Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы оценки остаточного ресурса газопроводов бывших в эксплуатации
1.1 Особенности эксплуатации подземных газопроводов
1.2 Основные требования к качеству труб и конструктивных элементов трубопроводов 9П
1.3 Анализ коррозионного состояния газопроводов системы газоснабжения
1.4 Неадекватность некоторых подходов нормативных материалов по оценке остаточного ресурса подземных газопроводов
Выводы по разделу 1 51
2 Исследование изменения служебных характеристик металла труб при длительной консервации ,
2.1 Оценка изменения служебных характеристик металла при консервации ,
2.2 Особенности определеігия служебных характеристик металла по измерениям твердости ,q
2.3 Влияние формы и размеров образцов на служебные характеристики металла ,„
2.4 Взаимосвязь размеров образца и статической трещиностойкости металла ,,
2.5 Оценка механических свойств металла по результатам испытаний образцов на ударный изгиб
2.6 Определение служебных характеристик трубопроводов по отношению предела текучести к временному сопротивлению
Выводы по разделу 2 72
3 Оценка степени опасности дефектов и приоритетности ремонта газопроводов 73
3.1 Оценка характеристик статической трещиностойкости труб газопроводов 7,
3.2 Определение предельных нагрузок конструктивных элементов газопроводов с трещиноподобными дефектами и концентраторами напряжений 77
3.3 Определение критических параметров трещин в конструктивных элементах газопроводов
3.4 Особенности расчета предельных нагрузок сварных соединений с трещинами
3.5 Расчеты предельных нагрузок конструктивных элементов с мягкими прослойками
3.6 Определение предельных нагрузок трубопроводов и их конструктивных элементов с коррозионными повреждениями
Выводы по разделу 3 123
4 Разработка расчетных методов оценки безопасных сроков эксплуатации газопроводов системы газоснабжения .
4.1 Расчеты остаточного ресурса при упругих деформациях 124
4.2 Оценка безопасного срока эксплуатации и приоритетности ремонта поврежденных участков трубопроводов
4.3 Оценка ресурса труб по критериям малоцикловой трещиностойкости .
4.4 Оценка остаточного ресурса газопроводов по параметрам испытаний
Выводы по разделу 4 155
Общие выводы по работе 155
Библиографический список использованных источников
- Анализ коррозионного состояния газопроводов системы газоснабжения
- Влияние формы и размеров образцов на служебные характеристики металла
- Определение критических параметров трещин в конструктивных элементах газопроводов
- Оценка безопасного срока эксплуатации и приоритетности ремонта поврежденных участков трубопроводов
Анализ коррозионного состояния газопроводов системы газоснабжения
Уменьшение атомов углерода, вероятно, связано с образованием метана СН , который уходит в различные полости и на поверхность стенки труб.
Одним из важнейших мероприятий, обеспечивающих безопасную эксплуатацию и бесперебойное газоснабжение потребителей, является периодический профилактический ремонт. Он производится для проверки герметичности системы и арматуры, контроля состояния и изоляции, а также для устранения выявленных в процессе эксплуатации дефектов. В последние годы профилактический ремонт в системе газоснабжения проводится каждые 5 лет.
Методы расчета трубопроводов на прочность, базирующиеся на механических свойствах металла, размере труб и равномерном распределении напряжений в стенке трубы, позволяют при первом приближении обеспечить сопротивляемость пластическим деформациям, т.е. разрушению. Однако такой подход не учитывает возможность появления различного рода дефектов, влияние их на статическую прочность и циклическую долговечность металла труб, не гарантирует нормальную эксплуатацию.
Известно, что дефекты с острой вершиной (например, риски, царапины, подрезы, питинговая и межкристаллическая коррозия и т.п.) являются концентраторами напряжений, на которых легко образуются трещины. Тогда разрушения стенки трубы может происходить даже при положительной температуре и при нормальных значениях окружных напряжений, составляющих 20-50 % от предела текучести, т.е. заведомо в упругой области работы материала трубопровода. Следовательно, изучение роли дефектов в разрушении стенки труб и изменения сопротивляемости металла хрупкому разрушению является актуальной задачей.
Кристаллические зерна металлов, как известно, имеют блочную и мозаичную структуру. Они построены из блоков, а блоки - мозаик относительно правильного строения, расположенных лишь приблизительно параллельно друг другу. Размеры их в металлах колеблются от 104 до 106 см, величина углов между одинаковыми осями (h и 1) ф - от нескольких секунд до десятков минут. Так как кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходной слой, в котором ориентация решетки постепенно переходит от ориентации, свойственной одному блоку, к ориентации, свойственной другому блоку. Поэтому кристаллическая решетка на границе блоков упруго искажена.
Еще большему искажению подвергается кристаллическая решетка у границ зерен, так как ориентация зерен друг относительно друга может отличаться на десятки градусов.
Границы зерен и блоков являются носителями избыточной свободной энергии, обуславливающей повышенную скорость протекания любых диффузионных процессов и скопление дислокации.
Примеси являются одним из наиболее важных и распространенных видов дефектов структуры реальных кристаллов. Даже наиболее химически чистые металлы, примесь в которых не превышает 10" %, содержат в 1 см примерно 10 примесных атомов.
В зависимости от природы и количества примесей они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде неметаллических включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки, образуя при этом растворы вычитания или внедрения.
При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых во много раз больше, чем средние значения по всему объему. Атомы, обладающие в данный момент достаточно высокой энергией, могут не только удалиться на значительное расстояние от положений равновесия, но и преодолеть потенциальный барьер, созданный соседними атомами, и перейти в новое окружение, в новую ячейку. Этот процесс сопровождается возникновением вакантного узла (вакансии) и переходом атома в междоузлие.
Исследование дефектности металла труб и фактографические исследования изломов проводились с помощью металлографических и электронных микроскопов по стандартным методикам.
Микродефекты, как известно, также являются концентраторами напряжений. Кроме того, они играют важную роль в понимании трещиностойкости металла труб, так как трещиностойкость является весьма чувствительным параметром к неоднородности структур, к локальным структурным изменениям. Более подробно остановимся на особенности микродефектов, которые также встречаются в газопроводных трубах.
Точечные дефекты. Размеры этих дефектов не превышают нескольких атомных диаметров. К этим дефектам относятся вакансия и междоузельные атомы. Вакансия. Она образуется при переходе атомов на поверхность изделия, в трещину, а также при переходе атомов в междоузлие. Когда температура металла близка к температуре плавления, количество вакансии приближается к 1 % от общего количества атомов. Это состояние можно зафиксировать путем закалки металла трубы. Вакансия образуется при пластической деформации. Она бывает одинарной, двойной и групповой, коагуляция же их приводит к образованию микропор в металле.
Влияние формы и размеров образцов на служебные характеристики металла
Кроме того, нет уверенности, что предлагаемая расчетная формула (4) [РД 12-411-01] правильна для всего набора используемых сталей и может быть распространена на большие сроки эксплуатации (до 100 лет). В этой формуле участвуют много эмпирических коэффициентов, что предполагает проведение большого количества экспериментов со сталями, находившимися в эксплуатации длительное время (тоже до 100 лет). Учитывая, что в настоящее время возраст наиболее старых газопроводов составляет не более 50 лет, непонятно, как эти эксперименты могли быть проведены.
Прогноз на большие сроки эксплуатации может быть построен на знании общих законов деградации механических свойств металлов. Но формула (4) не претендует на это по двум причинам: при увеличении срока службы отношение —- становится больше единицы в соответствии с формулой (4) и рисунками Е.1 и Е.2. Такого не может быть по определению; - зависимость стг / ств (t) по формуле (4) имеет положительную вторую производную, что соответствует вогнутой кривой на графике. Это означает, что со временем скорость деградации ускоряется. Такого тоже не может быть по общим законам распада веществ и деградации материалов.
Во-вторых, для описания пластичности металла труб в большей степени, чем отношение —-, подходят стандартные механические своиства, в частности относительное удлинение 85, которое, в отличие от других параметров, определяется с наибольшей достоверностью.
В третьих, как показывают исследования механических характеристик металлов длительно эксплуатирующихся трубопроводов (за исключением высоконагруженных магистральных газопроводов), старение металла происходит чрезвычайно медленно. Поэтому достаточно с периодичностью один раз в 10 лет проводить механические испытания металла труб напрямую на образцах, вырезанных из катушки. Это целесообразно совместить с ремонтными работами, связанными с вырезкой дефектного участка трубопровода. Если, допустим, удовлетворяется условие 5з 8к, то можно считать, что запас пластичности металла достаточен для эксплуатации газопровода следующие 10 лет. Учитывая, что запас прочности трубопровода высок, можно ограничиться значением предельного удлинения 8к = 0,15.
Следует также сказать, что формула (4) [РД 12-411-01] использует коэффициенты, заданные с очень высокой точностью (таблица 3), о чем свидетельствует количество значащих цифр. Например, для группы сталей «Л» задано Ь= 0,0046703. Здесь пять значащих цифр. Это означает, что округлена только последняя пятая цифра после нулей; относительная погрешность округления составляет 10"5 или 0,001 %. В свою очередь такая точность задания коэффициентов предполагает, что сама формула (4) тоже претендует на такую же высокую точность 0,001 %. Между тем, формула (4) основана на очень приближенных исходных данных 810 и 8во. Документ [РД 12-411-01] предлагает их определять по сертификатам или нормативным данным. Сертификатные данные имеют статистический разброс в пределах до 10 %, а нормативные данные определяют лишь нижние допустимые пределы фактических значений.
Пункт 6.5. Остаточный ресурс рекомендуется определять по изменению ударной вязкости. Здесь появляются замечания, аналогичные предыду 49 щему пункту и кроме того, следующие.
Выбор ударной вязкости в качестве величины, контролирующей остаточный ресурс, некорректен. По СНиП 2. 04. 08-87 при температурах эксплуатации выше минус 40 С, требования по ударной вязкости металла не предъявляются. Только для районов Крайнего Севера, где средняя температура воздуха ниже минус 40 С, ударная вязкость должна быть не ниже 30 Дж/см.
Предложенная методика может привести к абсурдным результатам. Например, построили новый газопровод в соответствии с современными требованиями. При этом ударная вязкость металла составляет 32 Дж/см2, что отвечает самым жестким условиям, включая условия Крайнего Севера. Если рассчитывать остаточный ресурс такого газопровода по методике [РД 12-441-01], то он окажется равным нулю несмотря на то, что газопровод новый.
Сама расчетная формула (7) далека от совершенства. Например, она не отвечает требованиям размерностей (это становится видно, если подставлять на свои места соответствующие коэффициенты по таблице (3); допущена путаница с обозначением t. Совершенно непонятно, как практически реализовать рекомендацию «Исходное значение ударной вязкости аио выбирается по данным базового шурфа...».
Пункт 6.6 [РД 12-441-01] рекомендует оценивать остаточный ресурс по напряженному состоянию. При этом почему-то рассматриваются только кольцевые напряжения, хотя они на газопроводах низкого давления практически никакой опасности не представляют и легко контролируются давлением. В то же время осевые (продольные) напряжения остаются без всякого внимания, хотя они никак не контролируются и представляют наибольшую опасность для сварных стыков газопроводов. Пример И.6, рассмотренный в этом документе, показывает, что осевые напряжения могут быть намного выше кольцевых напряжений.
Пункт 6.7 предлагает метод расчета остаточного ресурса с учетом механизма язвенной коррозии. При этом расчетные формулы вызывают сомнение по следующим причинам.
Во-первых, на практике коррозию стенки трубопровода нельзя однозначно отнести к «фронтальной» или «язвенной». Корродированная поверхность получается неровной и пятнистой с элементами и фронтальной и язвенной коррозии. Поэтому логично было бы провести два расчета, соответствующие фронтальной и язвенной коррозии, а затем выбрать меньший результат по остаточному ресурсу. Однако при расчетах по этому документу получается абсурдный результат, который можно увидеть на следующем примере.
Пусть некоторый газопровод с толщиной стенки 6 мм эксплуатировался 40 лет. При обследовании обнаружили коррозионное пятно диаметром 100 мм. Наибольшая глубина коррозии составляет 1 мм. Критическая глубина дефекта 5 мм.
Определение критических параметров трещин в конструктивных элементах газопроводов
Эта формула справедлива для конструктивных элементов с протяженными трещинами длиной /, превышающий их расчетный диаметр Д Формулу (3.7) можно использовать для расчета разрушающего напряжения от действия продольных сил на конструктивные элементы с замкнутыми (( = 2 it) кольцевыми поверхностными и внутренними трещинами (рисунок 3.5, а, б, в).
Для сталей нечувствительных к трещинам (агр = 1,0) несущая способность элементов прямо пропорционально снижается с увеличением значения И. При атр 1,0 отмечается более резкое снижение 3\с с увеличением степени ослабления стенки элемента Л. Зависимости относительной прочности oj,(o . = erk / т„) от параметра Л при различных значениях атр., отражены на рисунке 3.3.
Влияние протяженности (/ 1,0) трещин на несущую способность конструктивных элементов оценивается параметром К,, который определяется по формуле
При расчете коэффициента К, для кольцевых трещин вместо величины 1 в формуле (3.8) необходимо подставлять значение f = (/2я (рисунок 3.5, а, б и в). Очевидно, что коэффициент К 1,0 (рисунок 3.4) и он способствует росту несущей способности конструктивного элемента (рисунок 3.6). Таким образом, несущая способность конструктивных элементов с поверхностными и внутренними короткими (/ 1,0) (трещинами будет равна: в - константа (в 2,0). Зависимости Кр от р при различных значениях в показаны на рисунке 3.7, б. Для консервативной оценки (в запас прочности) можно принимать в = 2,0. Коэффициент К,, является упрочняющим конструктивный элемент фактором. При этом относительная прочность конструктивных элементов с наклонными трещинами определяется по формуле:
Дня оценки коэффициента Кг введен параметр у = 2/ / ж. С учетом этого величина Ку будет определяться по формуле: где с - константа (с « 7,0). Зависимости Ку от у построены на рисунке 3.8, б. Относительная прочность элемента должна удовлетворить условию: aw=amv-Kh-K,.Kr.Kr \. (3.13)
Таким образом, трещина снижает несущую способность конструктивных элементов из-за охрупчивания металла в окрестности ее вершины (снижение параметра атр в сравнении с единицей) и уменьшение их рабочего сечения (уменьшения Kh). В коротких трещинах проявляется поддерживающий (упрочняющий) эффект, способствующий росту несущей способности конструктивных элементов (К 1,0). Наклонная ориентация (по отношению к продольной оси нефтепровода и радиального направления) трещин способствует повышению несущей способности конструктивных элементов вследствие снижения степени нагруженности и сингулярности. При этом произведение всех коэффициентов, входящих в формулу (3.5) не должно превышать единицы (условие 3.13).
По рассчитанным значениям предельных напряжений ас находятся соответствующие предельные (разрушающие) давления конструктивных элементов.
Для бездефектных конструктивных элементов разрушающие давления Рв определяется по формуле Предельное давление конструктивных элементов с трещинами рассчитывается по формуле (3.14) с заменой величины о"„ на а\с :
Величина 0С рассчитывается на основании формулы (3.5) с учетом выражений (3.6), (3.8), (3.10) и (3.12). Очевидно, что Рс Р„. 3.3 Определение критических параметров трещин в конструктивных элементах газопроводов Критические параметры трещин устанавливаются по заданному уровню относительных окружных напряжений а{ = [ст ст; = т, /ст„)по выражению (3.5): В конструктивных элементах изготовленных из нечувствительных к трещинам сталей (атр.. = 1,0) критическая относительная глубина трещины А р пропорционально снижается с ростом уровня приложенных напряжений Уменьшение характеристики трсіциностойкости аф. способствует более резкому снижению \р от уровня приложенных напряжений а,.
Пол критическими понимаются параметры трещин, соответствующие предельному ли плен то конструктивного элемента.
Для конструктивных элементов с короткими трещинами (/ 1,0) из-ІЗ проявления поддерживающего эффекта величина йи,при заданном [а]. больше, чем при (/ 1,0) (рисунок 3. К), 3.11) и определяется по формуле: ми ікг""- (зл8) При фиксированных значениях относительной глубины трещины h из выражения (3.18) получаем критические величины относительной длины 1кр:
Чем меньше относительная глубина трещины А, (при фиксированном значении [5 ] ), тем больше ее критическая относительная длина (рисунок 3.12).
Наклон трещин по отношению к продольной оси нефтепровода (рисунок 3.7, а) приводит к снижению степени их нагруженности и соответствующему увеличению критической относительной глубины Йкр (рисунок 2.13):
Очевидно, что при Кв 1,0 и К, 1,0 шов и зона термического влияния прочнее основного металла, а при Кв 1,0 и Кв! 1,0 наоборот. Для участков с пониженной трещиностойкостью : ф„ 1,0. Для сварных соединений со снятым усилением (с = 0) разрушающее напряжение 0С определяется по формуле (3.5) с учетом коэффициентов механической неоднородности (3.22): для случая, когда трещина в сварном шве и Тъ-9Ь,",-а К -КгК-Кг-1?»- тя. (3.24) для случая, когда трещина в металле зоны термического влияния. Здесь положено, что a„v = a \ и ег, = ег "". Параметры аф, Kh, К,, К р, Ку определяются по формулам (3.4), (3.6), (3.8), (3.10), (3.12).
Оценка безопасного срока эксплуатации и приоритетности ремонта поврежденных участков трубопроводов
Коррозионное воздействие сред (равномерный коррозионный износ) учитывается введением так называемой прибавки на коррозию А (или запаса на коррозионный износ). Расчетная толщина стенки труб цилиндра б0=5„р+Д8.
Параметр А5 определяется как произведение нормативного срока службы трубопровода [tH] на скорость коррозии металла о0 в данной среде: A5=o0-[t].
Например, канадским стандартом на газопроводах предусматривается прибавка на толщину стенок труб не менее 2 мм, если не обеспечивается достаточная защита от внутренней коррозии. Такой подход к учету агрессивности среды сравнительно прост и принципиально верен, но не лишен и недостатков. Прибавка на коррозию устанавливается преимущественно по данным о коррозионной стойкости металлов, полученных на образцах (свидетелях) без приложения нагрузки. Кроме того, такой подход базируется на предположении постоянства скорости коррозии во времени, что не соответствует реальным условиям эксплуатации труб, при которых динамика напряженного состояния трубопроводов зависит от изменения как силовых нагрузок, так и толщины стенок вследствие их коррозионного износа. В свою очередь, изменение механических напряжений в стенке вызывает изменения скорости коррозионного износа, т. е. происходит механохимический эффект (МХЭ). Если не учитывать реальную динамику этих взаимосвязанных процессов при определении толщины стенки, то это может привести к снижению запаса толщины на коррозионный износ или, наоборот, к неоправданному ее завышению и перерасходу металла.
Таким образом, при проектировании трубопроводов необходимо учитывать как факторы, повышающие с течением времени рабочие напряжения в металле и опасность разрушения, так и факторы, понижающие эти напряжения.
Поликристаллическим металлам присущи различная ориентировка, анизотропия физико-механических свойств, дефекты строения кристаллической решетки отдельных зерен (кристаллитов), а также наличие различных дефектов и примесей между ними. В таком случае в напряженном металле даже при напряжениях, намного меньших макроскопического предела текучести ат, возникают локальные участки всестороннего растяжения или сжатия (гидростатическое давление) в очагах микропластических деформаций, ускоряющих коррозионное растворение. Величина гидростатического давления близка по порядку величине приложенного напряжения [16]. В этой же работе установлены следующие зависимости между скоростью коррозии и и величиной среднего напряжения где V - молярный объем металла; R и Т - универсальная газовая постоянная и абсолютная температура; -компоненты главных напряжений в элементе. Значение и0 устанавливается известными экспериментальными методами при заданных условиях коррозионного воздействия среды и температуры. Величина среднего напряжения Стер зависит от характера напряженного состояния, реализуемого на корродирующей поверхности образца или конструкции. Минимальное значение Стер (при приложении нормальных напряжений) возникает в случае одноосного растяжения (сжатия) напряжением Сті и составляет 1/3 Ст. Максимальное практически достижимое значение стср составляет 2/3 а\, что соответствует двухосному растяжению с равными компонентами напряжении (сті = Стг). Большинство элементов трубопроводов работает в условиях двухосного состояния.
Поэтому представляет большой практический интерес исследование влияния схемы напряженного состояния на скорость коррозии металлов. С этой целью в работе [16] проведены коррозионные испытания листовых образцов, нагружаемых постоянным прогибом по схеме чистого изгиба. Применены образцы двух типов: прямоугольные, т.е. пластины с соотношением сторон поперечного сечения B/S — 5, и круглые. В прямоугольных образцах при изгибе реализуется напряженное состояние, близкое к одноосному, а в круглых - двухосному.
В результате коррозии образцов происходит уменьшение их толщины и действующих напряжений. Поэтому скорость коррозии измерялась через сравнительно небольшой промежуток времени, а при расчете отношения о/и0 брали среднее арифметическое значение гидростатического давления в начальный и конечный моменты времени.
Как видно из рисунка 4.1, характер зависимостей и/и0 = f (ст) как при одноосном, так и при двухосном изгибе имеет один и тот же вид. Чем больше начальное напряжение, тем выше значение скорости коррозии и отношение и/о0. Однако при одних и тех же значениях начального напряжения отношение Кмхп больше для образцов, подвергаемых двухосному изгибу. Это объясняется тем, что наличие второй составляющей напряжения при двухосном изгибе приводит к увеличению среднего напряжения, а, следовательно, к усилению механохимического эффекта. Необходимо отметить, что связь между Кмхп- относительной скоростью коррозии и/и0 и средним напряжением не зависит ни от схемы напряженного состояния, ни
