Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и зада чи исследований. 16
1.1. Состояние практики экспертизы опасности повреждений трубопроводов и их ремонта . 16
1.2. Анализ методологических основ оценки опасности участков газопроводов с дефектами и проблемы их реабилитации. 18
1.3. Задачи исследования. 20
2. Очаги возможных аварий в магистральных газопроводах . 24
2.1. Основные разновидности очагов возможных аварий и подходы к оценке их влияния на прочность трубопроводов . 24
2.2. Учёт влияния геометрических нарушений формы на прочность газопроводов. 26
2.3. Влияние поверхностных дефектов на несущую способность трубопроводов. 39
2.4. Практический анализ трубопроводов с очагами возможных аварий. 48
2.5. Выводы. 58
3. Защитные конструкции для дефектных участков магистральных газопроводов . 60
3.1. Основные разновидности защитных конструкций. 60
3.2 Влияние защитных конструкций на прочность трубопроводов с дефектами . 81
3.3 Практический анализ несущей способности защитных конструкций. 92
3.5. Выводы. 107
4. Анализ эффективности конструкционного упрочнения дефектных участков магистральных газопроводов защитными устройствами . 108
4.1. Выбор конструкционно-технологиеских вариантов упрочнения дефектных участков. 108
4.2. Критерий сопротивляемости конструкционно- технологического варианта упрочнения дефектного участка, усиленного защитной конструкцией . 114
4.3. Аналитические и экспериментальные исследования опасных очагов возможных аварий. 116
4.4. Состояние вопроса и задачи расчёта защитных конструкций. 140
4.5. Выводы. 141
5. Расчётно-эксперименталыюе иследование усиливающих конструкций . 144
5.1. Разработка методов расчёта защитных конструкций. 144
5.2. Методы расчёта оболочечных защитных конструкций. 163
5.3. Расчётная оценка напряжений в окрестности дефектов при установке защитных конструкций. 178
5.4. Экспериментальный анализ усиливающих конструкций. 182
Приложение 1. 195
Анализ влияния протяжённых дефектов в трубопроводах на параметры напряжённого состояния. 195
Приложение 2. 198
Оценка надёжности линейных участков магистральных газопроводов. 198
Список литературы.
- Состояние практики экспертизы опасности повреждений трубопроводов и их ремонта
- Основные разновидности очагов возможных аварий и подходы к оценке их влияния на прочность трубопроводов
- Влияние защитных конструкций на прочность трубопроводов с дефектами
- Критерий сопротивляемости конструкционно- технологического варианта упрочнения дефектного участка, усиленного защитной конструкцией
Введение к работе
Надёжность эксплуатации газотранспортных систем трудно предсказуемым образом зависит от сочетания большого количества объективных и субъективных причин и в первую очередь определяется состоянием линейных участков магистральных газопроводов, обладающих четко выраженной тенденцией к ухудшению в силу многих факторов. К наиболее значимым из них следует отнести: высокий уровень напряжений в стенках газопроводов, большие сроки эксплуатации, деградацию механических свойств металла труб, наличие дефектов, отрицательное воздействие природно-климатических факторов и т.д.
Металл труб практически постоянно работает в условиях двухосного напряжённого состояния, когда обе компоненты напряжений растягивающие причём кольцевая составляющая достигает (0,6-0,7) от предела текучести, это обстоятельство в сочетании с постоянным воздействием окружающей грунтовой среды приводит развитию коррозионного растрескивания под напряжением (КРН); с другой стороны двухосность напряжённого состояния сильно снижает пороговое значение пластичности металла перед началом разрушения. Так при одноосном растяжении пятикратных образцов остаточное удлинение составляет (20-28)%, а при гидравлических испытаниях до разрушения пластическое удлинение периметра трубы достигает только (2-3)%, что свидетельствует о повышенной чувствительности трубопроводов к всевозможным дефектам [І]. Длительность эксплуатации газопроводов проявляется не только в развитии коррозионных и стресс-коррозионных поражений стенок труб, но и на свойствах самого металла, как правило, происходит охрупчивание сталей; показатели пластичности снижаются, а предел прочности возрастает, что сопровождается ощутимым снижением трещиностойкости трубных сталей.
Результаты статистического анализа причин разрушений за несколько лет показывают, что разработка и совершенствование мер противокоррозионной защиты привели к снижению доли коррозионно-эрозионных дефектов примерно в два раза, однако почти во столько же раз увеличилась доля повреждений,
5 вызванная конструкционными и монтажными причинами [2]. Так, по данным специалистов Баттельского института (США), проводивших исследования разрушений газопроводов в течение 20 лет, было зарегистрировано 133 случая разрушений; из этого числа - 11% разрушений произошло за счёт неоднородности сварных швов, 48% - от различных нарушений геометрии и дефектов (вмятины, гофры, царапины, риски, выемки, дефекты прокатки и т.д.), что составляет большинство, остальные произошли за счёт коррозии и циклического воздействия, приводящего к росту усталостной трещины [3]. К, неизменно имеющимся в металле труб, скрытым дефектам и микротрещинам в процессе эксплуатации добавляются новые дефекты. Газопроводы в субарктических широтах пересекают болота, заболоченные местности, участки с зонами вечной мерзлоты, и в силу того, что это как правило, газопроводы большого диаметра^ 220-1420), а их доля в системе ОАО «Газпром» составляет порядка 61,5% из 150тыс.км[4], они обладают большой плавучестью и при недостаточной балластировке возможны всплытия отдельных участков, вызывающие появление вмятин и гофр. В зонах вечной мерзлоты случаются выходы камней на поверхность и в таких местах препятствующий этому газопровод, получает вмятину. Подобного рода геометрические нарушения формы, а также дефекты типа царапин, рисок задиров могут появиться и при случайном нарушении правил транспортировки или регламента строительных работ. На участках со слабонесущими грунтами возможны изменения проектных положений газопровода, что приводит к появлению дополнительных напряжений, инициирующих возникновение трещиноподобных дефектов в стенках труб, в сварных швах и развитию уже имевшихся дефектов. Дефекты стенок трубы типа микротрещин в условиях переменных напряжений имеют тенденцию к ускоренному росту в районе концентраторов напряжений, что сопровождается их слиянием, ведущим к возникновению магистральной трещины с последующим разрушением[5].
Промышленные регионы и крупные предприятия нуждаются в непрерывной поставке энергетического сырья, это обстоятельство исключает остановку магистрального газопровода и диктует разработку предупредительного ком-
плекса мероприятий для обеспечения эксплуатационной надёжности трубопроводов путём исключения разрушений. В этом комплексе значительное место должны занимать конструктивно-технологические методы устранения ослябляющегого влияния геометрических нарушений формы и дефектов стенок трубы на прочность и долговечность трубопроводных систем. В последние годы для восстановления прочности участков с повреждениями и дефектами всё шире применяются защитные усиливающие конструкции на основе безвырезной технологии ремонта газопроводов. Широкому и повсеместному применению безвырезной технологии препятствуют: во-первых нехватка на данный момент надёжных и всесторонне апробированных методик учёта влияния всевозможных нарушений геометрии и дефектов стенок на прочность газопровода, отремонтированного тем или иным видом усиливающей конструкции; во-вторых не полностью установлена зависимость механических характеристик трубных сталей от срока службы газопровода, от эксплуатации в коррозионных средах, как изменяется долговечность при стресс коррозионных поражениях металла; в-третьих мало исследований по эффективности усиливающих конструкций, по анализу силовой работы оболочечных муфт, по экспериментальным исследованиям долговечности неметаллических защитных конструкций. Для того, чтобы безвырезная технология шире применялась при восстановлении несущей способности участков магистральных газопроводов с повреждениями, необходимо усовершенствовать методики учёта ослабляющего влияния нарушений геометрии, дефектов в стенках труб и деградации материала на прочность газопровода за счёт более точного учёта геометрии дефектных зон, характера силового воздействия, механического поведения материала труб, что становится возможным при использовании таких наук как нелинейная строительная механика, механика разрушения, статистические методы в строительной механике, надёжность машин и др. Анализ современной технической литературы (монографий, учебных пособий и научных статей) убедительно демонстрирует взаимовлияние и проникновение друг в друга отмеченных дисциплин [6,7,8,9,10,19,20,22,23], и их применение при решении технических проблем.
Общие принципиальные вопросы применения вероятностных методов к анализу надёжности ресурса строительных конструкций и сооружений получили развитие на основе трудов В.В. Болотина [6], А.Р.Ржаницына [7], Г.Аугусти, А.Баратти, Ф.Кашиати [8], а надёжности и ресурса газопроводов в фундаментальных работах В.В. Харионовского [4], Иванцова О.М. [9], Завой-чинскогоБ.И. [10].
Вопросы проектирования магистральных трубопроводов и их расчёта на прочность и устойчивость разработаны докторами технических наук, профессорами П.П. Бородавкиным, A.M. Синюковым [11],[12],[13], сотрудниками ВНИИСТа А.Б. Айнбиндером, А.Г. Камерштейном [14,15].
Проблемы расчёта оболочек с геометрическими нарушениями рассмотрены в работах Х.М. Муштари [16], А.П. Гайдученко, А.Ф. Деменкова, B.C. Гудра-мовича [17,18].
Развитие науки о механике разрушения, в частности, в работах отечественных учёных В.В. Болотина [19,20], Н.А. Махутова [21], Г.П. Черепанова [22], В.З. Партона [23] послужило основой для исследований поведения оболочек, в том числе цилиндрических, с дефектами стенок, что отразилось в большом количестве работ, основополагающими из которых являются работы Секлера Е.Е., Вильямса М.Л. [24], Фолиаса Е.С. [25], Копли Л.Г., Сандерса Ж.Л. [26], Дункана М.Е.[27], а из отечественных работ В.В. Панасюка, М.П. Саврука, А.П. Дацышина [28], [29], И.В. Орыняка [30,31,32] и др.
Из анализа вышеуказанных работ можно сделать вывод, что проблема снижения несущей способности трубопроводов с геометрическими нарушениями формы и дефектами стенок является актуальной со многими нерешёнными вопросами по части восстановления несущей способности таких трубопроводов.
Ряд этих вопросов отражён в работах автора
[138,145,147,152,171,172,174,192,207,214,215]. Публикация основных работ автора в журнале "Проблемы машиностроения и надёжности машин", защищает приоритет их идей, поскольку издательством Аллертон Пресс (США) он пере-
8 водится на английский язык и распространяется во многих странах мира [33,34,35].
Целью работы является разработка методологии проектирования ремонтных конструкций для восстановления несущей способности участков магистральных газопроводов, имеющих геометрические нарушения формы и дефекты стенок трубы, на основе анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований несущей способности труб с дефектами, использования новых приёмов для определения разрушающих нагрузок в трубопороводах с повреждениями, разработки методов прочностного расчёта усиливающих конструкций, проведения натурных экспериментальных исследований несущей способности дефектных труб, усиленных ремонтными конструкциями.
В соответствии с поставленной целью, в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
Создана методика определения разрушающей нагрузки на основе статистических методов множественной линейной и нелинейной регрессий для газопроводов с протяжёнными дефектами гладкого и трещиноподобного характера;
На основе экспериментальной апробации поведения труб магистральных газопроводов разработаны расчётные соотношения для прочностной оценки труб с вмятинами и рекомендации по допустимым размерам вмятин и гофр;
Предложен критерий опасности очагов возможных аварий, позволяющий сравнивать между собой разнообразные дефекты и повреждения и определять наиболее опасный;
Разработана классификация усиливающих конструкций для участков газопроводов с дефектами и повреждениями, учитывающая ремонтные технологии и характер очага возможной аварии;
Созданы практические методы расчёта ремонтных конструкций, упрочняющих участки газопроводов с геометрическими нарушениями формы поперечных сечений и дефектами в стенках труб.
На основе экспериментальной апробации поведения труб с ремонтными
муфтами, установленными на дефектные места, предложен критерий сопро
тивляемости усиленного дефектного участка для сравнительной оценки уси
ливающих устройств;
Разработана методология проектирования ремонтных конструкций для вос
становления несущей способности участков газопровода, содержащих гео
метрические нарушения формы и поверхностные дефекты стенок труб. На
основе результатов практической апробации и предложенных критериев
созданы расчётные соотношения и алгоритм оценки несущей способности
отремонтированного участка газопровода.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые получены следующие результаты:
Создана методика определения разрушающей нагрузки для труб газопроводов с протяжёнными поверхностными дефектами на основе методов множественной линейной и нелинейной регрессий.
Установлены рубежные значения глубины вмятин и гофр, остаточных деформаций и приращений деформаций, регламентирующих стратегию ремонта труб магистральных газопроводов с вмятинами и гофрами.
Разработан критерий опасности очагов возможной аварии, позволяющий выполнить сравнительную оценку снижения несущей способности участков магистрального газопровода, содержащего геометрические нарушения формы и дефекты в стенках труб, и определиться с местом первоочередного ремонта.
Классифицированы в зависимости от способа усиления и вида устраняемого дефекта существующие ремонтные конструкции и технологии, на основе аналитических обзоров защитных устройств и способов ремонта, применяемых в газовой отрасли.
Разработаны практические методы расчёта ремонтных муфтовых и бандажных конструкций на основе оригинальных гипотез, позволяющие учесть их роль в повышении несущей способности трубопроводов с дефектами.
Впервые предложена методика прямой расчётной оценки повышения несущей способности дефектного участка газопровода, отремонтированного муфтовой или бандажной конструкцией, на основе разработанного критерия сопротивляемости усиленного дефектного участка. Выполнена практическая апробация критерия.
Разработана методология проектирования ремонтных конструкций для восстановления несущей способности дефектных труб магистральных газопроводов включающая: совершенствование моделей интерпретации протяжённых поверхностных дефектов и геометрических нарушений формы типа вмятин и гофр, статистическое и экспериментальное моделирование разрушающей нагрузки для отмеченных типов дефектов, интегральную оценку опасности комбинированных дефектов, определение эффективности применения планируемых ремонтных конструкций по степени повышения несущей способности за счёт усиления дефектного участка.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что проведённые исследования и разработки представляют собой логически увязанную методологию проектирования ремонтных конструкций и являются основанием для практической реализации мероприятий при восстановлении несущей способности дефектных участков линейной части магистральных газопроводов. Результаты исследований использовались при разработке следующих нормативно-методических документов газовой отрасли и стандартов предприятия ООО «Севергазпром»:
-ВРД 39-1.10-063-2002 «Инструкция по оценке работоспособности и отбраковке труб с вмятинами и гофрами»;
-СТП 8828-168-04 «Методы ремонта дефектных участков газопроводов диаметром 1020-н 1420 мм стеклопластиковыми муфтами с резьбовой затяжкой»;
-СТП 8828-167-04 «Ремонт дефектных участков газоконденсатопроводов диаметром 530ч-1420 мм стальными сварными муфтами»;
-«Методические рекомендации по оценке разгружающей способности защитных конструкций».
На основе последних рекомендаций выполнено расчётное обоснование способа ремонта трубопровода деформированного изгибом по патенту РФ №2137343, что при ремонте газоконденсатопровода DH=530 мм «Вуктыл - Торжок» обеспечило экономический эффект 250 тыс. рублей. Ведомственный руководящий документ ВРД 39-1.10-063-2002 рекомендован в системе ОАО «Газпром» для оценки опасности вмятин и гофр и выбора способа ремонта. Стандарты предприятий по стеклопластиковым и стальным муфтам рекомендуются при выборочном и капитальном ремонте дефектных участков линейной части магистрального газопровода в ООО «Севергазпром». Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III научно-технической конференции "Методы решения прикладных задач механики твёрдого тела" (г. Днепропетровск, 1988г.), на III Всесоюзной конференции по нелинейной теории упругости (г. Сыктывкар, 1989г.), на XXIV и XXV Международных научно-технических совещаниях по проблеме прочности двигателей (г. Москва, РАН, 1992г., 1994г.). Автор выступал с докладами на XXVIII (г. Вологда, 1992г.), на XXX (г. Новгород, 1994г.) Межреспубликанских семинарах "Актуальные проблемы прочности", а также на I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (г. Новгород, 1994г.). Отдельные результаты работы обсуждались в ходе научно-технической конференции "Проблемы развития газодобывающей и газотранспортной систем" (г. Ухта, 1995г.), на XIV Международной конференции по физике прочности и пластичности материалов (г. Самара, 1995 г.) и на II Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (г.
12 Москва, МГТУ, 1994г.). Практические исследования по теме диссертации обсуждены на Международной 51й НТК, посвященной Белорусской Государственной политехнической академии (г. Минск, 1995г.), на I Международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности металлических конструкций и методы их решения" (г. Санкт-Петербург, 1995г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Химия, технология и экология переработки природного газа" (г. Москва, ГАНГ, 1996г.) и на Международной конференции "Проблемы освоения Тима-но-Печорской нефтегазоносной провинции" (г. Ухта, 1998г.). Результаты теоретических работ представлены на XVI Международной конференции по математическому моделированию в механике деформируемых тел (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на III и IV Международных конференциях "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности металлических конструкций и методы их решения" (г. Санкт-Петербург, 1999г, 2001г.). Доклады по ряду, решённых автором научно практических задач отрасли, заслушаны на научно-технической конференции "Европейский север России. Проблемы освоения и устойчивого развития." (г. Ухта, 1999г.), на II Региональной научно-технической конференции "Актуальные проблемы геологии нефти и газа" (г. Ухта, 1999г.), на I Международной конференции "Техническое обслуживание и ремонт линейной части газопроводов" (Словакия, октябрь 2000г.), на IV Международном семинаре "Современные проблемы прочности им В.А. Лихачёва" (Великой Новгород, 2000г.), XXXVI Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (г. Витебск, 2000г.), на 4й научно-технической конференции, посвященной 300-летию инженерного образования в России "Актуальные проблемы состояния нефтегазового комплекса в России" (г. Москва, РГУ нефти и газа, 2001г.), на конференции « Новые технические решения при ремонте, реконструкции и строительстве линейной части магистральных газопроводов и газораспределительных станций» (Волгоград, май 2002г.).
13 Основное содержание диссертации отражено в 39 работах, включающих два патента на изобретение, три обзора по теме диссертации, 32 научных статьи и 3 нормативных документа. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложения и списка литературы. Каждая глава сопровождается выводами, в заключении сформулированы основные результаты работы. Общий объём диссертации 224 страниц, приложение 9 страниц; в том числе 32 таблицы и рисунков и библиография из 228 наименований.
В начальном разделе диссертационной работы выполнен краткий анализ состояния проблемы восстановления прочности участков магистральных газопроводов с дефектами. Важное место в этой проблеме занимают вопросы определения несущей способности линейной части газопроводов, имеющих геометрические нарушения формы, дефекты стенок трубы, снижение механических характеристик металла. При решении этих вопросов в настоящее время, как правило, влияние различных факторов рассматривается отдельно; явно недостаточен объём экспериментальных исследований. В то же время имеется обширный материал о разрушениях при опрессовке, при полигонных испытаниях и на действующих всевозможных трубопроводах. Всё это представляет собой реальную основу для теоретических соотношений и разработки инструмента исследований на вероятностной основе. Восстановление несущей способности труб газопроводов с дефектами требует разработки методологии, обеспечивающей подбор рациональных и прочных ремонтных конструкций и технологий, обеспечивающих нужный срок безаварийной работы отремонтированных участков газопровода. После обоснования актуальности проблемы, формулировки цели и задач выполнен аналитический обзор научных работ в которых, рассмотрены основные разновидности геометрических несовершенств и поверхностных дефектов в стенках газопроводов. Количественная оценка ослабляющего влияния повреждений на несущую способность трубы газопровода осуществляется на основе законов строительной механики и теории упругости, а для трещиноподобных дефектов использовались положения механики разрушения. В общем виде это влияние учитывается коэффициентом снижения
14 прочности. Приведены результаты основных экспериментальных исследований зарубежных и отечественных специалистов по прочности труб с дефектами.
В дополнение к анализу работ по ослабляющему влиянию дефектов на прочность трубопроводов рассмотрены основные разновидности усиливающих конструкций, применяемых для ремонта участков газопроводов с различными видами повреждений. Проанализирован опыт применения многих типов конструкций для ремонта локальных и обширных дефектов, как сквозного, так и несквозного характера. В отдельных работах содержатся упрощенные расчётные формулы для оценки защитных конструкций, усиливающих участки труб газопроводов с нарушениями формы и дефектами стенок. Выполнен анализ основных экспериментальных исследований по эффективности применения некоторых типов усиливающих конструкций, установленных на трубах с дефектами.
В соответствии с поставленной целью диссертационной работы решение задач в направлении этой цели начинается с анализа эффективности применения защитных конструкций, выделения основных этапов необходимых исследований, разработки практических методов и приёмов для их выполнения. Разработан критерий оценки сопротивляемости дефектных трубопроводов усиленных защитными конструкциями. На первоначальном этапе, разработанной методологии для выбора рационального варианта защитной конструкции предложена классификация усиливающих конструкций и технологий ремонта. Для наиболее опасных видов повреждений разработаны инженерные методы оценки прочности и практические рекомендации. А именно, выполнены экспериментальные исследования вмятин и гофр как наиболее опасной разновидности из группы геометрических компактных несовершенств, что в итоге послужило основой при создании ведомственного руководящего документа по этому виду повреждений. Из группы поверхностных дефектов в стенках трубы наиболее опасными считаются протяжённые дефекты осевой ориентации нетрещинопо-добного и трещиноподобного вида. Для трещиноподобных дефектов методом конечных элементов определены коэффициенты концентрации напряжений при
15 различных сочетаниях размеров и формы дна. Выполнено компьютерное статистическое моделирование протяжённых поверхностных дефектов на основе методов множественной линейной и нелинейной регрессий, позволяющее определить величину разрушающей нагрузки для газопроводов с гладкими и трещиноподобными дефектами. Разработан критерий сравнительной оценки опасности разного рода геометрических нарушений и дефектов в стенках газопровода. Практическое применение критерия сопротивляемости дефектного трубопровода усиленного защитной конструкцией, позволяющего оценить степень повышения несущей способности отремонтированного участка трубы, потребовало, в свою очередь, создания методов расчёта на прочность усиливающих конструкций. Разработке этих методов предшествовали аналитические и экспериментальные исследования оболочечно-муфтовых усиливающих конструкций. Далее на основе механики тонкостенных конструкций были разработаны практические методы расчёта для трубы газопровода с повреждениями, усиленного муфтами или оболочечными защитными конструкциями. Для газо-конденсатопровода с искривлённой осью на сложном участке создана методика расчёта параметров напряжённо-деформированного состояния, учитывающая совместную силовую работу трубопровода и усиливающей конструкции. Выполнена расчётная оценка сопротивляемости труб с дефектами при усилении тремя вариантами ремонтных конструкций. Осуществлена экспериментальная апробация и анализ эффективности работы различных типов усиливающих конструкций на основе критерия сопротивляемости дефектного трубопровода усиленного защитным устройством.
В заключительной части работы приводятся основные результаты, достигнутые на основе выполненных исследований и применения созданных методик.
Состояние практики экспертизы опасности повреждений трубопроводов и их ремонта
Практика экспертизы опасности повреждений газопроводов регламентирована большим количеством нормативной документации, по которой осуществляется техническая паспортизация линейной части магистральных газопроводов, оговариваются виды, способы и средства контроля технического состояния трубопровода, общие требования к проведению натурного обследования газопровода, определению состояния металла труб, оценке состояния изоляционного покрытия и электрохимической защиты. Техническое обследование участка магистрального газопровода включает в себя анализ результатов с определением степени опасности дефектов, оценки общего напряжённо-деформированного состояния участка и его отдельных мест и завершается принятием решения о дальнейшей эксплуатации (или ремонте) и о технических мероприятиях по восстановлению несущей способности участка и оценки его ресурса. Сложившаяся система экспертной оценки опасности повреждений газопроводов в целом себя оправдывает, исключая большинство аварийных ситуаций на магистральных газопроводах с большими сроками эксплуатации, способствуя тем самым решению важной проблемы - бесперебойному снабжению предприятий энергоресурсами. В решении этой важной проблемы участвуют научно-производственные объединения и отраслевые институты. Особенно велика роль крупнейшей газовой компании ОАО "Газпром" и отраслевого института (ВНИИГаз). В лаборатории надёжности газопроводных конструкций ВНИИГа-за под руководством Харионовского В.В. ведутся работы по оценке работоспособности участков газопроводов с нарушениями геометрии и дефектами стенок трубы, по совершенствованию методов оценки надёжности и остаточного ресурса трубопроводов с повреждениями. В лаборатории ремонта газопроводов
ВНИИГаза под руководством Велиюлина И.И. разрабатываются новые конструкции и совершенствуются новые способы и технологии ремонта повреждённых участков газопроводов. Кардинальное решение проблемы поддержания эксплуатационной работоспособности газопроводов обещает концепция ремонта разработанная ОАО "Газпром" [36], основная суть которой состоит в переходе от планирования капитального ремонта и приоритетного ремонтно-технического обслуживания к созданию программ продления срока работы объектов трубопроводного транспорта на проектных режимах и базируется на выполнении следующих этапов: 1. Диагностическое обследование магистральных газопроводов; 2. Определение приоритетов трубопроводов на предремонтное обслуживание и ремонт на основе методик, определяющих уровень риска и остаточного ресурса трубопроводов. 3. Выбор наиболее экономичного метода и современных технологий восстановления эксплуатационных параметров трубопроводов.
В свою очередь, выполнение данных этапов потребует решения широкого круга сложнейших задач, из которых отметим следующие:
1. Изучение деградации физико-механических свойств материалов и
формоизменения конструкций в эксплуатационных условиях;
2. Разработка критериев безопасности трубопроводных сетей с учётом их местонахождения;
3. Совершенствование методик и создание математического обеспечения специальных программных комплексов для адекватного расчётного прогнозирования долговечности трубопроводных систем. Реализация программ продления срока работы объектов трубопроводного транспорта в рамках намеченной концепции позволит вытеснить традиционный метод ремонта трубопроводов с вырезкой на более экономичные и менее трудоёмкие способы.
Несмотря на сложившуюся систему экспертизы опасности дефектов и предупреждения аварийных разрушений ситуация на магистральных газопроводах ОАО "Газпром" остаётся непростой в силу ряда причин:
1. протяжённость газопроводов больших диаметров (1020-1420) мм составляет 61.5% от общей протяжённости, составляющей примерно 150 тыс. км;
2. средний возраст газопроводов составляет 25 лет, из них 14% приходится на долю газопроводов, эксплуатирующихся свыше 30 лет и 85% на газопроводы со сроком службы от 10 до 30 лет;
3. порядка 16 тыс. км трубопроводов нуждается в переизоляции и ремонте. При этом 50% газопроводов отработали от 15 до 40 лет - срок, при котором плёночное изоляционное покрытие практически полностью теряет свои защитные свойства;
4. по причине потенциальной опасности более 21 тыс. км газопроводов эксплуатируются при пониженных давлениях;
5. ежегодно добавляется (40-60) км газопроводов, эксплуатируемых в заболоченных районах Севера и Западной Сибири, из-за потери устойчивого положения по причине низкого качества балластировочных работ;
6. растёт количество отказов по причине стресс-коррозионного воздействия с одновременным расширением зоны её появления.
Основные разновидности очагов возможных аварий и подходы к оценке их влияния на прочность трубопроводов
Проблема расчётного прогнозирования долговечности участков газопроводов должна рассматриваться с учётом важной принципиальной особенности магистральных трубопроводов - это обязательное присутствие в них очагов возможных аварий, представляющих собой как визуально наблюдаемые геометрические нарушения формы, так и скрытые повреждения, к ним относятся дефекты материала труб, сварки, строительства, коррозии, транспортировки, эксплуатации и т.д. [4]. Решение отмеченной проблемы требует обоснованной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС), адекватного нагрузкам и возмущениям, инициируемых дефектами при непременном учёте деградации свойств материала труб. Исходной для оценки параметров НДС является информация о геометрических нарушениях формы и дефектах на магистральных газопроводах, полученная посредством внутритрубной диагностики, визуальными методами, а также экспресс-методами неразрушающего контроля. В зависимости от характера нарушений геометрии, размеров самого дефекта,- а также его расположения предлагается все локальные дефекты и нарушения геометрии подразделять на три группы [38], [41]:
1) Компактные геометрические несовершенства, к ним относятся равномерное утонение стенки, овальность, смещение кромок трубы, вмятины, гофры;
2) Внутренние дефекты в стенке трубопровода - это трещины, раковины, пустоты, расслоения, ликвации;
3) Поверхностные дефекты, расположенные как на внешней, так и на внутренней поверхности трубы - это царапины, задиры, забоины, поражения металла в виде язв и углублений коррозионного и стресс-коррозионного характера. Отрицательное влияние нарушений геометрии и дефектов проявляется в концентрации напряжений и по степени, создаваемой ими величины локального роста напряжений, подразделяется на два больших вида [38]:
Трещиноподобные - к ним относятся так называемые острые концентраторы - это трещины, включения, непровары, надрезы, риски, расслоения, поры и т.п. Нетрещиноподобные - к ним относят гладкие концентраторы, когда степень концентрации конечна и достигает относительно небольших значений -это коррозионные раковины, выемки, скруглённые углубления, а также к ним относятся все очаги ослаблений из группы компактных геометрических несовершенств. Поверхностные и внутренние дефекты в зависимости от их геометрии могут быть отнесены как к трещиноподобным, так и нетрещиноподобным очагам возможных аварий в трубопроводах. Оценка НДС в зоне локализации очага возможной аварии в общем случае требует решения пластической задачи в предположении больших деформаций и напряжений. Обычно стараются осуществить оценку НДС менее трудоёмкими способами, так трещиноподобные дефекты схематизируются эллиптической или полуэллиптической трещинами для которых решение известно. Схематизация дефекта гарантировано должна обеспечить заниженную прочность, но запас прочности должен быть разумным. Наиболее простая реализация такого подхода заключается в замене любых несовершенств трещинами, как наиболее опасным видом дефектов. Эта замена удобна тем, что требует минимум информации о дефекте, а именно, достаточно знать площадь проекции дефекта на плоскость расположения эквивалентной трещины. Анализ нетрещиноподобных дефектов чаще всего ведётся на основе формулы Нейбера, и разного рода её модификаций, дающих значения для пластических коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в зоне локализации дефекта. Для этого необходимы теоретические коэффициенты кон 26 центрации из решения в упругой постановке, а также кривая деформирования. Этой информации, в большинстве случаев, достаточно для оценки ресурса конструкции.
Влияние защитных конструкций на прочность трубопроводов с дефектами
Один из наиболее ранних способов ремонта повреждённых мест трубопроводов выполнялся при помощи муфты «А», заключающийся в установке цилиндрической обечайки, как правило, из трубы той же толщины, на повреждённое место, т.е. получалась так называемая многослойная цилиндрическая конструкция. Вопросы расчёта таких конструкций подробно освещены в монографии Никольса Р.[126], где приводятся решения для случаев плоского напряжённого состояния (пне) и плоского деформированного состояния (пдс), исходя из равенства радиальных перемещений на границе раздела внутренней и внешней цилиндрических оболочек. Отдельно рассмотрен вариант расчёта футерованной конструкции, когда цилиндрическая оболочка покрывается сверху тол-стостеным бетонным цилиндром. Развитие указанного подхода применительно к газопроводам, усиленных муфтой "А", выполнено в работе [82], где приводится соотношение, позволяющее определить коэффициент снижения кольцевых напряжений за счёт муфты а/а0 = Рг /Р0 + {\-Рг /Р0 )/(1 + S, /60), где сг,сг0 - напряжения в стенке трубы с установленной муфтой и без муфты; РГ,Р0 - давление, действующее в трубопроводе при установке муфты и рабочее давление; S, ,д0 - толщина стенки муфты и стенки трубопровода.
Анализ этого соотношения показал, что в случае обычно используемого в экспериментах(5S = 50,РГ/Р0 =0.67) муфта даже при идеальной подгонке снижает напряжение в несущей трубе всего на 17%.
Конструктивно муфты типа «В» с технологичеким зазором и муфты «А» очень схожи, отличаются они только наличием в муфте «В» поперечных сварных швов и при действии внутреннего давления их силовая работа практически идентична. Поскольку муфты прилегают к трубе только в нескольких точках, то можно считать, что между трубой и защитной цилиндрической обечайкой существует зазор, величина которого меняется от нуля до значения- Д. В работе [127] рассмотрен случай совместного деформирования муфты с трубой под действием внутреннего давления. На рис. 3.46 показана муфта незаполненного вида типа "В", и поскольку при выводе формул силовая работа кольцевых сварных швов не учитывалась, то полученные соотношения будут справедливы и для муфт типа "А". Величина внутреннего давления, при котором полностью смыкается технологический зазор и в силовую работу подключается муфта, может быть найдена из формулы: 4Е5ТА где, Е,/л - модуль Юнга и коэффициент Пуассона трубной стали; DT,S7- наружный диаметр и толщина стенки трубопровода; Д -среднее значение технологического зазора по периметру трубы. Для окружных напряжений в стенках трубы и муфты получены следующие соотношения: 2ЕА = - - РР Рь DT+DM. DT\i + M ) 4 дт+дм где, DM,SM- наружный диаметр и толщина стенки муфты. Из формулы для давления РА следует, что величина минимального относительного зазора (A/DT ), при котором муфта остаётся ненагруженной при рабо 83 чем давлении, для газопроводов примерно равняется 0.0005, т.е. для трубы диаметром 1420 мм этот зазор составит 0.71 мм.
В муфтах типа «В» с большим промежутком, существенно превышающим технологический зазор, образуется межтрубная полость, заполнение которой некоррозионно-активным заполнителем прекращает рост коррозионных процессов в металле и за счёт перераспределения давлений между основной трубой и защитной оболочкой происходит уменьшение напряжений в стенках трубопровода. Исходя из условия совместности деформаций и, принимая во внимание изменение объёма межтрубного пространства за счёт сжимаемости жидкости, для нагружающих давлений в трубе и на защитную оболочку в работе [127] получено ,Г.Л ± ;,„.С (ЗЛ) т р D D, где A = E/38T83K(DIK-D2T); B = D33KST(l-M2Y, C = D3T-S3K(l-v2); D = C + A + B; Pp - рабочее давление в трубопроводе; Е,ц - модуль Юнга и коэффициент Пуассона для трубной стали; DT,8T,D3K,S3K - наружный диаметр, толщина стенки трубопровода и защитной конструкции соответственно. Р - коэффициент сжимаемости жидкости. Дополнительный эффект разгрузки достигается при закачке жидкости под давлением Рж. Тогда для кольцевых напряжений в стенках трубы и защитной конструкции получается т = -р - о- = Взк \р +р 1 Т iff7 зк о г L ЗК Ж1 loT дзк ГДЄ гт — Рр — Рзк — Рж .
Для ремонта участка трубопровода с нарушениями геометрии применяют, так называемые оболочечные муфты, т.е. муфты типа «В» с размещением в межтрубном пространстве бетона или песчано-цементного заполнителя. Отме 84 тим, что усиливающая конструкция типа муфты «В» с относительно большим промежутком, заполненным бетоном или песчано-цементным раствором, почти полностью идентична конструкции типа «труба в трубе» за исключением небольших зон в окрестности угловых сварных швов приварки к трубе, применяемой для подводной прокладки или участков под авто и железнодорожными магистралями. Для данного типа трубопроводной конструкции задача определения параметров ндс решалась как для многослойной цилиндрической конструкции с дополнительным предположением о нерастяжимости промежуточного слоя, т. е. он считался способным передавать только сжимающие усилия, что позволило получить для кольцевых напряжений в стенках внутренней и наружной труб следующие зависимости [12],[128],[129] af =A-(B + Q/(D-Sl); rj[ = A-RrE2-E3, где A=P0(R1 -Sl);B = (R2 -S2)-E\ -Е\ -SX;C = E\ -Е\ -52 Sl -\n[(R2 -S2)/Rx]; D = B + C+RX -S2 -E2 -E\;E\=EX1{\-/л2);Е2 =E2 /(1-fi2)\E\ =ЕЪ /(l-/ 2); Ех,Е2,Еъ,цх,/л2,1иг -модули Юнга и коэффициенты Пуассона для внутренней и наружной труб и заполнителя соответственно; R1,R2,Sl,S2 -внутренние радиусы и толщина стенок внутренней и наружной труб.
Чтобы обеспечить совместную силовую работу трубы газопровода и усиливающей конструкции с самого начала нагружения, необходимо исключить свободное деформирование трубы, что достигается устранением усадки при затвердевании заполнителя. Если обеспечить затвердевание заполнителя в герметично закрытом пространстве, то усадки не происходит и усиливающая оболочка будет сразу включаться в силовую работу.
Критерий сопротивляемости конструкционно- технологического варианта упрочнения дефектного участка, усиленного защитной конструкцией
Практика восстановления несущей способности линейных участков газопроводов в трассовых условиях при ликвидации отдельных повреждений, всё чаще опирается на методы ремонта без вырезки дефектного участка и без остановки транспортировки газа [138,139,140]. В настоящее время принятие решения о ремонтных работах на участке с дефектами регламентируется руководством Газпрома ВРД 39-1.10-001-99 [39] по анализу результатов внутритруб-ной инспекции, исходя из приоритетности данного участка, определяемого на основе ранжировки дефектов по степени их опасности (Рис. 4.1). Причём ранжировка должна осуществляться в два этапа: на первом - дефекты ранжируются на основе рекомендаций по расчёту трубопроводов с дефектами на опасные или недопустимые (НД), потенциально-опасные (ПО) и неопасные (НО); на втором - производится корректировка ранга каждого дефекта в зависимости от трассовых условий при помощи специальных таблиц. Вопрос выбора конкретного конструктивного варианта регламентируется руководством Газпрома РД 558-97[40] по сварочным ремонтно-восстановительным работам на газопроводах, разрешающих ремонт простых локальных дефектов заваркой или зашлифовкой, а для всех остальных случаев предлагается вырезка дефектного участка. Появившиеся в последнее время инструкция ВСН39-1.10-001-99[137] и руководящий документ ВРД39-1.10-013-2000[119] регламентируют производство ремонтно-восстановительных работ действующих трубопроводов без остановки транспорта продукта с применением полимерных композиционных материалов для сквозных и несквозных дефектов линейного и плоскостного характера следующих типов: общей и питинговой коррозии, зазоров, царапин, сколов, каверн, вмятин глубиной до 5% диаметра трубы, смещений кромок кольцевых сварных швов до 30% толщины стенки и утонений до 20% толщины стенки на длине 1/12 периметра трубы. Применяемые инструкции и руководства, детально решая вопросы технологии ремонта конкретным видом усиливающей конструкции с обеспечением необходимой прочности делают это только для нескольких типов конкретных дефектов, и не дают представления о всей гамме применяемых усиливающих устройств и ремонтных технологий для всего спектра, встречающихся нарушений геометрии и дефектов стенок трубопроводов, и соответственно не всегда решают проблему выбора рационального варианта усиления или технологии восстановления повреждённого участка. Дополнительно к этому проблема осложняется появлением новых разновидностей усиливающих устройств и ремонтных технологий. Наиболее последовательным представляется решение данной проблемы на основе авторской методологии, схема которой представлена на рис. 4.2. Исходная информация о дефектах, считающаяся известной, позволяет выполнить классификацию и экспертную оценку их опасности как на основе известных, так и авторских методиках.
Следующий этап восстановления несущей способности - предварительный выбор защитного устройства предлагается делать на основе авторской классификации защитных конструкций и ремонтных технологий для дефектосодер-жащих участков газопроводов[141]. Согласно данной классификации основные защитные и усиливающие конструкции для линейных участков магистральных газопроводов предлагается разбить на три больших класса (рис. 4.3): 1) усиливающие конструкции на основе сварки; 2) усиливающие конструкции без применения сварки на трубе; 3) усиливающие конструкции из композитных материалов.
Для каждого варианта ремонтной технологии или защитного устройства указана разновидность дефектов, устраняемых наилучшим образом этими вариантами. Разработанная классификация позволяет наметить несколько рациональных вариантов для линейного участка с повреждениями и может послужить основой для более детальной систематизации в дальнейшем по мере появления новых конструкций усиливающих устройств и ремонтных технологий. Намеченные конструктивные варианты детализируются на основе соответствующих инструкций и рекомендаций, часть из которых создана при участии автора (на рис. 4.2 они выделены наклонным шрифтом). Основной фазой предлагаемой методологии является оценка несущей способности отремонтированного участка на основе критерия сопротивляемости и методов расчёта муфтовых, бандажных и оболочечных конструкций, описание которых представлено в последующих разделах диссертации.
