image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 9 2016

Эксплуатация и ремонт трубопроводов

01.09.2016 10:00 Оценка прочности и долговечности труб с дефектами для эффективного планирования ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов
Адекватная оценка степени опасности дефектов труб магистральных трубопроводов является одной из актуальных задач эксплуатации линейной части. На сегодняшний день существуют несколько подходов к ее решению и комплекс расчетных методик, учитывающих специфику эксплуатации как магистральных нефтепроводов, так и газопроводов высокого давления.
Однозначное решение вышеупомянутой задачи осложнено отсутствием единообразия в нормативно-технических документах, регламентирующих порядок оценки технического состояния труб с дефектами, в методиках оценки прочности и долговечности труб с дефектами, а также сложностью применяемого в них математического аппарата.
В статье на основе анализа мировых расчетных методик и существующих нормативных документов отечественных организаций, эксплуатирующих магистральные трубопроводные системы, определены критерии предельного состояния трубопроводов, с помощью которых можно оперативно производить оценочные расчеты на прочность и долговечность труб магистральных трубопроводов, дефекты в которых развились в процессе эксплуатации.
На основании анализа существующих методов расчета прочности и долговечности труб с дефектами в работе предложена математическая модель для оценки степени опасности находящихся в эксплуатации магистральных трубопроводов с коррозионной потерей металла и трещиноподобными коррозионно-механическими дефектами с учетом их геометрических параметров. Графическая интерпретация полученных расчетных зависимостей данной модели представляет собой диаграммы предельного давления в трубной секции и предельного срока эксплуатации трубной секции от глубины дефекта.
Таким образом, научно обоснованная оценка и прогноз технического состояния труб с дефектами позволят осуществлять планирование ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов.
Ключевые слова: дефекты труб, количественные критерии надежности, напряженно-деформированное состояние труб, планирование ремонтных работ, расчет на прочность и долговечность.
Ссылка для цитирования: Сальников А.В., Шарыгин А.М., Игнатик А.А. Оценка прочности и долговечности труб с дефектами для эффективного планирования ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 9. С. 114–121.
Открыть PDF


В процессе эксплуатации магистральных трубопроводов (МТ) с течением времени происходит снижение их эксплуатационной надежности, что связано с возникновением и развитием дефектов различных видов: дефектов стенки, сварных швов, геометрической формы трубы [1]. Для поддержания работоспособности МТ требуется адекватно оценивать опасность дефектов и определять сроки и способы их устранения.

К факторам, благоприятствующим образованию и развитию дефектов в процессе эксплуатации МТ, относят: коррозионно-активные среды (окружающий трубопровод грунт и транспортируемый продукт), цикличность давления трубопровода, наличие блуждающих токов, тип и срок эксплуатации антикоррозионного покрытия, внешние нагрузки и воздействия.

Адекватная оценка степени опасности дефектов труб является ответственной задачей эксплуатации линейной части МТ. Однако ее решение осложнено отсутствием единообразия нормативно-технических документов (НТД), регламентирующих порядок оценки технического состояния труб с дефектами, методик оценки прочности и долговечности труб с дефектами и сложностью применяемого математического аппарата [1–13]. 

Математическая модель оценки прочности и долговечности труб с дефектами

Для научного обоснования планирования ремонтных работ требуются оценка и прогноз напряженно-деформированного состояния (НДС) труб,
а также оценка их прочности и долговечности. На основании анализа НТД [1–7] базовой в данной работе принята методика из нормативного документа [1], поскольку в нем регламентируются расчеты труб со всеми распространенными видами дефектов. Целями оценки технического состояния (ОТС) линейной части МТ является определение допустимого рабочего давления и срока гарантируемой целостности и безопасной работы МТ [9].

В работе оценка технического состояния линейной части МТ сводится к оценке и прогнозу НДС труб с дефектами.

Image_032.png

а) a)                                                                                            б) b)

Рис. 1. Диаграммы по оценке прочности труб с дефектом коррозионной потери металла: а) ширина дефекта 500 мм; б) ширина дефекта 100 мм

Fig. 1. Diagrams for strength assessment of pipes with corrosion metal loss defect: a) defect width is 500 mm; b) defect width is 100 mm


Оценка и прогноз НДС труб с дефектами станут исходными данными для планирования сроков, вида и объема ремонтных работ на линейной части МТ.

На основе анализа рассматриваемых методик определен перечень исходных данных, необходимых для оценки и прогноза НДС трубопроводов: марка стали и ее механические характеристики;
геометрические параметры трубопровода (наружный диаметр, толщина стенки, радиус изгиба МТ); местоположение и геометрические параметры дефекта по результатам технической диагностики; величины внешних нагрузок и воздействий, в том числе проектное давление; категория участка трубопровода; тип внутритрубного инспекционного прибора (ВИП), необходимого для определения величин поправок на размеры дефекта; прогнозируемая годовая цикличность при эксплуатации МТ; тип грунта и его удельное сопротивление; тип антикоррозионного покрытия и его удельное сопротивление; наличие блуждающих токов; собственные напряжения и деформации, возникающие при производстве труб, строительстве и эксплуатации трубопровода.

Оценку НДС труб с дефектами производят путем их расчетов на прочность. Результатом расчета является разрушающее или предельное давление в трубной секции. Прогноз НДС труб с дефектами осуществляют путем их расчетов на долговечность. Результатом расчета является предельный срок эксплуатации трубной секции.

В рассматриваемой методике расчета труб с дефектами [1] используются критерии предельной прочности и предельной пластичности для описания предельного состояния металла трубы, при котором дальнейшая эксплуатация МТ недопустима. Критерий предельной пластичности Θс соответствует разрушению при достижении предельной деформационной способности элемента трубы. Критерий предельной прочности Θu соответствует потере несущей способности элемента трубы, когда наблюдаются значительные формоизменения при упругопластическом деформировании.

Критерии предельной прочности Θu и предельной пластичности Θс рассчитываются следующим образом: 

1_1.jpg                         (1)

 

1_1_1.jpg,                                     (2)

где εi – интенсивность деформаций;

εo – объемная деформация;

φг – угол подобия девиатора деформаций, рад;

εiu – предельная интенсивность деформаций;

εou – предельная объемная деформация;

εic – разрушающая интенсивность деформаций;

εoc – разрушающая объемная деформация.

Предельная прочность достигается при выполнении условия Θu = 1.

Предельная пластичность достигается при выполнении условия Θc = 1.

Величины предельной интенсивности деформаций, предельной объемной деформации, разрушающей интенсивности деформаций и разрушающей объемной деформации являются механическими характеристиками трубной стали.

Значения интенсивности деформаций εi, объемной деформации εo и деформационного параметра φг, рад, рассчитываются по компонентам деформаций: 

1_1_4.jpg  (3),

1_1_2.jpg 

1_1_3.jpg 

где ε – компоненты деформаций, обозначенные в цилиндрической системе координат, связанной с трубой; индекс Θ  относится к кольцевым, z – к продольным и r – к радиальным компонентам;

ε1 – наибольшая деформация удлинения,

ε1 = max(εθ; εz; εr; εθz; εθr; εzr). 

Для расчета деформаций используются правила схематизации дефектов и нагрузок (расчетные схемы), применяются общие правила упругопластических расчетов параметров НДС и коэффициентов концентрации напряжений и деформаций. Решается система нелинейных алгебраических уравнений, включающая уравнения расчетных схем и уравнения для упругопластического материала и связывающая компоненты напряжений и деформаций с внутренним давлением, размерами трубы и дефекта.

Результатами прочностных расчетов при выполнении равенства хотя бы в одном из выражений (1) или (2) являются:

• разрушающее давление трубы с данным дефектом pf, МПа;

• глубина дефекта, приводящего к разрушению трубы Hf, мм.

Затем определяется предельное давление (максимальное внутреннее давление стационарного режима перекачки, которое может выдержать труба с дефектом без разрушений и отказов) pпред, МПа:

1_1_5.jpg

где kтр – коэффициент запаса по прочности трубы, зависящий от категории участка МТ;

р – поправка на возможное превышение рабочего давления при нестационарных режимах, МПа; 

р = 0,15рвых но не менее ∆р = 0,15рпроект,

где рвых – давление на выходе станции в начальной точке трубопровода, МПа;

рпроект – проектное давление, МПа.

Значение рпред сравнивают с давлением, действующим в данной дефектной трубной секции рпроект.

Если рпред < рпроект, то следует снизить давление в трубопроводе и планировать ремонтные работы в ближайшее время по устранению дефектов, приводящих к низкому предельному давлению. Если рпред ≤ 0, то дальнейшая эксплуатация невозможна до устранения дефекта. Если рпред > рпроект, то ограничение давления в трубопроводе не требуется, но при необходимости следует рассчитать тот срок, после которого будет необходимо понизить давление в трубопроводе или заранее запланировать ремонт.

Величина предельного давления является количественным показателем надежности МТ или количественным показателем оценки НДС труб, которая позволяет принимать на научной основе технологические решения при эксплуатации МТ. Величина Hf используется при прогнозе НДС труб и расчетах на долговечность.

Image_036.png

а) a)                                                                                                     б) b)

Рис. 2. Диаграммы по оценке долговечности труб с дефектом коррозионной потери металла: а) ширина дефекта 500 мм; б) ширина дефекта 100 мм

Fig. 2. Diagrams for durability assessment of pipes with corrosion metal loss defect: a) defect width is 500 mm; b) defect width is 100 mm

Главной задачей расчета на долговечность труб с дефектами является определение величины предельного срока эксплуатации трубопровода с данным дефектом tпред. Величина tпред является количественным показателем надежности трубопровода, а также количественным показателем прогноза НДС труб.
С ее помощью предлагается обосновывать планирование сроков ремонтных работ. Количественным показателем надежности МТ аналогично предельному сроку эксплуатации является предельное число циклов Nпред давления МТ, что важно при расчете труб, например, с усталостными трещинами.

Для достоверного прогноза развития любого дефекта и точного определения сроков ремонта дефектных труб необходимо верно определить скорость развития дефекта в глубину или увеличения площади продольного сечения дефекта (для дефектов коррозионной потери металла). Следует учитывать, что скорость развития дефекта не всегда является постоянной величиной. Так, скорость роста усталостных трещин изменяется во времени с ростом числа циклов нагружения, так как с ростом числа циклов нагружения изменяются и компоненты НДС труб.

Скорость развития коррозионного дефекта потери металла на внешней поверхности трубы между двумя диагностическими обследованиями Vкорр, мм/год, считается постоянной и рассчитывается следующим образом [1]:

1_1_6.jpg

где Н2 – измеренная глубина дефекта при последней инспекции ВИП, мм;

Н1 – измеренная глубина дефекта при предыдущей инспекции ВИП (для вновь обнаруженного H1 = 0), мм;

∆t – период времени между инспекциями, год;

К1 – коэффициент запаса по скорости коррозии, учитывающий эффективность работы средств электрохимической защиты, 

К1 = К11 + К12 + К13,

где К11 – коэффициент учета влияния удельного сопротивления грунта;

К12 – коэффициент учета влияния удельного сопротивления антикоррозионного покрытия (АКП);

К13 – коэффициент учета влияния блуждающих токов.

Значения коэффициентов K11, K12 и K13 назначаются по таблицам 1–3 [1].

Скорость развития коррозионного дефекта потери металла во многом зависит от типа грунта, типа антикоррозионного покрытия, его состояния и наличия блуждающих токов (для наружной коррозии).

Так, например, если коррозионная агрессивность грунта низкая, АКП трубы является экструдированный полиэтилен и на первом участке трубопровода присутствует влияние блуждающих токов, а на втором – нет, то скорость роста в глубину дефекта на первом участке трубопровода больше в 1,168 раза, чем на втором участке (в данном примере отличаются коэффициенты K13, коэффициенты K11 и K12 равны на первом и втором участках трубопровода, а глубины дефектов одинаковы).

Как уже было сказано, планирование сроков ремонтных работ напрямую зависит от величины tпред, в то время как вид и способ ремонта зависят от геометрических параметров дефекта и от его расположения на теле трубы, сварном шве или в околошовной зоне (табл. 4) [8].

Image_037.png

Рис. 3. Диаграмма по оценке долговечности труб с трещиноподобным коррозионно-механическим дефектом

Fig. 3. Diagrams for durability assessment of pipes with crack corrosion-mechanical defect

Так, при глубине коррозионного дефекта потери металла до 20 % от толщины стенки трубы методом ремонта назначается шлифовка; если глубина дефекта составляет до 70 % от толщины стенки трубы при длине дефекта вдоль оси трубы до Dн, то назначается ремонт с использованием муфты П2 (обжимная приварная муфта с технологическими кольцами); если глубина дефекта – до 70 % от толщины стенки трубы при длине дефекта вдоль оси трубы от 10,5 м до Dн, то назначается ремонт с использованием муфты П1 (композитная муфта); при глубине дефекта до 70 % от толщины стенки трубы и расположении дефекта в околошовной зоне поперечного сварного шва назначается ремонт с использованием муфты П4 (галтельная муфта с полостью).

Следует отметить, что для потери металла на внешней поверхности трубы, расположенной на сварном шве или примыкающей к сварному шву, заварка как метод ремонта нормативным документом [8] не предусматривается. 

Реализация математической модели для планирования ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов

Представленная в работе математическая модель реализована в виде вычислительных компьютерных программ по расчету на прочность и долговечность труб и сварных соединений с дефектами, что позволяет оценивать и прогнозировать техническое состояние труб с дефектами для эффективного с технической точки зрения планирования ремонтных работ на линейной части МТ.
Математическая модель численно реализована в табличном процессоре MS Excel. С помощью вычислительных программ предлагается определять значения величин предельного давления  рпред и предельного срока эксплуатации tпред. Для каждого типа дефекта создается отдельный вычислительный блок.

При расчете рпред решается система уравнений относительно внутреннего давления p. Для решения данной громоздкой системы уравнений в табличном процессоре MS Excel применяется следующий метод. Считаем, что значения p равны величинам из назначенного диапазона, например от 0 до 15 МПа. Выбирается шаг давления, зависящий от необходимой точности расчетов, например 0,1 МПа. Далее определяется значение давления, при котором выполняется уравнение (1) или уравнение (2); это значение и будет искомой величиной разрушающего давления рf. Аналогичный метод применяется при определении tпред.

Предлагаемые программы позволяют строить диаграммы для оценки прочности и долговечности труб с дефектами, планирования ремонтных работ на линейной части МТ, а также принятия решения об ограничении давления в трубопроводе.

Для оценки прочности строится диаграмма зависимости предельного давления в трубной секции (pпред, МПа) от глубины дефекта (H, мм) (рис. 1) [14, 15].
Для оценки долговечности строится диаграмма зависимости предельного срока эксплуатации трубной секции (tпред, год) от глубины дефекта (H, мм) (рис. 2 и 3).

Диаграммы на рисунках 1 и 2 построены при помощи представленной в работе математической модели для следующих исходных данных:

• марка стали 17ГС;

• наружный диаметр Dн = 820 мм, толщина стенки  δ = 10 мм, радиус изгиба трубопровода Rизг = 0;

• дефекты коррозионной потери металла на внешней поверхности труб;

• проектное давление pпроект = 6,4 МПа;

• категория участка трубопровода III–IV, коэффициент запаса по прочности трубы kтр = 1,32;

• тип внутритрубного инспекционного прибора – ультразвуковой WM;

• тип грунта – грунт с удельным сопротивлением 20÷50 Ом•м, К11 = 0,028;

• тип антикоррозионного покрытия – пленочная изоляция с удельным сопротивлением 0,1÷10 кОм•м2, К12 = 0,075;

• блуждающих токов нет, К13 = 0.

Диаграмма на рисунке 3 построена для следующих исходных данных:

• марка стали 17ГС;

• наружный диаметр Dн = 820 мм, толщина стенки  δ = 9 мм, радиус изгиба трубопровода Rизг = 0;

• трещиноподобные коррозионно-механические дефекты;

• проектное давление pпроект = 6,0 МПа;

• категория участка трубопровода III–IV, коэффициент запаса по прочности трубы kтр = 1,32;

• дополнительный дефектоскопический контроль;

• скорость развития дефекта принимается Vкорр = 0,8 мм/год.

Так, если геометрические параметры дефекта коррозионной потери металла следующие: длина 500 мм, ширина 500 мм, глубина 4,5 мм, то по диаграмме рисунка 1а определяется, что величина предельного давления равна рпред = 8 МПа при проектном давлении рпроект = 6,4 МПа.

Следовательно, снижать давление в трубопроводе в момент проведения диагностических работ не требуется. Однако, исходя из диаграммы рисунка 2а, имеем, что предельный срок эксплуатации трубопровода с данным дефектом равен tпред = 0,8 лет. Отсюда делается заключение о необходимости проведения ремонта трубы с данным дефектом в срок 0,8 лет (9,6 месяцев) от даты проведения диагностики. 

Выводы

Представленная математическая модель может быть реализована для находящихся в эксплуатации магистральных трубопроводов с коррозионной потерей металла и трещиноподобными коррозионно-механическими дефектами.

Диаграммы зависимости предельного давления в трубной секции (pпред, МПа) и предельного срока эксплуатации трубной секции (tпред, год) от глубины дефекта (H, мм) позволят осуществить оценку долговечности труб с различными видами дефектов для обоснованного планирования ремонтных работ на линейной части МТ без выполнения детализированных расчетов.

На диаграммы зависимости предельного давления (pпред, МПа) от глубины дефекта (H, мм) наносится горизонтальная прямая проектного давления, которая делит диаграмму на две зоны: нижняя (ниже прямой) – зона необходимого ограничения давления в трубопроводе, верхняя (выше прямой) – зона, которая определяет дефекты, не требующие снижения давления на момент проведения диагностики, но в которой могут находиться потенциально опасные дефекты, сокращающие предельный срок эксплуатации трубопровода (рис. 1).

С помощью предлагаемых диаграмм зависимости предельного срока эксплуатации (tпред, год) от глубины дефекта (H, мм) непосредственно определяется величина tпред, при помощи которой планируется срок проведения ремонтных работ на линейной части МТ (рис. 2 и 3).


Таблица 1. Коэффициент K11 учета влияния удельного сопротивления грунта

Table 1. Coefficient K11 to account for the effect of soil resistivity

К11

Агрессивность грунта

Soil aggressiveness

Низкая (>50 Ом.м)

Low (>50 Оhm.m)

Средняя (20÷50 Ом.м)

Mean (20÷50 Оhm.m)

Высокая (<20 Ом.м)

High (<20 Оhm.m)

0,00

0,028

0,133

 

 

Таблица 2. Коэффициент K12 учета влияния удельного сопротивления антикоррозионного покрытия (АКП)

Table 2. Coefficient K12 to account for the effect of corrosion coating resistivity

К12

Тип АКП

Corrosion coating type

Удельное сопротивление АКП, кОм•м2

Corrosion coating resistivity, kOhm•m2

100÷300

50÷100

10÷50

0,1÷0

<0,1

Битумная

Bitumen

0,00

0,003

0,011

0,077

0,198

Пленочная

Film

0,00

0,00

0,008

0,075

0,198

Экструдированный полиэтилен

Extruded polyethylene

0,00

0,00

0,003

0,036

0,198

 

 

Таблица 3. Коэффициент K13 учета влияния блуждающих токов

Table 3. Coefficient K13 to account for the influence of stray currents

К13

Влияние блуждающих токов

Influence of stray currents

Есть

Yes

Нет

No

0,168

0,0

 

 

Таблица 4. Методы ремонта дефектов потери металла линейной части магистральных трубопроводов (на примере магистральных нефтепроводов)

Table 4. Defects repair methods of metal loss of the linear part of main pipelines (at the example of main oil pipelines)

Вид дефекта

Defect type

Параметры дефекта

Defect parameters

Метод ремонта

Repair method

Потеря металла

Metal loss

Глубина 90 % и более толщины стенки трубы; глубина 70 % и более толщины стенки трубы при длине вдоль оси трубы, равной и более 1_1_7.jpg

The depth of more than 90 % of the pipe wall thickness; depth of 70 % or more of the pipe wall thickness with a length of equal to or more along the pipe axis 1_1_7.jpg

Вырезка

Cut out

Глубина от 70 до 90 % толщины стенки трубы при длине вдоль оси трубы до 1_1_7.jpg

The depth of 70 to 90 % of the pipe wall thickness with a length along the pipe axis up to 1_1_7.jpg

Муфта П1

Coupling P1

Глубина до 70 % толщины стенки трубы при длине вдоль оси трубы до (10,5 м ÷ Dн)

The depth of 70 % of the pipe wall thickness with a length along the pipe axis up to (10.5 m ÷ Dн)

Муфта П1

Coupling P1

Глубина до 70 % толщины стенки трубы при длине вдоль оси трубы до Dн

The depth of 70 % of the pipe wall thickness with a length along the pipe axis up to Dн

Муфта П2

Coupling P2

Глубина до 70 % толщины стенки трубы при длине вдоль оси трубы до Dн, дефекты, примыкающие к поперечному сварному шву и расположенные в зоне шириной до (0,75 Dн ÷ 100 мм) в каждую сторону от поперечного сварного шва

The depth of up to 70 % of the pipe wall thickness with a length along the pipe axis up to Dн the defects adjacent the transverse weld seam and located in the area with width up to (0,75 Dн ÷ 100 mm) on each side of the transverse seam

Муфта П5У

Coupling P5U

Глубина до 70 % толщины стенки трубы в околошовной зоне поперечного сварного шва

The depth of up to 70 % of the pipe wall thickness in the heat affected zone of the transverse seam

Муфта П4

Coupling P4

Одиночные дефекты глубиной до 70 % толщины стенки с остаточной толщиной стенки не менее 5 мм и максимальными линейными размерами до 3 с расстоянием между соседними дефектами не менее 4δ

Single defects with a depth of 70 % of the pipe wall thickness with the residual wall thickness of not less than 5 mm and maximum linear dimensions up to 3 with the distance between adjacent defects of not less than 4δ

Заварка

Filling in

Глубина до 30 % толщины стенки с остаточной толщиной стенки не менее 5 мм, площадью не более 2•1_1_7.jpg и длиной не более

The depth  of up to 30 % of the pipe wall thickness with the residual wall thickness of not less than 5 mm, and the area of not more than 2•1_1_7.jpg  and no longer than  

Заварка

Filling in

Глубина до 20 % толщины стенки трубы

The depth of up to 20 % of the pipe wall thickness

Шлифовка

Dressing



Image_035.png


← Назад к списку


im - научные статьи.