image

Территория Нефтегаз № 4 2016

Эксплуатация и ремонт трубопроводов

01.04.2016 10:00 Анализ обеспечения безопасности трубопроводных систем на участках с соединительными деталями
Трубопроводная система нефтегазовой отрасли по своей значимости для экономики страны является особо важным техническим сооружением. Трубопроводы для перекачки нефти и продуктов ее переработки, газа протяженностью в сотни тысяч километров проложены во всех природных и климатических условиях, вблизи от населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Трубопроводы нефтегазовой отрасли прокладывают в основном подземно. Отказы и повреждения трубопроводов приводят к крупным экономическим и экологическим ущербам. В связи с этим особое внимание уделяется их прочности и безопасности. Трубопроводы находятся под действием комплекса нагрузок, формирующих напряженно-деформированное состояние эксплуатируемого подземного трубопровода. Наиболее существенное влияние на уровень напряженно-деформированного состояния трубопровода оказывают давление в его полости, температурный перепад в металле труб (разность температур при эксплуатации и сооружении), силы взаимодействия трубопровода с грунтом и вес трубопровода с перекачиваемым продуктом. В узлах установки соединительных деталей (гнутые отводы, тройники и т.п.) при одинаковых нагрузках и воздействиях возникают повышенные механические напряжения по сравнению, например, с прямолинейными участками. Одним из эффективных направлений исключения появления повреждений трубопроводов является совершенствование методов расчета на прочность и разработка соответствующих технических решений, обеспечивающих снижение уровня напряжений и безопасную эксплуатацию трубопроводных систем.
Ключевые слова: безопасность трубопроводных систем, запас прочности, риск аварии, подземный трубопровод, продольное усилие в трубопроводе, перемещения трубопровода, напряжения в металле труб, гнутый отвод, тройник.
Ссылка для цитирования: Азметов Х.А., Павлова З.Х., Андреев К.В., Ахадов Э.А., Максименко А.А. Анализ обеспечения безопасности трубопроводных систем на участках с соединительными деталями // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 4. С. 116–119.
Открыть PDF


Исследованиями установлено, что уровень напряжений существенно влияет на безопасность сооружения [1]. Повышенные напряжения в металле труб и соединительных деталей снижают запас прочности , повышают интенсивность и риск аварии [2, 3]. Риск может быть оценен как произведение интенсивности аварии и ущерба от нее. В связи с этим закономерности изменения запасов прочности от температурного перепада, внутреннего давления, геометрических характеристик труб и их соединений, механических свойств металла в полной мере характеризуют закономерности изменений риска аварий и безопасности от указанных исходных данных.
Современный этап развития нефтегазовой отрасли характеризуется сооружением мощных трубопроводных систем на Севере России и в Сибири. В этих регионах строительство трубопроводов из-за сложных грунтовых условий в основном проводится при отрицательных температурах воздуха. Сооружение трубопроводов при отрицательной температуре приводит к возникновению в процессе эксплуатации значительных суммарных продольных сжимающих усилий. Кроме того, многие магистральные трубопроводы эксплуатируются в достаточно жестком режиме с высоким рабочим давлением и максимальной производительностью. Под действием продольного сжимающего усилия и внутреннего давления, контактирующего с трубопроводом грунта, веса трубопровода с перекачиваемым продуктом происходит продольно-поперечный изгиб трубопровода [4, 5]. Свод правил СП 13330.2012 «Магистральные трубопроводы» [6] предусматривает определение напряжений в трубопроводе с учетом продольных усилий, возникающих от воздействия температурного перепада и внутреннего давления. Однако в указанном своде правил расчетные формулы приведены только для случая отсутствия продольных и поперечных перемещений трубопровода, т.е. без учета его изгиба в процессе эксплуатации.
На прямолинейных участках, проложенных в грунтах с достаточной несущей способностью, перемещение трубопровода практически не происходит. На таких участках в условиях действия высоких продольных сжимающих усилий возможна потеря общей устойчивости в продольном направлении [7]. На криволинейных участках происходят продольно-поперечные перемещения трубопровода, которые возрастают с повышением положительного температурного перепада и внутреннего давления [8]. В процессе изгиба подземного трубопровода формируется изогнутый участок, где величина прогиба (поперечного перемещения) снижается от наибольшего значения в вершине угла поворота криволинейного участка до нулевого значения на определенных расстояниях справа и слева от вершины угла поворота. Необходимо также отметить, что изгиб трубопровода происходит под действием суммарного эквивалентного продольного усилия, определяемого по [6], большую часть которого в условиях сооружения трубопровода при отрицательной температуре воздуха составляет усилие от положительного температурного перепада. Остальную часть составляет результат влияния внутреннего давления, которое при изгибе трубопровода вызывает появление поперечного распределенного усилия, и влияние внутреннего давления на изгиб эквивалентно сжатию в осевом направлении. При прогибе трубопровода продольное сжимающее усилие, возникающее от положительного температурного перепада, снижается, а значение эквивалентного усилия от внутреннего давления практически не меняется.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования продольно-поперечного изгиба подземного трубопровода в условиях действия продольных сжимающих усилий [5, 8]. В результате исследований получены расчетные формулы для определения наибольших значений прогиба и напряжений на участках трубопровода с соединительными деталями – гнутым отводом и тройником для соединения отводящего трубопровода к магистральному. Указанные расчетные формулы для участков с гнутыми отводами имеют вид

v_{max}=\overline{v} \left( \frac{EJ}{q}tg^4 \varphi\right)^{0,33},       (1)


\sigma^H_\text{пр} =\mu \sigma^H_\text{кц} + \sigma_N \pm \sigma_{u'},       (2)


где \sigma^H_\text{кц}=\frac{\text{рД}_\text{вн}}{2\delta};       (3)

\sigma_n=\frac{N_p}{F};       (4)

N_p=(0,5-\mu)\sigma_\text{кц}\cdot F-N,       (5)

N \left[ EJ\left(\frac{\alpha \cdot q}{tg\varphi}\right)^2\right]^{0,33},       (6)

\sigma_u=\frac{M_{max}}{W}    (7)

M_{max}=\omega[q(E\cdot J \cdot tg\varphi)^2]^{0,33},   (8)

где vmax – наибольший прогиб; Mmax – наибольший изгибающий момент; N – эквивалентное продольное усилие на изогнутом участке; Np – расчетное продольное усилие на изогнутом участке;  \sigma^H_\text{кц} – кольцевые напряжения от рабочего давления в трубопроводе; σкц – расчетное кольцевое напряжение, равное ; n – коэффициент надежности по рабочему давлению р; σN – расчетное продольное напряжение; σu – наибольшие напряжения изгиба; \sigma^H_\text{пр} – максимальные продольные напряжения; E, µ – модуль упругости и коэффициент Пуассона металла трубы; Двнδвн – внутренний диаметр и толщина стенки трубы; J, W, F – момент инерции, момент сопротивления и площадь поперечного сечения трубы;  φ – половина угла поворота трубопровода на криволинейном участке, конструктивно выполненного гнутым отводом; q – сопротивление поперечным перемещениям (прогибу) трубопровода, определяемого по [5, 9] в зависимости от веса трубопровода с продуктом, сопротивления грунта прогибу трубопровода; \overline{v}, \alpha, \omega – безразмерные параметры, определяемые в зависимости от конструкции соединительной детали, значений температурного перепада и внутреннего давления. Для определения параметров \overline{v}, \alpha, \omega нами получены аналитические зависимости для крутоизогнутых отводов заводского изготовления с радиусом кривизны R=Д и холодногнутых отводов с радиусом кривизны R=30÷35Д (Д – наружный диаметр трубы).

На рисунке приведены графические зависимости напряжений \sigma^H_\text{пр} от положительного температурного перепада Δt, возникающих в крутоизогнутом отводе диаметром 720 мм и толщиной стенки 9 мм. 116-119-r.png

Металл отвода имеет предел текучести  σт=400,0 МПа и предел прочности  σв=520,0 МПа. Плотность перекачиваемой по трубопроводу нефти – 860 кг/м3. Давление в трубопроводе – 5,0 МПа. Трубопровод уложен в песчаном грунте на глубине 0,8 м от верхней образующей трубы. Изогнутый отвод установлен на выпуклом участке трассы на угле поворота в 100 в вертикальной плоскости. Геометрические характеристики гнутого отвода и трубы взяты по [4], а свойства грунта – по [9]. Определены запасы прочности по пределу прочности nв и пределу текучести nт по формулам [1]

n_b=\frac{\sigma_b}{\sigma^H_\text{пр}},   (9)

n_T=\frac{\sigma_T}{\sigma^H_\text{пр}}.   (10)

По [1] nв принимают в пределах 1,7–2,5 и nт – в пределах 1,2–2,0. Значения nв и nт в зависимости от температурного перепада Δt при вышеизложенных условиях для гнутого отвода приведены в таблице.
Данные таблицы показывают, что увеличение температурного перепада приводит к снижениям запасов прочности трубопровода. Так, например, при увеличении Δt от 25 до 50 0С запас прочности nв снизился в 1,8 раза.

В соответствии с требованием [6] для предотвращения недопустимых пластических деформаций трубопроводов должно соблюдаться условие
\sigma^H_\text{пр}\leqslant\psi_1\frac{m}{0,9k_H}R^H_{2'},   (11)
где  – R^H_{2} нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб, принимаемое равным минимальному значению предела текучести; Ψ1, m, кн – коэффициенты, определяемые по [6].
Для рассматриваемого примера m=0,99; кн=1,1; R^H_{2}=400,0 МПа, Ψ1=0,66. Таким образом, из условия (11) наибольшие напряжения для анализируемого участка трубопровода не должны превышать 265,0 МПа. Выполненные нами расчеты и анализ данных эксплуатации показали, что уровни напряжений в конструкциях трубопроводных систем могут быть достаточно высокими, которые не отвечают требованиям прочности и безопасности сооружений нефтегазовой отрасли [10÷12]. В связи с этим разработка мер снижения уровня напряжений в конструкциях современных трубопроводных систем является весьма актуальной. Снижение уровня напряжений на гнутых отводах может быть достигнуто уменьшением значений угла поворота при сооружении, разбивкой одного большого угла поворота на два угла с применением прямой вставки между ними, применением взамен крутоизогнутых отводов холодного гнутья. Так, например, для трубопровода с наружным диаметром 720 мм и толщиной стенки 9 мм при температурном перепаде 50 0С уменьшение значения угла поворота от 10 до 40 позволяет снизить напряжения \sigma^H_\text{пр} в 1,6 раза. Разбивка одного угла поворота на два угла с применением прямой вставки позволяет снизить уровень напряжений до 1,5 раза. Причем установлено, что имеется такая оптимальная длина прямой вставки, при которой обеспечивается минимальное значение \sigma^H_\text{пр}  в условиях заданных нагрузок.
Как показывает опыт эксплуатации трубопроводных систем, имеются случаи повреждения узлов присоединения отводящих трубопроводов к магистральному. В этих узлах происходит местный изгиб магистрального трубопровода под действием продольного сжимающего усилия, возникающего вследствие наличия положительного температурного перепада в металле отводящего трубопровода. В результате исследований получены расчетные формулы для вычислений изгибающего момента Mmax, действующего в магистральном трубопроводе, продольных усилий, действующих в магистрали N и отводе Nот, прогиба vmax магистрального трубопровод в сечении соединения отводящего трубопровода. Получены также аналитические зависимости для определения безразмерных параметров \overline{v}, \alpha, \omega. Расчетные формулы для вычисления vmax, N, Nот, Mmax имеют вид

v_{max}=\overline{v}\left(\frac{EJ}{q_T}\right)^{0,33},   (12)


N=[EJ(\alpha q_t)^2]^{0,33},   (13)


N_\text{от}=\alpha_t EF\Delta t - \left[ 2p_\text{от}EF_\text{от}\left(\frac{EJ}{q_\text{т}\right)^{0,33} \overline{v} \right]^{0,5} \ ,    (14)


M_{max}=\omega[q_t(EJ)^2]^{0,33},   (15)

где αт – коэффициент линейного расширения металла труб; qт – сопротивление грунта горизонтальному поперечному перемещению трубопровода (магистрального); Fот – площадь поперечного сечения отводящего трубопровода; рот – сопротивление грунта продольному перемещению отводящего трубопровода.
В качестве примера рассмотрим узел соединения отводящего трубопровода с наружным диаметром 529 мм и толщиной стенки 8 мм к магистральному с наружным диаметром 1020 мм и толщиной стенки 10 мм. Предел прочности металла трубы – 520,0 МПа, предел текучести – 400,0 МПа. Трубопровод уложен в песчаном грунте на глубину 1,0 м, внутреннее давление – 5,0 МПа и температурный перепад – 40 0С. По условию (11) максимальное продольное напряжение должно быть менее 215 МПа. Магистральный трубопровод с обеих сторон от места присоединения отводящего трубопровода на значительном расстоянии имеет прямые участки, ввиду этого магистральный трубопровод смещается только поперечно по направлению действия продольного усилия, действующего в отводе перпендикулярно продольной оси магистрального трубопровода. Результатом взаимодействий отвода и магистрали является то, что магистральный трубопровод прогибается до 4,2 см. При этом в трубопроводе возникают наибольшие напряжения изгиба σu=186,0 МПа и суммарные максимальные продольные напряжения \sigma^H_\text{пр}=287,8 МПа. Запасы прочности – nв=1,8 и nт=1,4. Изгиб отводящего трубопровода отсутствует, и продольные напряжения – \sigma^H_\text{пр}=29,6 МПа. Таким образом, наличие отводного трубопровода приводит к появлению дополнительного напряжения изгиба σu', повышающего уровень напряженного состояния и снижающего безопасность магистрального трубопровода. С целью обеспечения прочности и безопасности узлов соединения трубопроводов следует на этом участке использовать толстостенные трубы, усилить соединения накладками и установить опору для снижения прогиба магистрали. Положительный результат даст обеспечение снижения продольного усилия Nот путем упругого начального искривления продольной оси отводящего трубопровода на участке примыкания к магистрали, сооружение более широкой траншеи для укладки трубопровода и засыпка грунтом с низкой несущей способностью. Эти меры делают возможными поперечные перемещения отводящего трубопровода, а перемещение трубопровода приводит к снижению продольного сжимающего усилия.

ВЫВОДЫ

Приведены аналитические зависимости наибольших продольных напряжений в гнутых отводах и тройниковых соединениях трубопроводов от геометрических характеристик труб и соединений, нагрузок, действующих на эксплуатируемую систему трубопроводов. Проведена оценка влияния исходных конструктивных параметров и параметров нагрузки на уровень напряжений и безопасность соединительных деталей. Даны рекомендации по обеспечению прочности и безопасности трубопроводных систем в условиях их сооружений в сложных природно-климатических условиях и эксплуатации в жестком режиме с высоким рабочим давлением. 

Таблица. Зависимости nв и nт от Δ t
Table. Dependence of nв and nт on Δ t

Δ t,°С

25,0

35,0

40,0

45,0

50,0

2,4

1,9

1,6

1,4

1,3

1,8

1,5

1,2

1,1

 

 

 

 

 

 

 




← Назад к списку


im - научные статьи.