Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем
УДК 622.692.4На правах рукописи
Зубаилов Гаджиахмед Исмаилович
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛИТЕЛЬНО
ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ;
05.26.03 - Пожарная и промышленная
безопасность (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 - доктор технических наук
Официальные оппоненты:
Ямалеев Ким Масгутович - кандидат технических наук, доцент Худяков Михаил Александрович Ведущее предприятие – ЗАО Научно-технический центр «Технология, экспертиза и надёжность», г. Уфа
Защита состоится 25 января 2008 г. в 15оо 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 «Инсти тут проблем транспорта энергоресурсов».
Автореферат разослан 24 декабря 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы Роль газораспределительных сетей для народного хозяйства и насе ления страны трудно переоценить. По этим сетям доставляется природный газ непосредственным потребителям: металлургическим комбинатам, электростанциям, другим промышленным, бытовым предприятиям, мно гомиллионному населению страны. Газоснабжение является таким же не обходимым атрибутом современной цивилизации, как электро- и водо снабжение, транспорт и связь. Протяжённость трубопроводов газораспре делительных сетей в России сегодня превышает 840 тысяч км. Из них тру бопроводы протяженностью более 380 тысяч км являются подземными стальными и испытывают помимо рабочих нагрузок коррозионно агрессивное воздействие грунта и блуждающих токов. Срок эксплуатации этих трубопроводов в южных и центральных регионах страны достиг 50…55 лет. Заменить их в массовом порядке практически нереально. Воз можности ремонта также сильно ограничены, особенно в густонаселённых районах. Продолжать эксплуатацию трубопроводов без достаточного обоснования их безопасности недопустимо.
С принятием Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» актуальность данной проблемы обо стрилась. Стали обязательными обследование и экспертиза безопасности трубопроводов со сроком эксплуатации 40 и более лет. Однако, как оказа лось, нормативная база для организации таких работ была очень слаба.
Действовавший документ, который регламентировал порядок обследова ния и принятия решения о продлении срока эксплуатации трубопроводов (РД 204 РСФСР 3.3-87), основывался на так называемой балльной оценке технических характеристик трубопровода. Продлеваемый срок эксплуата ции хотя и определялся по шкале набранных баллов, но сильно зависел от субъективного мнения человека, производящего оценку. Расчёты остаточ ного ресурса с учётом реальных механизмов и физических явлений, проис ходящих с трубопроводом в заданных условиях, не выполнялись.
Чтобы ликвидировать этот и другие недостатки, был разработан РД 12-411-2002 «Инструкция по диагностированию технического состоя ния подземных стальных газопроводов», который отвечал духу времени и предусматривал оценку остаточного ресурса расчётным путём на основе результатов приборного обследования трубопроводов с учётом происхо дящих деградационных процессов. В разработке документа принимал уча стие и автор настоящей диссертационной работы. С созданием в стране Системы промышленной безопасности данный документ получил очень широкую известность и распространение. С момента его утверждения до сегодняшнего дня накоплен колоссальный опыт диагностики газораспре делительных трубопроводов. Проблемой занимались десятки экспертных организаций и диагностических центров. Только ОАО «ГИПРОНИИГАЗ»
обследовало более 1,6 тыс. км газопроводов со сроком службы более 40 лет и определило расчётным путём остаточный срок службы от 2 до 17 лет в зависимости от износа.
Опыт показал, что данный документ действительно является про грессивным. Но накопилось достаточно много частных вопросов, замеча ний, предложений, которые высказывались известными учёными на раз ных форумах и опубликованы в научных изданиях. Предложения появи лись и у самих разработчиков данного документа. Некоторые требования документа оказались излишне консервативными, другие потребовали кор ректировки. Таким образом, появилась необходимость обобщить накоп ленный опыт, проанализировать предложения и усовершенствовать науч ные основы обследования и экспертизы безопасности газопроводов.
Опасность старых газопроводов в том, что они проложены в насе лённых пунктах, «входят» в жилые дома и предприятия. Хотя давление и снижено, сам газ остаётся опасным продуктом, горючим и взрывоопасным.
Можно себе представить последствия некачественной диагностики и экс пертизы подземных газопроводов большого города, где много коммуника ций, и по ним газ легко может проникнуть и накопиться внутри здания.
После этого любая искра приведёт к взрыву всего здания. Такие примеры, к сожалению, имеются.
Диагностика и ремонт газораспределительных сетей встречаются с множеством проблем, в том числе из-за сложностей трассы, насыщенности другими коммуникациями, наличия множества помех электрического и магнитного происхождения, недостаточной изученности некоторых про блем с научной точки зрения.
В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в области безопасности газораспределительных систем, делается попытка решить значительную часть из них. Для этого поставлены сле дующие цель и задачи.
Цель работы – усовершенствовать методы обеспечения безопасно сти длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспредели тельных систем.
Основные задачи
исследований:
1) выполнить анализ источников опасности при эксплуатации дли тельно эксплуатируемых трубопроводов газораспределительных систем с учётом накопленного опыта диагностики;
2) изучить динамику изменения свойств металла труб в условиях эксплуатации газораспределительных систем;
3) изучить динамику изменения защитных свойств изоляционного покрытия газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуа тации;
4) усовершенствовать методы оценки безопасности и допустимых условий эксплуатации газопроводов по результатам диагностики;
5) разработать предложения по обеспечению эффективности диагно стики и безопасности дальнейшей эксплуатации газораспределительных трубопроводов.
Методы решения поставленных задач Использованы прогрессивные методы и достижения в области диаг ностики, математическое моделирование физических процессов, положе ния теорий прочности и механики разрушения.
При изучении свойств металла труб применялись методы механиче ских испытаний в разных режимах и проводились металлографические ис следования с использованием оптических и электронных микроскопов.
Основой для решения поставленных задач явились труды отраслевых институтов (ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», ООО «ВНИИГАЗ», ГУП «ИПТЭР», УралНИТИ), работы ведущих ученых в данной области: П.П. Бородавкина, В.В. Харионовского, В.С. Волкова, Ю.И. Пашкова, А.Л. Шурайца, Р.С. Зайнуллина, К.М. Ямалеева, А.С. Надршина, А.Г. Сираева и других.
В работе использованы и обобщены результаты обследования трубо проводов газораспределительных систем в разных регионах страны (Сара товской, Московской и Нижегородской областях, Республике Башкорто стан). Также использованы результаты многолетних исследований дина мики изменения свойств металла труб и сварных элементов при длитель ном воздействии нагрузок, полученные в трёх научных школах: Уфимской, Челябинской, Саратовской, в том числе при непосредственном участии ав тора диссертации.
Научная новизна 1. Установлены закономерности старения металла трубопроводов га зораспределительных систем. Показано, что изначально большие запасы прочности распределительных газопроводов практически полностью ком пенсируют снижение безопасности от эффектов старения металла и позво ляют без изменения рабочих давлений эксплуатировать их длительное вре мя.
2. Методом математического моделирования установлено, что суще ствует предельно допустимое расстояние между станциями катодной за щиты (СКЗ), которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нор мативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние умень шается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.
3. Методом конечных элементов решена задача о распределении на пряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения с уси лением формы при предельно малом радиусе перехода от шва к основному металлу. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений (КИН) и разработан подход к оценке статической прочности на основе положений механики разрушения. Установлено, что на газорас пределительных трубопроводах повышение усиления выше нормы не вы зывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.
На защиту выносятся:
1) закономерности старения и износа трубопроводов газораспреде лительных систем при длительной эксплуатации;
2) усовершенствованные методы оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации распределительных газо проводов;
3) методы диагностики, оценки состояния изоляционного покры тия, повышения эффективности катодной защиты распределительных га зопроводов;
4) новые закономерности распределения напряжений в стыковых сварных соединениях с усилением формы шва;
5) рекомендации по обеспечению безопасности ремонта дейст вующих трубопроводов системы газораспределения;
6) общая методология управления безопасностью газораспредели тельных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанная на усо вершенствованных методах диагностики и ремонта.
Практическая ценность и реализация результатов работы 1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:
- изначально большие запасы прочности газопроводов компенси руют снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов;
- опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.
2. Разработан подход, позволяющий рассчитать допустимый уровень рабочего давления трубопроводов с учётом эффектов старения металла и роста коррозионных дефектов.
3. Показано, что путём установки дополнительных СКЗ возможно добиться полной защиты трубопроводов с изношенной изоляцией от кор розии и одновременно снизить энергозатраты на электрохимическую за щиту (ЭХЗ).
4. Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газо распределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и определения переходного сопротивления изоляции.
5. Предложен безогневой метод ремонта дефектных участков дейст вующих газопроводов, основанный на формировании композитной изоля ционно-силовой оболочки разработки ГУП «ИПТЭР», обеспечивающий безопасность работ при ремонте.
Результаты исследований использованы при обследовании и экспер тизе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов общей протяжённостью более 1,6 тыс. км в Саратовской, Ростовской, Оренбургской, Нижегородской и других областях.
Результаты работы использованы при разработке следующих отрас левых нормативных документов:
- Инструкция по диагностированию технического состояния под земных стальных газопроводов (РД 12-411-01);
- Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления. - Саратов: ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2005.
В настоящее время на стадии апробации находится новая редакция документа о порядке диагностики газораспределительных трубопроводов, где использованы результаты настоящей работы.
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) научно-практической конференции «Проблемы и пути эффектив ного освоения и использования ресурсов природного и нефтяного газа»
(Томск, 2002 г.);
2) научно-технической конференции «Научно-технические проблемы совершенствования и развития системы газоснабжения» (Саратов, 2004 г.);
3) научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспе чения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродук тов и газа» (Уфа, 2007 г.);
4) научно-практической конференции «Роль науки в развитии топ ливно-энергетического комплекса» (Уфа, 2007 г.);
5) международной учебно-научно-практической конференции «Тру бопроводный транспорт - 2007» (Уфа, 2007 г.);
6) научно-практической конференции «Нефтегазовый сервис – ключ к рациональному использованию энергоресурсов» (Уфа, 2007 г.).
Публикации По материалам работы опубликованы 15 научных трудов.
Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, вклю чающего 120 наименований. Работа изложена на 179 страницах машино писного текста, содержит 32 рисунка, 16 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП «ИПТЭР» и ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», руководителям Волкову Вла димиру Семёновичу, Пашкову Юрию Ивановичу и Гумерову Кабиру Му хаметовичу за помощь и советы при выполнении и оформлении диссерта ционной 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 актуальные проблемы обеспечения длительной безопасности трубопроводов газораспределительных систем, которые вытекают из их особенностей, условий эксплуатации, а также ка чества нормативной базы.
Подземные трубопроводы газораспределительных систем сооружа ются из бесшовных и сварных труб из низколегированных и малоуглеро дистых сталей спокойной и полуспокойной плавки с предельным содержа нием углерода не более 0,27 %, серы - не более 0,05 %, фосфора - не более 0,27 %. Эквивалент по углероду не более 0,46 %, что обеспечивает удовле творительную свариваемость. Пределы прочности и текучести сталей тру бопроводов находятся соответственно в диапазонах 255…530 МПа и 174…323 МПа. Отношение sт/sв малоуглеродистых сталей находится в диапазоне 0,50…0,65, низколегированных – в диапазоне 0,6…0,7. Относи тельное удлинение d сталей от 21 до 33 %. Ударная вязкость (КСV) или не регламентируется, или выше 35 Дж/см2.
Более 96 % всех подземных стальных распределительных газопрово дов имеют диаметры 377 мм и менее, толщину стенки от 4 до 7 мм (рису нок 1). Рабочие давления трубопроводов для распределения природного газа не более 1,2 МПа, для транспортировки СУГ – не более 1,5 МПа.
Трубопроводы газораспределительных систем являются низкона груженными по отношению к предельному разрушающему давлению. Они обладают 10...15-кратным запасом прочности по отношению к пределу прочности применяемых сталей. Поэтому на этих трубопроводах не про исходят разрушения от действия внутреннего давления (статические, уста лостные, стресс-коррозионные).
Относительная протяженность, % Рисунок 1 - Распределение стальных подземных газопроводов по диаметрам (по состоянию на июль 2006 г.) Большую роль играет защита от почвенной коррозии, которая осу ществляется изоляционным покрытием и катодным потенциалом. Условия эксплуатации характеризуются наличием блуждающих токов от многочис ленных подземных, наземных и подземных коммуникаций, электротранс порта, электроустановок промышленных предприятий. На трубопроводах со сроком эксплуатации более 30 лет изоляционное покрытие на битумной основе по многим характеристикам (адгезии, прочности, переходному со противлению и др.) перестало удовлетворять нормативным требованиям.
Сроки эксплуатации подземных стальных газораспределительных трубопроводов достигают 50…55 лет. При этом сильно ограничены воз можности замены изоляции, и совсем невозможно проводить внутритруб ную диагностику. При обследовании, главным образом, выявляются места с повреждённой изоляцией, утечки газа, нарушения правил безопасности.
Ремонт сводится к восстановлению герметичности трубопровода и ликви дации локальных дефектов изоляции и трубы.
Вышеуказанные особенности газопроводов и условия эксплуатации напрямую определяют механизмы образования источников опасности, из которых наиболее опасны следующие:
- разгерметизация трубопровода от коррозии или механических по вреждений, выход и скопление газа в ограниченном объёме помещений, образование газовоздушной смеси и взрыв;
- разрыв трубопровода по стыку под действием растягивающих и изгибающих нагрузок по разным причинам (наезд техники, размыв русла реки, оползень, землетрясение и т.д.).
Степень опасности газопроводов определяется также свойствами га за и газовоздушной смеси, образуемой при потере герметичности трубо провода. Газ обладает отравляющим действием на организм человека.
Смесь метана с воздухом взрывается, если в ней содержится 5,3…15,0 % метана.
Анализ нормативных документов по проектированию, обследованию и ремонту газораспределительных трубопроводов показал, что по некото рым важным положениям они нуждаются в существенной переработке с учётом накопленного опыта.
Методы ремонта дефектных участков трубопроводов основаны на шлифовке и сварке, но в них недостаточно внимания уделяется:
- особенностям системы газораспределения (низкие нагрузки и тон кие стенки труб);
- выбору безопасных способов, условий и режимов сварки и на плавки, сварочных материалов, контролю качества;
- безогневым методам усиления труб (без искр и сварочной дуги).
Вторая глава посвящена анализу опыта диагностики стальных под земных трубопроводов газораспределительных систем.
Правилами безопасности систем газораспределения и газопотребле ния (ПБ 12-529-03) предусмотрено обязательное выполнение диагностики с определением возможности и условий дальнейшей эксплуатации сталь ных газопроводов, прослуживших 40 лет и более. Обследование рекомен дуется проводить в соответствии с Инструкцией по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД 12-411-01), разработанной с участием автора настоящей работы. Несмотря на обнару женные несовершенства, данный документ сыграл положительную роль в системе промышленной безопасности газораспределительных трубопрово дов, позволил от субъективной балльной оценки технического состояния перейти к количественной оценке, основанной на расчётах. В соответствии с требованиями РД 12-411-01, диагностика газопроводов состоит из двух этапов: диагностирование без вскрытия грунта (бесшурфовое) и шурфовое диагностирование.
Диагностирование без вскрытия грунта включает:
- проверку трубопровода на герметичность (газоанализатором);
- проверку работы электрохимической защиты (электрометриче скими измерениями);
- проверку состояния изоляции (приборами типа УКИ-1М);
- выявление участков с аномалиями металла труб (магнитометри ческими методами);
- определение коррозионной агрессивности грунта (электрически ми измерениями с помощью приборов типа М-416) и наличия блуждаю щих токов.
Шурфовое диагностирование включает:
- измерение защитного потенциала (поляризационного и суммарного);
- определение свойств изоляционного покрытия;
- определение степени коррозионных повреждений трубопровода;
- определение качества сварных стыков;
- определение физико-механических свойств металла;
- определение напряженно-деформированного состояния (прибо рами «Пион-01» и «Уралец» магнитно-шумового действия).
Опыт диагностики распределительных газопроводов, прослуживших 40 лет и более, показал, что за это время произошли существенные изме нения.
Изоляционное покрытие состарилось. Это выразилось в значитель ном снижении адгезии, растрескивании, потере электрической плотности.
Переходное сопротивление, в основном, падает, разброс значений растёт.
После 40 лет эксплуатации дисперсия переходного сопротивления в два раза превышает его среднее значение (рисунок 2).
Количество измерений, % Рисунок 2 – Разброс значений переходного сопротивления изоляционного покрытия после 40 лет эксплуатации газопроводов Металл труб претерпел изменения, но эти изменения не вывели его механические свойства за пределы нормативных требований.
Остаточный ресурс трубопроводов по динамике изменения свойств металла и роста коррозионных дефектов колеблется в пределах от нуля до 40 лет.
Остаточный ресурс изоляционного покрытия не удаётся рассчитать из-за погрешностей самой методики и из-за разброса значений переходно го сопротивления изоляционного покрытия даже в пределах короткого участка трубопровода (шурфа).
Объемы требуемых ремонтных работ определяются, главным обра зом, неудовлетворительным состоянием изоляционного покрытия. Но тех нология механизированного выполнения ремонтных работ по замене изо ляционного покрытия подземных трубопроводов газораспределительных систем на сегодняшний день не отработана.
Опыт обследований старых газопроводов также показал, что за 40 лет сама трасса местами сильно меняется: появляются новые дороги, коммуникации, населённые пункты, предприятия. Происходят эрозия и размыв грунта. Некоторые реки меняют свои русла. В результате появля ются новые воздушные и водные переходы, не предусмотренные проек том. Для этих случаев разработана расчётная программа, позволяющая ре шать задачи о напряжённо-деформированном состоянии воздушных и под водных переходов трубопроводов по результатам обследования.
На нескольких примерах показано, что обследование и ремонт пере ходов через железные дороги затруднены, и требуются новые методы и технологии.
Опыт диагностики трубопроводов показал также, что нормативная база и приборная часть требуют дальнейшего совершенствования с учётом особенностей газораспределительных сетей.
Третья глава посвящена изучению динамики изменения свойств ме талла при длительной эксплуатации трубопроводов. Изучать общие зако номерности невозможно, оставаясь только в рамках газораспределитель ных систем. Поэтому в данной главе рассматривали поведение металла труб в широких диапазонах действия рабочих давлений, внешних нагру зок, температур и других воздействий. Полученные закономерности можно использовать при оценке безопасности практически всех типов нефтегазо проводов (магистральных, промысловых, распределительных), а также оборудования и резервуаров с учётом условий их эксплуатации.
Благодаря результатам ранее проведённых исследований, а также выполненных в рамках настоящей диссертации можно считать неоспори мым фактом, что металлы труб изменяют свои свойства при длительной эксплуатации. Причём, деградационные процессы присущи как трубопро водам, испытывающим высокие напряжения, так и находящимся под отно сительно низким внутренним давлением.
Как показали эксперименты, при нагружении внутренним давлени ем, соответствующим окружным напряжениям в стенке 0,75sт, в течение 9,5 лет ударная вязкость металла снижается на 30...40 %. При меньших ра бочих давлениях этот процесс также происходит. За относительно неболь шое время нагружения, не превышающее 4-х лет, вся кривая зависимости ударной вязкости от температуры испытаний монотонно снижается и, в свою очередь, зависит от величины внутреннего давления (рисунок 3). При давлении 1,2 МПа уровень KCV снизился примерно на 10 % по отноше нию к исходному значению, при давлении 13 МПа (соответствует s = 0,8sт) – на 40…50 % при всех температурах испытаний.
КСV, Дж;
/cм 1 – труба в исходном состоянии;
2 – труба нагружена давлением 1,2 МПа;
3 – труба нагружена давлением 13 МПа Рисунок 3 – Температурная зависимость ударной вязкости стали при разных уровнях окружных напряжений в стенке трубы На графиках зависимости физических и механических свойств ос новного металла и сварного соединения трубопроводов от времени нагру жения имеются два характерных интервала времени (рисунок 4). В первом интервале пластические и вязкие характеристики материалов трубопрово дов мало изменяются;
частота отказов остаётся относительно невысокой.
Во втором интервале происходит более существенное снижение пластиче ских свойств, ударной вязкости и процента вязкой составляющей в изло мах ударных образцов как для основного металла, так и для сварного со единения. При сроках эксплуатации более 20...25 лет значения ударной вязкости могут выйти за пределы, определённые нормативными требова ниями. При этом металлы трубы и сварного соединения переходят в хруп кое состояние. Число отказов на трубопроводах заметно увеличивается.
Из множества известных характеристик металлов при определении допустимого рабочего давления используются только предел текучести и предел прочности, которые названы расчётными параметрами. При дли тельной эксплуатации трубопроводов расчётные параметры изменяются незначительно. Другие параметры, не участвующие в расчётах (ударная вязкость, относительное растяжение, относительное сужение при разрыве, процент вязкой составляющей в изломе, температура вязкохрупкого пере хода и другие), при длительной эксплуатации трубопроводов претерпева ют значительные изменения (растут или снижаются). В диссертационной работе предложен метод учёта нерасчётных характеристик металла, чувст вительных к деградационным процессам, при корректировке допустимых рабочих параметров трубопроводов при длительной эксплуатации.
а) б) а) магистральные нефтепроводы (стали 17ГС, 14ХГС, 17Г1С);
б) магистральные нефтепроводы (стали 16Г2-У, 19Г), сварной шов (Св. 08А, флюс АН-60) Рисунок 4 – Зависимость механических свойств металла различных трубопроводов от продолжительности эксплуатации Например, изменение ударной вязкости металла учитывается через баланс энергий, высвобождаемой при разрушении газопровода путём рос та трещины и затрачиваемой на разрыв межмолекулярных связей при этом.
Характер взаимосвязи допустимого рабочего давления Рраб и ударной вяз кости описывается следующим уравнением:
Р 2 p D3 Р раб p D 2 Р ln раб = t z.
раб + (1) Р 8 E t Здесь D – диаметр трубы;
t – толщина стенки;
Е – модуль упругости ме талла;
Р0 – атмосферное давление (0,1 МПа);
– удельная энергия образо вания трещины (величина, пропорциональная ударной вязкости).
На изменение каждого из n параметров металла (ударной вязкости KCV, относительного удлинения при разрыве d, относительного сужения при разрыве y, отношения пределов текучести и прочности c = s т / s В, трещиностойкости aтр и т.д.) рекомендуется ввести n соответствующих ча стных коэффициентов старения (КKCV, Кd, Кy, Кc, Кa и т.д.). Поскольку эти параметры описывают состояние одного и того же металла и поэтому не являются независимыми, предлагается найти интегральный коэффициент старения металла трубопровода следующим образом:
(К KCV )2 + (К d )2 + (К y )2 + (К c )2 + (K a )2...
К=. (2) n На рисунке 5 показан принцип построения частных коэффициентов старения металла.
а) б) Рисунок 5 – Определение коэффициентов старения по ударной вязкости (а) и относительному удлинению при разрыве (б) сталей труб Для трубопроводов газораспределительных систем предложен алго ритм расчёта допустимых рабочих давлений с учётом процессов старения металла и дефектов, обнаруженных в процессе диагностики. В качестве иллюстрации приведён пример, взятый из практики.
Газопровод диаметром D = 219 мм и толщиной стенки t = 5 мм экс плуатируется под рабочим давлением 1,2 МПа. Материал трубы - Ст 4.
Испытаниями определены временное сопротивление sВ = 382 МПа;
пре дел текучести металла труб sт = 255 МПа;
относительное удлинение при разрыве d = 25 %;
относительное сужение y = 30 %;
трещиностойкость aтр = 0,75;
металла ударная вязкость при температуре минус 20 °С KCV-20 = 25 Дж/см2. На поверхности трубы обнаружены коррозионные яз вы глубиной до 2 мм.
По нормам расчёта распределительных газопроводов, в исходном состоянии можно было допустить рабочее давление 6,89 МПа. Интеграль ный коэффициент старения составил 0,91. Следовательно, явления старе ния металла снизили допускаемое рабочее давление до уровня 6,27 МПа.
Наличие дефекта привело к дальнейшему снижению допустимого рабочего давления до уровня 3,76 МПа. Тем не менее, это выше существующего ра бочего давления 1,2 МПа. Следовательно, данный газопровод может экс плуатироваться без снижения существующего рабочего давления, если бу дет остановлен процесс коррозии. Для этого рекомендуется провести ре монт – восстановить изоляционное покрытие на дефектных участках и следить за тем, чтобы защитный потенциал находился в пределах нормы.
Данный пример показывает, что эффекты старения металла труб га зораспределительных систем практически не требуют снижения рабочих давлений, поскольку изначально трубопроводы обладают очень большим запасом прочности.
В четвертой главе рассматриваются вопросы контроля изоляцион ного покрытия трубопроводов газораспределительных систем.
Подземные стальные трубопроводы имеют двойную защиту от кор розии: пассивную и активную. Роль пассивной защиты выполняет изоля ционное покрытие, активной – катодный потенциал. При сильном износе изоляционного покрытия активная защита не справляется из-за больших потерь защитного тока через дефекты изоляции. Поэтому роль покрытия важна вдвойне. Контроль состояния изоляции обычно проводят электро метрическими методами. Однако при интерпретации результатов измере ний и последующих оценках имеются проблемы, которые исходят из сле дующих особенностей газораспределительных систем.
1. Практически все распределительные газопроводы, отслужившие 40 и более лет и подлежащие комплексному обследованию, покрыты би тумной изоляцией. Нормативный срок эксплуатации битумной изоляции составляет всего 15...20 лет. За 40 лет битум в значительной степени теряет защитные свойства, охрупчивается, растрескивается, отслаивается от по верхности трубы.
2. Газораспределительные трубопроводы пересекают множество до рог, подземных, наземных и воздушных коммуникаций, которые затруд няют обследование. Отдельные участки, где появились новые строения, насаждения, заборы, становятся недоступными для приборного и шурфо вого обследований.
3. В результате старения материалов значения всех характеристик покрытия – адгезии, переходного сопротивления, механических свойств, электрической плотности – имеют очень большие разбросы, практически от нуля, даже в пределах одного шурфа. Дисперсии этих параметров как минимум в два раза больше, чем их средние значения. Если по результатам локальных измерений (в шурфах) рассчитывать остаточный ресурс изоля ционного покрытия, то получим цифры от нуля и выше – набор случайных остаточных ресурсов без определённого физического смысла. Поэтому на старых трубопроводах при оценке их состояния нецелесообразно пользо ваться локальными характеристиками покрытия. Надо найти такие харак теристики, которые описывают защитные свойства изоляционного покры тия на некотором конечном участке трубопровода. Длина участка может быть различной в зависимости от конкретных условий, например 100 м или 1 км.
Как известно, изоляционное покрытие должно выполнять две основ ные функции: максимально препятствовать доступу к поверхности трубы грунтовой воды с её солями и ионами, снизить до минимума утечку за щитного тока с трубы в грунт. Доступ грунтовой воды к поверхности ме талла и утечка электрического тока с трубы в грунт взаимосвязаны и опи сываются одним и тем же механизмом – движением молекул и ионов из грунта к поверхности металла и обратно. Поэтому барьерные свойства изоляционного покрытия лучше всего характеризуются переходным со противлением, но не локальным, а интегральным для выбранного участка трубопровода (длиной 100 м или 1 км). Интегральное переходное сопро тивление изоляции фактически вбирает в себя все локальные характери стики изоляции, но не является случайной величиной. Поэтому здесь нет таких понятий как разброс и дисперсия. Интегральное переходное сопро тивление не является средним значением, а является однозначной характе ристикой изоляционного покрытия на выбранном участке.
Для определения интегрального переходного сопротивления покры тия разработана математическая модель растекания тока через покрытие на конечном участке трубопровода. Согласно этой модели, распределение по тенциалов j и токов J вдоль трубопровода описывается следующими вы ражениями:
j = С1 exp (qz ) + С 2 exp (- qz ) ;
J = g С 3 exp(qz) - С 4 exp( - qz) ;
(3) l j В -j А l (l j А - j В ) l J В -J А С1 = ;
С2 = ;
С3 = ;
l2 - 1 l2 - 1 g (l2 - 1) rм l (J B - l J А ) t ;
q= ;
l = exp(q l) ;
g = p D С4 =.
rм R tR g (l - 1) Здесь jА, jB и JА, JB - потенциалы и токи на концах выбранного участка АВ длиной l (за точки А и В можно принять положения СКЗ);
rм – удельное сопротивление металла трубы;
R – переходное сопротивле ние изоляции (единицы площади). Задача состоит в том, чтобы по изме ренным значениям jА, jB и JА, JB определить такое значение R, которое удовлетворяет выражениям (3). Измерение потенциалов jА и jB выполня ется с помощью высокоомного вольтметра, измерение токов JА и JB – с по мощью бесконтактного прибора типа «Орион-1».
Выражения (3) позволяют также рассмотреть различные варианты расположения станций катодной защиты и выбрать оптимальные с точки зрения обеспечения полной защиты и минимизации энергозатрат. На ри сунке 6 приведены результаты такого анализа для ряда трубопроводов при разных характеристиках изоляционного покрытия R. На графиках W – по лезная мощность катодной защиты трубопровода протяжённостью 100 км;
DL – расстояние между смежными СКЗ.
W,кВт Трубопровод 530 х 6 мм протяженностью 100 км DL, км Рисунок 6 – Энергозатраты на катодную защиту трубопроводов Результаты расчётов показывают, что путём оптимизации располо жения СКЗ можно обеспечить не только полную защиту трубопроводов с изношенной изоляцией, но и снизить энергопотребление в 2...3 раза. Для каждого трубопровода существует предельное допустимое расстояние ме жду СКЗ (на рисунке 6 отмечены темными точками). При больших рас стояниях между СКЗ защитный потенциал в некоторых местах выходит за пределы минус (0,9...2,5) В при любых режимах работы СКЗ.
В пятой главе рассматриваются вопросы диагностики, оценки и вос становления трубопроводов газораспределительных систем.
На основе анализа источников опасности на газопроводах предложен следующий объём оценок по результатам диагностики:
- оценка свойств металла труб и дополнительного коэффициента надёжности на возможное старение металла;
- оценка свойств изоляционного покрытия по интегральному пере ходному сопротивлению;
- оценка скорости коррозии и степени опасности обнаруженных дефектов металлической составляющей трубопровода.
Контроль металла трубопроводов достаточно проводить один раз в 10 лет испытаниями образцов или методами неразрушающего контроля.
Предложена трёхуровневая диагностика изоляционного покрытия трубопроводов: 1) контроль интегрального переходного сопротивления;
2) поиск локальных дефектов изоляции;
3) шурфовые обследования. Ре зультаты предыдущего уровня контроля определяют необходимость по следующих его этапов.
Трубопроводы газораспределительных систем не приспособлены для проведения внутритрубной диагностики. Обнаружить дефекты металличе ской составляющей трубопровода возможно по результатам комплексного применения трёх методов, таких как:
- электрометрические измерения типа УКИ-1М, (приборами КАОДИ, АНТПИ, АНТПИ, «Поиск» и др.);
- метод магнитной локации (с помощью приборов «Орион-1», «Zond»);
- работа с газоанализатором.
Одним из характерных типов отклонений сварных стыков от проект ных требований является чрезмерное усиление формы сварных швов. В связи с этим решена задача о концентрации напряжений в сварных соеди нениях с усилением формы шва и с резким переходом от шва к металлу трубы (рисунок 7). Решение показало, что резкий переход от шва к основ ному металлу (точка О) является трещиноподобным концентратором на пряжений с особенностью вида K si, j = f i, j (j) при r ® 0. (4) rl Здесь r, j - полярные координаты вокруг точки О;
К - коэффициент ин тенсивности напряжений;
– параметр особенности концентратора на пряжений. Параметр l зависит только от угла w, в данном случае (w = 135°) l = 0,3264. Чем ближе точка находится к вершине концентра тора О, тем меньше значение r и больше значения напряжений. При r ® получаем s ® (рисунок 8).
Рисунок 7 – Расчётная модель сварного соединения и концентрация напряжений в окрестности резкого перехода от шва к основному металлу Рисунок 8 – Распределение напряжений sх в окрестности резкого перехода от шва к основному металлу Для коэффициента интенсивности напряжений получено выражение К = s н t l f (h) ;
f = 0,3148 + 0,088 h ;
h = x / t ;
0,1 h 0,5. (5) Это выражение можно использовать для сравнительной оценки сте пени опасности сварных соединений с различными усилениями формы.
Например, нормативными документами допускается высота шва до 30 % от толщины стенки, чему соответствует h1 = x / d = 0,3. Всё, что выше, счи тается недопустимым. Например, если обнаружен сварной шов с высотой усиления 50 %, то ему соответствует h2 = 0,5. Отношение коэффициентов интенсивности для этих случаев найдём, используя (5):
К 2 s н d l f (h2 ) 0,3148 + 0,088 0,5 0, = = = = 1,05.
К1 s н d l f (h1 ) 0,3148 + 0,088 0,3 0, Следовательно, во втором случае КИН выше на 5 %, а предельное состоя ние достигается при нагрузках на 5 % ниже, чем в первом случае.
На основе анализа известных методов ремонта трубопроводов вы браны наиболее эффективные для газораспределительных систем.
Показана эффективность установки дополнительных станций катод ной защиты на участках с изношенным изоляционным покрытием, где за мена изоляции затруднена.
Показано, что наиболее перспективным безогневым методом ло кального ремонта действующих трубопроводов является формирование на дефектном участке трубопровода композитной изоляционно-силовой обо лочки (разработка ГУП «ИПТЭР»). Метод позволяет усиливать участки трубопровода с дефектами любых видов и размеров.
Предложена сборно-разборная конструкция переходов трубопрово дов через дороги, основанная на разработках специалистов ООО «Баштрансгаз», исключающая электрическую экранизацию трубо провода футляром.
Основные выводы 1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:
- снижение прочности вследствие старения металла труб и появле ния коррозионных дефектов компенсируется изначально большими запа сами прочности газопроводов;
- наибольшую опасность представляет потеря герметичности тру бопровода с выходом газа в замкнутое пространство.
2. Установлены и изучены закономерности старения металла трубо проводов газораспределительных систем. Установлено, что на графиках зависимости физических и механических свойств основного металла и сварного соединения трубопроводов от времени эксплуатации имеются два интервала. В первом интервале пластические и вязкие характеристики ма териалов трубопроводов практически не изменяются, частота отказов ос таётся относительно невысокой. Во втором интервале происходит сниже ние пластичности и ударной вязкости. При сроках эксплуатации более 20...25 лет значения ударной вязкости могут выйти за пределы, определён ные нормативными требованиями. При этом металл трубы и сварного со единения переходит в хрупкое состояние. Число отказов на трубопроводах заметно увеличивается.
3. После 40 лет эксплуатации газораспределительных трубопроводов изоляционное покрытие в значительной степени теряет защитные свойст ва, что одновременно приводит к снижению эффективности электрохими ческой защиты (ЭХЗ) примерно на 50 %. Разработана математическая мо дель системы ЭХЗ, которая позволила установить, что введением дополни тельных станций катодной защиты возможно добиться полной защиты трубопровода с изношенной изоляцией и одновременно понизить суммар ные энергозатраты на функционирование системы ЭХЗ. Установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты, которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в норма тивных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьша ется с уменьшением значений переходного сопротивления изоляции, диа метра и толщины стенки трубопровода.
4. Для трубопроводов газораспределительных систем предложены методика и алгоритм расчёта допустимых рабочих давлений с учётом про цессов старения металла и дефектов, обнаруженных в процессе диагности рования. Методика позволяет корректировать допустимые рабочие давле ния с учётом расчётных (пределы прочности и текучести) и нерасчётных характеристик металла, чувствительных к деградационным процессам, в том числе ударной вязкости, пластичности, трещиностойкости, относи тельных удлинения и сужения при разрыве и т.д.
Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газо распределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и определения переходного сопротивления изоляции.
5. Методом конечных элементов решена задача о распределении на пряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения. Полу чена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений, которая позволила установить, что на газораспределительных трубопрово дах повышение усиления шва выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.
6. Разработаны предложения по управлению безопасностью газо распределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, осно ванные на усовершенствованных методах диагностики и ремонта. Пред ложения нашли отражение в ряде отраслевых нормативных документов.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Пат. 2191366 РФ, МПК G 01 N 3/30. Образец для испытаний ме талла цилиндрических изделий на ударный изгиб / Ю.И. Пашков, В.С. Волков, Г.И. Зубаилов и др. (РФ). - 2000126358/28;
Заявлено 19.10.2000;
Опубл. 19.10.2002. Бюл. 29.
2. РД 12-411-01. Инструкция по диагностированию технического со стояния подземных стальных газопроводов / Г.И. Зубаилов, В.С. Волков, Ю.И. Пашков, А.Л. Шурайц и др. - М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безо пасность», 2001. – 101 с.
3. Шурайц А.Л., Поляков В.И., Зубаилов Г.И. Апробация РД 12-411- «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» (Анализ и обобщение данных) // Проблемы и пути эффективного освоения и использования ресурсов природного и нефтяного газа. Матер. научн.-практ. конф. – Томск, 2002. – С. 21-26.
4. Сорокин А.А., Шурайц А.Л., Зубаилов Г.И., Ослопов Ю.А. Опыт технического диагностирования подземных газопроводов // Безопасность труда в промышленности. – 2003. - № 5. - С. 10-12.
5. СП 42-102-2004. Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб / Г.И. Зубаилов, В.С. Волков, А.Л. Шурайц и др. - М.:
ЗАО «Полимергаз», 2004. – 106 с.
6. Зубаилов Г.И., Маркушин А.Г. К определению напряжённо деформированного состояния металлопластмассовой газовой трубы высо кого давления // Научно-технические проблемы совершенствования и раз вития системы газоэнергоснабжения: Сб. научн. тр. / СГТУ. - Саратов, 2004. – С. 24-28.
7. Методика технического диагностирования надземных газопрово дов / Ю.Н. Вольнов, Р.П. Гордеева, Г.И. Зубаилов, М.С. Недлин. - Сара тов: ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2004. – 24 с.
8. Зубаилов Г.И., Ослопов Ю.А., Самохвалова Л.К. Нормативные требования к качеству стальных труб для газораспределительных систем // Арматуростроение. – 2005. - № 2 (34). - С. 10-13.
9. Руководящий документ. Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления / Г.И. Зубаилов, В.С. Вол ков, А.Л. Шурайц и др. - Саратов: ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2005. – 40 с.
10. Зубаилов Г.И., Гумеров К.М., Чахеев А.Л. Безопасность трубо проводов системы газораспределения // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. - Уфа, 2007. - С. 86-88.
11. Зубаилов Г.И., Гумеров К.М., Гиззатуллин Р.Р. Ударная вязкость металла и прочность трубопровода // Проблемы и методы обеспечения на дёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа.
Матер. научн.-практ. конф. 22 мая 2007 г. – Уфа, 2007. – С. 169-171.
12. Зубаилов Г.И., Гумеров К.М., Гиззатуллин Р.Р. Влияние ударной вязкости на прочность трубопровода // НТЖ «Проблемы сбора, подготов ки и транспорта нефти и нефтепродуктов». – Уфа, 2007. - Вып. 3 (69). – С. 33-36.
13. Зубаилов Г.И. Влияние изменений механических свойств металла на рабочие характеристики газораспределительных трубопроводов // Неф тегазовый сервис – ключ к рациональному использованию энергоресурсов.
Матер. научн.-практ. конф. 14-15 ноября 2007 г. - Уфа, 2007. – С. 159-162.
14. Иваненков В.В., Зубаилов Г.И., Гиззатуллин Р.Р. Моделирование распределения токов и потенциалов в подземном трубопроводе // Нефтега зовый сервис – ключ к рациональному использованию энергоресурсов.
Матер. научн.-практ. конф. 14-15 ноября 2007 г. - Уфа, 2007. – С. 156-158.
15. Гиззатуллин Р.Р., Арсланов И.Н., Зубаилов Г.И. Моделирование и расчёт концентрации напряжений в сварных стыковых соединениях // Трубопроводный транспорт – 2007. Тез. докл. Междунар. учебн.-научн. практ. конф. / Под ред. А.М. Шаммазова и др. – Уфа: ДизайнПолиграф Сервис, 2007. – С. 130-131.