Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ЛОКАЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТРУБОПРОВОД И ПРО
БЛЕМЫ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ 11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУ
БОПРОВОДА В ЗОНАХ ЛОКАЛЬНЫХ ГРУНТОВЫХ ИЗ- 22
МЕНЕНИЙ
Экспериментальные методы определения напряжений. 23
Расчётные методы определения напряжений 26
Построение расчётной модели 27
Метод конечных разностей 32
Метод конечных элементов 34 Некоторые особенности МКР, МКЭ и итерационного метода. 38
Тестовая задача 39
Особенности решения практических задач 42 Порядок решения задачи о напряженно-деформированном состоянии трубопровода с учётом локальных грунтовых явлений 45 Примеры расчётов напряжений на сложных участках трубопровода 47
Трубопровод в карстовой зоне 47
Трубопровод в пучинистом грунте 52 Выводы по разделу 2 54 КОНТАКТНОЕ СИЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ТРУБОПРОВОД В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА 55 Особенности контактных силовых воздействий. 55 Локальные нагрузки при капитальном ремонте 56 Распределение напряжений в зоне контактного воздействия 61
Лежка 62
Сторонний предмет (камень) в траншее 66
Выводы по разделу 3 71
4. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРОДУКТА ПРИ
НАЛИЧИИ СВИЩА В СТЕНКЕ ТРУБОПРОВОДА 72
Природа локального охлаждения трубы при истечении сжиженного газа 72
Моделирование термонапряжений при истечении продукта. 74
Элементы МКЭ-программы. 81
Некоторые закономерности формирования термонапряжений
в зоне истечения продукта. 82
Экспериментальные исследования температурных изменений 88 при истечении ШФЛУ.
Изменение прочности трубопровода при локальном изменении температуры. 91
Влияние местного нагрева стенки трубы на прочность ремонтируемого участка трубопровода. 93 Выводы по разделу 4 97
5. ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЁТОМ
ЛОКАЛЬНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 98
Выводы по разделу 5 102
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 104
ЛИТЕРАТУРА 106
Приложение 1. Программа расчёта смещений, деформаций и напряжений в трубопроводе при локальных грунтовых воз- 118 действиях
Приложение 2. Программа расчёта термонапряжений при истечении 124 сжиженного газа через свищ
Введение к работе
В экономиках России и Казахстана важное место занимают добыча, подготовка и доставка энергоносителей различным потребителям внутри страны и за рубежом. Для обеспечения данной отрасли требуется поддерживать систему магистральных трубопроводов в работоспособном, надёжном и безопасном состоянии. Однако это - непростая задача, учитывая большие сроки их эксплуатации и продолжающийся износ трубопроводов и оборудования.
В последние 10 лет наблюдается существенный рост добычи нефти (почти двукратный). С выходом из мирового финансово-экономического кризиса и оживлением экономик развитых стран можно ожидать и дальнейшего увеличения объемов добычи и поставки потребителям энергоносителей. Это потребует в дальнейшем не только сохранения, но и повышения рабочих давлений, что невозможно без повышения прочностных показателей трубопроводов, несмотря на их продолжающееся общее старение.
До настоящего времени система обеспечения работоспособности трубопроводов сводилась к следующим пунктам:
диагностика с периодичностью 3-5 лет;
оценка обнаруженных дефектов с точки зрения их опасности и допустимых рабочих давлений;
ремонт участков с опасными дефектами.
Данный порядок работ был закреплён в системе нормативных документов и позволил значительно поднять надёжность и работоспособность системы трубопроводов. Однако, как показывает практика, аварии на трубопроводах с разрушениями продолжают происходить, хотя и поток отказов значительно снизился. Анализ причин и механизмов развития произошедших аварий показал, что существующая система обеспечения безопасности требует совершенствования.
В существующей системе принято считать, что разрушения трубопроводов происходят от дефектов труб и сварных соединений. Поэтому при ди-
агностике основные усилия направляются на обнаружение дефектов и в этом направлении достигнуты значительные успехи, особенно благодаря развитию средств внутритрубной диагностики. В итоге, накопилась большая база данных по дефектам на магистральных трубопроводах. Только на магистральных нефтепроводах общей протяжённостью 48 тысяч км обнаружено более 11 миллионов дефектов, что составляет в среднем 244 дефекта на км. Чувствительность внутритрубных дефектоскопов уже намного превысила чувствительность заводских приборов контроля, что приводит к тому, что дефекты труб обнаруживаются на новых трубопроводах при предпусковых обследованиях. Тому примеры - дефекты типа расслоение и некоторые виды сварочных дефектов (несплавления).
В поисках дефектов отошли на второй план иные причины разрушений трубопроводов, связанные с другими видами концентраторов напряжений. Такие концентраторы возникают по разным причинам, например, из-за локальных грунтовых и русловых изменений при длительной эксплуатации. Действие опор воздушных переходов, ремонтных механизмов и приспособлений, локальное действие различных источников и стоков тепла, сами сварные элементы вызывают концентрацию напряжений. Если в зоне действия концентратора напряжений находится дефект, то его опасность повышается. Это можно видеть из следующей простой формулы, выражающей максимальное локальное напряжение в стенке трубы:
ашах=(СТном -клокЗ'кдеф (1)
Здесь произведение (суноч -клок.) играет роль локального номинального напряжения при оценке дефекта; клок - коэффициент концентрации напряжений, вызванный локальным силовым или термическим воздействием; кдсф -
коэффициент концентрации напряжений, соответствующий дефекту.
Формула (1) показывает, что для правильной оценки технического состояния трубопровода в одинаковой степени важно как изучение коэффициентов кдеф, соответствующих дефектам, так и коэффициентов клок, соответствующих различным видам локальных термомеханических воздействий.
Между тем, это положение практически не отражено в нормативной базе, регламентирующей порядок обследования и переаттестации трубопроводов. Поэтому при расследовании аварий обычно все усилия направляются на обнаружение и оценку дефектов, а роль других причин и механизмов развития разрушения в некоторых случаях принижается или игнорируется вовсе.
Одним из таких механизмов, требующих пристального изучения, является стресс-коррозия высоконагруженных участков подземных трубопроводов. Это явление начинается без присутствия дефектов, только благодаря возникшим перенапряжениям в отдельных зонах. Результатом является растрескивание металла трубы и разрушение трубопровода. При обследовании аварийной катушки видим множество трещин, которые, однако являются следствием, а не причиной. Первична концентрация напряжений.
Ещё более интересны случаи, когда стресс-коррозия происходит в зонах действия концентраторов напряжений, вызванных сварными соединениями. Локальная стресс-коррозионная трещина может быть принята за сварочный дефект со всеми вытекающими отсюда неправильными выводами.
С накоплением новых сведений по разрушениям и с повышением ответственности за безопасность возрастает интерес к более детальному изучению напряженного состояния трубопроводов, к исследованиям локальных отклонений напряжений от среднего (номинального) уровня. Например, с построением высоконагруженного магистрального нефтепровода Восточная Сибирь - Тихий океан появился интерес к поведению трубопроводов в условиях повышенной сейсмичности и многолетнемерзлых грунтов. Это требует специальных теоретических исследований, а также методического и приборного обеспечения.
Таким образом, существует актуальная проблема, требующая целенаправленных исследований не только дефектов, но и других концентраторов напряжений, разработки и совершенствования приборов контроля напряжённого состояния действующих трубопроводов, совершенствования нормативной базы диагностики, аттестации и ремонта. Эту важную проблему не-
возможно полностью решить в одной работе. Настоящая работа посвящена решению части обозначенной проблемы.
Цель работы — совершенствование методов оценки безопасности и восстановления магистральных трубопроводов с учетом локальных термомеханических воздействий.
Основные задачи:
Разработка математической модели развития напряжённого состояния в стенке подземного трубопровода, находящегося в зоне локальных грунтовых изменений (в карстовых и пучинистых грунтах).
Исследование закономерностей распределения полей напряжений в стенке трубы в зоне контактного взаимодействия с твердыми предметами (опорами, лёжками, выступающими камнями в траншее).
Исследование особенностей формирования термонапряжений при локальном охлаждении или нагреве дефектного участка трубопровода (в процессе истечения продукта через сквозной дефект, при нагреве перед началом сварки).
Разработка предложений по совершенствованию системы обеспечения безопасности действующих магистральных трубопроводов с учётом локальных термомеханических воздействий.
Основой для решения данных задач явились работы известных ученых и специалистов: Бакиева А.В., Винокурова В.А., Гумерова К.М., Зайнуллина Р.С., Сабирова У.Н., Сираева А.Г., Халимова А.Г. и др.
В работе широко использованы численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов конструкций, положения теорий упругости, термоупругости и прочности, теплофизические эксперименты на трубопроводе при истечении сжиженного газа, результаты обследования некоторых трубопроводов после длительной эксплуатации, испытания образцов труб с дефектами и ремонтными конструкциями. Также использован практи-
ческий опыт эксплуатации магистральных продуктопроводов ШФЛУ, накопленный в ОАО "Уралсибнефтепровод" и ОАО "СибурТюменьГаз".
В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну.
1. Разработаны математические модели формирования полей напряже
ний и деформаций в стенке трубопровода при локальных воздействиях, в том
числе при:
локальных грунтовых изменениях в процессе длительной эксплуатации;
истечении сжиженного газа через сквозной дефект, вызывающем локальное охлаждение;
предварительном нагреве дефектного участка стенки трубы перед началом ремонта;
локальных механических воздействиях различных тел: опор, лёжек, трубоукладчика, камней в траншее.
2. Установлены закономерности напряженно-деформированного со
стояния при рассмотренных локальных термомеханических воздействиях на
трубопровод:
зависимости максимальных напряжений от характеристик карстовой зоны;
динамика и пределы изменения давления трубопровода на лёжки при вскрытии и укладке перед началом капитального ремонта;
количественные выражения термонапряжений при локальных тепловых процессах на поверхности трубопровода, в том числе при:
локальном охлаждении от истекающего через сквозной дефект сжиженного газа;
предварительном нагреве дефектного участка перед началом сварочных работ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработанные математические модели позволяют определить:
допустимые пределы локальных грунтовых изменений в зависимости
от характеристик подземного трубопровода;
оптимальные технологические параметры укладки трубопровода на лёжки и допустимые геометрические характеристики лёжек, исходя из прочностных показателей;
максимальные напряжения при локальных механических воздействиях на трубопровод.
2. Изученные закономерности формирования термонапряжений позво
ляют;
оценить необходимый уровень снижения рабочего давления при обнаружении свища в стенке трубопровода;
рекомендовать предварительный нагрев места ремонта не только как способ улучшения металла сварного шва, но и как способ повышения технологической прочности.
3. Рекомендации, вытекающие из результатов исследований напряже
ний при локальных воздействиях, позволяют сформулировать пути совер
шенствования системы обеспечения безопасности действующих магистраль
ных трубопроводов.
Некоторые результаты исследований использованы в "Инструкции по ремонту дефектных мест продуктопроводов широкой фракции легких углеводородов" разработанном для ОАО "СибурТюменьГаз".
На защиту выносятся:
разработанные математические модели, позволившие исследовать закономерности формирования полей напряжений при локальных термомеханических воздействиях на трубопровод;
исследованные закономерности распределения напряжений в зонах локальных термомеханических воздействий, позволяющие рекомендовать практические методы повышения безопасности трубопроводов;
дополнительные пути повышения надёжности и безопасности трубопроводов, находящихся длительное время в эксплуатации, основанные на совместном рассмотрении результатов дефектоскопии и исследований локальных воздействий.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Гумерову Кабиру Мухаметовичу и сотрудникам ГУЛ «III 11 ЭР» РБ за критические замечания при разработке математического аппарата, помощь и содействие в постановке экспериментов и практическом внедрении результатов работы. Автор также благодарна руководству кафедры "Строительство и строительные материалы" Машиностроительного факультета Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана и коллегам по месту основной работы за понимание и содействие в процессе заочной учёбы в аспирантуре.
1. ЛОКАЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТРУБОПРОВОД И ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ
Поддержание магистральных трубопроводных систем в работоспособном и безопасном состоянии для России и Казахстана является одной из важнейших стратегических задач. Учитывая, что с увеличением срока эксплуатации трубопроводов общий уровень износа и старения растёт, а требования к безопасности с каждым годом повышаются, решение данной задачи представляется непростым и даже невозможным.
Действительно, на первый взгляд кажется абсурдным и непонятным, как можно повышать безопасность трубопроводов, если в них постоянно происходит накопление повреждений и растут дефекты, а сами материалы (изоляция и металл) стареют, меняют структуру и даже состав? Кажется, как и всякие изделия, трубопроводы в новом состоянии всегда более надёжны и более безопасны, а с течением времени может происходить только ухудшение служебных свойств. С этим утверждением трудно спорить, но задача поставлена, и её необходимо решить. Поэтому рассмотрим проблему по ряду пунктов.
1. Отметим, что при проектировании трубопроводов исходят из очень ограниченного набора расчётных показателей, включающего диаметр и толщину стенки труб, пределы прочности и текучести стали [8, 10, 82, 83, 84, 85]. Кроме того, вводят ограничения по некоторым показателям, не участвующим в расчётах, например, по ударной вязкости ( КСУ>30Дж/см2 ), относительному удлинению ( 5 < 20 % ), отношению пределов текучести и прочности ( gt/gb< 0,8 ), химическому составу металла ( Сэ < 0,46 % ). Все
остальные характеристики труб остаются произвольными, поскольку проектами не регламентируются. Однако утверждать, что они не влияют на прочность, надёжность, безопасность, нельзя. Просто установили, что влияние
остальных параметров менее значительно, и оно не выходит за пределы выбранных коэффициентов запаса (или коэффициентов надёжности).
С течением времени по мере накопления информации и обобщения сведений, полученных при расследованиях аварий, стало ясно, что механические свойства металла труб постепенно меняются [16, 55]. Происходит снижение пластических свойств металла труб и сварных соединений. Наиболее заметным образом снижается ударная вязкость и трещиностойкость. Снижение этих характеристик должно иметь отражение на надёжности и безопасности трубопроводов. Отсюда вывод, что принятые при проектировании трубопровода запасы (коэффициенты надежности) могут быть исчерпаны через какое-то время.
2. При проектировании трубопроводов вводят различные конструктив
ные ограничения. Например, по современным нормам запрещены секцион
ные отводы ( они разрешались по нормам до 1970 года), сварные тройники
без усиливающих накладок (разрешались до 1985 г.).
По изоляционным материалам требования постоянно меняются. В 70-е годы прошлого века большим достижением считались внедрение пленочных покрытий, которые позволили существенно увеличить производительность изоляции по сравнению с битумными покрытиями. При этом обеспечивалось более высокие значения переходного сопротивления "труба-земля". В наши дни стало понятно, что у большинства пленочных покрытий имеется существенный недостаток - потеря адгезии в течение 10-15 лет, в результате чего вода проникает под пленку и начинается подпленочная коррозия. Против этого вида коррозии электрохимическая защита практически бессильна.
3. Такая же ситуация и по ремонтным конструкциям. Долгое время
(вплоть до 1989 г.) на участки трубопроводов с небольшими дефектами в
виде царапин и коррозионных язв устанавливались приварные заплаты, ори
ентированные вдоль трубопровода. На участки с гофрами устанавливались
"бутылочные" муфты. Затем в 1995 году такие ремонтные конструкции были
отменены и вместо них были рекомендованы композитные муфты типа КМТ [70]. Однако, как показала практика, муфты типа КМТ оказались неэффективными во многих случаях и вынуждены были вернуться к приварным заплатам и муфтам с более совершенными формами и размерами. В итоге на трубопроводах оказались разные ремонтные конструкции, в том числе и не разрешённые сегодняшними нормами, но разрешённые "вчерашними". Некоторая часть таких элементов заменена, но привести трубопровод в полное соответствие с современными требованиями — неразрешимая задача. Во-первых, дефекты размножаются и растут, во-вторых, сами требования периодически меняются.
Под видом совершенствования нормативная база постоянно меняется. Когда на базе единой отрасли появились разные однопрофильные компании, процесс "совершенствования" ускорился. Каждая компания для своих якобы особых условий разрабатывает и утверждает свои технические документы. В итоге в настоящее время в разных нефтегазовых компаниях действуют разные руководящие документы, сильно отличающиеся друг от друга по некоторым одинаковым вопросам. Это - результат влияния человеческого фактора, поскольку основное отличие трубопроводов, работающих в разных компаниях, только управляющий персонал, включая многочисленных менеджеров.
Практика эксплуатации некоторых трубопроводов показала, что в проектных требованиях и строительных нормах не учитывались и практически до сих пор не учитываются некоторые физические явления, ускоряющие разрушение. В числе таких явлений - стресс-коррозия. Это явление на подземных трубопроводах впервые было обнаружено в 60-е годы прошлого века, а сейчас более половины разрушений магистральных газопроводов происходит из-за стресс-коррозии. Тем не менее, до сих пор происходят споры и специалисты всё ещё не пришли к единому мнению о механизмах стресс-коррозии. Поэтому до сих пор не сформулированы эффективные способы
защиты от стресс-коррозии действующих трубопроводов. Новые трубопроводы стремятся строить из труб, имеющих заводскую многослойную изоляцию, а старые трубопроводы ремонтируют по мере роста дефектов.
Другое явление, которое на трубопроводах стало широко известным в 70-е годы прошлого века - малоцикловое разрушение. Один из самых громких случаев, произошедших по этой причине — катастрофа на пересечении продуктопровода ШФЛУ Омск-Альметьевск с железной дорогой Уфа-Челябинск, произошедшая в 1989 году. За три года эксплуатации данного трубопровода произошло порядка 1000 перепадов рабочего давления и это инициировало зарождение и развитие трещин на царапинах, нанесенных при монтаже трубопровода. Почему нанесены царапины - отдельный вопрос, который освящён в литературе [16]. Но факт, что любой концентратор способен вызвать зарождение и рост трещин, если для этого имеется основное условие — перепад напряжений. В настоящее время причины и механизм развития малоциклового разрушения хорошо описаны [13, 34, 42, 46, 50, 56, 57], однако на практике эти знания применяются редко и выборочно. На уровне строительных норм и правил это явление не нашло никакого отражения.
6. Тем не менее, к настоящему времени накоплен очень большой объём информации по исследованию технического состояния трубопроводов, в том числе:
материалы расследования аварий на различных трубопроводах (в год происходит не менее десяти аварий с разрушениями труб);
материалы обследования трубопроводов методами внутритрубной диагностики (каждый трубопровод обследуется с периодичностью 3-5 лет);
материалы обследования трубопроводов методами электрометрических измерений (обследования проводятся с периодичностью в полгода);
результаты испытаний труб с различными дефектами (испытания проводились с 70-х годов но настоящего времени в нескольких ведущих научных центрах: ВНИИСПТнефть, НИЛИМ, ДИАСКАН и др.);
результаты металлографических исследований металла труб и сварных соединений труб (исследования проводились практически после каждой аварии, а также при выполнении специальных исследований);
статьи в научных журналах и монографии;
диссертационные работы по проблемам обеспечения безопасности трубопроводов;
материалы докладов на научно практических конференциях и др.
Проблема состоит не в недостатке исследований, а скорее, наоборот, в большом объёме полученных результатов и в разнообразии их интерпретаций. Это объясняется двумя основными причинами:
присутствием элементов субъективности при исследованиях (желанием исследователя подтвердить свою теорию, отличную от других);
недостатком независимости исследований (с наступлением эпохи перестройки заказчиками работ, в том числе экспертиз аварийных ситуаций, являются компании, которые часто проводят свою техническую политику, для этого "заказывают" определённые результаты; если исполнитель имеет другую точку зрения, то договор не подписывается, подбирается другой исполнитель).
Если проанализировать имеющуюся информацию критически, исключив элементы субъективности и сохранив независимость от компаний, то вполне можно сделать объективные однозначные выводы о механизмах и причинах ускоренного износа трубопроводов, выбрать наиболее эффективные методы обеспечения работоспособности и безопасности трубопроводов на многие годы. Если этого не делать, то к объективным и однозначным выводам также вынуждены будем прийти, но гораздо позже, когда искажать факты уже станет невозможно, но при этом уже не успеем принять эффективные меры к сохранению трубопроводов в работоспособном и безопасном состоянии. Придётся только констатировать факты разрушений и ожидать новые.
7. Итак, перечислим то, что уже установлено, и попытаемся сформулировать то, что ещё не сделано для совершенствования системы обеспечения безопасности трубопроводов.
Установлено, что техническое состояние трубопроводов определяется следующими факторами:
7.1. Механическими свойствами металла труб и сварных соединений.
Эти свойства со временем меняются. Интенсивность изменений определяется уровнем механических напряжений, частотой перепадов рабочего давления, изолирующими свойствами покрытия. Если изоляционное покрытие не является хорошим барьером для молекул воды, то под действием катодного потенциала на поверхности металла труб выделяется атомарный водород, который может инициировать водородное охрупчивание металла. Так вполне возможно, что через некоторое время механические свойства металла будут разными на разных участках трубопровода. И самое низкое качество металла придётся на самый напряженный участок. Разрушение трубопровода по такой схеме уже наблюдалось на практике [58].
7.2. Напряжённо-деформированным состоянием трубопровода.
В проектной документации напряженное состояние напрямую и однозначно определяется размерами труб (диаметр и толщина стенки), радиусом кривизны участка и рабочим давлением. Однако фактически напряжения зависят также от множества других факторов: наличия и размеров дефектов, геометрических особенностей сварных швов, от технологических особенностей монтажа трубопровода, от температурных режимов и взаимодействия с грунтом. Поэтому местные напряжения могут многократно отличаться от номинальных (проектных). А если при длительной эксплуатации трубопровода происходят изменения в грунте (карстовые изменения, сдвиги, землетрясения, размыв грунтовыми водами), то фактическое напряженное состояние может само по себе стать опасным для трубопровода. С вводом в действие нового нефтепровода ВСТО (Восточная Сибирь - Тихий океан), который
проходит через сложные климатические районы с высокой сейсмоактивно-стью, актуальность изучения динамики напряженного состояния трубопроводов в изменяющихся грунтах возросла.
7.3. Уровнем дефектности трубопровода.
Это - наиболее очевидная и изученная часть проблемы. Поскольку практически все разрушения трубопроводов начинаются на дефектах, на первый взгляд, кажется, что необходимо изучать только дефекты и этого достаточно для обеспечения надежности и безопасности трубопровода. Но фактически сам по себе дефект не приводят к разрушениям. Разрушения происходят тогда, когда на месте расположения дефекта напряжения достигают определённого критического уровня. Однако фактические напряжения на месте расположения дефекта, как правило, остаются неизвестными. В расчётах за эти неизвестные напряжения принимают проектные значения, зависящие только от давления (даже кривизну редко учитывают). Это приводит к погрешностям и ошибкам в оценках истинной опасности выявленных дефектов и впоследствии привести к разрушению.
Тем не менее, сами сведения о составе дефектов является необходимой частью исходной информации для оценки безопасности. Вторая необходимая часть - напряжения - требуют изучения. Пока для измерений фактических напряжений нет надёжной аппаратуры. Поэтому вынуждены ограничиваться расчётными методами, использующими в качестве исходной информации результаты измерений других величин: координат, смещений, магнитных откликов, акустических сигналов и т.д.
7.4. Конструктивными концентраторами напряжений.
Дефекты опасны тем, что вызывают концентрацию напряжений. Однако не только дефекты вызывают концентрацию. Существует большое количество так называемых конструктивных концентраторов напряжений. Конструктивными концентраторами являются все сварные соединения, тройники, опоры и т. д. Концентрация напряжений возникает на всех контактах с
другими деталями: камнями в траншее, лежками, троллейными подвесками и другими предметами. Конструктивными концентраторами напряжений являются все ремонтные конструкции, установленные на трубопровод: заплаты и муфты. Таким образом, требуется рассматривать в качестве потенциально опасных объектов не только дефекты, но и все конструктивные концентраторы напряжений.
Теперь вернемся к исходному вопросу: можно ли повышать безопасность трубопроводов, которые стареют? И что для этого надо делать?
Можно, но только до определенного предела. Для изложения сути методики рассмотрим конкретный пример.
Как известно, магистральные трубопроводы подвергаются периодической внутритрубной диагностике. Затем по результатам диагностики оценивается допустимое давление на каждом обнаруженном дефекте. При этом используются нормативно установленные коэффициенты надёжности, которые в совокупности соответствуют приблизительно двукратному запасу прочности. Если допустимое давление Рдоп меньше рабочего давления Рраб, то данный дефект считается опасным и подлежит ремонту. После ремонта всех опасных дефектов определяем минимальную разность
АР = шіп(Рдоп-РРАБ). (1.1)
Этот параметр АР можно рассматривать как интегральный параметр безопасности данного участка трубопровода.
На рисунке 1.1 в качестве примера показано распределение допустимого давления магистрального нефтепродуктопровода Рязань-Москва по состоянию 15 лет назад [98]. В данном случае интегральный параметр безопасности составляет
ЛР0=Рдоп-РРАБ=5-3 = 2МПа.
На рисунке 1.2 показано состояние трубопровода в настоящее время с учётом того, что многие дефекты выросли в размерах и стали более опасны-
ми. Это привело к тому, что допустимые давления на дефектах заметно снизились. Если не проводить ремонт, то интегральный параметр безопасности составит
ЛРі=Рдоп-РрАБ=4-3 = 1МПа.
0 20 40 60 80 100 120 140 L, км
Рисунок 1.1 - Распределение допустимого давления на МНПП Рязань-Москва 15 лет назад.
Допустимое давление
ёЩЖ'
**
Рабочее давление
;Состояние в настоящее время '. (срок эксплуатации 35 лет)
Давление, Ма
0 20 40 60 80 100 120 140 Цкм
Рисунок 1.2 - Распределение допустимого давления в настоящее время до и после ремонта.
Для восстановления этого параметра до уровня 15 лет назад необходимо ликвидировать 17 дефектов, которые отмечены точками на рисунке 1.2. После этого интегральный параметр безопасности составит
АР2=Рдоп-РрАБ=5-3 = 2МПа.
При оценках допустимых давлений обычно используются большие значения коэффициентов надёжности, взятые из действующих нормативных документов. Большие значения коэффициентов предполагают, что исходные данные могут иметь значительные погрешности. Погрешности набираются из того, что неизвестны фактические напряжения, не изучены грунтовые явления, не исследованы конструктивные концентраторы напряжений и локальные воздействия. Если все эти неизвестности ликвидировать, то не будет необходимости устанавливать столь высокие коэффициенты надёжности. Это приведёт к более высоким расчётным допустимым давлениям.
Таким образом, после ликвидации наиболее значимых дефектов и проведения дополнительных уточнённых расчётов получим картину, показанную на рисунке 1.3. При этом интегральный параметр безопасности станет выше, чем 15 лет назад:
ЛР*=Рдоп-РрАБ=6-3 = ЗМПа.
На рисунке 1.4 показан прогноз распределения допустимых давлений через 15 лет по уточненным расчётам. Видно, что для получения того же значения интегрального параметра безопасности требуется ликвидировать 20 дефектов (отмечены точками) и снизить рабочее давление до 2,0 МПа.
Таким образом, повышение надёжности и безопасности трубопровода в процессе эксплуатации возможно только в определённых временных рамках. Для этого необходимо ликвидировать опасные дефекты (их с каждым годом становится больше), более детально изучать все концентраторы напряжений и принять меры к их снижению.
Исходя из вышеизложенного, были сформулированы цель и задачи настоящих исследований, сформулированные в ведении.
Давление, Ma
f^^
Допустимое давление
АР"
Рабочее давление
Состояние в настоящее время (срок эксплуатации 35 лет)
О 20 40 60 80 100 120 140 L, км
Рисунок 1.3 - Распределение допустимого давления после уточнения расчётов и ликвидации опасных дефектов.
Давление, Ма
Состояние через 15 лет (срок эксплуатации 50 лет)
0 20 40 60 80 100 120 140 L, км
Рисунок 1.4 - Распределение допустимого давления на МНПП Рязань-Москва после уточнения расчётов и ликвидации опасных дефектов.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА В ЗОНАХ ЛОКАЛЬНЫХ ГРУНТОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Как известно, магистральные трубопроводы отличаются большими протяжённостями. При этом они проходят через различные районы, отличающиеся климатическими условиями, температурными перепадами, рельефом местности, типами грунтов, обводнённостью, а также процессами, происходящими в грунте.
Один из примеров таких процессов - карстовые явления [98, 99, 100]. В результате растворения и вымывания солей подземными водотоками грунт со временем проседает, образовывается воронка. Это, в свою очередь, сказывается и на состоянии трубопровода, проложенного в таком грунте. Возникают не учтённые предпроектными расчётами нагрузки со стороны грунта (реакция), которые приводят к дополнительным напряжениям в стенке трубопровода на данном локальном участке, что может стать причиной неожиданных разрушений. Срок, в течение которого напряжения становятся опасными, зависит от интенсивности протекания карстовых явлений, от конфигурации и размеров образующейся воронки, а также от многих других факторов.
Другой пример процессов, приводящих к появлению локальных непроектных нагрузок и напряжений - подводные переходы трубопроводов через реки. С течением времени русла рек меняются, происходит размывание грунта, и трубопровод местами становится оголённым [49, 63]. В этих местах на трубопровод действует поток воды, вызывая вибрации. При некоторых сочетаниях параметров трубопровода, грунта и потока воды оголённый участок трубопровода начинает колебаться и вступает в динамический резонанс. При этом изгибные напряжения могут привести к усталостному разрушению трубопровода на подводном участке.
Третий пример локальных процессов взаимодействия грунта и трубопровода - оползни и сдвиги, вызванные продолжительными дождями или землетрясениями [99, 100].
В многолетнемерзлых грунтах трубопровод также будет испытывать периодические и прогрессирующие локальные воздействия со стороны грунта, вызванные суточными и сезонными изменениями (пучинистые участки, морозобойные трещины, образование ореолов оттаивания и т.д.) [1, 36].
Таким образом, в рассмотренных примерах и аналогичных других случаях требуется оценивать напряжённое состояние трубопровода с учётом происходящих локальных грунтовых изменений. Методику такой оценки рассмотрим на примере взаимодействия трубопровода и грунта в зоне действия карстовой воронки.
