

L h L2 L2 360 h q= » 458,4, град, R= + » arcsin ;

(3) p 2 8 h 8 h 2R L где L, h – длина и прогиб трубы;

h/L 0,1.

Нельзя применять накладные заплаты и муфты. Допустимо вваривать заплату заподлицо в стенку трубы с обязательным выполнением последую щих операций по обеспечению надёжности: контроль, устранение усилений и ослаблений шва, термообработку. Для усиления труб с трудноустраняе мыми дефектами типа расслоений, коррозии на внутренней поверхности ре комендуется формирование композитной силовой оболочки (разработки ГУП «ИПТЭР»). Степень упрочнения демонтированных труб характеризу ется коэффициентом упрочнения h, который принимает значения:

h 1, если ремонт выполняется без силовой оболочки;

h 1, если ремонт выполняется с применением силовой оболочки.

Целесообразно совмещение восстановления труб с нанесением ново го изоляционного покрытия в базовых условиях. Проанализированы и предложены несколько типов высококачественных изоляционных покры тий, в наибольшей степени пригодных для нанесения в условиях трубной базы. Одним из перспективных направлений является покрытие труб внут ренним защитным слоем на основе полимерных красок.

Для восстановленных после демонтажа труб рабочее давление сле дует определять с учётом коэффициента упрочнения h и дополнительного запаса, отражающего возможное старение металла:

h Р восст = Р нов, (4) (1 + 0,025 С Э T ) 0, где Рнов – допустимое рабочее давление для новой трубы с аналогичными параметрами;

Рвосст – та же характеристика для восстановленной трубы;

Сэ – углеродный эквивалент стали, из которой изготовлена труба;

Т – срок эксплуатации трубопровода до демонтажа.

Для оценки остаточного ресурса восстановленных труб разработаны два подхода.

Первый подход основан на формулах Коффина-Менсона, который использует эмпирическую зависимость между относительными сужением и удлинением металла демонтированных труб y = 2,41 d и выражается приближённой формулой 1 E N» ln, (5) 4 (a s s раб - 0,4 s В ) 1 - 2,41 d которая учитывает все основные параметры: «стандартные» свойства ме талла sВ, d, Е;

нагрузку в виде рабочего напряжения sраб ;

уровень де фектности в виде as, которая определяет качество восстановления труб.

Неудобством применения формулы (5) при массовом производстве (восстановлении) труб является то, что в этой формуле фигурирует коэф as, который неодинаков для всех фициент концентрации напряжений труб и к тому же не всегда известен. Поэтому разработан другой подход к оценке ресурса труб при массовом производстве. Этот подход реализован в следующих формулах:

25 d (Р т - Р раб ) N ост 10 k ;

k= ;

(6) (Р т - 0,4 Р В ) где Рраб – рабочее давление;

Рт – давление, при котором кольцевое напря жение в стенке трубы равно пределу текучести металла;

РВ – давление, при котором кольцевое напряжение в стенке трубы равно пределу прочности 0,4 PВ Pраб Pт. При металла. Формулы (6) применимы в области Pраб 0,4 PВ остаточный ресурс не требуется рассчитывать, поскольку на пряжения в стенке трубы меньше предела усталости металла. При Pраб Pт остаточный ресурс принимается равным нулю, поскольку напряжения в не которых местах становятся больше предела текучести металла.

В работе приведены примеры расчёта эксплуатационных характери стик восстановленных труб. На примерах показано, что ресурс восстанов ленных труб сильно зависит от рабочего давления, запаса пластичности, на личия дефектов. Например, снижение относительного удлинения при раз рыве на 35 % приводит к снижению ресурса более чем в три раза;

снижение рабочего давления на 25 % приводит к повышению ресурса в 4 и более раз;

повышение концентрации напряжений на 1/3 снижает ресурс в 4,2 раза.

Проанализированы требования, предъявляемые при выборе труб для использования на магистральных трубопроводах. По действующим нор мам совокупность требований можно разделить на три группы:

- одна группа требований ведёт к унификации и стандартизации, к снижению разнообразия труб, материалов, работ;

- другая группа требований направлена на снижение металлоёмкости, стоимости труб и трубопроводов, сроков строительства и ввода в эксплуа тацию;

- третья группа требований направлена на обеспечение прочности, на дёжности, безопасности трубопровода.

При использовании восстановленных труб первую группу требова ний трудно будет выдерживать из-за того, что степень разнообразия вос становленных труб будет выше, чем новых. Для описания свойств восста новленных труб требуется ввести дополнительно 2-3 параметра, которых не было для новых труб.

Вторая группа требований будет соблюдена, но не в полном объеме, а только в части стоимости труб. Металлоёмкость восстановленных труб может быть выше, чем новых, и это не должно считаться недостатком.

Третья группа требований, отвечающая за прочность, надёжность, безопасность трубопроводов в случае применения восстановленных труб должна соблюдаться неукоснительно, даже в большей мере, чем при ис пользовании новых труб. Для этого используются дополнительные коэф фициенты надёжности или запаса прочности.

Сформулированы критерии пригодности восстановленных труб к повторному использованию на магистральных трубопроводах. Эти крите рии учитывают категорию трубопровода (не допускаются на участках высшей категории), рабочие давления, размеры труб, остаточную дефект ность, наличие концентраций напряжений, свойства материалов, свари ваемость.

Проанализированы области повторного использования восстанов ленных труб на магистральных трубопроводах, в том числе:

- при строительстве новых участков трубопроводов, за исключением магистральных газопроводов с рабочим давлением выше 6,0 МПа;

- при реконструкции и капитальном ремонте длительно эксплуатируе мых трубопроводов;

- при выборочном ремонте дефектных участков старых трубопроводов методами врезки катушки и установки ремонтной муфты;

- для изготовления различных соединительных деталей трубопроводов (отводов, переходов, тройников) и ремонтных конструкций (муфт, заплат);

- в качестве защитных футляров трубопроводов.

Для восстановленных труб весьма важно документальное сопровож дение. Во-первых, на предприятии, занимающемся восстановлением де монтированных труб, должна действовать система качества.

Во-вторых, на каждую восстановленную трубу должен составляться технический паспорт с индивидуальным номером. Технический паспорт выполняет функцию сертификата и должен содержать следующую инфор мацию:

- название предприятия, город;

- номер трубы (совпадает с маркировкой на трубе);

- тип трубы, наличие изоляции или усиливающей оболочки;

- диаметр наружный;

- номинальную (минимальную) толщину стенки;

- длину;

- кривизну (радиус кривизны и угол поворота оси);

- разрешенное рабочее давление;

- испытательное давление;

- марку стали;

- химический состав;

- эквивалент углерода и параметр РСМ;

- класс прочности;

- механические свойства стали и сварных соединений;

- результаты циклических испытаний сварных соединений;

- результаты неразрушающего контроля;

- результаты гидравлических испытаний;

- температурные условия эксплуатации;

- другие сведения по необходимости;

- дату составления паспорта;

- должность и фамилию ответственного лица.

Комплекс разработанных в четвёртой главе предложений позволяет на трубной базе организовать восстановление труб, определять их эксплуа тационные характеристики, снабжать сопроводительной документацией.

Основные выводы 1. При подготовке демонтированных труб к повторному использова нию нельзя применять понятие «партия» труб в таком же смысловом объ ёме, как на производстве новых труб. Поэтому нельзя пользоваться норма тивной базой производства новых труб. Необходимо контролировать, вос станавливать и сертифицировать каждую трубу по отдельности.

2. В зависимости от условий эксплуатации трубопроводов деграда ция свойств металла труб происходит по двум механизмам: деформацион ного старения и водородно-индуцированной коррозии, переходящей в структурные изменения, расслоение и растрескивание под напряжением.

Установлено, что причиной низкой прочности стыков, выполненных газо прессовой сваркой, являются неметаллические включения на плоскости сплавления.

3. Обоснован и предложен автоматизированный метод для сплошно го ультразвукового контроля демонтированных труб в условиях трубной базы. Метод позволяет выявить и измерить дефекты поверхностные, внут ристенные, геометрические, кривизну трубы и толщину стенки по всей по верхности трубы.

Разработан метод контроля пластичности металла труб на основе ста тического изгиба. Получена количественная связь между запасом пластич ности металла, толщиной стенки трубы и радиусом пуансона (формула 1).

Разработан метод испытаний металла труб на трещиностойкость.

Установлено, что сопротивляемость росту поверхностных трещин в два раза выше, чем сопротивляемость росту сквозных трещин.

Разработаны методы и образцы для определения ресурса металла труб и сварных соединений. Экспериментально подтверждено, что ресурс сварных соединений 2,5...3,0 раза ниже, чем металла труб. Наличие корро зионных дефектов глубиной до 1 мм в околошовной зоне приводит к сни жению ресурса в 8...10 раз.

4. Очистка труб должна проводиться в несколько этапов. Финишная очистка одним из струйных методов должна проводиться перед контролем неразрушающими методами и восстановительными операциями.

Для каждого вида дефектов проанализированы существующие мето ды ремонта и выбраны оптимальные. Кривизну труб целесообразно не устранять, а отражать в техническом паспорте на трубу. Нельзя применять накладные заплаты и муфты. Для усиления труб с трудноустранимыми де фектами (расслоениями, коррозией на внутренней поверхности) целесооб разно нанесение изоляционно-силовой оболочки на основе стекловолокна.

Эффективно совмещать восстановление труб с нанесением нового изоля ционного покрытия в базовых условиях.

5. Предложена и обоснована методика определения допустимого ра бочего давления для восстановленных труб, учитывающая эффекты старе ния металлов при длительной эксплуатации. Показано, что ресурс восста новленных труб сильно зависит от рабочего давления, запаса пластично сти, наличия дефектов:

– снижение относительного удлинения при разрыве на 35 % приводит к снижению ресурса более чем в три раза;

– снижение рабочего давления на 25 % приводит к повышению ресурса в 4 и более раз;

– повышение концентрации напряжений на 1/3 снижает ресурс в 4,2 раза.

6. Комплекс разработанных предложений позволяет на трубной базе организовать восстановление труб, определять их эксплуатационные ха рактеристики, снабжать сопроводительной документацией.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козин И.В., Гумеров К.М., Галяутдинов А.А. Некоторые особен ности использования демонтированных труб // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2003. – № 12. – С. 12.

2. Гумеров К.М., Козин И.В., Галяутдинов А.А. Стресс-коррозия как основной источник опасности на магистральных газопроводах // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – Уфа, 2004. – С. 39-50.

3. Гумеров К.М., Галяутдинов А.А., Черкасов Н.М., Кудакаев С.М., Абдульманов А.М., Мокроусов С.Н. Стресс-коррозия – один из источни ков опасности на высоконагруженных подземных стальных трубопрово дах, изолированных пленочными материалами // Нефтепромысловое дело.

– 2005. – № 4. – С. 42-46.

4. Галяутдинов А.А., Сафиуллин Н.Ф., Гумеров К.М. Некоторые осо бенности демонтажа трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Тез. докл. научн.-практ. конф. 20 октября 2005 г. – Уфа, 2005. – С. 113-115.

5. Гумеров И.К., Рябов И.А., Галяутдинов А.А. Особенности оценки остаточного ресурса трубопроводов системы газоснабжения // Энергоэф фективность. Проблемы и решения. Тез. докл. научн.-практ. конф. 20 ок тября 2005 г. – Уфа, 2005. – С. 116-119.

6. Черкасов Н.М., Галяутдинов А.А., Гумеров К.М. Подземные тру бопроводы и защита их от коррозии // Проблемы промышленной безопас ности в системе нефтегазового комплекса трубопроводного транспорта.

Матер. Всеросс. семинара. – Уфа: Ростехнадзор, 2005. – С. 104-113.

7. Галяутдинов А.А., Гумеров К.М., Рябов И.А. Некоторые особенно сти повторного использования демонтированных труб // Проблемы про мышленной безопасности в системе нефтегазового комплекса трубопро водного транспорта. Матер. Всеросс. семинара. – Уфа: Ростехнадзор, 2005.

– С. 123-124.

8. Галяутдинов А.А. Повторное использование демонтированных труб // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности сис тем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф.

25 мая 2005 г. – Уфа, 2005. – С. 92-93.

9. Галяутдинов А.А., Хайрутдинов Ф.Ш., Гумеров К.М. Демонтаж выведенных из эксплуатации трубопроводов и повторное использование труб // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности сис тем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф.

25 мая 2005 г. – Уфа, 2005. – С. 94-96.

10. Гумеров К.М., Галяутдинов А.А., Сафиуллин Н.Ф. Взгляд на ме ханизм КРН на магистральном газопроводе // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Сб. научн. тр. / ИПТЭР. – Уфа, 2005. – С. 67-76.

11. Черкасов Н.М., Гумеров К.М., Галяутдинов А.А. Проблемы за щиты подземных трубопроводов от коррозии // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. – 2006. – № 1. – С. 25-30.

12. Гумеров И.К., Шмаков В.А., Галяутдинов А.А., Рябов И.А. Про блемы оценки остаточного ресурса и безопасности магистральных трубо проводов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепро дуктов: Сб. научн. тр. / ИПТЭР. – Уфа, 2006. – С. 139-154.

Гумеров К.М., Галяутдинов А.А., Хайрутдинов Ф.Ш., 13.

Шмаков В.А. Исследование состояния металла труб и сварных соединений МНПП Альметьевск – Н.Новгород // Проблемы сбора, подготовки и транс порта нефти и нефтепродуктов: Сб. научн. тр. / ИПТЭР. – Уфа, 2006. – С. 211-217.

14. Галяутдинов А.А., Зубаилов Г.И., Хайрутдинов Ф.Ш., Шма ков В.А. К вопросу о демонтаже трубопроводов // Нефтегазовое дело. – 2007. – № 5.

15. Инструкция по технологии утилизации и повторного использова ния труб трубопроводов, выведенных из эксплуатации (Минэнерго РФ) / К.М. Гумеров, Р.С. Зайнуллин, К.М. Ямалеев, И.К. Гумеров, А.Б. Галяутдинов, А.А. Галяутдинов. – Уфа, 2004. – 74 с.