автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Усовершенствование методики диагностирования технического состояния и способов ремонта магистральных газопроводов.

Івано-Франківський державний технічний університет

нафти і газу

?73 ЬД

РОЗГОНЮК ВАСІЇЛЬ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.643.201.211

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ ДІАГНОСТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ТА СПОСОБІВ РЕМОНТУ МАГІСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОДІВ

Спеціальність 05.15.13 - нафтогазопроводи, бази та сховища

АВТОРЕФЕРАТ Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Івано-Франківськ-2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу, Міністерства освіти України.

Науковий керівник

Доктор технічних наук, доцент Шлапак Любомир Степанович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, професор.

Офіційні опоненти

Провідна установа

1. Доктор технічних наук Уніговський Л.М., асоціація «Нафгогазбудінформатика», генеральний директор.

2. Кандидат технічних наук, доцент Зубик Йосип Левкович, державний університет «Львівська політехніка», доцент кафедри «Деталі машин».

ІВП Усеукраїнський науковий і проектний інститут транспорту газу» (ВНІШТРАНСГАЗ), м. Київ.

Захист відбудеться « 31 » травня 2000 р. о 10 т годині на засідань спеціалізованої вченої ради Д20.052.04 Івано-Франківського державног< технічного університету мафія > г^зу 33 : 284018, м. Івано-Франківсьі

вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий

« 28 » квітня 2000 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Шлапак Л. С.

з

Загальна характеристика роботи.

Актуальність тем».

Газова промисловість - провідна галузь паливно-енергетичного комплексу України, а її газотранспортна система, крім функції забезпечення національної економіки енергоносіями, здійснює поставку газу до інших країн Європи. Загальна протяжність газотранспортної системи (ГТС) становить понад 34 тис. км, у тому числі газопроводи-відводи - 12,5 тис. км. В структурі газопроводів суттєво переважають газопроводи великого діаметру. Так, газопроводи діаметром 1420 мм складають 15,65%, діаметром 1220-1020 мм -23,63%, 820-720 мм -14,85%. .

Разом з тим ГТС України має у своєму складі 58,11% газопроводів з терміном експлуатації від 15 до 50 років, 5,8 тис. км газопроводів відпрацювали свій амортизаційний термін у 33 роки. Більше третини газопроводів мають антикорозійне покриття з полімерних плівок холодного нанесення, що вимагає щорічного виконання значних обсягів капітального ремонту і реконструкції газопроводів.

Таким чином, ГТС України старіє, у ній відбуваються кількісні та якісні зміни як з точки зору лавинного наростання проблеми надійності, так і ефективності експлуатації газотранспортного обладнання. Неординарна ситуація, що склалася у ГТС України вимагає і неординарних підходів до и розв'язання, нової філософії у підходах -до проблем надійності та довговічності, удосконалення методів діагностування технічного стану газопроводів та напрямків їх реалізації.

В таких умовах однією з найближчих задач науки, що має першочергову практичну значимість, с підвищення ефективності функціонування ГТС. Ця задача повинна розв’язуватися як за рахунок подальшого розвитку та удосконалення відомих методів діагностування технічного стану газопроводів в умовах експлуатації, так і створення на основі досягнення фундаментальних наук нових технологій ремонту.

Проблема підвищення ефективності функціонування ГТС вивчалася багатьма вченими. Вагомий внесок у розробку теорії і практики підвищення функціонування ГТС внесли Аістов A.C., Березін B.JL, Бородавкін П.П., Гумеров А.Г., Заріпов Р.Х., Карташов Г.І., Никитенко E.A., Расщепкін K.C., Самойлов Б.В., ТелегінЛГ. та інші дослідники.

Аналіз опублікованих за даною проблемою робіт дозволив поставити комплекс задач, розв'язання яких має важливе народно-господарське значення і складає основу дисертації. Це, зокрема, задачі розробки функціональної схеми прогнозування міцності та надійності магістральних газопроводів (МГ), удосконалення технічного їх стану та оцінки залишкової міцності, а також розробка та удосконалення методів ремонту під тиском. Загальним в комплексі розв’язуваних задач є їх тісний зв’язок з вибором технологічних схем

капітального ремонту, специфічні особливості якого вимагають всесгорошіьо: підходу до розв’язку проблеми, поглибленого вивчення механізмів виникнеш ускладнень, розробки, на цій основі, методів їх прогнозування, попереджені ліквідації. '

Таким чином, підвищення надійності газотранспортних систем на оснс комплексного підходу до оцінки технічного їх стану є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні питання, розглянуті в дисертаційній роботі, були включені програму спільних науково-дослідних робіт Держнафтогазпрому Україї Укргазпрому та ІФДТУНГ , програми Міністерства освіти України, а також національну програму «Нафта і газ України до 2010р»..

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи — підвищення надійності газотранспортної системи У краї на основі розробки методів діагностування технічного стану трубопроводів п виводі у капітальний ремонт, темпів і якості його виконання. ’

Задачі дослідження.

1. Аналіз газотранспортної системи України, організаційної структури систе технічної діагностики її стану, дослідження методів капітального ремон обгрунтування напрямків подальшого їх удосконалення. ,

2. Розробка функціональної схеми прогнозування міцності та надійно магістральних газопроводів на основі класифікації пошкоджень трубопровс та граничних станів їх оцінки.

3. Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану (Щ газопроводів при виконанні ремонтних робіт та фізико-механічь властивостей трубних сталей в процесі тривалої експлуатації.

4. Теоретичні дослідження НДС газопроводів при виконанні ремонтних роі оптимізація схем піднімання трубопроводу, оцінка залишкової його міцнос дефектами форми типу вм’ятин.

5. Удосконалення методики оцінки технічного стану газопроводів неруйнівт

методами, модернізація засобів їх реалізації, розробка способів ремонту тиском. .

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена ефективна стратегія прогнозування міцності і довговічне лінійної частини магістральних газопроводів, в основу якої закладено сучг організаційні та наукові рішення, що можуть бути реалізовані у вип експертної комп'ютерної системи.

2. Виконані і проаналізовані експериментальні дослідження НДС газопровс при виконанні ремонтних робіт на пересіченому рельєфі місцевості в уме експлуатації, що дозволило встановити характер деформування трубопров та розподіл залишкових поздовжніх напружень в окремих перерізах та

його довжині.

3. Розроблена оригінальна математична модель та програмне забезпечення для комплексної оптимізації параметрів НДС газопроводів при ремонті на основі знаходження функціонал)' з врахуванням особливості процесу деформування.

4. Вперше розроблено теоретичні основи оцінки залишкової міцності трубопроводів з дефектами типу вм’ятин.

5. Розроблено новий конструктивно-технологічний підхід до виконання ремонтних робіт на магістральних газопроводах під тиском з використанням дугових методів зварювання залежно від виду, розмірів і розташування дефектів.

Практичне значення одержаних результатів.

На основі комплексного аналізу існуючої системи газопостачання, результатів теоретичних і експериментальних досліджень, математичного моделювання на ПЕОМ розроблено пакет методик, алгоритмів та програм для оцінки НДС трубопроводів при капітальному ремонті, залишкової міцності металу труб з дефектами, оптимізації просторового положення трубопроводу при підніманні для проведення ремонтних робіт.

Результати проведених досліджень знайшли своє практичне застосування при оцінці технічного стану газопроводу "Київ-Захід України" (1 нитка) на км 76, 6 - 84,3 при капітальному ремонті ізоляційного покриття з використанням американського комплексу «СРС - Еванс», що проводило УМГ «Кшвтрансгаз». Комп'ютерна програма з оцінки та вибору методів ремонту газопроводу під тиском використовувалася в УМГ «Прикарпаттрансгаз» при визначенні методу ремонту газопроводу «Братерство» на гірських дільницях.

Вірогідність одержаних результатів забезпечується коректністю постановок задач, застосуванням експериментальних досліджень з використанням сучасних методів і засобів для механічних випробувань і оцінки НДС трубопроводів з дотриманням стандартних методик, а також узгодженням одержаних висновків з результатами натурних досліджень.

Особистий внесок здобувача.

1. Автором розроблена концепція організації системи діагностування технічного стану газопроводів при капітальному ремонті та експлуатації [7,1,2,3,13,15,16].

2. Автором висловлена ідея про можливість використання струмів змінної частота для дослідження корозійного стану трубопроводів, розроблено технологію, методи і засоби технічної діагностики [5,8,9].

3. Автор, брав безпосередню участь у планувати та проведенні експериментальних досліджень у трасових умовах, виконав аналіз і узагальнення одержаних результатів, брав участь у впровадженні результатів досліджень у виробництво [17,11,6,12].

4. За участі автора розроблені математичні моделі для оптимізації схем

піднімання трубопроводу при капітальному ремонті, проведені досліджел корозійного стану газопроводів на складних ділянках траси, розроблені н підходи до оцінки залишкової міцності трубопроводів з дефектами технологічні підходи до виконання ремонтних робіт на газопроводах і тиском [18,14,10,4].

Апробація результатів дослідження.

Основні результати дисертаційної роботи висвітлені у доповідях

повідомленнях на:

- міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України -9 (Харків, 1996);

- міжнародній конференції "ІІафта-газ України - 98" (Полтава, 1998);

- 7-й міжнародній діловій зустрічі "Діагностика 97" (Ялта, 1997),

- 8-й міжнародній діловій зустрічі "Діагностика - 98" (Сочі ,1998);

- міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні прилади, матеріал технології для технічної діагностики і нсруйнівдого контролю промисловс обладнання" (Харків, 1998);

- III міжнародній конференції "Природний газ: торгові та інвестиціі

можливості в Росії і СНД" (Лондон, 1994);

- IV міжнародній конференції "Природний газ: торгові та інвестиціі

можливості в Росії і СНД" (Лондон, 1995). -

Публікації.

По темі дисертації опубліковано 18 друкованих робіт, в тому числі довідник. . .

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків рекомендацій, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг робс становить 267 сторінок і включає 70 рисунків, 7 таблиць, список літератури 177 найменувань і 4 додатків.

Основний зміст роботи.

У вступі розкривається сутність і стан наукової задачі, визначаєті наукова новизна та практична цінність отриманих результатів дослідже: дається загальна характеристика роботи.

В першому розділі проведений аналіз сучасного стану газотранспорті системи (ГТС) України, причини та характер знижегаїя пропускної здатності основні напрямки підвищення надійності її функціонування.

ГТС України - одна з найбільших, але разом з тим одна з найстаріши Європі. Загальна протяжність ГТС ДК «Укртрансгаз» станом на 01.01.1999 рс становить 34,8 тис. км. Проектна пропускна спроможність ГТС на вході Україну складає 292 млрд. м3 на рік. В структурі газопроводів суто переважають газопроводи великого діаметру. Так, газопроводи діаметр

1400 мм складають 15,61%, діаметром 1220-1020 мм - 23,6%. діаметром 820720 мм-14,85%.

Разом з тим ГТС України має у своєму складі 58,11% газопроводів з терміном експлуатації від 15 до 50 років, 5,8 тис. км газопроводів відпрацювали свій амортизаційний термін у 33 роки. Більше третини газопроводів мають антикорозійне покриття з полімерних плівок холодного нанесення. Це вимагає щорічного виконання значних обсягів капітального ремонту і реконструкції газопроводів, удосконалення технології та організації їх обслуговування і ремонту.

Не дивлячись на покращення якості будівництва трубопроводів, удосконалення системи контролю за їх станом та системи протикорозійного захисту, а також збільшення об’ємів профілактичного та капітального ремонту, безаварійна експлуатація магістральних газопроводів неможлива.

Як показують статистичні дані, загальне число аварій магістральних газопроводів за останнє десятиліття зменшилося, однак вони стали більш руйнівними. Аварії на газопроводах супроводжуються значними руйнуваннями та викидами великої кількості природного газу у атмосферу. Крім екологічної шкоди та значних затрат на відновлення біогеоценозу, руйнування газопроводів мають суттєвий вплив на технологію та методи аварійно-відновлювальних робіт.

Аналіз технологічних схем ремонту трубопроводів в нашій, країні і за кордоном дозволив виділити два перспективних методи:

1) ремонт без зупинки перекачування газу;

2) ремонт з відключенням ділянки газопроводу, що ремонтується, від основної нитки.

Важливою умовою реалізації цих методів є розробка методології діагностування та вибраковки труб, а також експрес-методів оцінки реального технічного стану трубопроводу на час ремонту та оптимальних схем його виконання.

Особливість ГТС України, до складу якої входять трубопроводи великого діаметру, та розвинена інфраструктура територій, по якій вони прокладені, не дозволяє в чистому виді використовувати для капітального ремонту відомі технологічні схеми і методи. Потрібний комплексний підхід до вибору ,та реалізації методів капітального ремонту газопроводів.

Показано, що найбільш перспективними з існуючих методів проведення ремонтно-відновлювальних робіт є капітальний ремонт газопроводів . без зупинки перекачування газу з повною механізацією монтажних операцій. Реалізація цього методу капітального ремонту газопроводів вимагає вирішення комплексу науково-технічних задач, основними з яких є діагностування технічного стану, розробка стратегії ремонтно-технічного обслуговування магістральних газопроводів (МГ), підвищення якості та темпів капітального ремонту.

У другому розділі обгрунтована і розроблена стратегія прогнозувань міцності та довговічності лінійної частини МГ.

Діючі в газовій промисловості нормативні документи та тимчасо методики, що регламентують порядок здійснення розрахунків на міцніст стійкість та прогнозування довговічності, вже не відповідають сучасному рівн розвитку наукових знань, не є систематизованими за критеріальними ознакам та не передбачають можливості врахування різного роду' дефектів. В той же ча новітні діагностичні системи з багатоканальними режимами роботи, н інтенсивно впроваджуються у виробництво, дозволяють виявити дефек" різного походження та утримувати значні об’єми супутньої інформації, я; однак не передбачена для обробітку та розрахунків за діючими нормами.

Ще одним важливим етапом нинішньої ситуації в галузі транспорту газу зменшення об’ємів будівництва МГ з одночасним зростання об’ємів реконструкції ГТС, пов'язаних з фізичним спрацюванням та старіши газопроводів.

В цих умовах важливим елементом підвищення надійності експлуатаї ГТС є розробка організаційно-методичних засад прогнозування конструктивг міцності МГ з залученням сучасних методів розрахунку, критеріїв граничн станів, що найбільш повно враховують фактичні умови експлуата конструкції, наявність прогресуючих дефектів, що базуються на сучасн технологіях збору, обробки та подання інформації.

В загальному регламенті технічного обслуговування МГ розробле стратегія займає центральне місце, оскільки вона базується на проектних дан та даних технічної діагностики (ТД), а її кінцева спрямованість направлена вироблення обгрунтованих рекомендацій стосовно необхідності проведен ремонтних робіт з визначенням їх термінів, об’ємів та видів.

Стратегія, як найбільш загальна організаційна процедура, спрямована комплексне розв’язання технологічних проблем, складається із наступи основних частин: інформаційного забезпечення; методичного забезпечен блоку прийняття рішення (рис.1).

Інформаційне забезпечення формується за результатами аналізу проект та виконавської документації, даних інженерно-геологічних, ландшафтних геофізичних робіт, діагностики технічного стану МГ і повинно оперувати точно визначеними даними параметрів, значень і характеристик, так відповідними даними, що мають розкид значень у певному діапазоні.

У поєднанні з елементом інформаційного забезпечення - статистичн інформацією про аварії та відмови МГ, врахування на основі статистичі даних мінливості зовнішньої взаємодії з середовищем, властивостей матерія прикладених навантажень та впливів дозволяє прогнозувати показні надійності ГТС, які оцінюються на основі теорії ймовірності.

Важливим елементом стратегії є її методичне забезпечення. Найбії загальними обов'язковими його елементами є : спеціальні знання; криг

граничних станів; методично-розрахункові комплекси.

Спеціальні знання визначаються нормативними будівельними і експлуатаційними документами і можуть г.ключати конструктивні, технологічні та експлуатаційні обмеження, що встановлені на основі попереднього досвіду.

Критерії граничних станів формуються на основі експериментальних досліджень вивчення поведінкн матеріалів, їх здатності чинити опір статичному або циклічному деформуванню, крихкому або в’язкому руйнуванню. Кількість критеріїв залежить від кількості граничних станів, що можуть виникати під час функціонування МГ, а вибір того чи іншого критерію в межах одного граничного стану визначається його ефективністю.

І Гкжекерйо-геодогічкі, ландшафтні І та геофі-ютні роботи

Інформаційне забезпечення

Діагностичні 1

¡3 'і * £

і о

(о.

1<.и

5 І'

роботи

£ ь * § § | 5 1 V п Л 1 і!1 в ОІ я 1

?• 2 я зі Є § & х і!

її 5 2 и £ґ , * ! я 1 2 *4 В І ™ 5 о- 2 о ?, ь ’ о о а. і ¡і а «Н Ь 8- і І її

1 і М | і 1 1 Я X ¡1

1 -ІЗЬ і^!

. 2,

і §!

“ІІ

її* х в ^

5 і і.ї!

і.

'її {■І ж « 8 *- г

Методичне забезпечення

. “ ' • Методкчко-розрахуйкозі |

Сп^иіальш знання Критерії гранітних станів:

комплекси

Техполлічкі задачі

■; | Перевірка задоволення і і Проектувальні та ; Г Оцінка надійності \ .

1 ! критеріям: граничних ' | перевірочні розрахунки | і трубопровідної системні {

і і станів --------------------------------1 1-------------------—

Прийняття рішення

Подальша експлуатація

гт

г

« о я о. *

а1.2

* X

Ф X

* £

о а

к т ° ® о й Е4 Ч X 8 8* * ‘т 5 о о *

Ї&І

І « Ь> .5 ь

II

, в Я

в

ч

е

с

й

1

Рис. 1 - Загальна схема стратегії прогнозування міцності та довговічності лінійної частили магістральних газопроводів

Методично-розрахункові комплекси є третім обов’язковим елементої методичного забезпечення. Вони базуються на фізичних, математичних аб феноменологічних моделях механіки деформівного твердого тіла або механік руйнування і призначенні для визначення поточних значень критеріальни параметрів, що відповідають реальному стану матеріалу та навантаженою конструкції.

Розроблена стратегія реалізована у вигляді комп’ютерної експертні системи, яка побудована як ієрархічна система з оберненими зв’язкам] Сформульовано послідовність організаційних, технічних та розрахункових дії що випливають із запропонованої стратегії прогнозування показників міцносі довговічності та надійності. Запропонований алгоритм роботи експерти системи не вимагає строгого дотримання виконання зазначеної послідовнос дій. На практиці можливі ситуації, коли дослідження конструкційної міцнос може бути обмеженим лише окремими пунктами. Однак у випадку складні пошкоджень, наприклад, наявності тріщини в зоні вм’ятини, необхіді розв’язання всієї послідовності задач: від дослідження НДС та стійкос елементів конструкції до оцінки статичної та циклічної тріщиностійкості.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням технічно стану МГ та їх залишкового ресурсу.

Дослідження виконанні на зразках трубних сталей, взятих з діючих М що експлуатуються в різних регіонах України, а також з дільниць капітально ремонту і експлуатації в складних умовах.

Зміна фізико-механічних властивостей матеріалу трубних сталей в прощ тривалої експлуатації досліджувалася з використанням акустичної емісії. В хс досліджень проводилися вимірювання параметрів акустичної емк навантаження, поздовжньої і поперечної деформації при одновісному розтя типових зразків, вимірювання параметрів акустичної емісії при оцінці ступе пошкодженості матеріалу, методом, що не потребує навантаження.

Для навантаження зразків при дослідженні на одновісний розі використовувалася стандартна машина Р-20. Машина оснащуване додатковою системою, яка дозволяла реєструвати навантаження на зразок процесі його деформування, з наступними записом в пам’ять комп’ютера.

Дослідження виконані на 90 заготовках матеріалу труб із семи регіоі України, які включали як матеріал з діючих МГ на момент їх ремоніу, так аварійного запасу труб. Дослідження передбачали застосування двох основ? типів: лінійні зразки, що відповідають прийнятим стандартам АЕ - досліджї (АЕ-01Р), і призматичні малогабаритні зразки для досліджень з метою оції пошкодженості матеріалу.

В результаті проведених досліджень були отримані такі характерний зразків: ,

- параметри акустичної емісії на всіх стадіях деформування зразкії

умовах одновісного статичного навантаження;

- параметри акустичної емісії, то характеризують ступінь

пошкодженості призматичних зразків у ненавантаженому стані:

- діаграма деформування матеріалу в координатах «видовження-навантаження» з накладеними акусто-емісійними параметрами стану матеріалів.

На основі результатів проведених досліджень побудовано алгоритм класифікації пошкоджень в досліджувальних матеріалах МГ. За базові дані прийняті максимальне відхилення параметрів А і И (де А - амплітуда прийнятого сигналу АЕ; Я - час зростання сигналу до максиму) в зразках, деформованих до моменту старту мікротріщини. Основним критерієм для класифікації ступені пошкодженості матеріалу є :

Безпечна пошкодженість -

Середня пошкодженість -

або

Небезпечна пошкодженість -

або

або

А.<ДА Д.сЛЯ

J шах J шах

А.<ЛА ,2 Дії >Я>ДК

) тах тах ) тах

2ДА > А> ДА Д.<ДІІ

шах ] шах } тах

А >ДА Д.>ЛК.

тах тах’ J тах

А.<АА Д.>2ДЯ

] тах J тах

А.>2АА • Д.-сДІІ

І шах і тах

Використовуючи підходи та критерії механіки руйнування, проведені дослідження зміни властивостей матеріалу трубних сталей (в’язкості руйнування) в ході тривалої експлуатації. Для оцінки в’язкості руйнування металу труб використаний деформаційний критерій нелінійної механіки руйнування 5К (критичне розкриття вершини трішини). Величина 5К знаходилася за допомогою побудови 8К - кривих (рис.2). Для розглянутих стадій руйнування за визначеними значеннями критичного розкриття вершини тріщини б* та 5т обчислювавалися величини коефіцієнтів інтенсивності напружень КСі та К Ст- "

Отримані значення в’язкості руйнування для трубної сталі, взятої з ділянки №3 Бердичівської дільниці МГ КЗУ - І (км 76,6 - 81,3), показали, що основний матеріал труб і метал зварних з’єднань (поздовжній та кільцевий шви) при розрахунковій температурі +4°С мають значний запас пластичності. Величина критичного розкриття вершини тріщтпі 5Х в залежності від орієнтації її площини (уздовж і поперек твірної труби) та місця розташування вершини (основний метал, метал шва, зона термічного впливу) знаходиться в діапазоні

0,07-0,13 мм, а 5Ш-0,13 - 0,22 мм. ,

Основним критерієм, що визначає надійність експлуатації МГ є

недопустимість зміни параметрів НДС матеріалу труб в ході капітального ї: ремонту.

Були проведені дослідження напруженно-деформованого стан МГКЗУ-1 ДуІООО мм на дільниці капітального ремонту, що виконувався з схемою 1 - ремонт газопроводу з підкопом під трубу та за схемою 2 - ремон газопроводу на бермі траншеї. Для визначення напруженого стану матеріал труб в характерних перерізах по довжині досліджуваної дільниці М використовували електромагнітний та ультразвуковий методи вимірюванні Результати досліджень проходили первинну обробку на трасі, групувалися а об’єктами досліджень і оброблялися на ПЕОМ за спеціально дня цьог складеною програмою та оформлялися у вигляді епюр розподілу залишковії

й,ЛМ

а)

0,5 1,0 і ім

б)

Рис. 2 Залежність розкриття тріщини 5 від величини її підростання / ’ (і крива) для заводського поздовжнього (а) і монтажного кільцевого (б) швів 1-6 - місце розташування фронту тріщини.;

7 - лінія затуплення першини тріщини / ’ = 0,58.

поздовжніх напружень в характерних перерізах МГ.

Дослідження показали, що при ремонті газопроводу за схемою < матеріалі труб мають місце залишкові напруження, величина і характер я залежить від технологічної схеми виконання капітального ремої

Максимальні значення залишкових поздовжніх напружень на досліджуваній ділянці МГ не перевищували 80 - 90 МПа, а їх середні значення - 20-40 МПа. В цих умовах суттєве значення для залишкової міцності МГ мають дефекти матеріалу труб, які в поєднанні з даними і характером розподілу напружень в перерізі трубопроводу впливають на вибір для технологічних схем виконання капітального ремонту газопроводів на пересіченому рельєфі місцевості.

Використання в останній час для діагностування стану газопроводів інтелектуальних поршнів дозволило виявити ділянки вздовж траси, на яких мають місце дефекти різного походження, в тому числі і дефекти типу вм’ятин.

Однак за результатами цих діагностувань не проводиться оцінка небезпечності цих дефектів для надійності експлуатації газопроводів, що суттєво утруднює прийняття експлуатуючими організаціями рішень про вид ремонту і його пріоритет. Тому практичне значення мас проблема оцінки впливу дефектів типу вм’ятин на технічний стан газопроводів, вирішення якої дозволить оперативно проводити вибракування та науково обгрунтовано приймати рішення про вид та періодичність ремонту.

Вперше в практиці експлуатації газопроводів були проведені дослідження НДС газопроводу «Братерство» на гірських ділянках траси, на яких фірмою «ROSEN» були виявлені вм’ятини різної форми і розмірів. Дослідження проводилися як безпосередньо на трасі, так і на базі, куди були доставлені з траси газопроводу взірці труб з вм’ятинами. '

Дослідження показали, що між даними про параметри вм’ятин фірми «ROSEN» і фактичними даними, отриманими нами в трасових умовах є суїтєві розбіжності. Крім того, форма і геометричні параметри вм’ятин суттєво впливають на характер НДС МГ.

У четвертому розділі виконані теоретичні дослідження НДС газопроводів при виконанні капітального ремонту.

У процесі виконання ремонтних робіт виникає необхідність у підніманні певної ділянки трубопроводу з метою створення сприятливих умов для виконання різних технологічних операцій: очищення трубопроводу від старого ізоляційного покриття, зварговально-відновлювальних робіт, нанесення нового ізоляційного покриття, тощо. Часто - разом з підніманням трубопроводу здійснюється його горизонтальне переміщення та укладання на берму траншеї. У цьому випадку один із кінців піднятої ділянки трубопроводу по відношенню до іншого кінця розташований на паралельних прямих. Піднімання та горизонтальне переміщення трубопроводу супроводжується його згинанням. У випадку, коли ремонт газопроводу виконують без зупинки перекачувати газу зі зменшенням тиску, трубопровід переважно зазнає дії осьової сили, яка виникає внаслідок внутрішнього тиску газу і зміни температури трубопроводу в процесі експлуатації. У цьому випадку реалізується поздовжньо-поперечне згинання трубопроводу.

Розв’язана задача про оцінку НДС трубопроводу при капітальному

ремонті. Аналіз НДС трубопроводу виконаний на основі диференційних ріикянь поздовжньо-поперечного згину балки, що опирається на пружну основу, а також, на основі розв’язку рівнянь деформації статично визначеної балки, опертої по кінцях на опори із заданим значенням згинаючого моменту та зосередженої сили на консолях, що замінюють вплив відрізаних дільниць.

Розв’язок задачі проводиться у два етапи. На першому етапі визначаються згинаючі моменти та поперечна сила на кінцях балки на пружнії основі. На другому етані, прийнявши ці значення за зовнішні навантаження визначають навантаження на трубоукладачі, а також максимальний згинаючи? момент та напруження в трубопроводі.

У загальному випадку рівняння для визначення параметрів: ,ю(Ш]), 0(00), М(ЕІ) і 4-([ЕІ) для балки на пружній основі мають вид:

де - ю(о), Є(0), М(0), *>(о) відповідно початкові значення прогину, ку

повороту, згинаючого моменту' та поперечної сиди; У| , У2 , Уз, - фуню Крилова; а - реакція пружньої основи; д, - інтенсивність розподілено навантаження;

Для випадку ремонту газопроводу на бермі траншеї диференцій рівняння поздовжно-поперечного згину балки, що лежить на пружній оеш записано у вигляді:

сі4 у СІ^У '

ЕІ-і + ЦГ-^-Р{х,у, 2„,Я) = 0 (

сіх ск

де Р - вертикальні навантаження, що діють на трубопровід: Г? - вектор (його компонентами є абсциси гі) перерізів, до яких прикладаюіься зусилля від піднімальних пристроїв (трубоукладачів); і„- число центрів ваги механізмів.

Замінивши похідні їх кінцеворізніпіевими аналогами і розв’язавши (5) відносно уі, одержимо наступну систему рівнянь:

У і = АУ,- 2 + вУ,л + Вум + Лу,^_ + СР (6)

де А^-1

б Е1 /V

А4 И2

-і

■В =

4_ ЛПГбЯ/_2//

л4+а21а4 и2

-1

С- А{-И").і = -2 (7)

де Ь - горизонтальний крок сітки; у,- висотні відмітки трубопроводу у і-тому перерізі; N - кількість перерізів сітки.

При цьому схема процесу має наступний вигляд:

1. Визначається значення поздовжної сили, що виникає у трубопроводі при підніманні і формується перше наближення:

)? = НІ7І = 1Я-,ЛГ (8)

2. За формулою (7) визначаються у, з врахуванням (8).

3. Проводиться перевірка виконання умови збіжності ітераційного процесу, яка вибирається із співвідношення:

І,,п+1

■ ' (9)

де задана точність збіжності ітераційного процесу. Якщо при цьому (9) виконується для усіх у"+], і=3,..., N-2, то необхідно визначити величини у“+1 , у?\ упк1\, у"-*1 з граничних умов, після чого при виконанні умови (9) для усіх у"11, і=і,..., N розрахунок вважається закінченим. В іншому випадку виконується наступний пункт. -

4. Визначається видовження Дії при піднімати трубопроводу, знаходять результуючу поздовжну силу N і повертаються до етапу 2.

Величини згинаючих моментів Мь згинаючих напружень сг; та перерізуючої сили Р; в перерізах з абсцисами у, (і=2, ..., N-2) визначають за формулами:

МіЯ,ш^-2£+У‘«- (Ю)

(Н)

1 цг

р, = ЕІ •

(12)

де її - горизонтальний крок сітки; у, - висотна відмітка трубопроводу в і-тому перерізі; \У - момент опору поперечного перерізу трубопроводу.

В теоретичному плані вперше розроблена методика оцінки залишкової міцності трубопроводу з дефектами форми типу вм’ятин. Задача полягає у визначенні гранично-донустимого тиску р в трубопроводі при відомих параметрах вм’ятини та фіксованих напруженнях.

Для визначення максимального значення тиску р отримано рівняння

виду:

де Я- номінальний радіус серединної поверхні труби; сЬ - елемент довжин* дути; ств - тимчасовий опір матеріалу труб на розрив; |і - коефіцієнт Пуассона .

Для відомих параметрів вм’ятини залишкова міцність трубопроводу с може бути визначена за формулою:

де \У — прогин трубопроводу в місці утворення вм’ятини; І - товщина стіню труби.

, Дослідження показали, що при А>1 (де X = -¡== безрозмірна довжин

дефекту) спостерігається різке зменшення міцності трубопроводу, ослабленог вм’ятиною, що треба враховувати при оцінці залишкової міцносі трубопроводів з дефектами такого виду.

Розроблені методики та алгоритми розрахунку НДС газопроводів пр капітальному ремонті, допустимої висоти їх піднімання при ізоляційно-очисни роботах, а також оцінки ступеню небезпечності дефектів форми типу вм’яти пройшли практичне опробування на діючих магістралях і мають добр сходимість. '

П’ятий розділ присвячений удосконаленню методів оцінки технічног стану газопроводів при капітальному ремонті та їх випробування в трасови умовах.

В плані оцінки стану ізоляційних покриттів проведено аналіз існуючі методів визначення захищеності газопроводів від грунтової корозії, опираючи« на який проведена їх модернізація з використанням струмів змінної частота.

Дослідження показали, що звичайним методом вимірювання потенціал «труба-грунт» отримати електродний потенціал трубопроводу неможливо, то\ що виміряний таким чином потенціал крім електродного потенціалу', міститі

(13)

О о

(14

омічне падіння напруги між мідно-сульфідним електродом і трубопроводом.

Ця задача розв’язана шляхом пошуку таких параметрів R,, а, р, у (де RT-поздобжній опір трубопровода; а - коефіцієнт згасання; р - питомий опір грунту; у - віддаль до аноду, які б мінімізували функціонал F, що представляє собою суму квадратів різниці теоретично розрахованого та “виміряного потенціалів. За запропонованою методикою знаходження параметрів RT, а, р, у для персонального комп’ютера Pentium 100 була розроблена програма у середовищі Windows 95 на мові Delphi 3, яка пройшла апробацію на реальних даних, взятих із ділянки газопроводу Дашава-Київ. Результати тестування показали, що розроблена прогрма може використовуватися в автоматичних системах керування катодним захистом в задачах контролю стану ізоляційних покриттів, а також для визначення перехідного опору грунту'. ,

Удосконалена методика оцінки напруженого стану газопроводів в умовах експлуатації з використанням ультразвукового методу вимірювання. Труднощі такої оцінки полягають у тому, що в умовах експлуатації не завжди є можливість визначення швидкості поширення ультразвукових коливань (УЗК) у незавантаженому трубопроводі. В зв’язку з цим задача вирішується наступним чином: визначаються швидкості поширення УЗК коливань у фіксованій точці у два різні часи виміру і, на основі цих даних, обраховується швидкість поширення УЗК у незавантаженому трубопроводі по відповідних напрямках. Оцінюється похибка вимірювань ггчасу поширення УЗК у відповідних напрямках •

де а - коефіцієнт пропорційності між часом поширення УЗК і напруженнями; х™ - точне значення часу поширення УЗК; г“ - значення часу поширення УЗК,

взяте з експерименту.

Якщо це багатопараметрична залежність виконується для фіксованої товщини стінки трубопроводу, то визначені швидкості УЗК можуть бути використані для оціики напруженого стану трубопроводу за уточненими нами розрахунковими залежностями.

Розроблено нові способи підвищення несучої здатності газопроводів з корозійними дефектами, які не вимагають повної зупинки перекачування газу під час виконання ремонтних робіт. Для поодиноких або групових корозійних дефектів, глибина яких не перевищує 40% номінальної товщини стінки труби, а максимальна довжина менша половини зовнішнього діаметру труби, розроблено конструкцію розрізного бандажу. У випадку наявності корозійних пошкоджень, глибина яких перевищує 40% номінальної товщини стінки труби, або вони мають меншу глибину, а їх довжина близька до критичного значення, визначеного за Американським стандартом ANSI/ASME В.31 G розроблено розрізну герметичну муфту із технологічними кільцями. Для поодиноких

дефектів з шириною або довжиною, що не перевищують 20 мм та глибиною до 40% від номінальної товщини стінки труби випробувані заплати-муфти.

Запропоновані методи підвищення несучої здатності газопроводів з дефектами неодноразово випробувані на ефективність в реальних умовах експлуатації і ремонту та підтвердили свою економічну доцільність.

В додатках до роботи приведені документи, що підтверджують впровадження результатів дисертації у виробництво.

Основні висновки і рекомендації.

1. На основі проведених експериментальних досліджень та теоретичних узагальнень розв’язана важлива наукова задача удосконалення методики діагностування технічного стану та способів ремонту магістральних газопроводів для підвищення надійності їх експлуатації.

2. Розроблена стратегія прогнозування міцності та довговічності лінійної частини магістральних газопроводів, що дозволяє висвітлити та проаналізувати широке коло проблем, пов'язаних з їх функціонуванням. Стратегія включає побудову загальної ієрархії системи прогнозування міцності та довговічності газопроводів з виділенням основних елементів, зазначенням їх місця та зв'язків, окресленням комплексу пов'язаних з ними методичних проблем.

3. Вперше в умовах експлуатації проведені дослідження НДС газопроводів при капітальному ремонті, а також на складних ділянках траси у зонах пластичного деформування металу труб. Показано, що трубні сталі МГ мають значний залишковий ресурс експлуатації, який не обмежується терміном у 33; роки. Встановлено, що трубні сталі марки 17Г1С можуть мати ресурс експлуатації в межах 43-82 роки і значний запас пластичності, що не обмежує залишковий ресурс експлуатації за умови своєчасного виявлення зон можливого пластичного деформування металу труб та ремонту корозійних дефектів.

4. При виборі методу капітального ремонту МГ без зупинки перекачування необхідно брати до уваги не тільки корозійний стан матеріалу труб, але і величину та характер розподілу залишкових напружень в околі дефектів. Встановлено, що розподіл залишкових поздовжних напружень в окремих перерізах по довжині трубопроводу, виведеного у капітальний ремонт, є неоднозначним, а їх значення змінюється від 40-50 МПа до 80-90 МПа, досягаючи (0,2-^0,5)ае (де сг,- напруження від експлуатаційних навантажень та впливів).

5. Запропоновані нові розрахункові формули для визначення напружень у трубопроводі при виконанні ремонтних робіт, що виникають при перміщенні точок осі труби. При переміщенні трубопроводу коли його вісь займає просторове положення, яке аналітично описується за допомогою запропонованої залежності, вирішена задача . забезпечення мінімальній напружень згину у трубопроводі. Задача розв’язана шляхом знаходження мінімуму функціоналу, що будується з врахуванням особливостей процес}

деформування, початкових та граничних умов.

6. Вперше для теоретичної оцінки граничного стану трубопроводів з дефектами форми типу вмятин розв’язана задача визначення граничного допустимого тиску р у трубопроводі та його залишкової міцності а в залежності від геометричних розмірів вм’ятини, що відкриває принципову можливість схематизації дефектів типу вм’ятин за ступенем їх небезпечності у нормативних документах. Показано, що при Л>1 (де X - безрозмірна довжина вм'ятини) спостерігається різке зменшення міцності трубопроводу, ослабленого вм’ятиною, що потрібно враховувати при оцінці залишкової міцності трубопроводів з дефектами такого виду.

7. Запропоновані нові технічні та технологічні рішення з ремонту МГ під тиском без зупинки перекачування, що враховують тип і розміри дефектів та проведена їх промислова перевірка при виконанні ремонтних робіт на газопроводах Київ-Захід України (II нитка) та «Союз» (на гірській дільниці).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Розгонюк В. В. Газотранспортна система Укргазпрому. Газої промисловість України. -1994. - С. 21 - 22.

2. Розгонюк В.В., Хачикян Л.А. та інш. Експлуатаційникові газонафтовог комплексу: Довідник. - K.: Росток, 1998. - 432 с.

3. Розгонюк В.В., ШлапакЛ.С. Розробка концепції дослідженії технічного стану надземних ділянок газонафтопроводів //Нафтова і газої промисловість. - 1996. - № 4. - С. 35 - 37.

4. РозгонюкВ.В., Коваль В.М., ШлапакЛ.С. Науково-технічі забезпечення моніторингу корозійного стану магістральних трубопровод // Нафтова і газова промисловість. - 1998. - № 4. - с.Зб - 37.

5. Шлапак Л.С., Розгонюк В.В. Дослідження напружено-деформованог

стану газопроводу під час капітального ремонту // Нафтова і газог промисловість. -1998.-№ З,-С. 37. . '

6. Розгонюк В.В., ШлапакЛ.С., Коваль В.М. Про створена централізованої системи технічного нагляду і діагностування лінійної частин магістральних газопроводів України // Нафтова і газова промисловість. - 199J -№ 5: -С. 38-41.

7. Бут B.C., Грецький Ю.Я., Розгонюк В.В., Дрогомирецький М.М

Черненко В.А., Зворотній В;Ф. Застосування дугового зварювання для ремонт діючих трубопроводів/ЛНафтова і газова промисловість. - 1998. - № 6. - с. 44 47. ; ■ 1

8. Розгонюк В.В., Шишківський В.А., Батозька A.B., Кацалап С.О Розподіл струму катодного захисту паралельного трубопроводу. // Нафтова газова промисловість. - 1998. - № 5. - с. 41-42.

9. Розгонюк В.В., Бородій М.В., Шлапак Л.С. Стратегія прогнозуваш міцності та довговічності лінійної частини магістральних газопроводів Нафтова і газова промисловість. - 1999, №1. - с.40-44.

10. Розгонюк В.В., Палцан І.Г., Шлапак Л.С. Дослідження напруженої стану надземних переходів газопроводів. Нафта і газ України - 96. Матеріал науково-практичної конференції. -Харків, 1996. - 14 -16 травня.

11. Розгонюк В.В., Капцов И.И. Актуальные задачи повышена надежности и контроля технического состояния магистральных газопроводо: Материалы 7-й Международной Деловой Встречи «Диагностика - 97». - Ялт 1997.-т. 1.-С. 108-111.

12. Розгонюк В.В. Организация системы диагностики в АО «Укргазпром; Материалы 7-й Международной Деловой Встречи «Диагностшса-97». - Ялт;

1997.-т. 1.-С. 55-58.

13. Перун Й.В., Коваль В Н., Волошанекий Р.В., Гидзяк Й.П., Рудко В.П., Розгоіпок В.В., Банахевич Ю.В. Исследования коррозионного состояния трубопроводов на сложных участках трассы. Материалы 7-й Международной Деловой Встречи «Диагностика - 97». - Ялта, 1997. - т. 2. - С. 270 - 274.

14. Розгонюк В.В., Сапрыкин С.А. Разработка технологий, методов и средств технической диагностики в АО «Укргазпром». Материалы 8-й Международной Деловой Встречи «Диагностика - 98». - Сочи, апрель 1998.

15. Розгонюк В.В., Шлапак Л.С., Олийник А.И. Определение напряженно-деформированного состояния трубопроводов при капитальном ремопте. Материалы 8-й Международной Деловой Встречи «Диагностика - 98». - Сочи, апрель 1998.

16. Розгонюк В.В., Шишківський В.А., Кацалал С.Ф. Оброблення результатів інтенсивних вимірювань потенціалу захисного поля для оцінювання ізоляційного стану трубопроводів. Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции «Современные приборы, материалы й технологии для технической диагностики й неразрушающего контроля промышленного оборудования. Элементная база и комплектующие для приборов НК. Подготовка специалистов в сфере неразрушающего контроля й технической диагностики». - Харьков: ХТУРЗ, 1998. - С. 109-110.

17. Розгонюк В.В., Шишківський В.А., Кацалал С.Ф. Вплив анодного поля на ідентифікацію параметрів системи електрохімзахисту. Нафта і газ України - 98. Матеріали науково-практичної конференції. - Полтава, вересень

1998.-С.273.

18. Баранов М.Ю. Коваль В. М., Шлапак Л.С. Розгонюк В.В., Про методику дослідження корозійного стану трубопроводів з використанням струмів змінної частоти. Нафта і газ України - 98. Матеріали 5і міжнародної конференції. - Полтава, вересень 1998. - С. 271.

АНОТАЦІЯ

Розгонюк В.В. Удосконалення методики діагностування технічного стану та способів ремонту магістральних газопроводів.' - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальністю 05.15.13 - нафтогазопроводи, бази та сховища. - Івано Франківський державний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ 2000.

Дисертацію присвячено питанням підвищення надійності експлуатац. магістральних газопроводів на дільниця« капітального ремонту шляхої удосконалення методики діагностування технічного стану та способів ремонт трубопроводу. В дисертації розв'язана важлива задача, яка грунтується н комплексному підході до оцінки параметрів, що визначають технічний ста трубопроводу. Встановлено, що вибір способу виконання ремонтних робіт н газопроводах під тиском залежить від достовірної оцінки напружене деформованого стану матеріалу труб з врахуванням величини, типу дефектів т зміни фізико-механічних властивостей в ході тривалої експлуатації.

Запропоновано ефективну стратегію прогнозування міцності т довговічності лінійної частини магістральних газопроводів, розроблен оригінальну математичну модель та програмне забезпечення для оптимізац параметрів напружено-деформованого стану газопроводів при ремонтнії роботах, запропоновано новий конструктивно-технологічний підхід д виконання ремонтних робіт на магістральних газопроводах під тиском. використанням дугового зварювання. Основні результати праці знайшл промислове впровадження при виконанні ремонтних робіт на діючи газопроводах Київ-Захід України (II нитка) і «Союз» (на гірській дільниці Ключові слова: математичне моделювання, напружений стаї

діагностування, аналіз, експертна система, стратегія. .

АННОТАЦИЯ

Розгонюк В. В. Усовершенствование методики диагностирования ■ технического состояния и способов ремонта магистральных газопроводов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук г специальности 05.15.13 - нефтегазопроводы, базы и хранилища. Йвані Франковский государственный технический университет нефти и газа, Ива» Франковск, 2000.

Диссертация посвящена вопросам повышения надежности эксплуатащ магистральных газопроводов на участках капитального ремонта путе усовершенствование методики диагностирования технического их состояния способов ремонта трубопровода. В диссертации решена важная зада>

диагностирования, базирующаяся на комплексном подходе к оценке параметров, определяющих техническое состояние трубопровода. Установлено, что выбор способов проведения ремонтных работ на газопроводах под давлением зависит от достоверной оценки напряженно-деформированного состояния материала труб с учетом размеров, типа дефектов и изменения физико-механических свойств в ходе эксплуатации.

Разработана эффективная стратегия прогнозирования прочности и долговечности линейной части магистральных газопроводов, базирующаяся на современных организационных и научных решениях, которые могут быть реализованы в виде экспертной компьютерной системы. Проведены исследования и установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния в трубопроводе при проведении ремонтных работ в условиях пересеченного профиля трассы. Разработана оригинальная математическая модель и программное обеспечение для комплексной оценки параметров напряженно-деформированного состояния газопроводов при капитальном ремонте, критерием оптимальности для выбора которых служит минимум напряжений изгиба в трубопроводе. Используя разработанную методику, предложен способ оптимизации пространственного положения трубопровода при его подъеме для проведения ремонтных работ. Задача решена с использованием уравнений Эйлера и нахождения минимума функционала, характеризующего особенности деформирования трубопровода при ремонтных работах. Используя подходы и критерии механики разрушения, исследованы изменения свойств материала трубных сталей при длительной эксплуатации, на основании которых установлено, что основной материал труб и материал сварных соединений имеют значительный запас пластичности. Предложены принципиально новые конструкционно-технологические решения ремонта газопроводов под давлением. Впервые решена задача оценки остаточной прочности трубопроводов с дефектами формы типа вмятин. Основные результаты работы нашли промышленное внедрение при производстве ремонтных работ на действующих газопроводах Киев-Запад Украины (П нитка) и «Союз» (горные участки).

Ключевые слова: математическое моделирование, напряженное

состояние, диагностирование, анализ, экспертная система, стратегия.

ABSTRACT

Vasyl V. Rozgonyuk. Improvement of technical conditions survey and repair methods for natural gas main pipeline. Typescript.

A dissertation to obtain a Ph.D degree ( technician ) in speciality 05.15.13 - oil and gas pipelines, tank farms and storage facilities. - Ivano-Frankivsk State Oil&Gas Technical University, Ivano- Frankivsk, 2000.

The dissertation is dedicated to the issues of natural gas pipelines operati reliability increasing during the repair and maintenance process by improvement technical conditions survey and repair methods. An important task'based on integrat approach to the evaluation of parameters defining the technical conditions of pipeli was solved. It was determined that the choice of repair methods for natural % pipelines under pressure is dictated by the reliable assessment for the stress-strain state of pipe materials with consideration for nature and extent of the defects as well for the change of physical and mechanical properties during the long-term operation.

An effective strategy of natural gas main pipelines integrity prediction w proposed, an ingenious mathematical simulation and software for optimization of I stress-strained state parameters during the gas pipeline repair process were develop« new design features and technology approach for hot-tapping during the natural | main pipeline repair process using arc welding are due to the research work. Princi] findings of the investigation was drawn on to make good use during the repair proci on the main natural gas pipelines under operation such as Kyiv-Western Ukraim second line) and Soyuz (mountain section).

Key words : mathematical simulation, stress state, technical condition surv expert s>rstem, strategy.