автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Совершенствование методов повышения безопасности трубопроводов сероводородсодержащих месторождений

004603467

На правах рукописи

ЧИРКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 3 СЕН 2010

Уфа-2010

004608467

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научный консультант

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кушнаренко Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич

доктор технических наук, доцент Ревазов Алан Михайлович

доктор технических наук Худякова Лариса Петровна

Ведущая организация ООО «Волго-Уральский научно-

исследовательский и проектный институт нефти и газа» (ООО «ВолгоУралНИПИгаз»)

Зашита состоится «15« октября 2010 года в !5°° часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан » _ 2010 года.

Ученый секретарь совета

Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в России эксплуатируется несколько десятков тысяч километров трубопроводов, построенных в период с 1970 по 1980 год. Длительные сроки и непрерывно изменяющиеся параметры эксплуатации трубопроводов, отдельные свойства транспортируемых сред способствуют увеличению количества повреждений в металле труб, которые в свою очередь могут привести к аварийным отказам трубопроводов (в том числе и с возникновением пожаров) с негативными воздействиями на окружающую среду и значительным экономическим потерям. Присутствующие в составе продукции Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ОНГКМ) сероводород и диоксид углерода имеют повышенную агрессивность, вызывают язвенную коррозию, сероводородное растрескивание и водородное расслоение металла, приводящие к существенному снижению безопасности эксплуатации трубопроводов. Продление срока безопасной эксплуатации трубопроводных систем является важнейшей задачей нефтегазовой отрасли.

Своевременная диагностика, всеобъемлющий мониторинг, капитальный ремонт и реконструкция, а также принципиально новые, научно обоснованные технические, технологические и организационные решения позволяют перевести трубопроводы в возобновляемые безопасные системы с продлением срока службы.

Внутритрубная дефектоскопия (ВТД) в сочетании с электрометрией и другими методами контроля позволяют реализовать концепцию реконструкции трубопроводов по техническому состоянию.

Изменение состояния металла трубопроводов при длительной эксплуатации определяет необходимость оценки дефектности металла и работоспособности труб. Для вновь сооружаемых и реконструируемых трубопроводов существующие нормы дефектности металла обеспечиваются соблюдением установленной технологии изготовления, в то время как для трубопроводов, выработавших нормативный срок эксплуатации, актуальным становится вопрос о замене выявленных дефектных участков. Дальнейшая безопасная эксплуатация трубопроводов с дефектными участками возможна при условии получения обоснованных оценок их потенциальной опасности, а, следовательно, работоспособности и расчетного остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.

Для принятия решений о выборе мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации и оценке остаточного ресурса трубопроводов необходима дополнительная информация о дефектах, то есть, их идентификация - определение природы дефектов (коррозия, механическое повреждение, металлургическое расслоение, структурная неоднородность, водородное расслоение и др.) и их геометрических параметров. Идентификация дефектов металла труб проводится при компьютерном анализе результатов ВТД и проверяется при дополнительном диагностическом контроле в шурфах. Однако, с целью снижения трудоемкости, основное количество выявленных дефектов необходимо идентифицировать исключительно при компьютерном анализе результатов ВТД. Обследование дефектов в шурфах экономически

целесообразно применять для подтверждения потенциальной опасности только тех дефектов, которые оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства металла трубопровода. В связи с этим, определение характерных признаков для идентификации выявленных дефектов металла труб, создание методик оценки их потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов является актуальной проблемой для предприятий, эксплуатирующих трубопроводы.

Несмотря на большой объем опубликованных исследований в области обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов с дефектными участками, много вопросов остается малоизученными и требуют дальнейшего решения. Идентификация дефектов металла труб и сварных соединений, разработка новых методов оценки потенциальной опасности участков трубопроводов с различными дефектами, восстановление несущей способности трубопроводов без остановки перекачки продукта, прогнозирование остаточного ресурса, являются актуальной проблемой обеспечения безопасности трубопроводов.

Цель работы: повышение безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:

- анализ причин отказов и дефектности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды,

- разработка методики идентификации дефектов по данным внутритрубной дефектоскопии;

- определение механизма развития повреждений и потенциальной опасности дефектов формы труб и разработка метода контроля повреждений металла трубопроводов;

- выбор критериев оценки потенциальной опасности дефектов утонение стенки труб и участков трубопроводов с объемными дефектами в сварных соединениях;

- разработка моделей приведения несплошностей металла к дефектам утонение стенки труб и оценка их потенциальной опасности;

- разработка методик и оборудования для лабораторных и стендовых коррозионных испытаний образцов, труб и запорной арматуры;

разработка технологических методов повышения безопасной эксплуатации трубопроводов;

- разработка системы балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ на интенсивность их отказов.

Методы исследований: Поставленные задачи решены с использованием: положений теории прочности и коррозионнсй стойкости металлов и сплавов; теории надежности и экспертных оценок; положений теории подобия и математического моделирования физических объектов и процессов; методов статистического анализа результатов Е>ТД, наружного контроля и экспериментальных исследований элементов трубопроводов; металлографических исследований. Окончательная оценка предлагаемых

научно-технических решений проводилась по результатам стендовых и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы:

- разработана методика идентификации дефектов трубопроводов по качественным признакам, позволяющая отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, и повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов;

- установлено, что в процессе эксплуатации стальных трубопроводов в течение 25 лет в сероводородсодержащей среде основной металл труб сохраняет исходную феррито-перлитную структуру; в области металлургических дефектов количество водородных расслоений увеличивается по экспоненциальному закону, в области технологических дефектов кольцевых сварных соединений возникают трещины, ударная вязкость КСи^0 металла труб снижается на 26-33 % по сравнению с исходной;

- разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки трубы на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. Получена регрессионная логарифмическая зависимость разрушающего давления в водородных расслоениях металла стенки трубы от площади повреждения. Разработаны модели приведения внутренних дефектов к утонению стенки трубы;

- установлена зависимость изменения скорости распространения акустических волн в металле труб от величины пластической деформации при развитии малоцикловой усталости металла, на основе которой разработана методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопровода с дефектами формы;

- уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами, введен коэффициент снижения прочности сварного шва кс в интервале значений 1,5...2,0 при определении разрушающего давления, и разработана методика оценки потенциальной опасности объемных дефектов кольцевых сварных соединений, позволяющая обосновать условия безопасной эксплуатации участков трубопроводов, содержащих дефектные сварные стыки;

- разработана физическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке и обжатии упругой камерой напряженной муфты, и выведена формула для определения оптимального обжимающего давления сварной муфты;

- создана вероятностная модель технического состояния и проведено ранжирование потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие определить сроки ее плановой замены и повысить безопасность эксплуатации трубопроводов;

- разработана система балльной оцгнки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и определена зависимость интенсивности отказов участков трубопроводов от соответствующих значений баллов, что дает возможность обосновать объемы и сроки проведения ремонта дефектных участков трубопроводов для повышения безопасности их эксплуатации.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработаны и внедрены в УЭСП ООО «Газпром добыча Оренбург» методика и стенд для проведения испытаний дефектных участков трубопроводов, позволяющие определить потенциальную опасность дефектов, необходимость и сроки проведения ремонта, а также заменить общее испытание трубопровода при продлении его срока безопасной эксплуатации;

- разработана методика оценки поврежденное™ металла дефектных участков трубопроводов при циклических деформациях с прогнозированием их остаточного ресурса, используемая при проведении экспертизы промышленной безопасности трубопроводов;

- предложены технологические методы повышения безопасности эксплуатации дефектных участков трубопроводов путем применения: входного контроля трубных изделий; импортозамещаемой отечественной запорной арматуры; эффективных ингибиторов коррозии; технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами.

Основные положения разработанных методик включены в: СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний стало'! и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением»; СТО 0-13-28-2006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии», СТО 0-0322-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».

Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил: в 2005 г. - 18 миллионов рублей, в 2007 г. - более 7 миллионов рублей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика идентификации дефектом трубопроводов, выявленных внутритрубной дефектоскопией;

- методика оценки акустическими волнами величины накопленной поврежденности металла труб с дефектами формы при мапоцикловом нагружении;

- экспоненциальная зависимость увеличения количества водородных расслоений в области металлургических дефектов металла труб в процессе эксплуатации трубопроводов;

- модели приведения внутренних дефектов металла труб к дефектам утонение стенки;

- методика оценки потенциальной опасности дефектов металла труб и сварных соединений и прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов;

- методика натурных испытаний труб и запорной арматуры;

- модель технического состояния запорной арматуры;

- модель напряженно-деформированного состояния металла ремонтируемых участков трубопроводов муфтой, обжимаемой упругой камерой;

- система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и зависимость, устанавливающая соответствие между балльной оценкой участков трубопроводов ОНГКМ и интенсивностью их отказов.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на конференциях и семинарах: «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (Всероссийская НТК, г. Оренбург, 1995 г.); «Проблемы диагностирования и оценки остаточного ресурса оборудования и трубопроводов, работающих в сероводород-содержащих средах» (Международный научно-технический семинар ОАО Газпром, г. Оренбург, 1997 г.); Ш-й Международный конгресс и выставка «Защита - 98» (г. Москва, 1998 г.); «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Всероссийская НТК, г. Орск - 1998, 2000, 2002 г.г.); «Научно-технические решения по повышению эффективности ингибиторов коррозии» (НТС, г. Москва, 2000 г.); «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащрх сред» (Международная НТК, г. Оренбург, 2000 г.); «Диагностика трубопроводов» (3-я Международная конференция, г. Москва, 2001г.); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Российская НТК, г. Оренбург - 2004, 2005 г.г.); «НеразруЛ1 аюший контроль и техническая диагностика в промышленности» (7-я Международная выставка и конференция, г. Москва, 2008 г.); «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (МТК ОрГТИ, г. Орск, 2008 г.); «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (МНТК ОАО «Газпром», г. Оренбург - 2002, 2004, 2006, 2007, 2008 г.г.); «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Третья МК ИМЕТ РАН, г. Москва, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 91 научном труде, в том числе: монографии - 2, статей - 39 (в Т:Ч. в изданиях Перечня ВАК - 17), патентов на изобретения - 7.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований и приложения. Работа изложена на 349 страницах машинописного текста, содержит 192 рисунка и 67 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность вопросов диссертационной работы. Сформулированы цель и основные задачи исследований, связанные с определением эксплуатационных свойств металла труб и повышением безопасности эксплуатации трубопроводог., имеющих участки труб с различными дефектами. Обоснованы научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации и внедрении результатов. Дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ условий эксплуатации и причин отказов трубопроводов, осуществлена систематизация возможных дефектов металла труб, дано описание существующих методов оценки технического состояния и работоспособности трубопроводов, транспонирующих сероводородсодЁржа-щие нефтегазовые среды.

Теория оценки работоспособности металла труб и разработка научных основ обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов связана с именами ведущих ученых: Абдуллина И.Г., Басиева К.Д., Березина B.JI., Ботвиной JI.P., Бугая Д.Е., Гареева А.Г., Гумсрова А.Г., Гумерова P.C., Зорина Е.Е., Иванцова О.М., Коршака A.A., Ревазова A.M., Чабуркина В.Ф., Черняева К.В., Kiefner J.F., O'Grady Т.J., Thomas J. и др. Особенности обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводород-содержащие среды, отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Гафарова H.A., Генделя Г.Л., Иванова С.И., Кушнаренко В.М., Макаренко В.Д., Митрофанова A.B., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др.

Анализ опыта более чем 25-летней эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ позволил установить, что основными причинами отказов являются: сероводородная коррозия (утонение стенки труб) и водородное расслоение металла труб; сероводородное растрескивание деталей и сварных соединений трубопроводов; охрупчивание уплотнительных элементов запорной арматуры.

Оценка дефектности металла трубопроводов проводится различными методами диагностики. Наиболее эффективным методом диагностики трубопроводов на сегодня является ВТД. Для проведения ВТД применяют два основных метода - ультразвуковой и магнитный, последний позволяет контролировать сварные соединения. При проведении ВТД трубопроводов ОНГКМ выявлено более 80 тысяч дефектов различного типа, из которых более половины недопустимы согласно требованиям действующих нормативных документов (НД).

Одним из условий безопасной эксплуатации трубопроводов является наличие методик и НД, регламентирующих нормы оценки дефектности металла труб. В известных методиках и НД рассматриваются дефекты геометрии, дефекты наружной и внутренней поверхностей труб, в то время как основное количество дефектов, превышающих требования НД, это неметаллические включения, расслоения в стенках труб и дефекты сварных швов. В НД дефекты, как правило, делятся на допустимые и недопустимые. В то же время для

основной массы дефектов необходима экспертная оценка их потенциальной опасности с целью определения ресурса безопасной эксплуатации дефектных участков трубопроводов. Итоговую оценку нагруженности трубопровода с дефектными участками или степени потенциальной опасности дефекта могут дать расчетно-экспериментальные исследования.

Выявленные дефекты формы труб - вмятины и гофры не уменьшают толщину стенки трубопровода и величину статического разрушающего давления, но создают в металле высокую концентрацию напряжений. Под действием переменных нагрузок в области вмятин и гофр накапливаются повреждения, уменьшается пластичность металла, и могут возникать трещины. Существует немало перспективных приборов определения свойств и дефектности металла труб, основанных на акустических методах неразрушающего контроля. Поэтому представляется актуальной разработка методики неразрушающего контроля металла труб с дефектами формы.

В настоящее время идентификация технического состояния линейной части трубопровода сводится к анализу данных ВТД, наружного контроля и оценки потенциальной опасности дефектных участков. ВТД не фиксирует дефекты запорной арматуры, а неразрушающий контроль при наружном диагностировании запорной арматуры позволяет определить дефектность только корпусных деталей и не выявляет дефекты других элементов: седел, затвора, сальников, штока и трубок. Например, после 25-летней эксплуатации на ОНГКМ вследствие негерметичности затвора выходит из строя до 72% общего количества запорной арматуры, что свидетельствует об актуальности оценки дефектности и потенциальной опасности ЗА.

Трубопроводы ОНГКМ эксплуатируются в сложных условиях, характеризуемых широким диапазоном режимов работы, температуры, давления, скорости движения и агрессивности сред, наличия и свойств ингибиторов. При оценке остаточного ресурса работы ТП необходимо четко представлять воздействие основных факторов и количественно определить изменение в этих условиях коррозионно-механических свойств металла ТП.

При реконструкции и замене дефектных участков трубопроводов ОНГКМ актуально проведение входного контроля для определения соответствия материалов и изделий требованиям НД. Отбраковка при входном контроле некачественных изделий позволит повысить безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

Ингибиторная защита - широко распространенный метод противокоррозионной защиты трубопроводов на сероводородсодержащих месторождениях. Применяемые на ОНГКМ ингибиторы коррозии обладают недостаточным защитным эффектом в наиболее коррозионно-опасных участках трубопроводов, где скапливается влага. Замена этих ингибиторов коррозии на более эффективные позволит свести к минимуму процессы сероводородной коррозии, наводороживания, водородного и сероводородного растрескивания металла труб и, следовательно, повысить безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

Для повышения безопасности эксппуатации дефектных участков трубопроводов осуществляются реконструК1 (ионные работы. Существующие методы ремонта труб имеют ряд недостатков остановка перекачки продукта, (в большинстве случаев), сложность технологии ремонта и его высокая трудоемкость, отсутствие специальной оснастки и материалов, отрицательное воздействие сварки на напряженно-деформированное состояние (НДС) и структуру металла ремонтируемого участка трубопровода, отрицательное влияние приваренных к стенке конструкции элементов, как концентраторов напряжений. Экономически целесообразен ремонт трубопроводов без остановки перекачки продуктов, что возможно с использованием специальных муфт. Разработка эффективной технологии установки муфт на дефектные участки с созданием разгружающих напряжений на дефектном участке трубопровода для увеличения безопасности эксплуатации является актуальной.

На основе проведенного анализа определены цель и основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика качественной идентификации дефектов металла трубопроводов по данным диагностического контроля. Основными дефектами (более 50% по результатам ультразвуковой ВТД) являются металлургические дефекты: неметаллические включения, металлургические расслоения (закаты, плены. плоско раскатанные расслоения, ликвационные зоны и т.д.) и металлургические утонения стенки трубы (уменьшение толщины стенки, раковины).

Неметаллические включения представляют собой нарушение сплошности металла внутри стенки трубы. Сульфидные включения имеют вытянутый ступенчатый вид. Оксиды встречаются в большинстве случаев в виде мелких, почти сферических частиц. Сульфиды легкоплавкие и при кристаллизации металла группируются, как правило, по срединной линии сечения листового проката (рисунок 1). Эти включения часто имеют большую протяженность (более 200 мм), а иногда распространяются на всю длину трубы.

НК №. , Ж -Ж ...... . г 1 Хяяшт* . *

НН » ¡¡¡¡Р Ж Шт И ■ «г. - р ж 1 1 1

■■ВВНВНВЮЗВИИШНб

■НИИ1 щ| х50 к ' 3 х200

Рисунок 1 - Неметаллические включения з металле трубы 0 720x22 мм,

ТО-28 РЯ 73

В металле трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, плоские расслоения, грубая полосчатость и неметаллические включения при определенных условиях (застойная зона, наличие жидкости, отсутствие или неэффективность ингибирования) сорбируют водород на некогерентных границах с матрицей с образованием опасных водородных расслоений.

Установлено, что при длительной эксплуатации трубопроводов в области металлургических дефектов металла труб происходит образование эксплуатационных водородных расслоений, причем этот процесс протекает интенсивнее на участках трубопроводов с застойными зонами или в металле трубопроводов, находящихся в консервации. Периодическая ВТД позволяет контролировать параметры эксплуатационных расслоений и проводить ремонт на участках трубопровода, которые приобрели признаки развитых водородных расслоений.

Результаты металлографических исследований макро- и микрошлифов, вырезанных из различных участков труб, позволили установить, что основные водородные расслоения возникают в области ликвационных зон и состоят из нескольких соединившихся между собой макрорасслоений, являющихся результатом объединения межкристаплитных микрорасслоений. Зарождение водородного растрескивания (расслоения) происходит по цепочкам оксидов, силикатов, оксисульфидов, сульфосиликатов (рисунок 2); присутствие крупных скоплений неметаллических включений определяет наличие в металле труб структурных аномалий - локально деформированных зон (рисунок За), инициирующих зарождение и развитие водородного растрескивания; развитие водородного растрескивания происходит по структурным аномалиям и имеет преимущественно межкристаллитный характер (рисунок 36).

На основании анализа многочисленных данных ВТД, наружного контроля и результатов металлографических исследований дефектного металла труб разработана методика идентификации дефектов металла трубопроводов, позволяющая установить отличительные признаки дефектов.

Рисунок 3 - Макроструктура (а) и микроструктура (б) металла трубы

0 720 х 22 мм, ТО-28 БЯ 73, в зоне водородного растрескивания Эксплуатационные водородные расслоения (рисунок 4) имеют: по контуру основного дефекта ступенчатые расслоения, приближающиеся к внутренней или наружной поверхностям трубы; следы общей или локальной коррозии в виде общего или локального утонения стенки трубы; в случае протяженных водородных расслоений более 100 мм возникают разрушения стенки трубы над центральной частью расслоения.

Рисунок 2 - Панорама водородного растрескивания металла трубы 0 720 х 22 мм, ТО-28 БЛ 73. хЮО

Рисунок 4 - Водородное расслоение: а - ступенчатые расслоения, приближающиеся к внутренней поверхности трубы; б - изображение по результатам ВТД г области водородных расслоений

Для неметаллических включений при просмотре В-скана ультразвуковой ВТД в продольном сечении характерным является прерывистая потеря донного сигнала. Металлургическими расслоениями считается дефект, в области которого не наблюдается донный сигнал более чем на 100 мм, и отсутствуют следы коррозии со стороны внутренней поверхности трубы.

Закаты имеют наибольшую длину, как правило, вдоль трубы. Они могут выглядеть как параллельные поверхности трубы дефекты металла стенки, в этом случае они похожи на расслоения. В области наклонных расслоений в металле стенки трубы возможны плотные включения, расположенные в одной плоскости, но к краю обязательно наблюдается выход к поверхности (рисунок 5).

Е1э Кип 2СРЕ тип Ко. ЭЭ32 Тие ГаЬ 23 :2.1сI 20С

Рисунок 5 - Металлургический закат:

а - фрагмент дефекта; б - В-скан ВТД вы сода дефекта к поверхности

При анализе данных ВТД установлено, что в течение пяти лет (между двумя диагностированиями) в металле трубопроводов ОНГКМ происходит увеличение эксплуатационных дефектов (рисунок 6, пример сканов, которые демонстрируют изменение параметров расслоений). Эти изменения подтверждаются и результатами металлографических исследований металла дефектных участков трубопроводов.

а) б)

Рисунок 6-Образование водородных расслоений в области неметаллических включений в металле трубы 0 720x20 мм, Ти/28-ВМЗ-75: а) результаты ВТД 1995 года; б) результаты ВТД 2000 года

Для определения характера изменения количества эксплуатационных расслоений за пятилетний период между обследованиями проведена математическая обработка данных ВТД. Построен график прироста количества эксплуатационных расслоений за эти периоды и подобрана соответствующая графику аппроксимирующая экспоненциальная функция (рисунок 7).

Рисунок 7 - Зависимость прироста количества водородных расслоений от продолжительности эксплуатации трубопроводов ОНГКМ: * - данные ВТД

Прирост количества эксплуатационных дефектов, образующихся при наводороживании металла на участках трубопровода с металлургическими дефектами сплошности металла труб, происходит по экспоненциальному закону <31 =3,32е0,021 (рисунок 7, кривая 1). Проведение внутритрубной дефектоскопии с периодичностью в 5 лет позволяет выявить трубы с водородными расслоениями и обосновать проведение ремонта участков трубопроводов, имеющих водородные расслоения длиной более 200 мм,

остальные оставить в подконтрольной эксплуатации. Тогда фактическое изменение количества эксплуатационных расслоений аппроксимируется экспоненциальной зависимостью СЬ=2,О8е0'С2' (рисунок 7, кривая 2).

На основе анализа результатов металлографических исследований и механических испытаний установлено, что после 25-летней эксплуатации структура основного металла труб и сварных соединений соединительных трубопроводов практически не изменилась по сравнению с исходной структурой. Прочностные и пластические характеристики металла труб, ударная вязкость имеют значения не ниже минимальных нормативных требований ТУ. Твердость металла труб, бывиих в эксплуатации, не превышает 20 HRC, однако, происходит уменьшение на 26-33% ударной вязкости КСЦЦо металла трубопроводов ОНГКМ при эксплуатации в сероводородсодержащих средах (рисунок 8) по сравнению с исходной ударной вязкостью, указанной в сертификатах. Ударная вязкость металла труб по TU/28-BRD-75 и TU-28 FR 73 практически приблизилась к минимальным значениям требований ТУ, что свидетельствует о снижении остаточного ресурса этих труб (рисунок 8).

Разработанная методика идентификации дефектов трубопроводов позволяет установить характерные признаки дефектов, отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, а также, с учетом структурно - физического состояния металла, повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и значительно сократить количество ремонтируемых дефектных участков труб без снижения уровня безопасной эксплуатации трубопроводов.

55 .ОС

KCU=60-0,12*t-0,023*tz +0,00032't3

Rz=0,919

TU-28 FR 73

40,00 года

30.00

60,00'

^KCU=69.3-0,09*t—0.0334*+D.00046*!1

R -0.932

Vo

"i

TU/28-BRD-75

0.00

30,00

40,00 года г<00 10'00 20'(

Рисунок 8 - Изменение ударной вязкости КСи.40 металла труб ОНГКМ

при эксплуатации

40,00

В третьей главе приведена методика оценки потенциальной опасности трубопроводов с дефектами формы и определения их остаточного ресурса безопасной эксплуатации.

Участки с дефектами формы труб, создающими высокую концентрацию напряжений (вмятины, гофры, несплошности основного материала и сварного соединения), являются потенциально опасными и под действием циклически изменяющегося давления могут привести к потере работоспособности трубопроводов вследствие возникновения трещин.

Общепринято считать, что трубопроводы испытывают 300 циклов нагружений в год. Для уточнения этого создана база данных режимов нагружения внутренним давлением пяти наиболее нагруженных трубопроводов ОНГКМ (период оценки - три года). С помощью разработанной программы автоматизированного подсчета эквивалентных циклов нагружения по годам и статистической обработки результатов уточнены значения фактического числа нагружений трубопроводов ОНГКМ (36, 49, 57 и 73 циклов в год при доверительной вероятности 0,90, 0,95, 0,98 и 0,99 соответственно). Учет реального количества циклов нагружений при определении остаточного ресурса позволяет существенно сократить количество вырезаемых участков труб с дефектами формы.

С целью определения несущей способности дефектных участков труб с дефектами основного металла и сварных соединений при циклических и статических нагрузках разработана методика испытаний и создан стенд (рисунок 9). В процессе стендовых испытаний дефектных труб, вырезанных из трубопроводов, проводят их циклическое нагружение давлениями: 200 циклов нагружения с размахом изменения давления Рцик=РнРаб (от 0,1Рнраб до 1,1 РнРаб)-Затем продолжают циклические нагружения с размахом изменения давлений: Рцнк=1,25РНр,б ~ 125 циклов; Рцик = 1,5РНраб - 85 циклов; Рцик=1,75РНраб- 60 циклов; РЦик=2,0РНраб- 40 циклов. Суммарное эквивалентное число циклов нагружений с размахом изменения давления Рцик=Рнраб составляет 1000 циклов. Если не произойдет разрушение испытуемой трубы, то дальнейшим подъемом давления доводят трубу до разрушения с фиксацией разрушающего давления Рразр.

Для оценки потенциальной опасности дефектов формы труб, основного металла и сварных соединений трубопроводов проведены испытания шестидесяти девяти труб с диаметрами от 377 мм до 1020 мм.

Рисунок 9 - Стенд для натурных испытаний труб с дефектами

На основе анализа геометрии вмятин на трубопроводах установлено, что отношение длины вмятины к ее глубине находится в диапазоне значений от 8 до 15. Форма вмятин плавная и имеет различную кривизну, описываемую некоторыми радиусами. Предложена модель вмятины для установления НДС и коэффициента концентрации напряжения в металле трубы (рисунок 10). Поверхность вмятины в продольном сечении с писывается тремя окружностями одинакового радиуса R, последовательно сопряженных между собой и с образующей трубы. Согласно результатам исследований, глубина вмятин h принята равной R/8, тогда, при длине вмятины L, ее глубина h равна А/2л/31, а радиус кривизны

Расчет НДС металла трубы с вмятиной производился методом конечных элементов (МКЭ) по программе «АРМ Win Machine». При одних и тех же размерах длины вмятины концентрация напряжений увеличивается при увеличении глубины вмятины. При этом длина вмятины, при неизменной глубине, на значение К„ влияет незначительно.

К,

А

/ S s / „%• • *** *

12 3 4

D/t=25 D/t=50 ■ D/t=100

h/D, %

Рисунок 10 - Модель вмятины и график зависимости концентрации напряжений от отношения глубины вмятины к диаметру трубы

Полученные значения коэффициента концентрации напряжений от глубины Ь вмятины при различной толщине стенки трубы используются для установления ресурса в циклах Мц трубопроводов по критерию зарождения трещин малоцикловой усталости:

ГГ 1 12,2

^ = \'{ХП\^~£т) К£ч'а)\ ' 0) где епл - исходная (накопленная) деформация при изгибе стенки трубы; £ц - деформация за один цикл нагружения; п - коэффициент запаса долговечности, принимается равным 6; а - коэффициент концентрации напряжений при наличии дополнительного дефекта в области вмятины (гофра).

Величина исходной (накопленной) деформации определяется расчетным путем в зависимости от геометрии вмятины и количества циклов нагружения. Для уточнения £пл проведены исследования и предложена методика определения накопленной поврежденности по изменению скорости прохождения акустической волны. Установлена зависимость (ДтЛ°имп)=5'еШ1 изменения скорости распространения акустических волн от величины пластической деформации металла в области дефектов формы труб из стали 20.

Согласно разработанной методике рассчитан остаточный ресурс труб с вмятинами и гофрами, подвергнутых гидравлическим испытаниям. Полученные расчетом по методике определения остаточного ресурса значения участков трубопроводов с дефектами формы труб зависят от вида дефекта и его геометрических размеров. С уменьшением радиуса кривизны дефекта формы труб уменьшается остаточный ресурс безопасной эксплуатации участков трубопроводов с вмятинами и гофрами.

В четвертой главе приводится методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса безопасной эксплуатации участков трубопровода с дефектами утонение стенки труб и с кольцевыми сварными соединениями, содержащими объемные дефекты.

К настоящему времени известна система критериев и запасов прочности, отраженная в НД и гарантирующая безопасную эксплуатацию объектов при соблюдении заданных условий эксплуатации. Прочность трубопровода обеспечивается, если фактический коэффициент запаса прочности N1 превышает допустимый коэффициент запаса Мдо„, регламентируемый НД. Фактический коэффициент запаса прочности N1 определяется расчетом и/или уточняется по результатам натурных гидроиспытаний N1= Рраз/ Р„г5.

В процессе эксплуатации трубопровода происходит уменьшение коэффициента запаса прочности К, . Это изменение характеризует различные состояния объекта, и может быть оценено функцией желательности Харрингтона на пяти интервалах с равновероятностным попаданием в каждый интервал, имеющих качественные показатели: высокий, хороший, удовлетворительный, пониженный и низкий. Значение коэффициента запаса прочности для трубопроводов, имеющих припуск на коррозию, можно оценить тремя допустимыми интервалами: первый - высокий, когда при эксплуатации сохраняется припуск на коррозию, второй - хороший - выбирается припуск на коррозию, третий - удовлетворительный - выбран припуск на коррозию, и трубопровод подлежит ремонту. При этом сохраняется достаточный запас по прочности - два интервала. Эксплуатация трубопровода с пониженным коэффициентом запаса прочности запрещается, но эксплуатация может быть продлена, если ведется мониторинг за техническим состоянием дефектного участка. Состояние дефектного участка трубопровода характеризуется тремя состояниями: неопасное, потенциально опасное, опасное.

Исходя из вышеуказанных оценивающих интервалов, коэффициент запаса прочности для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, составляет для: неопасных дефектов Н,>КД0П; потенциально опасных 0,6-КДОП +0,4< К1<МД0П; опасных дефектов 0,6-МДОП +0,4.

Функция 0,6-N^ +0,4 позволяет установить границу интервала и применима к любому значению N„on , то есгь устанавливаемый предельный фактический коэффициент запаса всегда будет больше единицы.

Все дефекты, выявленные в результате внутритрубной дефектоскопии, подразделяются на три категории в зависимости от природы происхождения и запаса прочности: опасные; потенциально опасные; неопасные.

Опасные дефекты - требуется ремонт в кратчайшие сроки. Для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, опасными (недопустимо снижающими безопасность) являются дефекты с остаточной толщиной стенки трубы менее 40% от толщины стенки и с запасом прочности относительно разрушающего давления меньшим, чем для потенциально опасных дефектов.

Потенциально опасные дефекты - дефекты, не входящие в категорию опасных, однако размеры которых превышают требования действующих НД. Для участков трубопроводов с такими дефектами требуется наружное обследование и ремонт в плановом порядке.

Неопасные дефекты - не снижается безопасность эксплуатации трубопроводов и не требуется наружное обследование и ремонт. К ним относятся утонения стенки труб, допустимые требованиями НД, а также внутренние металлургические дефекты.

Оценку потенциальной опасности дефектов утонение стенки трубы проводили гидроиспытаниями сероводородсодержащей средой NACE. Испытывали в течение 720 часов при давлении РНраб трубы диаметром от 57 до 377 мм из стали 20, применяемые для строительства трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазоконденсатные среды. Затем, перед проведением испытаний до разрушения на трубе создавали утонения - лыски и надрезы. По центру искусственных дефектов труб наклеивали тензодатчики. Значение отношен ия давления текучести металла в области лыски к давлению в области надреза (Рл/Рн) представляет собой коэффициент концентрации напряжений К„ в остаточном слое металла надреза. Среднее значение Ка, равное 1,385, услозно определяет потенциальную опасность дефектов типа локальных месанических или коррозионных повреждений, расположенных по линии вдоль оси трубопровода, например, группы точечных коррозионных язв, по отношению к общей коррозии, имеющей тот же линейный размер вдоль оси трубопровода.

Гидроиспытания натурных образцов труб сероводородсодержащей средой позволили уточнить потенциальную опасность нетрещиноподобных дефектов и сопоставить величины разрушающих давлений с расчетными значениями. Проведенные коррозионно-механические испытания труб позволили обосновать применение модифицированной методики института Баттелля (стандарт B31G) для определения потенциальной опасности нетрещиноподобных дефектов трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды.

Окружные напряжения Sp (МПа), которые могут вызвать разрушение участка трубопровода, имеющего дефект, находят по формуле

Sp = S [(A, - A)/(A0 - ЛАГ"1)] , (2)

где S'- напряжение текучести, соответствующее появлению пластического течения и разрушению в вершине дефекта (на основании проведенных экспериментальных исследований для трубопроводов, контактирующих с наводороживающими средами, предлагается S' принимать равным пределу текучести материала - S=сгТтЫУ, А - площадь дефекта или повреждения в продольном (осевом) сечении дефектного участка трубы (А = L'h - для протяженных механических повреждений, а также для всех повреждений трубопроводов, транспортирующих коррозионные среды), мм2; А0 - исходная площадь продольного сечения поврежденного участка трубы (А0 = L t), мм2; L -длина повреждения стенки трубы в осевом направлении, мм; h - глубина поверхностного повреждения стенки трубы, мм; t - номинальная, определенная по сертификатным данным или толщинометрией на бездефектном участке, толщина стенки трубы, мм. Коэффициент «М» Фолиаса в работах Kiefner J.F., O'Grady T.J., Thomas J. определяется:

M = jl + 0,6275• L1 ¡(D■ t)-0.003375Z,4/(D■ tf для L<j50D-t; M =0,032L2/(D-f) + 3,3 для L>-j5QD-t. (3)

где D - номинальный наружный диаметр трубы на дефектном участке, мм. Расчетное разрушающее давление дефектного участка трубопровода определяют по известной формуле

Pp=2Sp-t/(D-2t). (4)

Допустимое рабочее давление поврежденного участка трубопровода с учетом (3) и (4) нами предлагается рассчитывать по формуле р _ 0 / N<)on f(D — 2t ))S (Aq—А)

Рд= А^мг1 ' (5)

где Naon - проектный коэффициент запаса прочности. При расчете трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, проектный коэффициент запаса прочности определяют по формуле

Лдоп =crrmin 1(*н\ аН =ИК -оутт' (6)

где аи - допускаемое номинальное напряжение с учетом транспортировки трубопроводом сероводородсодержащих сред, МПа;

пк — коэффициент снижения допускаемых напряжений, равный 0,4; 0,5 или 0,6 в зависимости от состояния металла и категории участка трубопровода.

В случае нескольких дефектов, если расстояние между ними не превышает длину наименьшего из дефектов, их рассматривают как один дефект, а за глубину принимают глубину наибольшего из них.

Экспресс оценку прочности дефектных участков трубопровода проводят на ЭВМ, при этом строят графики допустимых размеров дефектов трубопровода, позволяющие принимать оперативные решения о мерах по дальнейшей эксплуатации трубопровода, а также осуществляют классификацию дефектов данного трубопровода в зависимости от области их расположения на графиках (рисунок 11).

Прямая I представляет собой припуск на коррозию и ограничивает зону 1 проектных условий эксплуатации трубопровода. График II ограничивает размеры дефектов с проектным коэффициентом запаса прочности М1=1\тдоп относительно разрушающего давления. График III получают при М1=0,8МдОп+0,2. График IV получают при коэффициенте запаса прочности N1, ограничивающем предельные размеры потенциально опасных дефектов (горизонтальный участок графика соответствует глубине дефекта, равной 60% от толщины стенки трубы). График V строят при размерах дефектов, способных вызвать разрушение трубопровода при рабочем давлении (N,=1).

Рисунок 11 - Пример графического представления областей параметров дефектов с различной степенью потенциальной опасности

Горизонтальные участки графиков II, III, ограничивающие предельную глубину дефектов в областях 2 и 3, получают переносом точки А с графика IV (в месте, соответствующем 60% от толщины стенки трубы) на графики II, III.

В зависимости от области расположения параметров дефектов по данным ВТД на поле графиков (рисунок 11) определяют условия дальнейшей эксплуатации или необходимость ремонта дефектных участков трубопровода: область 1 - припуск на коррозию, проектные условия эксплуатации трубопровода; область 2 - допустимое состояние эксплуатации трубопровода, содержащего допустимые дефекты в условиях, обеспечивающих эффективную электрохимическую и ингибиторную защиту; область 3 - участок трубопровода содержит потенциально опасные дефекты и подлежит ремонту (если дефект находится ниже тонкой линии графика III, делящего область 3 на две области, ремонт проводится в плановом порядке; если дефект находится выше тонкой линии графика III - ремонт проводится в течение года); область 4 - участок трубопровода содержит опасные дефекты и подлежит ремонту в кратчайшие сроки (внеплановый ремонт).

В случаях необходимости эксплуатации трубопровода с потенциально опасными или опасными дефектами, расположенными в 3-ей или 4-ой областях, проводят расчет и, согласно результатам расчета, снижают давление в дефектном участке трубопровода.

Определяющими для расчета кольцевых сварных соединений с дефектами, приводящими к утонению стенки трубы, являются осевые напряжения от внутреннего давления и изгиба. Результаты малоцикловых гидроиспьгтаний труб с кольцевыми сварными швами, имеющими непровары до 45% толщины стенки труб, бывших' в эксплуатации с коррозионными средами более 25 лет, позволили установить, что зарождение трещин и дальнейшее разрушение труб происходит не по сварным соединениям, а по основному металлу вдоль образующей трубы по цепочке язвенной коррозии глубиной до 20% толщины стенки труб. Это объясняется как напряженным состоянием металла труб, так и тем, что трубопроводы ОНГКМ смонтированы из труб, изготовленных из "мягких" сталей типа стали 20 с твердостью меньше 20 HRC. Металл сварных соединений этих трубопроводов с послесварочной термообработкой по своим физико-механическим свойствам близок к основному металлу и имеет твердость ниже 20 HRC.

С учетом результатов проведенных натурных испытаний труб с кольцевыми сварными швами, имеющими дефекты, предлагается уточнить формулу для расчета значения коэффициента Фолиаса, приняв его более интенсивно изменяющимся:

Moh =\ + 0,26(LJяО)+41(1,/юУ -59(Lv/xDj (7)

у

где L0 - длина дефекта (повреждения) кольцевого сварного шва, мм; Расчетное разрушающее давление Ррсп от осевых напряжений определяется по формуле

P^=4(Sp-a„,)-t/(D-kJ, (8)

где: кс - коэффициент ослабления прочности сварного шва, значение принимается в интервале 1,5...2,0 в зависимости от точности определения размеров дефекта; c2b - напряжения в металле труб от изгиба, которые зависят от значения нагрузки или определяются радиусом кривизны трубы на основании данных приборного обследования положения трубопровода. Напряжения от изгиба трубы определяют по формуле

"а = Е -D/2R. (9)

Радиус кривизны оси трубопровода определяется на основании замеров в местах наибольшего изгиба трубы. Замеряют с точностью 0,1 мм прогиб трубы h„ изогнутого участка трубопровода на длине L„ (рекомендуемая база 5 диаметров трубы). Вычисляют радиус R кривизны трубы по формуле

« = 0,5-Jh* + 0,25• L„2/cosarctg{0,5L Ih). (10)

Допустимое рабочее давление Рд в участках трубопроводов с нетрещиноподобными дефектами в кольцевых сварных швах предлагается рассчитывать по формуле

^~Ar(l+0,26(lj7dj)+4l{Ll^D}-59(1,1 xDfy * J

Все нетрещиноподобные дефекты сварных кольцевых соединений труб, аналогично дефектам утонение стенки трубы, подразделяются на три категории

в зависимости от природы происхождения и запаса прочности: опасные, потенциально опасные, неопасные. Оценка потенциальной опасности проводится по формулам (7... 11) с учетом формулы (2).

Остаточный ресурс безопасной эксплуатации трубопроводов определяется значением интервала развития размеров дефектов из области 2 в область 3 до линии графика III (Ni=0,8N,on+0,2) на рисунке 11. На основании расчета максимально допустимой глубины дефекта Ьш 1л, соответствующей графику III (рисунок 11), и установленной ВТД глубины hL; дефектов, остаточный ресурс Тост трубопровода определяется по формуле

Тост~ min {(Ьш u -hu)/ amixy}. (12)

На основании анализа результатов ВТД ряда трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащье среды, установлены зависимости изменения максимальной скорости корросии металла труб атаху от времени развития дефектов (рисунок 12) при доверительной вероятности 0,95.

0,5

4

1 0,4

2

^ 03

со

о

D.

О,

§ 0,2

g

а o,i

о '

5

0,0

О 5 10 15 20 25 30 35 40 года

Рисунок 12 - Изменение скорости коррозии металла труб от времени развития дефектов

Уточнение максимальных скоростей коррозии металла труб позволило более точно определить остаточный ресурс дефектных участков трубопроводов, обосновать объемы и сроки проведения ремонта при обеспечении необходимого уровня безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

В пятой главе рассматриваются методы оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов с дефектами несплошности металла стенки труб.

Одним из основных видов повреждений трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащле нефтегазовые среды, являются расслоения, которые возникают под юздействием давления водорода, скапливающегося в дефектах структуры сталей. Согласно литературным данным, величина давления, развиваемого молизованным водородом внутри расслоений, составляет по одним источникам 15...20 МПа, по другим - от 102...104 МПа до 105... 107 МПа. Существенное различие в теоретических и практических оценках величин давления водорода в расслоениях металла труб

обусловливает актуальность уточнения реальных давлений. Для определения величины реальных давлений водорода в расслоениях стенки труб разработана методика, позволившая по результатам гидроиспытаний натурных темплетов с расслоениями в основном металле труб диаметром 720x18 мм и диаметром 377x14 мм с учетом расчетных данных: оценить значение давления, которое создается в полости расслоения; выявить факторы, от которых зависит значение этого давления; установить, что сварной шов является не «слабым звеном», а силовым элементом, тормозящим развитие расслоений в стенке трубопровода. Полученная зависимость величины разрушающего давления внутри расслоения стенки труб от площади этого расслоения приведена на рисунке 13. Данная зависимость позволяет определить предельные площади расслоений для трубопроводов с различными рабочими давлениями.

25

- экспериментальные данные;

- уточненные данные;

- логарифмическая зависимость

15 —

ю

Ркрит= 33,4-3,2 Ln(S)

40 О

S , см

Рисунок 13 - Зависимость критических (разрушающих) давлений в расслоениях от размеров (площади в плане) этих расслоений

Расчетное значение Ркр1П. в полости развитых расслоений с вздутием предлагается находить по формуле

Р =<7 х(Д" + Д«-)х| , МПа, (13)

' крит г У R xR

где tHap - глубина залегания расслоения от наружной поверхности стенки трубы, мм;

аос, аок - осевые и окружные напряжения, достигающие величины от в момент разрушения стенки трубы в области водородного расслоения (BP);

RoC ; R0K - средние радиусы кривизны в осевом и окружном направлении BP:

%

Roc = 0,5, А2 +

/eos

arctg

2 h

где h - высота вздутия расслоения на длине 1,ос вдоль оси трубы.

11™= 0,51) • 81п(4„ / О) /яЫ 2 • амА

£>■5 ЩЦ^Ю)

(15)

где Ьок - длина вздутия по номинальному диаметру Б поверхности трубы, на которой проводились измерения ВР, мм.

Экспериментальные значения критического давления Ркрит в расслоении без вздутия согласуются с расчетными значениями, определенными по формуле предельного состояния с развитием пластических деформаций для плоской панели с жесткозакрепленными кромками.

Вышеизложенный подход к оценке потенциальной опасности дефектов утонение стенки достаточно прост и нагляден и применен для несплошностей металла стенки труб: неметаллические включения и их скопления, металлургические расслоения, закаты, пле чы, эксплуатационные водородные расслоения, которые могут иметь трехмерную структуру. При оценке потенциальной опасности несплошностей металла труб, и соответственно, безопасности эксплуатации данных дефектных участков трубопроводов, в качестве расчетного размера используется величина проекции прямоугольной зоны несплошностей на плоскость, перпендикулярную поверхности вдоль оси трубопровода. Согласно результатам гидроиспытаний труб с расслоениями длиной более 0,2 диаметра трубы, оценка высоты дефектного слоя металла в стенке трубы высотой прямоугольного слоя поврежденного расслоением, ведет к значительному занижению (более чем 1,5 раза) расчетного разрушающего давления по отношению к фактическому разрушающему давлению. Несмотря на то, что окружные напряжения от внутреннего давления в два раза выше, чем осевые напряжения, на разрушение будут влиять как перепад глубины дефектного слоя по окружности трубы, так н перепад в сечении по образующей трубы. Если перепад глубины несплошности в сечении вдоль оси трубы существенно больше перепада глубин по окружности, то разрушение стенки трубы может произойти в окружном направлении под действием осевых напряжений. С целью учета обоих механизмов разрушения и уточнения коэффициента запаса вводится процедура приведения расчетной глубины несплошности. Модель приведения и определения толщины дефектного слоя металла стенки трубы с несплошностями (металлургическими расслоениями, закатами и плотными неметаллическими включениями, с размерами в плане свыше 0,2 диаметра трубы) приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Протяженная несплошносгь (Ь>0,2Э) и модель приведения ее к дефекту утонение стенки трубы

Согласно результата vi натурных испытаний, при расчете разрушающего давления в трубе от окру кных напряжений толщина приведенного дефектного слоя принимается равной наибольшему перепаду расположения несплошности по окружности трубы h„: и половине перепада расположения несплошности вдоль трубы hM:

Если протяженный металлургический закат (Ь>0,Ю) выходит на наружную поверхность трубы на длине 1вос вдоль оси трубы (транспортируемый продукт не проникает в расслоение стенки трубы), то разрушающее давление з 1висит только от толщины приведенного дефектного слоя. Металл со стороны внутренней поверхности трубы несет часть нагрузки от давления совместно с наружным слоем металла /ост, что оценивается работой в долях (1 - (1вос/Ь). Толщина приведенного дефектного слоя металла стенки трубы И„р:

При протяженном металлургическом закате (Ь>0,20), выходящем на внутреннюю поверхность трубы на длине Ье,ос вдоль оси трубы (транспортируемый продукт проникает в расслоение стенки трубы), разрушающее давление определяют глубина и длина по окружности дефектного слоя металла трубы. Напряжения По продольному сечению стенки трубы с расслоением распределяются неравномерно. Находящийся со стороны внутренней поверхности трубы металл стенки трубы до расслоения -внутренний слой металла несет часть нагрузки от давления совместно с остаточным наружным слоем металла 10СТ - металл стенки трубы от расслоения до наружной поверхности трубы. Расчетами МКЭ объемной модели участка трубы с расслоением получена зависимость коэффициента Кг (отношение напряжений во внутреннем слое металла к напряжениям во внешнем слое металла расслоения) от длины расслоения по окружности трубы Ц (рисунок 15). Чем меньше длина расслоения по окружности, тем больше приходится нагрузки на внутренний слой металла стенки. При достижении длины заката по окружности значения, равного диаметру трубы, во внутреннем слое металла возникают значительные изгибающие моменты. Работа внутреннего слоя металла стенки трубы согласно рисунку 15 (пунктирная линия) оценивается (1-Ь/О). Толщина приведенного дефектного слоя металла стенки трубы с закатом, выходящим на внутреннюю поверхность трубы:

h,,P= hOK+0,5-h,

(16)

Кр= Кк+^ос-0,5Ьж (1 - te.0JL).

(17)

при 0,2D< 2Lf<D; при LV>D.

Kf

а

Ф и

О - результаты испытаний труб с металлургическими расслоениями

о.;

х - результаты испытаний труб с водородными расслоениями

V

• - расчетные значения Kf по методу МКЭ

о

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 £/£)

Рисунок 15 - Зависимость концентрации напряжений в металле стенки трубы с расслоением от диины расслоения

При наличии дефекта с признаками вс дородного расслоения необходимо учитывать вероятность его вскрытия со стороны внутренней поверхности трубы с повреждением слоя металла трещиной до 1/3 длины расслоения. Но далее при этом, согласно результатам гидроиспытаний дефектных участков труб с водородными расслоениями, внутренний слой металла несет часть нагрузки от давления совместно с бездефектным слоем металла /ост. Чем меньше длина расслоения по окружности, тем больше приходится нагрузки (до 70%) на внутренний слой металла стенки (рисунок 15). При достижении длины расслоения по окружности до половины диаметра трубы возникают значительные изгибающие моменты на внутреннем слое металла и его восприятие нагрузки от давления значительно снижается. Толщина приведенного дефектного слоя металла стенки трубы с водородным расслоением:

Величину допустимого рабочего давления в дефектных участках трубопровода и оценку потенциальной опасности дефектов - несплошности металла трубы, приведенных к дефектам утонение стенки, определяют по формулам (2...5). Согласно результатам расчетов на прочность протяженность Lv расслоений глубиной hOK по окружногти трубы с толщиной стенки t ограничивается:

hOK<0,2t, при этом L9 не должна превышать 1/6 длины окружности;

0,2t < hOK<0,4t, при этом Lv не должна превышать 1/12 длины окружности.

Прогнозирование развития изолированных расслоений или области взаимодействующих расслоений осуществляется на основе опытных данных периодического УЗК за изменением размеров расслоений в процессе эксплуатации трубопровода. При сохранении условий эксплуатации трубопроводов ОНГКМ увеличение линейных размеров устойчиво

при 0,2D<L(p<D/2; при Ly>D/2.

(19)

развивающихся расслоений достигает 3...5 мм в год.

Для получения графического представления параметров дефектов трубопроводов, оценки их потенциальной опасности и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов разработана компьютерная программа «СТО».

В шестой главе рассматриваются технологические методы повышения безопасности эксплуатации трубопроводов. Приведены разработанные методики и оборудование для проведения входного контроля труб, деталей трубопроводов и арматуры, гидроиспытаний изделий коррозионной средой и оценки эффективности ингибиторов, модель технического состояния запорной арматуры, технология ремонта трубопроводов муфтами; система балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов на интенсивность их отказов.

Входной контроль является основным методом определения качественных характеристик материалов и изделий при реконструкции и замене опасных дефектных участков трубопроводов ОНГКМ. С учетом литературных данных и многолетнего опыта проведения контроля разработана методика входного контроля изделий, которая определяет порядок, объем и виды контроля, применяемые при входном контроле арматуры, труб, соединительных деталей и материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия серо во дородсо держащих сред. Анализ результатов входного контроля изделий и выявленных замечаний позволил установить основные причины отбраковки: отклонения геометрических параметров от требований НД; дефекты поверхности; повышенная твердость материала и несоответствие сертификату изделия. Отбраковка при входном контроле изделий, не соответствующих требованиям НД, позволяет повысить безопасность эксплуатации строящихся и реконструируемых участков трубопроводов ОНГКМ. Информирование представителей предприятий-изготовителей изделий о выявленных замечаниях позволило устранить большинство из них при поставке труб и деталей трубопроводов.

При эксплуатации старых и строительстве новых трубопроводов, оценке их остаточного ресурса работы необходимо определение эффективности противокоррозионных мер и определение эксплуатационных свойств новых и бывших в эксплуатации основного металла и сварных соединений трубопроводов. Основное требование к методикам испытаний состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств и характеристик металла трубопроводов. Для коррозионных испытаний материалов при постоянной нагрузке разработана установка простой конструкции с малыми габаритами и массой с дифференциальным рычажным нагружателем (рисунок 16, а). Каждый узел нагружения установки обеспечивает поддержание постоянной нагрузки до 50 кН (с погрешностью значения в течение длительного времени не более ±1,5%) для четырех последовательно соединенных образцов, помещенных в ячейки с коррозионной средой. Создан также стенд (рисунок 16, б) для исследования коррозионно-

механических свойств сталей труб, отработки технологии сварки и оценки эффективности ингибиторов коррозии в отытно-промышлеиных условиях. В 16-ти камерах, имеющих качательное или вращательное движение, моделируются различные режимы течения сред и могут применяться как реальные промысловые жидкие среды, так и специальные модельные. Стенд позволяет испытывать одновременно 32 сэорки образцов в ингибированных или неингибированных коррозионных средах при давлении до 5,0 МПа и температуре +5°С ...+50°С.

Рисунок 16-Оборудование для коррозионно-механических испытаний:

а) установка с дифференциальными рычажными нагружателями; б) стенд для испытаний материалов в огытно-промышленных условиях

Безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ обеспечивается при соответствующем уровне ингибиторной защиты и соблюдении регламентированных параметров эксплуатации. На созданных установках и стенде апробирована методика определения и оценки свойств ингибиторов коррозии для различных рабочих сред в лабораторных и опытно-промышленных условиях. Установлены наиболее эффективные ингибиторы коррозии, применение которых позволит свести к минимуму процессы коррозии внутренней поверхности труб и исключить наводороживание, а также водородное и сероводородное растрескивание металла труб, а, следовательно, повысить безопаагую эксплуатацию трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды.

Если замена дефектного участка трубопровода нецелесообразна, то на трубе устанавливается специальная муфта. Разраоотано и запатентовано нажимное устройство, обеспечивающее равномерное прилегание накладываемой муфты по всему периметру трубы и создающее регулируемые разгружающие напряжения в стенке ремонтируемого участка трубопроводе!. Это достигается тем, что в корпус устройства, состоящего из двух частей, соединенных между собой, установлена упругая камера со штуцером для заполнения жидкостью под давлением (рисунок 17). При проведении ремонта на трубу 5 предварительно устанавливают полуцилиндры муфты 6, затем на них устанавливают части корпуса устройства 1 с упругой камерой

3. Части корпуса устройства центрируют и стягивают с помощью шпилек 2, далее в упругую камеру через штуцер 4 подают жидкость от ручного насоса до расчетного давления, которое фиксируют по показанию манометра. После достижения необходимого давления в упругой камере 3 полуцилиндры муфты 6 сваривают между собой продольными швами 5 по всей длине устройства. Далее снимают давление в упругой камере 3, ослабляют шпильки 2 и устройство сдвигают вдоль полуцилиндров муфты на следующий участок, где описанную операцию повторяют.

Необходимый уровень результирующих кольцевых напряжений в дефектной стенке трубы после установки муфты определяется, исходя из условия равнопрочности получаемой конструкции, по формуле

Р -Я

а = • . (20)

Разработана модель НДС ремонтируемой трубы запатентованным способом, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварные швов, возникающие при постановке напряженной муфты, и предложена формула для определения оптимального обжимающего давления муфты:

; " -ЧРряй'П+РосГ-'г)-- -:

ч

а-!*,, - - И„ )/ Г 4 )

где Ррб - рабочее давление в трубопроводе, МПа; Р^ - остаточное давление в ремонтируемом трубопроводе, МПа; - эквивалентная остаточная толщина стенки трубы, мм; (2 - толщина муфты, мм; Я „-наружный радиус трубы, мм; К.,-внутренний радиус трубы, мм; Е - модуль упругости материала трубопровода, МПа; Ь' - длина распространения зоны «краевого эффекта», мм; а - длина участка приложения обжимающей нагрузки на муфту вдоль оси трубопровода, мм; Г - коэффициент трения при скольжении муфты по трубопроводу; Ее - средние относительные деформации трубопровода

от тепловой усадки сварного шва муфты; - результирующие кольцевые напряжения в стенке трубопровода после установки муфты, МПа Сравнение данных, полученных расчетным и экспериментальным методами, подтвердило приемлемость разработанной методики расчета для определения НДС при создании разгружающих напряжений в стенке ремонтируемой трубы. Эффективное разгружение стенки трубопровода достигается при давлении обжатия более 2,0 МПа. Ремонт трубопроводов предлагаемым способом, выполняемым без остановки перекачки транспортируемого продукта, позволяет сократить стоимость работ на 30% по сравнению с отечественными и зарубежными методами ремонта трубопроводов.

Безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ определяется также техническим состоянием запорной арматуры, большая часть которой выходит из строя после 25-летней эксплуатации. Для оценки технического состояния запорной арматуры создана база данных и предложена модель вероятности отказа запорной арматуры от срока ее эксплуатации, разработана программа «АгтаШга» и проведено ранжирование по степени потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие идентифицировать техническое состояние запорной арматуры трубопроводов и запланировать ее своевременную замену.

Рисунок 17 - Ремонт дефектных участков трубопроводов напряженными муфтами: а) схема устройства; б) расчетная схема установки муфты; в) расчетная схема равновесия элементов трубы и муфты.

при доверительном вероятности 0,8 _ ^ при доверительной вероятности 0,9 ♦

^ -- ~ - А.

. < * 1

л

' ♦ » Я , ... -" ~ * в »

■ ♦ ♦ ► Г""-, 'а" "ш" 19 я

Годы

Рисунок 18 - Медианная и квантильные кривые изменения количества отказов трубопроводов ОНГКМ по годам

Выше отмечено, что при проведении ВТД фиксируется множество дефектных участков. Для определения первоочередности ремонта дефектных участков трубопроводов разработана система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и установлена зависимость связи значений факторов и интенсивности отказов трубопроводов. На основе анализа статистики отказов трубопроводов ОНГКМ и результатов экспертной оценки значений группы факторов Гр, применительно к соединительным трубопроводам ОНГКМ выделено девять групп факторов влияния с указанием относительного «вклада» каждой группы в суммарную статистику отказов с помощью весового коэффициента. Значения групп факторов и количество факторов влияния в группе определяется индивидуально для каждого трубопровода на основании анализа опыта эксплуатации и результатов экспертной оценки. Величина балльной оценки непостоянная и определяется при каждом расчете суммированием действия группы факторов с учетом значений их составляющих.

Среднее значение балльной оценки .Рп=3,5 получено из минимальных

(^1шш=2,3) и максимальных (/^^=4,8) значений, учитывающих количество отказов трубопроводов ОНГКМ (рисунок 18). Для оценки соответствия между балльной оценкой технического состояния участка трубопровода и реальной интенсивностью отказов предложено соотношение:

Л )//?„+1), (22)

где X - средняя интенсивность отказов трубопроводов ОНГКМ;

К - коэффициент приведения балльной оценки к интенсивности отказов, определяется по формуле

К=(1 ■- /Д™) кт,пт(23) где 2п;11 и Л^ - максимальная и минимальная интенсивности отказов трубопроводов ОНГКМ;

^шпш и ^„ж - максимальная и минимальная балльные оценки технического состояния участков трубопроводов ОНГКМ.

Таким образом, для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, при расчете значения интегрального коэффициента, устанавливающего во сколько раз локальная интенсивность отказов на участке Х„ отличается от среднестатистической для данной трассы X, средняя балльная оценка принимается постоянной и равной 3,5 и вводится коэффициент пересчета балльной оценки к интенсивности отказов. Используя разработанную систему балльной оценки и результаты периодической ВТД, можно снижать интенсивность отказов участков трубопроводов до уровня ниже среднего значения при оптимальном объеме ремонтных работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ опыта более чем 25-летней эксплуатации трубопроводов ОНГКМ позволил установить, что основными причинами отказов являются: сероводородная коррозия (утонение стенки) и водородное расслоение металла труб; сероводородное растрескивание деталей и сварных соединений трубопроводов; охрупчивание уплотнитель пых элементов запорной арматуры. До 72% от общего количества запорной арматуры выходит из строя вследствие негерметичности затвора.

2. Разработана обоснованная результатами исследований и подтвержденная данными применения в практике оценки реальных производственных объектов методика идентификации дефектов трубопроводов по качественным признакам, позволяющая отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, и повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов.

3. Установлено, что в процессе эксплуатации стальных трубопроводов в течение 25 лет в сероводородсодержащгй среде: основной металл труб сохраняет исходную феррито-перлитную структуру; в области металлургических дефектов количество водородных расслоений увеличивается по экспоненциальному закону, в области технологических дефектов кольцевых сварных соединений возникают трещины, ударная вязкость КСи.« металла труб снижается на 26-33 % по сравнению с исходной.

4. Разработана, основанная на зависимости изменения скорости распространения акустических волн в метатле труб от величины пластической деформации при развитии малоцикловой усталости металла, методика оценки потенциальной опасности дефектных участков труб с дефектами формы и определения с применением уточненной формулы Коффина-Менсона остаточного ресурса, позволяющая обосновать сроки проведения ремонта для повышения безопасности эксплуатации трубопроводов.

5. Разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. Получена регрессионная логарифмическая зависимость разрушающего давления в водородных расслоениях металла стенки трубы от площади повреждения. На основании результатов испытаний труб и расчетов доказана правомочность применения данного подхода к оценке потенциальной опасности дефектов - несплошности металла стенки трубы по разработанным моделям их приведения к дефектам утонение стенки.

6. Уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами и введен коэффициент снижения прочности сварного шва кс = 1,5-^-2,0 при определении разрушающего давления. Разработана методика оценки потенциальной опасности объемных дефектов кольцевых сварных

соединений, позволяющая обосновать условия безопасной эксплуатации участков трубопроводов, содержащих дефектные сварные стыки.

7. Созданы методика и оборудование для проведения натурных испытаний труб, учитывающие условия циклического нагружения трубопроводов и позволяющие оценить степень потенциальной опасности дефектов трубопроводов, а также определять сопротивление сталей сероводородной коррозии в лабораторных и опытно-промышленных условиях и создать замкнутый цикл аттестации и промышленной апробации сварочно-монтажных и ингибиторных технологий.

8. Создана вероятностная модель технического состояния запорной арматуры, разработана программа и проведено ранжирование по степени потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие идентифицировать техническое состояние запорной арматуры трубопроводов и спланировать ее замену. Разработана компьютерная программа для получения графического представления параметров дефектов трубопроводов, оценки их потенциальной опасности и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.

9. Разработана физическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке и обжатии упругой камерой напряженной муфты, и выведена формула для определения оптимального обжимающего давления сварной муфты.

10. Предложены технологические методы повышения безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ на основе: входного контроля трубных изделий; применения импортозамещаемой запорной арматуры; использования апробированных эффективных ингибиторов коррозии; разработки технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами; внедрения системы балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ.

11. Основные положения разработанных методик включены в стандарты СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением»; СТО 0-13-282006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии», СТО 0-03-22-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».

Общий экономический эффект от реализации основных положений методики оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса дефектных участков трубопроводов и обоснования объемов проведения ремонта при обеспечении безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, в 2005 году составил 18 млн. рублей, в 2007 году - более 7 млн. рублей.

Основные результаты работы представлены в публикациях: - в изданиях Перечня ВАК РФ:

1. Чирков, Ю.А. Методика оценки прочности дефектных участков трубопроводов / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, Т.А. Аптикеев, Д.М. Нургалиев, В.Н. Ахметов // Нефтяная и газовая промышленность. - 1999. - №1. -С.6-8.

2. Чирков, Ю.А. Надежность оборудования и трубопроводов ОНГ1СМ /

B.М. Кушнаренко, H.A. Гафаров, A.A. Гончаров, Ю.А. Чирков, Д.Н. Щепинов // Газовая промышленность. - 2000. - №13. - С. 8-11.

3. Чирков, Ю.А. Оценка физико-механических свойств сталей акустическими поверхностными волнами / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, И.Н. Самигулов, В.Н. Агишев // Вестник ОГУ. - 2002. - №5. - С.145-148.

4. Чирков, Ю.А. Анализ отказов оборудования и трубопроводов Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения / В.М. Кушнаренко, H.A. Гафаров, A.A. Гончаров, Д.Н. Щепинов, Ю.А. Чирков // Защита металлов. - 2003. - Т. 39. - №3. - С.'328-331.

5. Чирков, Ю.А. Стенд коррозионных испытаний ингибиторов и материалов для нефтегазового оборудования / В.М. Кушнаренко, С.А. Михайленко, Д.М. Нургалиев, Ю.А. Чирков, З.А. Набутовский // Газовая промышленность. - 2004. - №10. - С. 62 - 64.

6. Чирков, Ю.А. Напряженно-дефермированное состояние трубопровода при ремонте методом бандажирования // Вестник ОГУ. - 2004. - №5. - С.85-89.

7. Чирков, Ю.А. Конструктивная прочность труб с приварными патрубками / В.М. Кушнаренко, A.B. Швец, Г.Г. Шевченко, Ю.А. Чирков, В.Н. Агишев // Безопасность труда в промышленности. - 2005. - №7. - С. 46 - 50.

8. Чирков, Ю.А. Установка для коррозионных испытаний материалов при постоянной нагрузке / Ю.А. Чирков, В.М. Кушнаренко, В.В. Печеркин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2005. - №4. - Том 71. -

C.53-55.

9. Чирков, Ю.А. Методика испытания натурных образцов труб, контактирующих с сероводородсодержащей средой. / В.А. Резвых, Ю.А. Чирков, Е.В. Кушнаренко // Вестник ОГУ. - 2006. - №2. - Т. 2. - С. 152-155.

Ю.Чирков, Ю.А. Определение величины давлений, необходимых для развития внутренних расслоений металла t; стенках стальных трубопроводов / Ю.А. Чирков, В.В. Печеркин, Е.В. Кушнаренко, Д.Н. Щепинов, А.Б. Киченко. // Практика противокоррозионной защиты. - 2007. - №2. - С. 7-17.

П.Чирков, Ю.А. Методы определения свойств и поврежденности металла трубопроводов для оценки их безопасной эксплуатации / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, Е.В. Кушнаренко // Нефт« промысловое дело : ежемесячный научно-технический журнал. -2007. - №12. - С. 90-92.

12. Чирков, Ю.А. Изменение дефектности металла трубопроводов при длительной эксплуатации./ В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, A.B. Швец, Д.Н. Щепинов // Металловедение и термическая обработка металлов. - №9 (651). -2009,-С. 7-10.

13. Чирков, Ю.А. Обеспечение безопасности трубопроводов при повышении количества дефектов. / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, A.B. Швец, A.A. Бауэр, Д.Н. Щепинов. // Нефтепромысловое дело. - 2009. - №8. - С 62-64.

14. Чирков, Ю.А. Работоспособность кольцевых стыков трубопроводов со смещением продольных швов смежных труб / Ю.А. Чирков, В.Н. Агишев, В.М. Кушнаренко, A.A. Бауэр, Д.Н. Щепинов // Нефтепромысловое дело. - 2009. -№9. - С. 56-59.

15. Чирков, Ю.А. Оценка интенсивности отказов трубопроводной арматуры / М.Р. Ишмеев, Ю.А. Чирков, В.М. Кушнаренко, A.A. Бауэр // Нефтепромысловое дело. - 2009. -№12. - С. 42-44.

16. Чирков, Ю.А. Прогнозирование последствий отказов дефектных участков газопроводов сероводородсодержащего месторождения / Е.Е. Плюхина, Ю.А. Чирков, В.М. Кушнаренко // Нефтепромысловое дело. - 2009. -№12.-С. 47-50.

17. Чирков, Ю.А. Уточнение эквивалентных малоцикловых нагружений трубопроводов / Ю.А. Чирков, М.Р. Ишмеев, В.М. Кушнаренко, A.A. Бауэр // Нефтепромысловое дело. - 2009. - №12. - С. 55-57.

- в монографиях:

18. Чирков, Ю.А, Ингибиторы коррозии. Диагностика и защита от коррозии под напряжением нефтегазопромыслового оборудования : монография / В.М. Кушнаренко, H.A. Гафаров, Д.Е. Бугай, A.A. Гончаров, Ю.А. Чирков. - М. : Химия, 2002. - Т.2. - 367 с.

19. Чирков, Ю.А. Оборудование и методики для коррозионно-механических испытаний : монография / А.П. Фот, Ю.А. Чирков, С.А. Фот, Е.В. Кушнаренко. - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - 194 с.

- в стандартах:

20. СТО ООО «Оренбурггазпром» 0-13-28-2006. Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при ВТД / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, A.B. Швец, Б.Р. Павловский, Д.Н. Щепинов [и др.]. - Введ. 2006-08-14. - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2006. - 65 с.

21. СТО Газпром 2-5.1-148-2007. Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением / В.М. Кушнаренко, Т.С Есиев, В.Г. Антонов, Ю.А. Чирков [и др.] - Введен 2007-1228. - М. : ЗАО «Издательский Дом Полиграфия», 2007. - 44 с.

22. СТО ООО «Газпром добыча Оренбург» 0-03-22-2008. Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата / ООО «ВНИИГАЗ»: C.B. Нефедов, В.Г. Антонов [и др.]; ГОУ ОГУ: В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков [и др.]; ООО «Газпром добыча Оренбург»: А.Н. Мокшаев, П.А. Овчинников [и др.] - Введ. 2009-01-26. -Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - 187 с.

- в патентах РФ и свидетельствах о регистрации програмных средств:

23. Пат. 2091743 РФ, МПК С1, 6 в 01 N 3/08. Установка для испытания материалов на растяжение / А.Н. Чирков, В М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, Н.И. Огорелкова, Р.Н. Узяков; заявитель и патентообразователь Оренбургский политехнический институт. - №93058031/28 ; заявл. 30.12.1993 ; опубл. 27.09.1997, Бюл №27.

24. Пат. 2140600 РФ, МПК С1, 6 Р 16 Ь 55/172 Устройство для ремонта трубопроводов с помощью муфты / В.М Кушнаренко, Б.В. Перунов, В.М. Покщаев, Ю.А Чирков, Ю.М. Клоков, И.Н. Самигулов; заявитель и патентообразователь ГОУ ОГУ «Оренбургский государственный университет». - №98106819/06 ; заявл. 02.04.1998.; опубл. 27.10.1999, Бюл. №30. - 4 с.

25. Пат. 2170875 РФ, МПК С2, 7 Р 16 Ь 55/172. Способ ремонта трубопровода / Н.А. Гафаров, Д.М. Нургалиев, В.М. Кушнаренко, Б.В. Перунов, В.М. Покщаев, Ю.А. Чирков, И.Н. Самигулов ; заявитель и патентообразователь ООО «Оренбурпазпром» ОАО «Газпром». -№2000110933/06 ; Заявл. 28.04.2004; Опубл 20.07.2001, Бюл. №20. - 7 с.

26. Пат. 2219520 РФ, МПК С2, 7 в 01 N 3/08. Установка для испытания материалов на длительную прочность /, А.Н. Чирков, Ю.А. Чирков, Е.В. Кушнаренко, П.А. Овчинников ; заявитель и патентообразователь АНО «Технопарк ОГУ». - №2002106465/28 ; зачел. 12.03.2002. ; опубл. 20.12.2003, Бюл. №35. - 5 с.

27. Пат. 2239812 РФ, МПК С1, 7 С 01 N 3/08. Установка для постоянного нагружения образцов при испытаниях на растяжение / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, А.Н. Ч!ирков, В.В. Печеркин ; заявитель и патентообразователь ГОУ ОГУ «Оренбургский государственный университет». - №2003108248 ; заявл. 25.03.2003.; опубл. 10.11.2004, Бюл. №31. - 4 с.

28. Пат. 2240535 РФ, МПК С1, 7 О 01 N 17/00. Установка для испытания материалов на сопротивление коррозии / Н.А. Гафаров, Д.М. Нургалиев, В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, В.Н. Романцоп, В.В. Печеркин и др; заявитель и патентообразователь АНО «Технопарк ОГУ». - №2003104374/28 ; заявл. 13.02.2003.; опубл. 20.11.2004, Бюл. №32. - 4 с.

29. Пат. 2251101 РФ, МПК С2 в 01 N 29/18. Способ оценки механических свойств металлов при пластическом деформировании / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, И.Н. Самигулов, В.Н. Агишев; заявитель и патентообразователь АНО «Технопарк ОГУ». -№2002110486/28 ; залвл. 19.04.2002. ; опубл. 20.01.2004, Бюл. №12.-3 с.

30. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007613342, Программа для оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов с нетрещиноподобными дефектами. / Чирков Ю.А., Ишмеев М.Р., Кушнаренко Е.В.; правообладатель АНО «Технопарк ОГУ». -Заявка №2007612451 от 19 июня 2007 г.; зарегистрировано 8 августа 2007 г.

- в научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов:

31. Чирков, Ю.А. Восстановление нзсущей способности оболочечных конструкций путем создания разгружаемых напряжений : сб. науч. тр. «Динамика и прочность материалов и конструкций» / Ю.А. Чирков, И.Н. Самигулов. - Орск: Изд-во ОГТИ, 1999. - С.75-81.

32. Чирков, Ю.А. Оценка влияния сварочных деформаций при бандажировании трубопроводов : сб. докл. 2-ой Всероссийской НТК «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Ю.А. Чирков, И.Н. Самигулов. - Орск, 2000. - С. 45-48.

33. Чирков, Ю.А. Основные причины и механизм возникновения повреждений оборудования и трубопроводов ОНГКМ : сб, докл МНТК «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» / Ю.А. Чирков,

B.М. Кушнаренко [и др.]. - Оренбург, 2000. - С. 248-251.

34. Чирков, Ю.А. Определение остаточного ресурса трубопроводов : сб. докл. МНТК «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» / Ю.А. Чирков,

A.A. Гончаров, ILA. Овчинников, В.М. Кушнаренко. - Оренбург, 2000. - С.258-263.

35. Чирков, Ю.А. Анализ эффективности защитных свойств ингибиторов, рекомендуемых для ОГКМ : материалы НТС «Научно-технические решения по повышению эффективности ингибиторов коррозии» / Ю.А. Чирков, H.A. Гафаров, В.М. Кушнаренко, А.Б. Киченко. - М. : ООО «ИРЦ Газпром», 2000. -

C. 35-44.

36. Чирков, Ю.А. Определение исходных параметров обжимающего устройства при ремонте дефектных участков трубопроводов : межвуз. сб. науч. тр. «Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского рег-на» / Ю.А. Чирков, И.Н. Самигулов.- Тольятти: ТПИ, 2001. - Вып.4. -Ч. 2. - С. 508-510.

37. Чирков, Ю.А. Анализ технического состояния трубопроводов и арматуры, контактирующей с сероводородсодержащими средами: сб. докл. 5-ой РНТК «(Прогрессивные технологии в транспортных системах» / Н.Ф. Васильев,

B.Г. Ставишенко, Ю.А. Чирков,- Оренбург: ИПК ОГУ, 2002. -4.1. - С.284-288.

38. Чирков, Ю.А. Методы выбора защитных мер для обеспечения назначенного ресурса трубопроводов: сб. докл. МНТК «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» / С.А. Михайленко, A.B. Маняченко, C.B. Пастухов, В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, В.Г. Антонов [и др.]. - Оренбург : ООО «Газпром», 2002. - С.89-94.

39. Чирков, Ю.А. Динамика изменения глубины вмятин от величины давления и количества циклов нагружения давлением труб : сб. док. 6-ой РНТК «Прогрессивные технологии в транспортных системах» / Ю.А. Чирков, В.Н. Агишев. - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2003. - С. 245-246.

40. Чирков, Ю.А. Оценка критериев предельного состояния трубопроводов, контактирующих с коррозионными средами: сб. док. 6-ой РНТК «Прогрессивные технологии в транспортных системах» / В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков. - Оренбург : ОГУ, 2003. - С. 246-250.

41. Чирков, Ю.А. Разрушение элементов конструкций, контактирующих с коррозионными средами : материалы 4-ой МНК «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / В.М. Кушнаренко, C.B. Пастухов, Ю.А. Чирков. -М.,2005. -С. 82-84.

42. Чирков, Ю.А. Техническое состояние и возможность длительной эксплуатации трубопроводов КНГКМ-ОГПЗ / В.М. Кушнаренко, A.B. Швец, Д.Н. Щепинов, Ю.А. Чирков, Н.Ф. Васильез // Вестник ОГУ. -2005. - №9. - С. 54-59.

43. Чирков, Ю.А. Оценка прочности сварных соединений трубопроводов с дефектами и повреждениями / Ю.А. Чирков, В.В. Печеркин, Е.В. Кушнаренко, Д.Н. Щепинов, А.Б. Киченко // Вестник ОГУ. - 2005. - №9. - С.103-109.

44. Чирков, Ю.А. Определение <;рока безопасной эксплуатации трубопроводов с дефектами формы / Ю.А. Чирков, В.Н. Агишев // Вестник ОГУ. - 2005. - №9. - Приложение «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред». -С. 130-132.

45. Чирков, Ю.А. Определение работоспособности сварных трубопроводов //Вестник ОГУ. - 2006. - №10. - приложение 4.2 - С.404-410.

46. Чирков, Ю.А. Конструктивная прочность труб с дефектами основного металла и сварных соединений / A.B. Швец, В.А. Ягодкин, Д.Н. Щепинов, В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков, В.Н. Агишев // Промышленная безопасность. -2006. - [ноябрь - декабрь]. - С. 27-29.

47. Чирков, Ю.А. Оценка потенциальной опасности и остаточного ресурса дефектных участков трубопроводов: сб. докл. 6-ой МНТК «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» / A.B. Швец, Д.Н. Щепинов, Б.Р. Павловский, Г.М. Хажинский, В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чирков. - Оренбург: ОАО «Газпром», ООО «Оренбурггазпром», 2006. - С. 110-118.

48. Чирков, Ю.А. Методика оценки вероятности разрушения трубопроводов : матер. 5-ой МНК «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Ю.А. Чирков, A.A. Бауэр, Д.Н. Щепинов, Е.В. Кушнаренко. -Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - Т.2. - С. 93-101.

49. Чирков, Ю.А. Оценка прочности и остаточного ресурса трубопроводов с дефектами : матер. 5-ой МНК «Прочность и разрушение материалов и конструкций» / Ю.А. Чирков, М.Р. Ишмег.в, Е.В. Кушнаренко. - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - Т.2.- С. 128 - 135.

50. Чирков, Ю.А. Повреждения трубопроводов ОНГКМ и определение интенсивности их отказов / Ю.А. Чирков, Е.В. Кушнаренко, A.A. Бауэр, Д.Н. Щепинов // Территория нефтегаз. - 2008. - Jfel2.- С. 46-49.

51. Чирков, Ю.А. Сопротивление разрушению металла труб, содержащих дефекты : сб. матер. 3-ей МНТК «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»/ Ю.А. Чирков, В.М. Кушнаренко, Д.Н. Щепинов, A.B. Швец. - М.: Интерконтакт Наука, 2009. -Т.2. - С. 186.

Подписано в печать 01.09.10. Бумага офсетная. Формат 60x80 1/16. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1. Тираж 110. Заказ 111. СКУ «Бункер»

450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. М. Пинского, 6.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СРЕДЫ.

1.1 Особенности эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ.

1.2 Анализ отказов трубопроводов ОНГКМ.

1.3 Методы контроля технического состояния трубопроводов.

1.4 Методы оценки потенциальной опасности дефектных участков трубопроводов.

1.5 Определение остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.

1.6 Методы повышения безопасности эксплуатации трубопроводов.

1.7 Методы оценки технического состояния и интенсивности отказов трубопроводов.

1.8 Постановка задач исследования.

2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДОВ ПО ДАННЫМ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.

2.1 Материал труб, применяемых на ОНГКМ.

2.2 Идентификация дефектов металла трубопроводов.

2.2.1 Дефекты формы труб.

2.2.2Металлургические дефекты.

2.2.3 Дефекты сварных швов.

2.2.4Коррозионные дефекты трубопроводов.

2.2.5Эксплуатационные расслоения трубопроводов.

2.3 Основные отличительные признаки дефектов.

2.3.1 Отличие неметаллических включений от металлургических расслоений.

2.3.20тличие металлургических расслоений от эксплуатационных.

2.3.30тличие водородных расслоений от вмятин.

2.4 Развитие эксплуатационных расслоений.

2.5 Структурно-физическое состояние металла в области дефектов труб.

2.6 Выводы по главе 2.

3 ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ И ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ТРУБОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТАМИ ФОРМЫ ТРУБ.

3.1 Причины образования дефектов формы труб.

3.2 Напряженно-деформированное состояние в области дефектов формы труб.

3.3 Контроль состояния металла в области дефектов формы.

3.3.1 Определение пластических свойств сталей методом АУЗИ.

3.3.2Изменение скорости распространения акустических волн при различном НДС металла.

3.4 Гидравлические испытания труб с вмятинами и гофрами на малоцикловую усталость.

3.4.1 Оценка повторно-статической нагруженности трубопроводов.

3.4.20борудование и методика стендовых испытаний труб.

3.4.3Образование и развитие трещин в металле труб с дефектами формы.

3.4.4Динамика изменения глубины вмятин от величины давления и количества циклов нагружения труб.

3.4.5Напряжения и деформации в металле вмятин по результатам гидравлических испытаний.

3.5 Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов с дефектами формы.

3.6 Оценка потенциальной опасности дефектов формы труб, контактирующих с сероводородсодержащими средами.

3.7 Выводы по главе 3.

4 ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ И ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ТРУБОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТАМИ УТОНЕНИЯ СТЕНКИ.

4.1 Выбор критериев и оценка потенциальной опасности дефектов утонения стенки.

4.2 Испытания труб с дефектами утонения стенки.

4.3 Потенциальная опасность участков трубопроводов с дефектами сварных соединений.

4.3.1 Теоретическая оценка напряжений в металле кольцевых сварных соединений с дефектами.

4.3.2Гидроиспытания труб с дефектами в кольцевых сварных соединениях.

4.3.3Потенциальная опасность дефектов сварных соединений трубопроводов.

4.4 Методика определения остаточного ресурса трубопроводов.

4.5 Выводы по главе 4.

5 ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ И ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ТРУБОПРОВОДОВ С ВОДОРОДНЫМИ РАССЛОЕНИЯМИ И ЗАКАТАМИ В МЕТАЛЛЕ.

5.1 Испытания труб с несплошностями в металле стенки.

5.2 Напряженно-деформированное состояние металла труб с водородными расслоениями.

5.3 Определение критического давления, необходимого для развития расслоения.

5.4 Моделирование НДС труб с водородными расслоениями.

5.5 Потенциальная опасность и остаточный ресурс участков трубопроводов с водородными расслоениями.

5.6 Выводы по главе 5.

6 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ.

6.1 Входной контроль труб, деталей и запорной арматуры.

6.2 Выбор эффективных ингибиторов для защиты трубопроводов ОНГКМ

6.3 Ремонт дефектных участков трубопроводов установкой напряженных муфт.

6.3.1 Моделирование процесса установки напряженной муфты.

6.3.2Экспериментальное исследование процесса ремонта муфтой.

6.4 Замена запорной арматуры по техническому состоянию.

6.4.1 Техническое состояние запорной арматуры трубопроводов ОНГКМ.

6.4.20ценка вероятности отказов и периодичности замены запорной арматуры.

6.5 Планирование очередности ремонта по балльной оценке факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ.

6.5.1 Обоснование и выбор факторов влияния технического состояния трубопровода.

6.5.2Балльная оценка факторов влияния состояния трубопроводов ОНГКМ на интенсивность отказов.

6.5.30переделение зависимостей интенсивности отказов трубопроводов

ОНГКМ от факторов влияния.

6.6 Выводы по главе 6.

В настоящее время в России эксплуатируется несколько десятков тысяч километров трубопроводов, построенных в период с 1970 по 1980 год. Длительные сроки и непрерывно изменяющиеся параметры эксплуатации трубопроводов, отдельные свойства транспортируемых сред способствуют увеличению количества повреждений в металле труб, которые в свою очередь могут привести к аварийным отказам трубопроводов (в том числе и с возникновением пожаров) с негативными воздействиями на окружающую среду и значительным экономическим потерям. Присутствующие в составе продукции Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ОНГКМ) сероводород и диоксид углерода имеют повышенную агрессивность, вызывают язвенную коррозию, сероводородное растрескивание и водородное расслоение металла, приводящие к существенному снижению безопасности эксплуатации трубопроводов. Продление срока безопасной эксплуатации трубопроводных систем является важнейшей задачей нефтегазовой отрасли.

Своевременная диагностика, всеобъемлющий мониторинг, капитальный ремонт и реконструкция, а также принципиально новые, научно обоснованные технические, технологические и организационные решения позволяют перевести трубопроводы в возобновляемые безопасные системы с продлением срока службы.

Внутритрубная дефектоскопия (ВТД) в сочетании с электрометрией и другими методами контроля позволяют реализовать концепцию реконструкции трубопроводов по техническому состоянию.

Изменение состояния металла трубопроводов при длительной эксплуатации определяет необходимость оценки дефектности металла и работоспособности труб. Для вновь сооружаемых и реконструируемых трубопроводов существующие нормы дефектности металла обеспечиваются соблюдением установленной технологии изготовления, в то время как для трубопроводов, выработавших нормативный срок эксплуатации, актуальным становится вопрос о замене выявленных дефектных участков. Дальнейшая безопасная эксплуатация трубопроводов с дефектными участками возможна при условии получения обоснованных оценок их потенциальной опасности, а, следовательно, работоспособности и расчетного остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.

Для принятия решений о выборе мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации и оценке остаточного ресурса трубопроводов необходима дополнительная информация о дефектах, то есть, их идентификация - определение природы дефектов (коррозия, механическое повреждение, металлургическое расслоение, структурная неоднородность, водородное расслоение и др.) и их геометрических параметров. Идентификация дефектов металла труб проводится при компьютерном анализе результатов ВТД и проверяется при дополнительном диагностическом контроле в шурфах. Однако, с целью снижения трудоемкости, основное количество выявленных дефектов необходимо идентифицировать исключительно при компьютерном анализе результатов ВТД. Обследование дефектов в шурфах экономически целесообразно применять для подтверждения потенциальной опасности только тех дефектов, которые оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства металла трубопровода. В связи с этим, определение характерных признаков для идентификации выявленных дефектов металла труб, создание методик оценки их потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов является актуальной проблемой для предприятий, эксплуатирующих трубопроводы.

Несмотря на большой объем опубликованных исследований в области обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов с дефектными участками, много вопросов остается малоизученными и требуют дальнейшего решения. Идентификация дефектов металла труб и сварных соединений, разработка новых методов оценки потенциальной опасности участков трубопроводов с различными дефектами, восстановление несущей способности трубопроводов без остановки перекачки продукта, прогнозирование остаточного ресурса, являются актуальной проблемой обеспечения безопасности трубопроводов.

Цель работы: повышение безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:

- анализ причин отказов и дефектности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды;

- разработка методики идентификации дефектов по данным внутритрубной дефектоскопии;

- определение механизма развития повреждений и потенциальной опасности дефектов формы труб и разработка метода контроля повреждений металла трубопроводов;

- выбор критериев оценки потенциальной опасности дефектов утонение стенки труб и участков трубопроводов с объемными дефектами в сварных соединениях;

- разработка моделей приведения несплошностей металла к дефектам утонение стенки труб и оценка их потенциальной опасности;

- разработка методик и оборудования для лабораторных и стендовых коррозионных испытаний образцов, труб и запорной арматуры; разработка технологических методов повышения безопасной эксплуатации трубопроводов;

- разработка системы балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ на интенсивность их отказов.

Методы исследований: Поставленные задачи решены с использованием: положений теории прочности и коррозионной стойкости металлов и сплавов; теории надежности и экспертных оценок; положений теории подобия и математического моделирования физических объектов и процессов; методов статистического анализа результатов ВТД, наружного контроля и экспериментальных исследований элементов трубопроводов; металлографических исследований. Окончательная оценка предлагаемых научно-технических решений проводилась по результатам стендовых и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы:

- разработана методика идентификации дефектов трубопроводов по качественным признакам, позволяющая отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, и повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов;

- установлено, что в процессе эксплуатации стальных трубопроводов в течение 25 лет в сероводородсодержащей среде основной металл труб сохраняет исходную феррито-перлитную структуру; в области металлургических дефектов количество водородных расслоений увеличивается по экспоненциальному закону, в области технологических дефектов кольцевых сварных соединений возникают трещины, ударная вязкость КСи.40 металла труб снижается на 26-33 % по сравнению с исходной;

- разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки трубы на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. Получена регрессионная логарифмическая зависимость разрушающего давления в водородных расслоениях металла стенки трубы от площади повреждения. Разработаны модели приведения внутренних дефектов к утонению стенки трубы;

- установлена зависимость изменения скорости распространения акустических волн в металле труб от величины пластической деформации при развитии малоцикловой усталости металла, на основе которой разработана методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопровода с дефектами формы;

- уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами, введен коэффициент снижения прочности сварного шва кс в интервале значений 1,5.2,0 при определении разрушающего давления, и разработана методика оценки потенциальной опасности объемных дефектов кольцевых сварных соединений, позволяющая обосновать условия безопасной эксплуатации участков трубопроводов, содержащих дефектные сварные стыки;

- разработана физическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке и обжатии упругой камерой напряженной муфты, и выведена формула для определения оптимального обжимающего давления сварной муфты;

- создана вероятностная модель технического состояния и проведено ранжирование потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие определить сроки ее плановой замены и повысить безопасность эксплуатации трубопроводов;

- разработана система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и определена зависимость интенсивности отказов участков трубопроводов от соответствующих значений баллов, что дает возможность обосновать объемы и сроки проведения ремонта дефектных участков трубопроводов для повышения безопасности их эксплуатации.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработаны и внедрены в УЭСП ООО «Газпром добыча Оренбург» методика и стенд для проведения испытаний дефектных участков трубопроводов, позволяющие определить потенциальную опасность дефектов, необходимость и сроки проведения ремонта, а также заменить общее испытание трубопровода при продлении его срока безопасной эксплуатации;

- разработана методика оценки поврежденности металла дефектных участков трубопроводов при циклических деформациях с прогнозированием их остаточного ресурса, используемая при проведении экспертизы промышленной безопасности трубопроводов;

- предложены технологические методы повышения безопасности эксплуатации дефектных участков трубопроводов путем применения: входного контроля трубных изделий; импортозамещаемой отечественной запорной арматуры; эффективных ингибиторов коррозии; технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами.

Основные положения разработанных методик включены в: СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением»; СТО 0-13-28-2006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии», СТО 0-0322-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».

Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил: в 2005 г. - 18 миллионов рублей, в 2007 г. - более 7 миллионов рублей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика идентификации дефектов трубопроводов, выявленных внутритрубной дефектоскопией;

- методика оценки акустическими волнами величины накопленной поврежденности металла труб с дефектами формы при малоцикловом нагружении;

- экспоненциальная зависимость увеличения количества водородных расслоений в области металлургических дефектов металла труб в процессе эксплуатации трубопроводов;

- модели приведения внутренних дефектов металла труб к дефектам утонение стенки;

- методика оценки потенциальной опасности дефектов металла труб и сварных соединений и прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов;

- методика натурных испытаний труб и запорной арматуры;

- модель технического состояния запорной арматуры;

- модель напряженно-деформированного состояния металла ремонтируемых участков трубопроводов муфтой, обжимаемой упругой камерой;

- система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и зависимость, устанавливающая соответствие между балльной оценкой участков трубопроводов ОНГКМ и интенсивностью их отказов.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на конференциях и семинарах: «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (Всероссийская НТК, г.

Оренбург, 1995 г.); «Проблемы диагностирования и оценки остаточного ресурса оборудования и трубопроводов, работающих в сероводород-содержащих средах» (Международный научно-технический семинар ОАО Газпром, г. Оренбург, 1997 г.); Ш-й Международный конгресс и выставка «Защита - 98» (г. Москва, 1998 г.); «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Всероссийская НТК, г. Орск - 1998, 2000, 2002 г.г.); «Научно-технические решения по повышению эффективности ингибиторов коррозии» (НТС, г. Москва, 2000 г.); «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Международная НТК, г. Оренбург, 2000 г.); «Диагностика трубопроводов» (3-я Международная конференция, г. Москва, 2001г.); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Российская НТК, г. Оренбург - 2004, 2005 г.г.); «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (7-я Международная выставка и конференция, г. Москва, 2008 г.); «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (МТК ОрГТИ, г. Орск, 2008 г.); «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (МНТК ОАО «Газпром», г. Оренбург - 2002, 2004, 2006, 2007, 2008 г.г.); «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Третья МК ИМЕТ РАН, г. Москва, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 91 научном труде, в том числе: монографии - 2, статей — 39 (в т.ч. в изданиях Перечня ВАК - 17), патентов на изобретения - 7.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований и приложения. Работа изложена на 349 страницах машинописного текста, содержит 192 рисунка и 67 таблиц.

6.6 Выводы по главе 6

Разработана методика входного контроля изделий, которая определяет порядок, объем и виды контроля, применяемые при входном контроле арматуры, труб, соединительных деталей и материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия сероводородсодержащих сред. Анализ результатов входного контроля изделий и выявленных замечаний позволил установить основные причины отбраковки: отклонения геометрических параметров от требований нормативных документов; дефекты поверхности; повышенная твердость материала и несоответствие сертификату изделия.

Созданы методика и оборудование для лабораторных и опытно-промышленных испытаний, позволяющие установить сопротивление материалов и изделий воздействию сероводородсодержащих сред и эффективность ингибиторов коррозии.

Установлены наиболее эффективные ингибиторы коррозии, применение которых позволит свести к минимуму процессы сероводородной коррозии, наводороживания, водородного и сероводородного растрескивания металла труб и, следовательно, повысить безопасность эксплуатации трубопроводов.

Разработан способ ремонта дефектных участков ТП, обеспечивающий равномерное прилегание муфты по всей длине окружности и создающий регулируемые разгружающие напряжения в стенке трубы. В качестве прижимающего элемента при установке муфты на трубу предложена упругая камера. Ремонт трубопроводов предлагаемым способом позволяет сократить стоимость ремонтных работ на 30% по сравнению с наиболее распространенными отечественными и зарубежными методами ремонта трубопроводов, выполняемыми без остановки перекачки продукта.

Создана математическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке на трубу напряженной муфты, позволяющая определить необходимое значение обжимающего давления муфты на трубу при различных способах фиксации муфты на трубе.

Разработанные вероятностная модель отказов ЗА и программа «АгтаШга» позволяют отказаться от экономически неэффективной сплошной замены запорной арматуры за счет формирования ранжированного перечня плановой замены ЗА для повышения безопасности эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

Предложенная система балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ и представленные зависимости интенсивности отказов трубопроводов от факторов влияния позволяют обосновать объемы и сроки проведения ремонта дефектных участков трубопроводов для повышения безопасности эксплуатации до необходимого уровня.

328

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ опыта более чем 25-летней эксплуатации трубопроводов ОНГКМ позволил установить, что основными причинами отказов являются: сероводородная коррозия (утонение стенки) и водородное расслоение металла труб; сероводородное растрескивание деталей и сварных соединений трубопроводов; охрупчивание уплотнительных элементов запорной арматуры. До 72% от общего количества запорной арматуры выходит из строя вследствие негерметичности затвора.

2. Разработана обоснованная результатами исследований и подтвержденная данными применения в практике оценки реальных производственных объектов методика идентификации дефектов трубопроводов по качественным признакам, позволяющая отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, и повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов.

3. Установлено, что в процессе эксплуатации стальных трубопроводов в течение 25 лет в сероводородсодержащей среде: основной металл труб сохраняет исходную феррито-перлитную структуру; в области металлургических дефектов количество водородных расслоений увеличивается по экспоненциальному закону, в области технологических дефектов кольцевых сварных соединений возникают трещины, ударная вязкость КСи.40 металла труб снижается на 26-33 % по сравнению с исходной.

4. Разработана, основанная на зависимости изменения скорости распространения акустических волн в металле труб от величины пластической деформации при развитии малоцикловой усталости металла, методика оценки потенциальной опасности дефектных участков труб с дефектами формы и определения с применением уточненной формулы Коффина-Менсона остаточного ресурса, позволяющая обосновать сроки проведения ремонта для повышения безопасности эксплуатации трубопроводов.

5. Разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. Получена регрессионная логарифмическая зависимость разрушающего давления в водородных расслоениях металла стенки трубы от площади повреждения. На основании результатов испытаний труб и расчетов доказана правомочность применения данного подхода к оценке потенциальной опасности дефектов - несплошности металла стенки трубы по разработанным моделям их приведения к дефектам утонение стенки.

6. Уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами и введен коэффициент снижения прочности сварного шва кс = 1,5+2,0 при определении разрушающего давления. Разработана методика оценки потенциальной опасности объемных дефектов кольцевых сварных соединений, позволяющая обосновать условия безопасной эксплуатации участков трубопроводов, содержащих дефектные сварные стыки.

7. Созданы методика и оборудование для проведения натурных испытаний труб, учитывающие условия циклического нагружения трубопроводов и позволяющие оценить степень потенциальной опасности дефектов трубопроводов, а также определять сопротивление сталей сероводородной коррозии в лабораторных и опытно-промышленных условиях и создать замкнутый цикл аттестации и промышленной апробации сварочно-монтажных и ингибиторных технологий.

8. Создана вероятностная" модель технического состояния запорной арматуры, разработана программа и проведено ранжирование по степени потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие идентифицировать техническое состояние запорной арматуры трубопроводов и спланировать ее замену. Разработана компьютерная программа для получения графического представления параметров дефектов трубопроводов, оценки их потенциальной опасности и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.

9. Разработана физическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке и обжатии упругой камерой напряженной муфты, и выведена формула для определения оптимального обжимающего давления сварной муфты.

10. Предложены технологические методы повышения безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ на основе: входного контроля трубных изделий; применения импортозамещаемой запорной арматуры; использования апробированных эффективных ингибиторов коррозии; разработки технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами; внедрения системы балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ.

11. Основные положения разработанных методик включены в стандарты СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением»; СТО 0-13-282006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии», СТО 0-03-22-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».

Общий экономический эффект от реализации основных положений методики оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса дефектных участков трубопроводов и обоснования объемов проведения ремонта при обеспечении безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, в 2005 году составил 18 млн. рублей, в 2007 году - более 7 млн. рублей.

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Коррозионно-механическая стойкость нефтегазовых трубопроводных систем. — Уфа: Гилем.-1997.-176 с.

2. Алексеев В.И., Киселев O.A., Левшина И.В. Роль высокого давления водорода в явлении сероводородного коррозионного растрескивания // Физико-химическая механика материалов. — 1990. — №2. — С. 33-36.

3. Алешин, Н.П. Сварка. Резка. Контроль: справочник / Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышев. М.: Машиностроение, 2004. - 478 с.

4. Анисимов В. А., Бобренко В. М., Куценко А. М., Шереметиков А. С. Расчетные соотношения акустической тензометрии для поверхностных волн Рэлея, Дефектоскопия, 1993. № 1 - С. 59 - 64.

5. Антипьев В.Н., Стояков В.М., Чепурский В.Н., Ченцов А.Н. Методы определения остаточного ресурса нефтепроводов. М.: ТрансПресс, 1995. -48с.

6. Антонов В.Г., Арабей А.Б., Воронин В.Н. и др. Коррозионное растрескивание под напряжением труб магистральных трубопроводов. Атлас. -М.: Наука. 2006. 105с.

7. А. с. 2003092 RU, МКИ G 01 N 29/10. Способ обнаружения дефектов термообработки металлических изделий/ Комаров К.Л., Муравьев В.В., Шарко A.B. 5 е.: ил.

8. Барышов С.Н. Оценка поврежденности, несущей способности и продление ресурса технологического оборудования. Модели. Критерии. Методы. М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. - 287 с.

9. Белокуров В.Н., Павловский В.Э., Стрельченко A.C. и др. Расчетно-экспериментальное исследование долговечности сварных трубчатых соединений на основе метода локального моделирования// Проблемы прочности. -1994.-№6.-С. 18-23.

10. Богданов Е.А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования. М.: Высш. шк. 2006. - 279 с.

11. Бородавкин П.П., Синюкова A.M. Прочность магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1984. -245 с.

12. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. -М.: Наука, 1989.-230 с.

13. Винокуров В.А., Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. — М.: Машиностроение, 1996.-576 с.

14. ВРД 39-1.10-023-2001. Инструкция по обследованию и ремонту газопроводов, подверженных КРН, в шурфах. М.: ОАО "Газпром". - 2001.

15. ВРД 39-1.10-063-2002. Инструкция по оценке работоспособности и отбраковке труб с вмятинами и гофрами. 16 с.

16. Временный регламент и нормы оценки технического состояния трубопроводов неочищенного газа и газового конденсата Оренбургского газоконденсатного месторождения. Оренбург: Оренбурггазпром, 1986. - 74 с.

17. ВСН 006-89. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка. М.: Миннефтегазстрой. -1989. - 216 с.

18. ВСН 012-88 часть 1. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приемка работ.

19. ВСН 51-1-97. Правила производства работ при капитальном ремонте магистральных газопроводов. -М.: РАО "Газпром". -1997. 96 с.

20. ВСН 39-1.10-009-2002. Инструкция по отбраковке и ремонту труб линейной части магистральных газопроводов. М.: ОАО "Газпром". - 2002.

21. Гареев А.Г., Абдуллин И.Г. Прогнозирование коррозионно-механических разрушений магистральных трубопроводов //Нефть и газ: Межвуз. сб. научн.ст. Уфа: УГНТУ, 1997.- Вып.1.- С.163-165.

22. Гафаров H.A., Гончаров A.A., Кушнаренко В.М. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений. М.: Недра. - 1998.-437 с.

23. Гафаров H.A., Гончаров A.A., Кушнаренко В.М. Определение характеристик надежности и технического состояния оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений. М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2001. - 239 с.

24. Гафаров H.A., Гончаров A.A., Кушнаренко В.М., Чирков Ю.А.,

25. Щепенов Д.Н. Надежность оборудования и трубопроводов ОНГКМ // Газовая промышленность / Журнал. Спец.выпуск. М.: Газоил пресс, 2000. - С.27.

26. Гафаров H.A., Гончаров A.A., Кушнаренко В.М., Щепинов Д.Н., Чирков Ю.А. Анализ отказов оборудования и трубопроводов Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения // Защита металлов. 2003. - Т. 39. -№3. - С.328-331.

27. Гафаров H.A., Гончаров A.A., Кушнаренко В.М. Методы контроля сварных соединений конструкций, контактирующих с наводороживающими средами / // Сварочное производство. 1997. - № 12. - С. 18-20.

28. Гафаров H.A., Кушнаренко В.М., Бугай Д.Е., Гончаров A.A., Чирков Ю.А. и др. Ингибиторы коррозии (Монография) // Том 2. Диагностика и защита от коррозии под напряжением нефтегазопромыслового оборудования.- М.: «Химия», 2002. 367 с.

29. Гафаров H.A., Митрофанов A.B., Гончаров A.A., Третьяк А.Я., Киченко Б.В. Анализ повреждений оборудования и трубопроводов на объектах добычи, переработки и транспорта продукции ОГКМ. М.: «ИРЦ Газпром». - 2000. -64 с.

30. Гендель Г.Л., Михайленко С.А., Клейменов A.B. Основные положения стратегии в области промышленной безопасности // Безопасность жизнедеятельности. 2006. - №8. - С. 2-5.

31. ГОСТ 11.007-75 Правила определения оценок и доверительных границ для параметров распределения Вейбулла.

32. ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварки. Методы ультразвукового контроля. 1989. — 68 с.

33. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. 39 с.

34. ГОСТ 17410-78. Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные цилиндрические. Методы ультразвуковой дефектоскопии.

35. ГОСТ 22727-88. Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля.

36. ГОСТ 22761-77. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия.

37. ГОСТ 9454-78. Металлы. Методы испытаний на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.

38. ГОСТ 9.908-85. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.

39. ГОСТ 9.506-87. Ингибиторы коррозии металлов в водонефтяных средах. Методы определения защитной способности.

40. ГОСТ 5640-68. Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты: офиц. текст. — Госстандарт.

41. ГОСТ 2.601-2006. Единая система конструкторской документации. Эксплуатационные документы.

42. Грамола Г., Джулиани Г. и др. Определение размеров и оценка допустимых вмятин в трубах трубопроводов большого диаметра при эксплуатации// Итальянско-Советский симпозиум. — М.: -1983. 31 с.

43. Гриб В.В. Диагностика технического состояния оборудования нефтегазохимических производств. — М.: — 2002. — 267 с.

44. Гриценко А.И., Харионовский В.В., Курганова И.Н. и др. Рекомендации по оценке работоспособности участков газопроводов с поверхностными повреждениями. М.: ВНИИОГАЗ, 1996. - С.20.

45. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Гумеров K.M. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003 .-310с.

46. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Ямалеев K.M., Росляков A.B. Старение труб нефтепроводов. М.: Недра, 1995. - 218 с.

47. Гумеров А.Г., Ямалеев K.M., Гумеров P.C., Азметов Х.А., Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта / Под ред. А.Г. Гумерова. М.: ООО5 «Недра-Бизнесцентр», 1998. 252 е.: ил.i,