автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Методика оценки несущей способности стальной оболочки магистрального газопровода с дефектами по результатам внутритрубной дефектоскопии

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 622.692.407

Конев Алексей Вячеславович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТАЛЬНОЙ ОБОЛОЧКИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА С ДЕФЕКТАМИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВНУТРИТРУБНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Специальность: 05.15.13-Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Тюмень - 1998

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Научный рукоЬодитель

доктор технических наук, профессор В.А.Иванов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Б.П.Поршаков

кандидат технических наук, профессор Ю.Д.Земенков

Ведущее предприятие: Тюменское управление магистральных газопроводов

Защита состоится 26 ноября 1998 г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д 064.07.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.13 "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ " при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул. Володарского 38, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ТюмГНГУ Автореферат разослан октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В.Д.Шантарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации.

В настоящее время природный газ стал основным продуктом не тол обеспечения энергетических потребностей человека, но и ценным химичесь сырьём для многих отраслей промышленности. Доля природного газа во всём сортименте топливно-энергетических ресурсов мира с 1985 по 1990 г. возро на 20%, а по прогнозам учёных в 2000-м году увеличится ещё на 30 - 35%.

Пропорционально этим цифрам наблюдается рост объёмов транспо природного газа по магистральным газопроводам России.

Уже сегодня в России эксплуатируется 138,5 тыс. км магистральных зопроводов, из них диаметром 1420 мм - 50 тыс. км.

Функционирует единая система газоснабжения (ЕСГ), которая характе зуется высокой концентрацией производственных мощностей. По многонит ным газотранспортным системам, проложенным от месторождений Запад! Сибири в Европейскую часть, в едином технологическом коридоре транспор руется до 250 млрд. куб. м газа в год, а на отдельных участках трассы - до ! млр. куб. м под внутренним избыточном давлении 7,5 МПа.

Вместе с тем основные фонды газовой отрасли нашей страны: линей) часть газопроводов и компрессорные станции значительно устарели и нуждаю в реконструкции и модернизации.

По данным РАО «Газпром» объёмы ремонтно-восстановительных ра> на линейной части магистральных газопроводов ( м.г. ) неуклонно растут, а в питальном ремонте нуждается треть эксплуатируемых газопроводов и около из них требует полной замены. При этом в последние годы объёмы восстано тельных работ на м.г. становятся сопоставимыми с объёмами работ по сгр' тельству новых газопроводов.

Статистический анализ аварийных ситуаций на действующих газотранспортных магистралях, выполненный по материалам расследования Главного Управления Госгазнадзора СССР Министерства газовой промышленности за период с 1962 по 1983 г., позволил получить полную реальную картину распреде- | ления среднестатистических значений отказов в процентах с выявлением причин по всем объединениям, транспортирующим природный газ по магистральным газопроводам:

№ Причина отказа Число отказов ( % )

п\п

1 Заводской дефект труб 12 17,4

2 Дефект технологического оборудования 1 1,4

Брак сварочных работ 10 14,5

4 Брак строительно-монтажных работ 8 11,7

5 Нарушение правил эксплуатации газопроводов 2 2,8

6 Наружная коррозия 27 39,2

7 Внутренняя коррозия и эрозия 4 6,0

8 Механические повреждения трубы 1 1,4

9 Нарушения правил испытания газопровода 1 1.4

10 Стихийные бедствия 1 1,4

11 Прочие 2 2,8

12 Всего 69 100

При этом в среднем в год заменено 4539 и.м. труб, затрачено 3029 час. на ликвидацию последствий аварий, потеряно 348 миллионов кубометров газа.

Следовательно, основная доля отказов линейной части газопроводов происходит из-за наличия дефектов в стенке стальной тонкостенной оболочки, коррозионного и эрозионного износа стали на наружной и внутренней поверхностях трубы.

В этой ситуации становится весьма актуальной и приоритетной реше! задачи по определению несущей способности и остаточного ресурса сгалы оболочки магистрального газопровода с локальными или протяженными деф тами в стенке, выявленные в результате контроля её технического состоя ни помощью современных средств диагностики.

Имея полную картину напряженно-деформированного состояния ста ной оболочки в области дефекта, можно оценить её остаточный ресурс и с в временно предупредить аварийную ситуацию либо путем временного сниже! избыточного внутреннего давления газа до уровня напряжений не превышакн го нормативного значения, либо путем проведения ремонтно - восстановите, ных работ на отдельных изношенных участках трассы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке научных ось оценки несущей способности и остаточного ресурса оболочки магистраль!« газопровода с дефектами в стенке по результатам диагностирования её техни' ского состояния и оптимизации системы профилактики конструкции.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решак 'ся следующие задачи:

•выбор эффективных методов и технических средств поиска и опреде; ния координат и пространственной формы дефектов в стенке магистральных 1 зопроводов в процессе их эксплуатации;

•разработка алгоритмов и программ для расчета напряженно - дефорл рованного состояния стальной оболочки газопровода в области коррозионногс эрозионного износа стали при действии эксплуатационной нагрузки;

•исследование механизма упругопластического разрушения стальи оболочки газопровода в области локальных дефектов;

• исследование напряженно-деформированного состояния стальной оболочки газопровода в области дефектов и определение остаточного ресурса частично изношенной конструкции;

•разработка метода определения оптимальных сроков проведения ре-монтно-восстановительных работ в зависимости от величины остаточного ресурса магистрального газопровода. Научная новизна

1. Проведен анализ эффективности современных методов и технических средств диагностирования дефектов в стенке стальной оболочки газопровода. Разработана методика обработки результатов сканирования дефектов и оценка их достоверности.

2. Разработаны алгоритмы и пакет программ на алгоритмическом языке «СИ» для расчёта несущей способности стальной оболочки в области дефекта.

3. Исследован механизм упругопластического разрушения стальной оболочки газопровода в области локальных дефектов.

4. Разработаны методы:

• определения фактического межремонтного ресурса газопровода в зависимости от его реального уровня надёжности по результатам технической диагностики;

• экономической оценки ущерба от возможного отказа конструкции;

• оптимизации системы профилактики линейной части магистральных газопроводов.

Методологические и теоретические основы исследования:

а методы и технические средства диагностирования дефектов в стенке

стальной оболочки магистрального газопровода; □ методика обработки результатов и оценки достоверности диагностирования технического состояния газопровода;

□ теория расчета напряженно-деформированного состояния оболочки зопровода в области протяженных и локальных дефектов при дейсп эксплуатационной нагрузки;

□ теоретические и экспериментальные методы исследования упругоп I стического разрушения стальной оболочки газопровода в области

кального дефекта;

□ методика определения оптимальных сроков проведения ремонт восстановительных работ на изношенных участках трассы газопро дов по критериям надежности и стоимости с экономической оцеш ущерба при отказе конструкции.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты исследований и рекомендаций автора испол! ваны при эксплуатации и реконструкции многониточных газотранспортных с тем Тюменской области, а также в качестве учебно-методических материале учебном процессе специальности 0908 " Проектирование, строительство и плуатация газонефтепроводов, газохранилищ и нефтебаз".

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались и получил! одобрительную оценку наследующих конгрессах, симпозиумах, конференция

1. Международный симпозиум «Workshop on Pipeline Integrity», 21 мая 1996г., г.Тюмень.

2. Международный симпозиум «Магистральные нефтепроводы. Сосго: ние, проблемы, перспективы», 30 октября 1997г., г.Мюнхен.

3. Всероссийская научно-практическая конференция «Тюменская нефт вчера и сегодня», 22 декабря 1997г., г.Тюмень.

4. Всероссийская научно-практическая конференция «Моделирование ехнологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа а основе современных технологий», 20 мая 1998г., г.Тюмень.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа методов и технических средств поиска и сканирования дефектов в стенке стальной оболочке магистральных газопроводов.

2. Методика обработки результатов сканирования дефектов и оценка их достоверности.

3. Численный метод расчета напряженно-деформированного состояния оболочки газопровода на участках имеющих коррозионный или эрозионный износ стали при действии эксплуатационной нагрузки.

4. Механизм упругопластического разрушения стальной оболочки газопровода в области локального дефекта с учетом процесса декомпрессии газа.

5. Методика определения оптимальных сроков проведения ремонтно-восстановительных работ на изношенных участках трассы газопровода по критериям надежности и стоимости.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, двух приложений : текстом программ и условными обозначениями и списка литературы,

включающего 105 наименований. Она содержит 158 страниц машинописного текста, 36 рисунков и 4 таблицы.

Основное содержание работы Во введении показано техническое состояние линейной част] отечественной газопроводной системы, обосновывается актуальность темь диссертационной работы, сформулированы цели и задачи научны: исследований, практическая ценность работы и основные положения i результаты, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и постановка задач научны: исследований» представлен критический анализ отечественной и зарубежно: литературы, посвященной экспериментальным и теоретическим методаи исследования несущей способности стальной оболочки магистральны: трубопроводов с дефектами , в стенке по результатам внутритрубно: дефектоскопии.

Этот анализ позволил выявить пробелы и недостатки научны: исследований, посвященных данной тематике.

Так, несмотря на большие успехи в области диагностировани; технического состояния магистральных трубопроводов, отсутствует материа по новым эффективным методам сканирования дефектов. Нет сопоставления ш глубине поиска дефектов на основе использования современны: неразрушающих методов контроля. Не представлена методика оценю достоверности результатов технической диагностики, нет материала п< определению оптимальных сроков и периодичности производства контрольно диагностических работ, стоимость которых в настоящее время очень большая.

Основной недостаток экспериментальных методов оценки несущей способности трубопроводов с дефектами заключается в том, что они не универсальны. Ведь координаты дефектов, их. пространственная форма и число носят произвольный характер. Поэтому для каждого'конкретного случая образования дефекта, сканированного внутритрубными инспекционными снарядами необходимо изготовить образец, полностью соответствующий геометрическим и физико -механическим параметрам эксплуатирующегося трубопровода, имитировать на нем дефекты, отладить измерительные средства и приборы и затем провести на-турнь»е испытания. Все это требует больших затрат времени и средств. Вот почему и возникает необходимость в разработке аналитического метода оценки несущей способности и остаточного ресурса трубопровода с дефектами, который позволил бы по данным внутритрубной дефектоскопии оперативно оценить реальную картину напряженно-деформированного состояния оболочки в области дефектов любого числа и произвольной геометрической формы.

На основе анализа литературных источников и нормативных документов были сформулированы цель и задачи научных исследований.

Во второй главе «Методы и технические средства диагностирования дефектов в стальной оболочке магистрального газопровода» представлены современные методы диагностирования технического состояния линейной части магистральных газопроводов и подробно исследуются магнитный, электроиндуктивный и ультразвуковые акустические способы поиска и обнаружения дефектов в стальной стенке оболочки.

Сравнительный анализ этих методов, результаты экспериментальных исследований по сканированию дефектов на стальных образцах, а также опыт проведения контрольно-диагностических работ на изношенных участках трассы газопровода показали, что наибольшую разрешающую способность при измерении

степени коррозионного и эрозионного износа стали и при сканировании лок ных дефектов в стенке трубопровода можно получить вихретоковым мето. Он позволяет не только выявлять и определять пространственную форму деф и его размеры в стенке трубы, но и измерять физико-механические свойст: марку стали, степень коррозионного и эрозионного износа, параметров вибрг и перемещений, сплошность изоляционного покрытия и места его отслоени поверхности трубы.

Наибольший эффект при сканировании дефектов в стенке трубопро) достигается, если возбудителем вихревых токов являются катушки индукти сти с переменным током, .образующие проходные параметрические датчик которых сигналом служит приращение комплексного электрического сопро ления стали.

Для анализа результататов сканирования дефектов используются граф ские зависимости (годографы) сигналов проходных датчиков при измене

обобщенного параметра электропроводности стали (3 = О э • ^ • О • Ц и зазс между датчиком и внутренней поверхностью стенки.

Где: Оэ - диаметр эквивалентного контура вихревых токов (м), Г - частота возбуждения вихревых токов (Гц), а - удельная электрическая проводимость стали (Ом/м), р. = 4-71-10"1 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума. Использование вихретоковых и ультразвуковых методов для диагнос технического состояния линейной части магистральных трубопроводов позв ет повысить линейную скорость движения снаряда до 15 метров в секунду, а решающую способность сканирования до 0,12 мм.

Вместе с тем результаты диагностирования технического состояния м стральных трубопроводов, полученные за период с 1986 по 1997 годы фир

«Мреиогпх» на основе использования ультрасканов, показали, что огромное влияние на точность сканирования и разрешающую способность ультразвукового метода, оказывает среда, в которой движется снаряд. Это объясняется тем, что скорость звука в жидкостях в 3-4 раза выше, чем в газовых средах, а диспропорция в значениях звукопоглощательной способности этих сред ещё выше. Вот почему пространство между сенсорами и внутренней поверхностью трубопровода заполняют водой либо отдают предпочтение магнитным и электромагнитным способам сканирования.

Измеренные параметры диагностирования носят случайный характер, поэтому в этой же главе представлен вероятностно-статистический метод обработки результатов измерения. Если в результате этой обработки асимметрия и эксцесс для ряда параметров диагностирования существенно отличаются от нуля, то это свидетельствует об их отклонении от нормального распределения Гаусса.

В этом случае для аналитического описания закона распределения достаточно использовать отрезок ряда Шарлье из трех первых членов ряда. Близость фактического распределения по своему характеру к нормальному легко выявляется путём построения и анализа гистограмм.

Ошибки, возникающие при сканировании дефектов, определяются либо недостаточной надёжностью технических средств диагностики, либо ограниченной их точностью. В первом случае возникают сбои или отказы технических средств измерения, во втором - ошибки первого и второго рода, определяемые законами распределения, принятыми допущениями и погрешностями измерительных систем. Оценка метрологической достоверности параметров диагностирования производится по вероятностным показателям ложного и необнаруженного отказов в зависимости от вероятностей ошибок первого и второго рода по 1 -му параметру, контролируемому техническими средствами диагностики.

Третья глава «Разработка алгоритма и программ для расчёта несущ» способности стальной оболочки газопровода в области дефектов» посвяще! созданию численного метода расчёта напряженно-деформированного состоят (НДС) стальной оболочки газопровода в области дефектов типа «потеря металл! при действии избыточного внутреннего давления газа р.

Если на поверхностях оболочки магистрального газопровода имеются д фекты, глубина и геометрическая форма которых выявляются в результате те нического диагностирования, то первое условие существования безмоментно] НДС (оболочка должна иметь плавную, сплошную поверхность) нарушается и области дефекта при действии осесимметричной нагрузки р к мембранным ус; лиям N1 и N2 неизбежно добавятся изгибающие моменты М„ М2 и перерезывал щее усилие О,, положительное направление которых показано на рис.1.

1

У

Рис.1 Положительные направления внутренних усилий, действующих на гранях бесконечно-малого элемента в области дефекта типа «потеря металла».

В виду осесимметричного воздействия нагрузки на цилиндрическую оболочку газопровода каждая её элементарная полоска (единичной ширины) деформируется в продольном направлении как балка на сплошном упругбм основании с коэффициентом фиктивной постели

К-—, (1)

где: Е - модуль упругости стали,

h(x) - толщина стенки оболочки газопровода в области дефекта,

R - радиус срединной поверхности оболочки.

Влияние соседних полосок друг на друга в окружном направлении оболочки проявляется через коэффициент Пуассона v, который входит в выражение

Eli(x)3

для цилиндрической жесткости оболочки.D(x) =-г-. (2)

12(1-v2)

Следовательно, для расчёта несущей способности частично изношенной стальной оболочки газопровода можно использовать хорошо разработанный математический аппарат теории расчёта балок на сплошном упругом основании. Основной трудностью при этом является выбор метода, который бы позволил производить расчёт неразрезных балок переменной жёсткости при минимальных времени счёта и расходе памяти ПЭВМ.

.Анализ современных численных.методов расчёта позволил остановиться на стержневой аппроксимации задачи, которая дает возможность, меняя жёсткость стержней, моделировать полосы с переменными по длине изгибнмми жест-костями и коэффициентом постели. Предлагаемая стержневая аппроксимация может рассчитываться классическими методами строительной механики. При этом наиболее эффективным и удобным оказалось применение метода сил при

основной системе, представленной на рис.2.

Pm-l | Xm-I Рш IXm Pm+1 | Xm+I

t J ГГ"» rr С - T* с f . h -^ С ,---y

Рис.2 Основная система метода сил для расчета частично изношеннс оболочки газопровода Не останавливаясь подробно на описании этого метода, запишем значе коэффициентов верхнего треугольника получаемой пятичленной матрицы сис мы канонических уравнений в следующем виде:

с ( 1 1 ï 1 { 1 4 , 1

ЗЕ \lm Im+|

R

1

m,m + l

2 2 ■ + ■

свободные члены:

6EIm + 1 bc3 Km+1

1

bc3Km+1 '

(3)

r p 9p P ^

Am-1 m m +1

и:

Кт КшИ/

где ш - порядковый номер уравнения (точки установки упругой опоры с - длина полосы в аппроксимирующей системе ( пролёт балки на у пру оседающих опорах) [м];

с

Ь - ширима полосы |м|;

КП1_|,КШ, К|)) + | - значения коэффициента постели соответственно и И

точках полосы: т-1, т, т+1

м2

Дн-1»^'т' Рт +1 ~ значения сосредоточенной нагрузки соответственно в точках: 111 - 1, ш,ГП + 1[Н].

Записанная верхним треугольником матрица имеет ленточную структуру (ширина ленты Н = 3), что позволяет осуществлять в рамках программы формирование и решение систем канонических уравнений с большим числом неизвестных. С учётом ленточной структуры решение системы канонических уравнений проще всего производить методом Гаусса.

Представление внешней нагрузки в виде ряда сосредоточенных сил позволяет задать любую нагрузку на элементарную полоску. Например, треугольная нагрузка аппроксимируется силами Рт.,, Р„„ Р,„н, а моментная нагрузка - парой сил.

Таким образом, вычислительный алгоритм состоит из следующих этапов: •формирование матрицы коэффициентов системы линейных канонических уравнений метода сил;

•решение этой системы уравнений методом Гаусса; •обработка результатов решения.

Формирование матрицы коэффициентов производится по формулам ( 3 ) и ( 4 ).в виде одномерного массива без записи нулевых значений коэффициентов, что резко сокращает объём памяти, необходимый для храпения матрицы.

Решение системы производится так, что величины неизвестных размещаются в памяти на месте столбца свободных членов, что не требует дополнительного расхода памяти на хранение вектора неизвестных.

В результате решения системы канонических уравнений определяк численные значения неизвестных изгибающих моментов М, в точках устано упругих опор ( рис. 2 ) и, затем вычисляются в этих же точках численные зн: ния перерезывающих сил и отпор со стороны упругого основания q.

Прогиб балки-полоски на сплошном упругом основании (радиальное ремещение оболочки газопровода) определяется по формуле:

(5)

К

а остальные внутренние усилия с помощью зависимостей: хт ЕЬУ/

N0 =-,

К

М2 = уМ,, (6)

1 2

Численные значения продольных и кольцевых напряжений, действуй^ в оболочке газопровода, подсчитываются по формулам:

N. 6М, а, = —'

ь ь' •

N2 , 6М, а2 = —-± -. 2 Ь Ь2

В соотношениях (7) знак «плюс» соответствует наружной поверхносп трубопровода, а знак «минус» - внутренней.

Проверка несущей способности оболочки в области дефекта типа «пот металла» производится по энергетической теории прочности:

аг = т!с* + 02-0,-02 <И1М (8) где: 11,,= 0,9-стт - расчётное сопротивление стали, 0 т - предел текучести стали.

По данному алгоритму расчета составлена программа на алгоритмическом языке «СИ», которая представлена в приложении диссертации.

В четвертой главе «Исследование напряженно-деформированного состояния газопровода в области дефектов» проведен расчет несущей способности стальной оболочки магистрального газопровода в области локального коррозионной язвы на наружной поверхности трубы.

В качестве исходных данных была использована информация, полученная на предприятии «Волготрансгаз» в результате последовательного пропуска в 1993 и 1994 годах через магистральный газопровод 01420x12 мм из стали 17Г1С на сильно обводнённых участках трассы общей протяженностью 477 км дефектоскопов «К^пеБсап Н» фирмы «Пре^ошх».

В процессе прохождения снаряда по газопроводу и производства контрольно-диагностических работ было выявлено 272 дефекта. В основном они представляли собой коррозионные язвы со степенью износа стали от 10 до 70/о от толщины стенки трубы, в том числе на фоне общей коррозии. Наиболее интенсивно были подвержены коррозионному износу нижние участки трубопровода, расположенные в воде, где произошло отслоение изоляции от наружной поверхности трубы.

На рис. 4.1 представлена пространственная форма коррозионного пятна на ¿наружной поверхности оболочки трубопровода, полученная путём обработки бортовой информации дефектоскопа.

Рис.3 Трёхмерное изображение сканированного дефекта

Согласно показаниям одометров средняя скорость сканирования дефе составляла 2,6 м в секунду. Координаты дефекта: в продольном направлю трубопровода от камеры запуска снаряда - 246, 27 м, в окружном направлении верха трубы - 217

Информация по коррозионному износу стенки, а также параметры: г метрические- R = 70 см, h = 2 см, L = 30 см, ©II = 36,63 см; физн механические Е = 192500 МПа, v = 0,3; и внешняя нагрузка р = 7,5 МПа бь введены в исходные данные программы. В результате рассчёта по этой ирогр; ме на ПЭВМ были получены эпюры кольцевых а,, продольных а, и эквивалс ных стг напряжений (рис. 4), а также радиальных перемещений W срединной i верхности в продольном и окружном направлениях оболочки газопровода в i ласти дефекта.

Из рассмотрения этих эпюр видно, как существенно меняется картина и пряженно-деформированного состояния стальной оболочки газопровода в oGjui

ти дефекта. В бездефектной области напряжения и радиальное перемещение постоянны как в продольном, так и в окружном направлениях. В области коррозионного износа-стали они резко возрастают по произвольному закону в зависимости от характера и интенсивности износа стали в коррозионном пятне. При этом происходит существенное повышение интенсивности напряжений и деформаций в изношенной области.

Так, например, величина кольцевых напряжение! в точке коррозионного пятна с координатами х = 105 мм и 0 = 16,5 "достигает 415,5 МПа, что на 7,3 % превышает предел текучести стали, а величина продольных напряжении в этой же точке на 32,6 % ниже кольцевых. Что касается интенсивности эквивалентных напряжений, то их величина на 6,5 % ниже предела текучести стали.

Максимальная величина радиальных перемещений оболочки в области коррозионного износа стали достигает 1,264 мм, что на 25 % выше перемещений оболочки в бездефектной области.

Таким образом, несущая способность стальной оболочки газопровода в области коррозионного износа стали существенно снизилась и, чтобы обеспечить в дальнейшем безопасную эксплуатацию газопровода необходимо прежде всего, уменьшить величину рабочего давления газа до такой величины, при которой напряжения, действующие в области дефекта, не превышали расчётного сопротивления стали. В данном частном случае необходимо понизить величину избы точного давления газа с 7,5 МПа до 5,25 МПа.

Но это лишь временная мера, поэтому в дальнейшем необходимо на этом | участке трассы газопровода провести ремонтно-восстановительные работы.

f

б,1'iP a №0

■n

о

8=16.5°

6max=3.600E>02 MPa

•360 ......

-320. 1 J 1 ^^ 1 I

1 1 i t i

"200; I I i

-160| ! 1 i »

- iio| ! J

i 1 -SO ! \ 1

-40 i i i № 1

lb 30 45 ¿0 75 90 105 120 135 150 165 ISO 135 210 225 240 255 270 265 300

i

■....: I I

: t ■■' ' I

: i I

: ! ось трубопровода \

ФОРМА ДЕФЕКТА В СТЕНКЕ ТРУБОПРОВОДА

■ л, гпгп

ю

рис. 4.6 Эпюра эквивалентных напряжении в продольном направлении

Практические расчёты несущей способности стальных оболочек магистральных газопроводов по разработанной методике показали, что этот метод имеет свои пределы применения. Если максимальные размеры дефекта типа «потеря металла» соизмеримы с толщиной стенки трубы, то несмотря на наличие дефек- ! та, напряженно-деформированное состояние оболочки в его области становится без-

моментным, так как все внутренние усилия моментного напряженного состояния стремятся к нулю.

Дефекты, размеры которых соизмеримы с толщиной стенки оболочки трубопровода, относятся к разряду локальных. Это острые подрезы, микротре- . щины (в том числе волосяные), непровары, неметаллические включения, газовые пузыри, точечная коррозия и т.п. При действии статической экспуатациопной нагрузки локальные дефекты практически не снижают несущую способность оболочки газопровода. Однако при циклическом изменении величины избыточного внутреннего давления газа и особенно при испытании конструкции газопровода на прочность и герметичность этот тип дефектов склонен трансформироваться в трещины, что и приводит к разрыву трубы, а иногда и к хрупкому разрушению, при котором в зависимости от вязкости стали длина разрушенного участка колеблется от десятков метров до нескольких километров.

Кинетика увеличения размеров трещины в стенке стальной оболочки при превышении расчётного (рабочего) уровня избыточного давления газа удовлетворительно описывается дифференциальным уравнением Пэриса-Эрдогана. В результате его интегрирования в пределах изменения размеров трещины от х„ до ' х^ получим следующее выражение для определения числа циклов до разрушения образца оболочки (или достижения ее первого предельного состояния):

N = С0 • ш • (хот - х^) - • (см - аП1!„)]п, (9)

где: С0 и п - постоянные числа, зависящие от физико-механических свойств стали и условий испытаний образцов с трещиной;

СТтах и сг^ - максимальные и минимальные значения напряжений в о< ласти трещины;

^к" функция, зависящая от геометрической формы трещины;

п - 2

ш =-.

п

При достижении критического значения размеров трещины дальнейшее поведение полностью будет зависеть от структуры, физико-механическ свойств стали (особенно вязкости), температуры, скорости деформирования, у ругопластического состояния стали у контура трещины. Обычно в локальной с ласти, прилегающей к вершине трещины, имеет место пластическое течение ст ли, остальная часть металла в области дефекта продолжает деформироваться у руго.

Несмотря на пластическое течение металла у вершины дефекта, пластич екая деформация приводит к двум положительным результатам: во-первых, п| снижении избыточного давления газа после испытания трубопровода на про ность и плотность на давление 1,25 рраб область, в которой развиваются пластич ские деформации, оказывается сжатой сталью, работающей упруго. То есть в круг локального дефекта формируются остаточные сжимающие напряжения.

Во-вторых, при пластическом течении стали у вершины дефекта снижае ся острота его геометрической формы и тем самым и уровень концентрации н пряжений.

Таким образом, стальная оболочка магистрального газопровода в облас: локальных дефектов имеет некоторый остаточный ресурс, несмотря на то, ч'

напряжения в области локальных дефектов выше своих нормативных значений. Этому способствуют воздействие остаточных сжимающих напряжений в пластической области у. устья трещины.

Так как значительная пластическая деформация в вершине вязкой трещины полностью релаксирует концентрацию напряжений, дальнейший процесс распространения вязкой трещины в металле возможен лишь при воздействии внешнего силового импульса. Этот силовой импульс (любого происхождения) может вызвать мгновенный рост трещины с образованием свища, через который газ, аккумулирующий в себе огромную потенциальную энергию, с огромной скоростью вырывается в атмосферу, производя при этом лавинообразное разрушение оболочки газопровода в продольном направлении.

При образовании сквозной трещины в металле газопровода самопроизвольное её распространение вдоль газопровода происходит под действием изгибающего момента относительно вершины трещины

М = (10)

8

где х1р - длина трещины в начальный момент лавинного разрушения трубопровода,

Полигонные испытания труб с локальными дефектами с учётом эффекта расширения газа при разрыве проводились в лаборатории прочности труб ВНИИСТ. Труба или .патрубок достаточной длины заглушивался с обоих торцов днищами.

На поверхность трубы резцом наносился продольный разрез, имитирующий локальный дефект. Глубина и длина дефекта выбирались таким образом, чтобы разрушение оболочки в области дефекта началось раньше, чем кольцевые напряжения в стенке достигнут нижнего предела текучести стали.

Нагнетание сжатого воздуха в трубу производилось компрессором АКС избыточное давление воздуха фиксировалось манометром, температура стали момент разрушения оболочки замерялась термопарами. Скорость распростраг ния трещины в момент разрушения измерялась токопроводящей бумагой, мак; енной на поверхность трубы и по обрыву тензодатчиков.

После разрушения трубы изучался характер разрыва стали и оценивала картина разрушения.

До некоторого критического значения давления газа распространен трещины вдоль трубы носит вязкий Характер. При давлении выше критическо трещина разгоняется на коротком вязком участке, а затем распространяет хрупко с большой скоростью 80-400 м/сек до заглушек испытательного патруб с характерным волновым движением. Причем, чем выше величина закритическ го давления, тем короче участок разгона.

В процессе вязкого разрушения стальной оболочки снижается величи; избыточного давления газа и пропорционально этому скорость декомпресси Следовательно, в одно и то же время идут два противоположных процесса: с о ной стороны, снижение давления впереди вершины трещины уменьшает силов< импульс от расширяющегося газа, что ведет к падению скорости разрушения; другой стороны, снижение скорости декомпрессии нивелирует разницу в скор стях распространения трещины и декомпресии, способствуя тем самым рое-времени разрушения оболочки газопровода.

Несмотря на снижение скорости распространения трещины вдоль труб провода, вязкое разрушение стальной оболочки может продолжаться при дост точно высоком значении усилия от расширяющегося газа на контуре трещины.

Основным сопротивлением лавинному разрушению стальной оболоч! магистрального газопровода является работа пластической деформации в обла

ти, примыкающей к вершине движущейся вязкой трещины. Пластическая деформация характеризуется большим удельным сопротивлением разрушеншо, вследствие высокой динамичности процесса деформирования в вершине вязкой трещины и большой площади области пластического течения стали. Большая площадь пластической деформации впереди вязкой трещины создается не столько концентрацией напряжений, сколько изменением конфигурации тонкостенной оболочки из-за потери устойчивости первоначальной формы равновесия при высокоскоростной пластической деформации.

Потеря устойчивости стальной оболочки у вершины распространяющейся трещины при упругопластической деформации завершается образованием местного утонения (утяжки) стали.

Условие неустойчивого протекания упругопластической деформации з области локального дефекта объясняется тем, что работа внешних сил превышает энергию деформации. Одна часть потенциала внешней нагрузки, заключенной в объёме сжатого газа, расходуется на увеличение энергии изгиба эболочки, а другая - на её выпучивание. В зависимости от соотношения между этими величинами меняется форма выпученной оболочки.

Изменение формы оболочки при потере устойчивости и утонение ;тенки при пластическом течении стали приводит к перераспределению знутренних сил в области локального дефекта, из которых формируются тродольные, кольцевые и касательные напряжения. Причем, чем интенсивнее ггепень выпучивания, тем больше прирост осевых напряжений по сравнению с сольцевыми и тангенциальными. Если величина осевых напряжений февышает предел текучести стали, то в результате пластической деформации )астяжения происходит интенсивное удлинение кромок разрыва. С увеличением деформационной способности стали

возрастают упругопластические перемещения оболочки в области выпучивания и пластическое удлинение кромок разрыва.

Удлинение кромок разрыва при вязком распространении трещины сопровождается гофрением этих кромок в раскрытой разрушением трубе (рис.5). Чем сильнее выражено гофрение кромок разрыва (амплитуда и частота волны гофрированной поверхности), тем выше их пластическая деформация и сопротивление лавинному распространению трещины.

Рис. 5 Незначительное гофрение кромок разрыва при вязком разрушении газопровода 0 720x6,5 мм из стали Х60 с низкой деформационной способностью

В пятой главе «Методика определения оптимальных сроко! проведения ремонтно-восстановительных работ на изношенных участка) трассы магистрального газопровода» представлена экономико-математическа: модель определения оптимального времени начала производства ремонтно восстановительных работ в зависимости от реальных численных значенш уровня надежности и остаточного ресурса конструкции в области дефекта.

Фактическая наработка частично изношенной оболочки газопровода до ремонта определяется по формуле:

1ф = 1н-К1|Р(О, (Н)

где Кш,( I) - статистический коэффициент использования конструкцией газопровода установленного нормативного ресурса 1н.

Он представляет собой отношение средней наработки конструкции к величине установленного ресурса:

|Р(1)с11

КПР(1)= ^-. (12)

Так как все параметры, полученные в результате сканирования дефектов в стальной оболочке магистрального газопровода, носят случайный характер, то согласно первому предельному состоянию конструкции исчерпание её несущей способности наступит при условии если коэффициент запаса (остаточный ресурс)

ш у

(13)

Шу2

где У| - «внутренний» фактор конструкции газопровода, характеризующий прочность стальной оболочки в области дефекта;

У5 - «внешний» фактор условий работы газопровода, характеризующий фактически действующие нагрузки при их наиболее неблагоприятном сочетании и обуславливающий наиболее тяжёлые условия работы конструкции;

шУ| и тУ2 - статистическое математическое ожидание соответственно факторов У, и У2, которые определяются по формулам главы 2.

Надежная работа конструкции газопровода обеспечивается при соблюдении неравенства

У = У,-У2>0 (14) где У - совокупный фактор, являющийся функцией случайны^ аргументов. «

Если в результате статистической обработки данных диагностирова! технического состояния газопровода распределение некоторых показате; имеет отклонение от нормального распределения Гаусса, то для определи уровня надежности газопровода можно воспользоваться отрезком ряда Шарл состоящего из суммы трёх первых членов:

н=Р(1) = 1[1+Ф2(г)] + ^.(р{)|(г)+^-ср{)11(2), (15)

1 6 ¿4

1 Шу К3-1 где: Z =-=-= I ^ ^ •— нормированная случайная ве

'У2 личина;

2 2

Фz(Z) =--е 2 dx— интеграл вероятностей ( функция Лапласа);

2л '

г2 -1 --

Фо(2) =—,— • С 2 - вторая производная от плотности нормально!

42п

распределения случайной величины Ъ\

ш 2М2) --

ф0 (Z) = —---е 2 - третья производная от плотности нормального распределения случайной величины.

Остальные параметры: ту - математическое ожидание, сту - среднеквад] тическое отклонение, Ау- асимметрия, Еу - эксцесс и иу" коэффициент вариац случайного совокупного фактора У определяются по формулам, представленш в главе 2 диссертации.

При нормальном законе распределения совокупного фактора У второй и третий члены ряда (15) стремятся к нулю, поэтому для определения уровня надежности конструкции можно восйользоваться более простой зависимостью:

Если в результате вероятностно-статистической обработки результатов диагностирования технического состояния газопровода и расчета её несущей способности в области дефекта по разработанной методике известны коэффициенты вариации иУ( и 1)у2 случайных факторов У() У2 и нормированная случайная величина Ъ, то из представленных выше зависимостей можно легко получить уравнение для определения реального численного значения коэффициента запаса частично изношенной оболочки газопровода:

Минимальные затраты, требующиеся на восстановление частично изношенной оболочки газопровода, находящегося в! - ом техническом состоянии, • можно вычислить с помощью следующего рекуррентного соотношения:

где: 1 - номер возможного технического состояния конструкции газопровода;

Сп - стоимость реализации п-го решения для производства ремонтно-восстановительных работ;

к - коэффициент приведения затрат к начальному моменту эксплуатации газопровода;

(16)

(17)

С; = тт[С„ + к • ^(п)], (18)

^ (п) - стоимость ремонтно-профилактических работ п-го решения (тех нологии).

Опыт проведения профилактических ремонтов и анализ различных техн логий их выполнения дают возможность провести оценку их стоимости в зависимости от степени износа и масштаба разрушения конструкции газопровода.

Удельную величину затрат на производство профилактических ремонтных работ для ¡-го состояния конструкции газопровода можно определить из уравнения:

С; = Нт{с, -т^О)]} + С2 -т[п2(0], (19)

где: С, - средняя величина убытка при возникновении отказа в конструк ции газопровода;

С2 - стоимость ремонтно-профилактических работ; п,( I) - число отказов за время I;

п2( I) - число ремонтно-восстановительных работ за время I; т - среднее значение математического ожидания при I —> оо.

При известной функции интенсивности отказов ОД на определённом уч стке трассы магистрального газопровода оптимальное значение межремонтной срока Топт определяется путем приравнивания к нулю выражения для первой производной по времени I от удельной величины затрат С| на производство ремонтно-восстановительных работ.

Основные выводы

1. Разработана методика метрологического обеспечения для поиска и сканирования дефектов в стальной стенке подземных магистральных газопроводов. На основе анализа современных методов и средств технической диагностики показано, что для определения координат и пространственной формы дефектов в стенке трубопровода наиболее эффективным в настоящее время является электроиндуктивный метод контроля, основанный на возбуждении вихревых токов в стальной оболочке трубопровода переменным магнитным полем параметрического датчика.

2.Разработаны алгоритмы и пакет программ на алгоритмическом языке «СИ» для оценки несущей способности стальной оболочки магистрального газопровода в области дефекта или группы дефектов типа «потеря металла» по результатам диагностирования её технического состояния.

3.Проведено исследование напряженно-деформированного состояния стальной оболочки газопровода в области коррозионного износа стали по результатам сканирования снарядом «Ультраскан». Показано, что при действии эксплуатационной нагрузки в области коррозионного дефекта на мембранные напряжения накладываются изгибные, величина которых растёт пропорционально степени износа стали.

4.Исследована кинетика распространения трещин от локальных дефектов в стенке газопровода в случае превышения рабочего уровня избыточного внутреннего давления газа. Остаточный ресурс в области локального дефекта оболочки полностью определяется величиной остаточных напряжений в зоне пластических деформаций перед устьем трещины, которые стремятся сжать её кромки и препятствуют дальнейшему распространению трещины.

5. Разработан механизм вязкого разрушения стали газопровода в обла локального дефекта с учетом упругопластической деформации оболочки и М' ной потери устойчивости первоначальной формы равновесия. Процесс вязк разрушения газопровода сопровождается образованием гофр на продолы кромках разрыва за счёт остаточных продольных деформаций под действ! осевых напряжений, превышающих предел текучести стали в области дефекта

6. Разработана математическая модель оптимального планирования монтно - восстановительных работ на изношенных участках трассы газопров по критериям стоимости, надежности и остаточного ресурса конструкции.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих раб

тах:

1. Иванов В.А., Конев A.B. Анализ и обработка ретроспективной информации состоянии трубопровода. Известия Вузов «Нефть и газ» .-Тюмень: ТюмГНГ 1997.-№1.

2. Иванов В.А., Конев A.B. Исследования характера разрушений и рекоменда!. по повышению надежности контроля газопроводов Западной Сибири. Изве тия Вузов «Нефть и газ».-Тюмень: ТюмГНГУ, 1997.-№2.

3. Чемакин М.П., Иванов В.А., Новоселов В.В., Конев A.B. Прогноз эксплуата ционной надежности нефтепроводов Западной Сибири: Тез. докл. симпочиу «Магистральные нефтепроводы. Состояние, проблемы, перспективы»,-MioHxeH:GDMK, 1997.-C.20-23.

4. Ким Д.П., Конев A.B., Спиридонова O.A. Использование результатов дефек скопни трубопровода: Тез. докл. конф. «Тюменская нефть- вчера и сегодня» Известия Вузов «Нефть и газ».-Тюмень:ТюмГНГУ, 1997.-№6.

5. Чемакин М.П., Конев A.B. Система переаттестации объектов транспорта нефти: Тез. докл. конф. «Тюменская нефть- вчера и сегодня». Известия Вузов «Нефть и газ».-Тюмень:ТюмГНГУ, 1997.-.№6.

6. Конев A.B., Маркова JI.M., Власенко И.В. Сопротивление магистральных газопроводов коррозионным повреждениям от блуждающих токов: Тез. докл. конф. «Тюменская нефть- вчера и сегодня». Известия Вузов «Нефть и газ».-Тюмень:ТюмГНГУ, 1997.-№6.

7. Мухаметкулов В.А., Конев A.B., Маркова Л.М. Сопротивление газопроводов коррозионным повреждениям от блуждающих токов : Тез. докл. конф. «Энергосбережение при освоении и разработке северных месторождений ЗападноСибирского региона».-Тюмень, 1997.-е.

8. Чемакин М.П., Конев A.B., Симонов В.В. Рекомендации по выводу трубопровода в ремонт. Известия Вузов «Нефть и газ».-Тюмень: ТюмГНГУ, 1998.-№3

Подписано в печать 19.10.98 г. Тираж 100 экз. Заказ 48 Отпечатано в ОВП института "Нефтегазпроект" 625019, г. Тюмень, ул.Республики, 209