Введение к работе
Актуальность работы
Одной из важнейших технических задач нефтегазовой отрасли остается обеспечение работоспособности и безопасности существующей системы магистральных нефтегазопроводов, которая создавалась и развивалась в течение более ста лет и в настоящее время продолжает развиваться быстрыми темпами. Магистральные нефтепроводы относятся к опасным производственным объектам и должны отвечать современным требованиям безопасности. Для этого создана нормативно-техническая база, регламентирующая практически все вопросы проектирования, строительства, эксплуатации трубопроводов, в том числе вопросы диагностики и оценки допустимых режимов нагружения, особенно в местах, где выявляются дефекты и другие отклонения от норм.
Тем не менее, при длительной эксплуатации трубопроводов не обходится без отказов и аварий, иногда с тяжёлыми последствиями. Причины таких случаев можно разделить на группы по разным признакам, например организационные недочёты, человеческий фактор, недостаток информации о реальном техническом состоянии, неточная оценка опасности обнаруженных дефектов и несоответствий. Одной из важнейших причин неправильной оценки ситуации являются недостаточно изученные явления и факторы, которым при проектировании и строительстве объектов не придавалось достаточно внимания, но при длительной эксплуатации их значение выросло.
Как показывает опыт, с увеличением срока эксплуатации трубопроводов количество таких факторов, которые оказывают всё более заметное влияние на безопасность, становится больше. Именно этим продиктована необходимость периодического обновления нормативно-технической базы. Одним из таких факторов, который требует более внимательного рассмотрения, является развитие неоднородности трубопроводов по ряду признаков: по материалам и их свойствам, конструктивным особенностям, условиям взаимодействия с окружающей средой и т.д.
Существует много источников и механизмов развития неоднородности трубопроводов при длительной эксплуатации: исходная неоднородность грунта по составу и коррозионной активности, природно-климатические изменения в грунте, неравномерное старение материалов (металла труб и изоляционных материалов), выборочный ремонт дефектных участков, земляные работы при обследовании дефектов, неравномерное распределение потенциалов, влияние параллельных трубопроводов и сторонних объектов, появление новых конструктивных элементов (ремонтных муфт, ответвлений, арматуры, интеллектуальных вставок).
Одним из важных источников неоднородности являются естественные грунтовые явления, которые происходят при длительной эксплуатации протяженных трубопроводов: размыв грунта на водных переходах, развитие карста, пучение, тектонический сдвиг и др. Большинство этих явлений носят локальный характер и приводят к локальным изменениям напряженно-деформированного состояния трубопровода. Но даже при малых размерах эти «локальные» зоны могут представлять для трубопровода значительную опасность.
На таких протяженных объектах, как магистральные газонефтепроводы, появление и развитие разных видов неоднородности неизбежны. Причём в некоторых случаях влияние неоднородности на прочность может оказаться более значимым, чем влияние рабочих нагрузок. Поэтому при анализе результатов обследований и оценке безопасности длительно эксплуатируемых трубопроводов фактор неоднородности необходимо учитывать. Иначе точность оценки может быть недопустимо низкой, что и станет причиной очередной аварии.
Тем не менее, в большинстве действующих руководящих документов, в том числе по обработке информации, получаемой методами внутритрубной диагностики, фактор неоднородности, вызванной грунтовыми процессами, неравномерным износом изоляции, неравномерным распределением защитных потенциалов, практически не учитывается. Это связано с рядом причин, в том числе с недостаточной изученностью фактора неоднородности, а также отсутствием методической базы, которая бы регламентировала вопросы организации комплексной диагностики и оценки получаемой информации с учётом неоднородности.
Важность данного фактора особенно усиливается с введением в строй первой и второй очередей стратегически важного магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий океан», который проходит через сложные геологические и климатические районы. По трассе данного трубопровода встречаются все виды грунтовых явлений, включая многолетнюю мерзлоту (следовательно, там появляются ореолы оттаивания, пучения, термокарст), множество водных переходов и болот (где высока вероятность размыва грунта), горные участки со склонами (где возможны оползни), сейсмическая активность (тектонические сдвиги и разломы).
Разные виды неоднородности влияют на характеристики технического состояния не раздельно, а комплексно. Действие одних факторов усиливается действием других. Поэтому их следует рассматривать не по отдельности друг от друга, а совместно. Это значительно сложнее в методическом плане, но позволяет избежать характерных заблуждений и достигать большей точности в оценках. Изучение частных закономерностей влияния тех или иных видов неоднородности на состояние трубопровода полезно для понимания процессов. Для количественной оценки гораздо ценнее иметь инструмент (методику, математическую модель, алгоритм, расчётную программу), позволяющий рассматривать все виды неоднородности как исходную информацию, а на выходе получать характеристики технического состояния (наиболее опасные места, допустимые режимы эксплуатации, остаточный ресурс), которые позволяют принимать практические решения.
Естественно, в рамках одной работы невозможно охватить все виды неоднородности трубопроводов и изучить их влияние на работоспособность и безопасность. В данной работе в качестве предметов исследований выбраны два вида, объединяемые методологическим подходом к изучению:
неоднородность, вызванная локальными грунтовыми явлениями, и их влияние на напряжённо-деформированное состояние трубопровода;
неоднородность, вызванная неравномерным старением изоляционного покрытия, и его влияние на эффективность системы электрохимзащиты (ЭХЗ).
Эти два вида неоднородности являются наиболее значимыми и их можно контролировать имеющимся арсеналом приборов. В настоящее время накоплен большой объём научной и практической информации как в области изучения грунтовых явлений, так и в области механизмов защиты от почвенной коррозии. Изучение закономерностей явлений, вызванных данными видами неоднородности, обобщение и анализ всех данных позволят не только совершенствовать методическую базу диагностики и оценки состояния трубопроводов, но и принимать своевременные практические меры по обеспечению их безопасности.
Обозначенные выше проблемы и анализ путей их решения позволили сформулировать цель и задачи настоящей работы.
Цель работы повышение безопасности и ресурса магистральных трубопроводов моделированием их состояния с учётом неоднородности, вызванной локальными грунтовыми явлениями и неравномерным старением изоляционного покрытия.
Основные задачи работы:
1. Анализ причин и механизмов развития неоднородности магистральных трубопроводов с учетом локальных грунтовых явлений;
2. Моделирование напряжённо-деформированного состояния трубопроводов в неоднородных и нестабильных грунтах;
3. Исследование закономерностей развития напряжённо-деформи-рованного состояния подземных трубопроводов в неоднородных грунтах;
4. Моделирование электрохимической защиты трубопроводов с неравномерно изношенным изоляционным покрытием в неоднородных грунтах;
5. Анализ методов оптимизации системы электрохимической защиты на неоднородных трубопроводах.
Методы решения поставленных задач
При разработке основных положений диссертационной работы использовались методы математического моделирования, механики разрушения, теорий упругости и пластичности, физики металлов, электрофизики, математической физики, сведения о грунтовых явлениях, численные методы.
В работе использованы результаты общего анализа технического состояния длительно эксплуатируемых магистральных газонефтепроводов, сведения о механизмах старения и причинах аварий, результаты периодических обследований ряда трубопроводов.
Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Х.А. Азметова, Ю.Е. Григорашвили, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, Г.И. Зубаилова, В.В. Иваненкова, Р.Х. Идрисова, П.В. Климова, В.И. Ларионова, Ф.М. Мустафина, В.В. Притулы, А.Г. Сираева, М.Х. Султанова, Ю.В. Стицея, Л.П. Худяковой, К.М. Ямалеева и других.
В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:
1. Разработаны механико-математическая модель взаимодействия неоднородного подземного трубопровода с нестабильным грунтом при различных проявлениях грунтовых изменений; соответствующие алгоритмы и расчётные программы, которые позволили исследовать и выявить закономерности формирования напряженно-деформированного состояния трубопровода в сложных условиях;
2. Выполнен анализ сил и воздействий на трубопровод в нестабильных грунтах; систематизированы расчётные формулы; предложен метод, позволяющий уточнять поперечную реакцию грунта на кривых участках в зависимости от осевой силы N в трубопроводе. Показано, что использование методов итераций и последовательных приближений позволяет решать задачу с любой точностью при любых видах грунтовых изменений;
3. Выполнена классификация напряжений, возникающих в стенке трубопровода при его взаимодействии с нестабильным грунтом. Обоснован выбор расчётных напряжений (критериев прочности) для оценки прочности участка трубопровода в условиях сложных воздействий: S1 - наибольшего кольцевого напряжения на участке; S2 - наименьшего продольного напряжения; S3 – наибольшего продольного напряжения; S4 - наибольшего эквивалентного напряжения;
4. Разработана физико-математическая модель распределения потенциалов и токов в подземном трубопроводе с учётом неоднородности грунта и изоляционного покрытия. Получены соответствующие дифференциальные уравнения, построены алгоритмы решения и расчётные программы, изучены основные закономерности;
5. Показано, что на растекание тока и распределение потенциалов влияет, с одной стороны, продольная проводимость трубопровода, с другой, – суммарное переходное сопротивление грунта и изоляционного покрытия. Аналитическим путём получено выражение, связывающее переходное сопротивление грунта с его удельным электрическим сопротивлением.
На защиту выносятся:
механико-математическая модель взаимодействия неоднородного трубопровода с нестабильным грунтом, разработанные на её основе алгоритмы и расчётные программы;
закономерности формирования напряженно-деформированного состояния трубопровода в зонах продольного и поперечного сдвигов грунта, просадки и пучения, карстовых проявлений и тектонического разлома;
физико-математическая модель распределения электрических потенциалов и токов в трубопроводе с неоднородным изоляционным покрытием в окружении неоднородного грунта, разработанные на её основе алгоритмы и программы;
закономерности, позволяющие прогнозировать состояние электрохимической защиты неоднородных трубопроводов и обоснованно проводить практические меры, поддерживающие её эффективность.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Исследованы основные виды локальных грунтовых изменений и их влияние на напряженно-деформированное состояние трубопровода: просадка, пучение, оползень, разлом, карстообразование. Разработанные модели и установленные закономерности позволяют усовершенствовать нормативную базу и планировать ремонтно-восстановительные работы, направленные на повышение безопасности.
2. Путём моделирования установлены и уточнены количественные закономерности, позволяющие оценить и прогнозировать состояние электрохимической защиты, планировать практические меры для обеспечения защиты стареющих неоднородных трубопроводов.
3. Установлено, что выборочный ремонт изоляции на участках, где переходное сопротивление ниже 500 Омм2, позволяет существенно снизить энергозатраты на ЭХЗ и увеличить ресурс системы защиты.
4. Показано, что на трубопроводах с сильно изношенным изоляционным покрытием установка дополнительных станций катодной защиты (СКЗ) малоэффективна и не повышает ресурса системы защиты.
5. Разработан руководящий документ «Методика определения остаточного ресурса изоляционных покрытий подземных трубопроводов».
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
61-ой и 63-ей научно-технических конференциях cтудентов, аспирантов и молодых учёных УГНТУ (Уфа, 2010, 2012 гг.);
XVI Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2012 г.);
научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2012 г.);
XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2012 г.);
VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2012» (Уфа, 2012 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных трудах, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено 3 патента на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 131 наименование, 2 приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 17 таблиц.
