image
energas.ru

Газовая промышленность № 05 2018

Ремонт и диагностика

01.05.2018 11:00 ОЦЕНКА РЕСУРСА ДЕФЕКТНЫХ ТРУБ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА НА СТЕНДЕ МЕТОДОМ СТРЕСС-ТЕСТА
В статье представлена оценка остаточного ресурса дефектных труб магистральных газопроводов ПАО «Газпром». Приведен один из способов повышения надежности магистральных газопроводов посредством предпусковых гидравлических испытаний методом стресс-теста, с применением которого были введены в эксплуатацию такие магистральные газопроводы, как «Голубой поток», «Ямал – Европа», «Северные районы Тюменской области – Торжок», «Северный поток». Рассмотрены результаты сравнения теоретических подходов и практического применения методики гидравлических испытаний методом стресс-теста в целях обеспечения качества как новых, так и бывших в эксплуатации газопроводов. Проведена оценка ресурса дефектных труб магистрального газопровода «Ямбург – Елец» на участке от КС «Давыдовская» до КС «Первомайская». Описаны результаты работ по выборке бывших в эксплуатации трубных секций. Рассмотрены состав и характеристики дефектов: коррозии, зон продольных трещин, аномалий продольных швов и пр. Представлены данные о создании специального испытательного стенда для отработки технологии и доработке типового технологического оборудования, позволяющей проводить гидравлические испытания повышенным давлением без использования дорогостоящего оборудования. В статье описана последовательность проведения расчетов по специальной методике испытаний методом стресс-теста, а также приведен ход испытаний на стенде в целях подтверждения расчетного давления разрушения одной из дефектных труб. Для оценки остаточного ресурса дефектных труб даны рекомендации по выполнению соответствующего расчета их выносливости.
Ключевые слова: ДЕФЕКТНАЯ ТРУБА, МАГИСТРАЛЬНЫЙ ГАЗОПРОВОД, ИСПЫТАНИЕ НА СТЕНДЕ, МЕТОД СТРЕСС-ТЕСТА, КРИТЕРИЙ ЛИНЕЙНОГО СУММИРОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ, ОЦЕНКА РЕСУРСА.
Открыть PDF


Метод стресс-теста – это гид- равлическое ударное испытание трубопроводов высокого давления для транспортировки опасных продуктов. Испытание на удар производится в целях продления срока службы трубопроводов и более точной оценки степени безопасности при эксплуатации.

Для достижения этой цели в ходе испытаний необходимо воспрепятствовать появлению дефектов, ввиду своих размеров находящихся в области устойчивого образования трещин, путем создания предварительного напряжения сжатия на концах трещин, которое значительно выше напряжения растяжения при эксплуатационной нагрузке. 

МОНИТОРИНГ ДЕФЕКТНЫХ ТРУБ

Оценка ресурса дефектных труб линейной части магистрального газопровода ставит перед собой следующие цели: снизить затраты при капитальных ремонтах газопроводов за счет применения новых технологий испытаний, обеспечивающих оптимизацию использования имеющихся труб; после капитального ремонта газопровода обеспечить приблизительно равные деформационные свойства труб и снизить уровень остаточных напряжений путем испытания газопровода методом стресс-теста.

Для оценки ресурса дефектных труб линейной части магистрального газопровода по результатам дефектоскопии дефектных труб, предоставленных ООО «Газпром трансгаз Москва», были отобраны девять труб с различными дефектами: коррозия до 2,7 мм, зона продольных трещин глубиной до 4,9 мм, аномалии продольных швов. Подобные дефекты можно классифицировать как самые опасные [1], поскольку отсутствуют данные по их глубинам.

Для практической реализации методики оценки ресурса на одной из производственных площадок ООО «Газпром трансгаз Москва» был изготовлен специальный испытательный стенд из девяти дефектных труб Ду 1400, по краям которого были смонтированы толстостенные испытательные камеры, обеспечивающие наполнение водой, испытание на удар и опорожнение стенда. Для выполнения гидравлического испытания методом стресс-теста был переоборудован насос АО-181. Предварительные расчеты подтвердили возможность использования этого насоса для проведения испытаний методом стресс-теста.

 

РАСЧЕТЫ МЕТОДОМ СТРЕСС-ТЕСТА

Перед началом работ на стенде предварительно были проведены расчеты методом стресс-теста девяти труб 1420 × 15,7 мм, определены минимальное и максимальное давления испытаний = 9,028 МПа и = 10,929 МПа, скорость подъема давления (до 0,44 МПа/мин), циклы подъема давления (от 0,5 до 2,0 МПа) и другие параметры.

С помощью компьютерного моделирования на основе метода конечных элементов и механики разрушений был смоделирован размер дефекта глубиной а = 7,4 мм и полудлиной l = 135 мм в трубе № 1184.

Сравнение позволяет отметить близость значений максимального расчетного давления = 10,929 МПа, максимального давления = 11,0 МПа, полученного при испытании на стенде (рис. 1), и предельного давления для дефектной трубы, вычисляемого по формуле [2]:

(1)

 

при Q = ,

 

где u – минимальный предел прочности материала трубы, u = 589 МПа; t – толщина стенки трубы, t = 15,7 мм; D – внутренний диаметр трубы, D = 1388,6 мм; a – глубина дефекта в стенке трубы, a = 7,4 мм; l – полудлина дефекта в стенке трубы, l = 135 мм; Q – профиль дефекта [2].

При разработке данной методики на специальном испытательном стенде были проведены 13 циклических нагружений с давлением 0,5 и 1,5 МПа до заводского испытательного давления (Pисп = 9,028 МПа) девяти труб (рис. 2). При этом давление на каждом цикле увеличивалось на 0,7 МПа. Такая методика применялась для оценки роста критических глубин трещин при воздействии стресс-теста (рис. 3–6).

Дальнейшие испытания на стенде проводили с перепадом давления от 4 до 9 МПа вплоть до разрушения трубы № 1184 с дефектом аномалии продольного шва после 12 циклов нагружений (рис. 7). Труба находилась на 13-м км от КС «Давыдовская» магистрального газопровода «Ямбург – Елец». После шурфовки дефект трубы был описан как дефект шва без указания глубины.

При многокомпонентных циклических нагрузках, характерных для случайных и повторно-переменных режимов, расчет выносливости необходимо проводить по критерию линейного суммирования повреждений [3]:

,                                        (2)

 

где Ni – число циклов нагружений; i – число компонент нагружений; [N]i – предельное допускаемое число циклов нагружений.

 

,     (3)

 

 

где N1/[N]1 – гидроиспытания; N2/[N]2 – «пуск – останов»; N3/[N]3 – эксплуатационный режим; N4/[N]4 – стендовые испытания. Числители дробей соответствуют числу реальных нагружений: N1 = 5 – предпусковые гидравлические испытания; N2 = 23 – циклы «пуск – останов»; N3 = 6088 – циклы при эксплуатационном режиме; N4 = 25 – циклы на стенде.

Расчеты числа циклов и допускаемое число циклов выполняются в соответствии с уравнением, по которому вычисляется скорость роста трещины [4]:

,                                        (4)

 

где a – глубина дефекта, мм; N = число циклов; С = 0,66·10-8, безразмерная величина; ∆K – коэффициент интенсивности напряжений, МПа√м, ∆K = 1,12·∆·(a)0,5; n = 2,25 для сталей Х-70 согласно [5], безразмерная величина.

После преобразований уравнения (4) получим формулу для оценки усталостной долговечности, выраженной количеством циклов:

 

N = 2,59·108·∆-2,25( - ), (5)

 

где ∆ – напряжение, МПа; ан и ак – начальная и конечная глубины дефектов соответственно, мм.

Согласно классификации В.В. Болотина в механике разрушения для «бездефектных» конструкций наибольшее значение имеют дефекты 7–10-го классов с протяженностью 0,01–0,1 мм [6].

Допускаемое число циклов при гидравлическом испытании (N = 286,6) получим при давлении Р = 1,1·75/10 = 8,0 МПа (на расстоянии 13 км от камеры запуска дефектоскопа до дефектной трубы № 1184) при соответствующем напряжении ∆ = 360,05 МПа и глубинах дефектов ан = 0,1 мм и ак = 7,4 мм, подставив эти данные в (5).

Допускаемое число циклов в режиме «пуск – останов» (N = 367,9) получим при давлении PL=13 км = 7,16 МПа при соответствующем напряжении ∆ = 322,2 МПа и глубинах дефектов ан = 0,1 мм, ак = 7,4 мм, подставив эти данные в (5).

По формуле (5) получаем усталостную долговечность эксплуатационного режима дефектной трубы:

 

N3 = 2,59·108·∆-2,25(aн-0,125 - – aк-0,125) = 6088,                          (6)

 

где aн = 0,5 мм согласно [7]; aк = = 7,4 мм; ∆ = ∆Р·(Rвн + (15,7 – – 0,5)/2)·(15,7 – 0,5)-1 = 67,97 МПа; ∆Р – перепады давления при рабочих режимах; Rвн – внутренний радиус трубы, мм. ∆Р = 75/10·C = = 1,57 МПа при C = 0,21 согласно [8], безразмерная величина.

Аналогично получаем допускаемую усталостную долговечность эксплуатационного режима бездефектной трубы:

 

[N]3 = 2,59·108·∆-2,25(aн-0,125 - – aк-0,125) = 9927 циклов,           (7)

 

где aн = 0,01 мм; aк = 15,7 мм; ∆ = ∆Р·(Rвн + (15,7 – 0,01)/2)·(15,7 – – 0,01)-1 = 94,87 МПа, ∆Р = 2,12 МПа согласно [9].

Допускаемое число циклов нагружений на стенде (N = 75,51) получим по формуле (5) при среднем давлении цикла Р = 2,928 МПа [9], соответствующем напряжении ∆ = 246 МПа и глубинах дефектов aн = 7,4 мм и aк = 15,7 мм.

Если в качестве базовой наработки выбрать период в один год, то остаточный ресурс труб после 23 лет эксплуатации с учетом коэффициента запаса 10 по выносливости [3] определим без учета числа циклов, полученных на стенде (см. табл.).

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Обследования дефектных труб и испытания их методом стресс-теста на стенде показали, что до 60 % труб с дефектом «коррозия» глубиной до 15 % толщины стенки могут быть возвращены в эксплуатацию – этим обеспечиваются оптимизация использования имеющихся труб и выполнение первого пункта цели работ. Так, из 44 дефектных труб в 32 трубах наблюдалась коррозия до 15 % толщины трубы; в девяти трубах – дефект продольных трещин; в трех трубах – аномалия продольного шва.

Испытание трубопроводов методом стресс-теста в процессе капитального ремонта способно затормозить развитие дефектов коррозионного растрескивания под напряжением с глубиной дефектов до 3 мм толщины стенок труб 1420 × 15,7 мм с коэффициентами безопасности по давлению до 1,5 [10], что позволит эксплуатировать газопроводы при проектных режимах [11, 12].

Применение испытаний методом стресс-теста позволило выявить 46 дефектов, отремонтировать их и повторно испытать 1754 км газопроводов до ввода в эксплуатацию. Безотказная эксплуатация указанных выше газопроводов в течение 5–16 лет является хорошей оценкой их надежности. Этот метод применяется в ряде зарубежных стран для продления сроков эксплуатации действующих газонефтепроводов.

При проведении пусковых работ были выявлены различные дефекты:

– при продувке и очистке участка газопровода «Голубой поток» установлено, что во время укладки в траншею был допущен аварийный сброс плети труб, что привело к волнообразному сплющиванию трубопровода;

– испытание стресс-тестом выявило три утечки из-за брака при изготовлении деталей крановых узлов (магистральные газопроводы «Ямал – Европа», «Голубой поток», «Северный поток»);

– шесть отказов при сборке крановых узлов (три у КС «Ставропольская» и один у КС «Усть-Лабинская» на газопроводе «Голубой поток», один на газопроводе «Ямал – Европа», один на газопроводе «Северный поток»).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Метод стресс-теста – циклическое ударное давление с коэффициентом безопасности 1,5 и более к рабочему. Из-за разности скоростей подъема и сброса давлений в «усах» дефектов типа трещин возникают сжимающие напряжения, превышающие напряжения от растяжений, появляющихся при рабочих нагрузках.

Расчет выносливости по критерию линейного суммирования повреждений позволил оценить остаточный ресурс старых труб с различными дефектами.


Сведения о ресурсе дефектных труб в зависимости от расстояния до КС и размеров дефектов Information on the operational life of defective pipes, depending on the distance to the compressor station and the defect size

Номер трубы

Pipe number

Расстояние до КС, м

Distance to the compressor station, m

Вид дефекта

Defect type

Глубина дефекта

Defect depth

Ресурс труб, годы

Operational life of pipes, years

 

%

мм

mm

 

1184

12 775,6

Аномалия продольного шва

Longitudinal seam anomaly

0

7,4, по расчету

(by calculation)

3,3

2845

31 285

Зона продольных трещин

Longitudinal crack zone

28

4,4

4,75

3700

40 693,1

Коррозия

Corrosion

15

2,36

6,73

4263

46 888,2

Зона продольных трещин

Longitudinal crack zone

31

4,87

7,5

4276

47 039,6

Зона продольных трещин

Longitudinal crack zone

21

3,3

8,94




← Назад к списку