Содержание к диссертации
Введение
Актуальные проблемы обеспечения безопасности трубопроводов газораспределительных систем 11
1 Особенности трубопроводов систем газораспределения 11
2 Анализ нормативной базы по обеспечению безопасности трубопроводов газораспределительных систем 20
3 Некоторые проблемы оценки остаточного ресурса трубопроводов газораспределительных систем 48
Выводы по разделу 1 56
Опыт диагностики стальных трубопроводов газораспределительных систем 58
1 Диагностика межпоселковых и внутрипоселковых стальных газопроводов 62
2 Обследование воздушных и подводных переходов 67
3 Обследование переходов газопровода через дороги 74
Выводы по разделу 2 79
Динамика изменения свойств металла при длительной эксплуатации трубопроводов 81
1 Экспериментальное исследование динамики изменения механических свойств металла трубопроводов 81
2 Влияние ударной вязкости на допустимые рабочие параметры трубопровода 104
3 Оценка влияния нерасчётных характеристик металла на допустимые режимы эксплуатации трубопровода 110
4 Влияние изменений механических свойств металла на рабочие характеристики трубопроводов газораспределительных систем 117
Выводы по разделу 3 121
4 Конроль состояния изоляционного покрытия трубопроводов газораспределительных систем 123
4.1 Особенности изоляционного покрытия старых трубопроводов и выбор параметра, характеризующего его защитные свойства 123
4.2 Определение интегрального переходного сопротивления 126
4.3 Методика обследования изоляционного покрытия подземных стальных трубопроводов 131
4.4 Математическое моделирование электрохимической защиты трубопроводов с изношенным изоляционным покрытием 134
Выводы по разделу 4 141
5 Диагностика, опенка и восстановление трубопроводов газораспределительных систем 143
5.1 Особенности диагностики трубопроводов газораспределительных систем 143
5.2 Оценка опасности дефектов в трубопроводах газораспределительных систем 151
5.3 Моделирование и расчёт концентраций напряжений на сварных стыках 155
5.4 Методы восстановления трубопроводов газораспределительных систем по результатам диагностики 159
Выводы по разделу 5 166
Общие выводы по работе 168
Литература
- Анализ нормативной базы по обеспечению безопасности трубопроводов газораспределительных систем
- Обследование воздушных и подводных переходов
- Оценка влияния нерасчётных характеристик металла на допустимые режимы эксплуатации трубопровода
- Определение интегрального переходного сопротивления
Введение к работе
Актуальность проблемы
Роль газораспределительных сетей для народного хозяйства и населения страны трудно переоценить. По этим сетям доставляется природный газ непосредственным потребителям: металлургическим комбинатам, электростанциям, другим промышленным, бытовым предприятиям, многомиллионному населению страны. Газоснабжение является таким же необходимым атрибутом современной цивилизации, как электро- и водоснабжение, транспорт и связь. Протяжённость трубопроводов газораспределительных сетей в России сегодня превышает 840 тысяч км. Из них трубопроводы протяженностью более 380 тысяч км являются подземными стальными и испытывают помимо рабочих нагрузок коррозионно-агрессивное воздействие грунта и блуждающих токов. Срок эксплуатации этих трубопроводов в южных и центральных регионах страны достиг 50...55 лет. Заменить их в массовом порядке практически нереально. Возможности ремонта также сильно ограничены, особенно в густонаселённых районах. Продолжать эксплуатацию трубопроводов без достаточного обоснования их безопасности недопустимо.
С принятием Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» актуальность данной проблемы обострилась. Стали обязательными обследование и экспертиза безопасности трубопроводов со сроком эксплуатации 40 и более лет. Однако, как оказалось, нормативная база для организации таких работ была очень слаба. Действовавший документ, который регламентировал порядок обследования и принятия решения о продлении срока эксплуатации трубопроводов (РД 204 РСФСР 3.3-87), основывался на так называемой балльной оценке технических характеристик трубопровода. Продлеваемый срок эксплуатации хотя и определялся по шкале набранных баллов, но сильно зависел от субъективного мнения человека, производящего оценку. Расчёты остаточного ресурса с учётом реальных механизмов и физических явлений, происходящих с трубопроводом в заданных условиях, не выполнялись.
Чтобы ликвидировать этот и другие недостатки, был разработан РД 12-411-2002 «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов», который отвечал духу времени и
предусматривал оценку остаточного ресурса расчётным путём на основе результатов приборного обследования трубопроводов с учётом происходящих деградационных процессов. В разработке документа принимал участие и автор настоящей диссертационной работы. С созданием в стране Системы промышленной безопасности данный документ получил очень широкую известность и распространение. С момента его утверждения до сегодняшнего дня накоплен колоссальный опыт диагностики газораспределительных трубопроводов. Проблемой занимались десятки экспертных организаций и диагностических центров. Только ОАО «ГИПРОНИИГАЗ» обследовало более 1,6 тыс. км газопроводов со сроком службы более 40 лет и определило расчётным путём остаточный срок службы от 2 до 17 лет в зависимости от износа.
Опыт показал, что данный документ действительно является прогрессивным. Но накопилось достаточно много частных вопросов, замечаний, предложений, которые высказывались известными учёными на разных форумах и опубликованы в научных изданиях. Предложения появились и у самих разработчиков данного документа. Некоторые требования документа оказались излишне консервативными, другие потребовали корректировки. Таким образом, появилась необходимость обобщить накопленный опыт, проанализировать предложения и усовершенствовать научные основы обследования и экспертизы безопасности газопроводов.
Опасность старых газопроводов в том, что они проложены в населённых пунктах, «входят» в жилые дома и предприятия. Хотя давление и снижено, сам газ остаётся опасным продуктом, горючим и взрывоопасным. Можно себе представить последствия некачественной диагностики и экспертизы подземных газопроводов большого города, где много коммуникаций, и по ним газ легко может проникнуть и накопиться внутри здания. После этого любая искра приведёт к взрыву всего здания. Такие примеры, к сожалению, имеются.
Диагностика и ремонт газораспределительных сетей встречаются с множеством проблем, в том числе из-за сложностей трассы, насыщенности другими коммуникациями, наличия множества помех электрического и магнитного происхождения, недостаточной изученности некоторых проблем с научной точки зрения.
В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в области безопасности газораспределительных систем, делается попытка решить значительную часть из них. Для этого поставлены следующие цель и задачи.
Цель работы - усовершенствовать методы обеспечения безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем.
Основные задачи исследований:
выполнить анализ источников опасности при эксплуатации длительно эксплуатируемых трубопроводов газораспределительных систем с учётом накопленного опыта диагностики;
изучить динамику изменения свойств металла труб в условиях эксплуатации газораспределительных систем;
изучить динамику изменения защитных свойств изоляционного покрытия газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации;
усовершенствовать методы оценки безопасности и допустимых условий эксплуатации газопроводов по результатам диагностики;
разработать предложения по обеспечению эффективности диагностики и безопасности дальнейшей эксплуатации газораспределительных трубопроводов.
Методы решения поставленных задач
Использованы прогрессивные методы и достижения в области диагностики, математическое моделирование физических процессов, положения теорий прочности и механики разрушения.
При изучении свойств металла труб применялись методы механических испытаний в разных режимах и проводились металлографические исследования с использованием оптических и электронных микроскопов.
Основой для решения поставленных задач явились труды отраслевых институтов (ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», ООО «ВНИИГАЗ», ГУП «ИПТЭР», УралНИТИ), работы ведущих ученых в данной области: П.П. Бородавкина, В.В. Харионовского, B.C. Волкова, Ю.И. Пашкова, А.Л. Шурайца, Р.С. Зайнуллина, К.М. Ямалеева, А.С. Надршина, А.Г. Сираева и других.
В работе использованы и обобщены результаты обследования трубопроводов газораспределительных систем в разных регионах страны (Саратовской, Московской и Нижегородской областях, Республике Башкортостан). Также использованы результаты многолетних исследований динамики изменения свойств металла труб и сварных элементов при длительном воздействии нагрузок, полученные в трёх научных школах: Уфимской, Челябинской, Саратовской, в том числе при непосредственном участии автора диссертации.
Научная новизна
Установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем. Показано, что изначально большие запасы прочности распределительных газопроводов практически полностью компенсируют снижение безопасности от эффектов старения металла и позволяют без изменения рабочих давлений эксплуатировать их длительное время.
Методом математического моделирования установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты (СКЗ), которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.
Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения с усилением формы при предельно малом радиусе перехода от шва к основному металлу. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений (КИН) и разработан подход к оценке статической прочности на основе положений механики разрушения. Установлено, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.
На защиту выносятся:
1) закономерности старения и износа трубопроводов газораспределительных систем при длительной эксплуатации;
усовершенствованные методы оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации распределительных газопроводов;
методы диагностики, оценки состояния изоляционного покрытия, повышения эффективности катодной защиты распределительных газопроводов;
новые закономерности распределения напряжений в стыковых сварных соединениях с усилением формы шва;
рекомендации по обеспечению безопасности ремонта действующих трубопроводов системы газораспределения;
общая методология управления безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанная на усовершенствованных методах диагностики и ремонта.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов
диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:
изначально большие запасы прочности газопроводов компенсируют снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов;
опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.
Разработан подход, позволяющий рассчитать допустимый уровень рабочего давления трубопроводов с учётом эффектов старения металла и роста коррозионных дефектов.
Показано, что путём установки дополнительных СКЗ возможно добиться полной защиты трубопроводов с изношенной изоляцией от коррозии и одновременно снизить энергозатраты на электрохимическую защиту (ЭХЗ).
Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и определения переходного сопротивления изоляции.
Предложен безогневой метод ремонта дефектных участков действующих газопроводов, основанный на формировании композитной изоля-
ционно-силовой оболочки разработки ГУЛ «ИПТЭР», обеспечивающий безопасность работ при ремонте.
Результаты исследований использованы при обследовании и экспертизе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов общей протяжённостью более 1,6 тыс. км в Саратовской, Ростовской, Оренбургской, Нижегородской и других областях.
Результаты работы использованы при разработке следующих отраслевых нормативных документов:
Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД 12-411-01);
Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления. - Саратов: ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», 2005.
В настоящее время на стадии апробации находится новая редакция документа о порядке диагностики газораспределительных трубопроводов, где использованы результаты настоящей работы.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на научно-технических, научно-практических конференциях, конгрессах и семинарах по проблемам строительства и безопасной эксплуатации объектов трубопроводного транспорта, в том числе:
научно-практической конференции «Проблемы и пути эффективного освоения и использования ресурсов природного и нефтяного газа» (Томск, 2002 г.);
научно-технической конференции «Научно-технические проблемы совершенствования и развития системы газоснабжения» (Саратов, 2004 г.);
научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2007 г.);
научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса» (Уфа, 2007 г.);
международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2007» (Уфа, 2007 г.);
научно-практической конференции «Нефтегазовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов» (Уфа, 2007 г.).
Публикации
По материалам работы опубликованы 15 научных трудов. Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 16 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУЛ «ИПТЭР» и ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», руководителям Волкову Владимиру Семёновичу, Пашкову Юрию Ивановичу и Гумерову Кабиру Му-хаметовичу за помощь и советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.
Анализ нормативной базы по обеспечению безопасности трубопроводов газораспределительных систем
Природный газ в России является основным видом энергоносителей. От месторождений до потребителей газ доставляется по трубопроводам. Трубопроводная система для транспорта газа состоит из двух составляющих: магистральных газопроводов и трубопроводов системы газораспределения. Эти трубопроводы отличаются друг от друга важными особенностями, которые влияют на их безопасность [4, 10, 37, 92, 116].
Магистральные газопроводы [5, 48, 115] предназначены для доставки газа от месторождений к городам и посёлкам - потребителям газа. Суммарная протяжённость магистральных газопроводов составляет более 150 тысяч км. Диаметры трубопроводов в основном находятся в диапазоне 530 - 1420 мм, толщина стенки 7-20 мм, рабочие давления 4,0 - 10 МПа [91, 92]. Трубопроводы выполнены из стальных труб в подземном исполнении. В большинстве случаев по одному коридору проходят несколько трубопроводов, иногда до десяти. Эксплуатируются в разнообразных природно-климатических условиях, пересекают множество малых и больших рек, водоёмов и болот. Значительная часть магистральных газопроводов проходит по многолетне-мёрзлым грунтам [114]. Защита трубопроводов от коррозии двухуровневая: пассивная (изоляционное покрытие) и активная (электрохимическая защита). От внутренней коррозии защита выполняется путём очистки и осушки транспортируемого газа.
Газораспределительные станции (ГРС) находятся в конце магистральных газопроводов или на отводах от них в местах подачи газа в газораспределительные сети городов, населённых пунктов, промышленных предприятий. ГРС предназначены для выполнения операций приёма газа из магистрального газопровода, очистки от механических примесей, одоризации, снижения давления до заданного уровня, распределения газа по потребите I лям, измерения количества подаваемого газа. На ГРС предусматривается за щита от недопустимого повышения давления в газораспределительных сетях. ! Дальнейшее понижение давления в газораспределительных сетях осу ществляется в газорегуляторных пунктах (ГРП), которые поддерживают в автоматическом режиме заданное рабочее давление в зависимости от нужд потребителей.
Газораспределительные трубопроводы распределяют газ от газораспределительных станций по потребителям. По данным Технического паспорта газового хозяйства Российской Федерации по состоянию на 01.01.2006 г. протяжённость газопроводов газораспределительных систем 839,3 тыс. км, в том числе стальных - 772,8 тыс. км, полиэтиленовых - 66,5 тыс. км. Наружных стальных газопроводов 613,2 тыс. км, в том числе подземных стальных — 382,8 тыс. км. Вот они и являются предметом исследования в настоящей данной диссертации. Все полиэтиленовые газопроводы наружные подземные.
В зависимости от рабочего давления газораспределительные трубопроводы делятся на газопроводы низкого давления (не выше 0,005 МПа = 500 мм водяного столба), среднего давления (0,005 - 0,3 МПа), высокого давления (0,3 - 1,2 МПа). В жилых зданиях давление должно быть не более 0,003 МПа
Таким образом, "высокое давление" в газораспределительных трубопроводах на порядок меньше, чем рабочее давление на магистральных газопроводах. На диаметры и толщину стенки практически нет ограничений, кроме прочности, технологичности, надёжности, безопасности. В газораспределительных сетях встречаются диаметры от 20 мм до 720 мм, толщина стенки от 1,2 мм до 10 мм. Но наружные трубопроводы в основном (97,6 %) имеют диаметры до 377 мм, толщину стенки 4-7 мм (рисунок 1.1).
Защита от почвенной коррозии подземных стальных трубопроводов играет очень большую роль [11, 19, 30, 31, 84, 86, 89] и осуществляется изоляционным покрытием и катодным потенциалом. Условия эксплуатации характеризуются наличием блуждающих токов от многочисленных подземных, наземных и подземных коммуникаций, электротранспорта, электроустановок промышленных предприятий. 18,9%.
Вышеуказанные особенности газопроводов и условия эксплуатации напрямую определяют механизмы образования источников опасности. Кроме них определяющим степень опасности газопроводов являются свойства самого газа.
Природный газ, подаваемый потребителям, состоит на 90 - 99 % из метана [4]. Кроме метана в нём присутствуют небольшие количества этана, пропана и других более тяжёлых углеводородов. Перед подачей газа потребителям состав метана доводят до 95-98 % путём обогащения смеси.
Метан в два раза легче воздуха. Молекулярная масса метана 16,04 (воздуха - 29). Плотность газовой фазы метана при 0С и атмосферном давлении (0,1 МПа) составляет 0,77 кг/м (плотность воздуха - 1,293 кг/м ). Этан и этилен практически такой же плотности, как и воздух. Все другие углеводороды (пропан, бутан и т.д.) тяжелее воздуха. При выходе газа из трубопровода метан улетучивается, а более тяжёлые компоненты могут скапливаться в ямах и погребах. Поэтому в обеспечении безопасности газопотребителей большое значение имеет контроль герметичности трубопроводов и оборудования, а также надёжность системы вентиляции. Теплотворная способность метана зависит от полноты сгорания и со-ставляет 49950 - 57800 кДж/кг. Для полного сгорания 1 м требуется 9,53 м воздуха.
Для сооружения газовых сетей в городах и промышленных объектах применяют бесшовные или сварные трубы из низколегированных и малоуглеродистых сталей спокойной и полуспокойной плавки с предельным содержанием углерода не более 0,27 %, серы не более 0,05 %, фосфора не более 0,27 % [4, 99]. Основные механические свойства сталей, допускаемых в системах газораспределения, приведены в таблице 1.1.
В настоящее время этот список несколько изменён [99]: исключены марки сталей Ст4, 09Г2, 10Г2С1, 12ГС, 16ГС, 14ХГС и добавлены 08Ю, 10Г2, 17Г1С. В случаях, когда имеются проблемы с оценкой механических свойств, допускается использовать в расчётных оценках данные таблицы 1.21
Происходит постоянное пополнение списка разрешённых к использованию в системе газораспределения типов труб, марок сталей, технологий их получения, объёмам контроля.
Применяют также неметаллические трубы: асбестоцементные, полиэтиленовые, винипластовые, стеклопластиковые [18, 98]. Их преимущества по отношению к стальным состоят в том, что они не подвергаются коррозии и действию блуждающих токов, имеют большую долговечность. Недостатки у неметаллических труб разные, например, низкая прочность, газопроницаемость, старение.
Обследование воздушных и подводных переходов
Расчёты показывают, что в настоящий момент на данном переходе (при длине воздушной части 20 м) появляются напряжения сжатия в осевом направлении, превышающие допустимые значения для стали 20. Однако эти напряжения не достигают предела текучести, поэтому до сих пор не появлялись дефекты типа "гофр". Тем не менее, необходимо снизить напряжения до безопасного уровня. Наиболее простым техническим решением является уменьшение длины воздушного пролёта до 18 м путём установки опор. При этом все напряжения во все моменты времени будут находиться в допустимых пределах.
Для оперативного решения аналогичных задач, связанных с оценкой напряжений на аналогичных переходах, нами разработана программа. В программе использован конечно-разностный метод решения дифференциального уравнения. Исходными данными являются размеры трубопровода и перехода, рабочее давление, температурный диапазон, условия на границах перехода. Программа позволяет определить вертикальные смещения (прогибы) и напряжения вдоль трубопровода при разных температурно-силовых условиях.
Таким образом, для оценки опасности воздушных переходов через водные преграды требуется решить задачу о напряжённо-деформированном состоянии участка с учётом результатов обследования трубопровода. Разработанная нами расчётная программа позволяет решить такие задачи. Точность решения целиком определяется точностью подготовки исходных данных.
Эти же методика и программа позволяют решить аналогичную задачу для подводных переходов трубопровода с размытыми участками. Разница только в том, что: 1) подготовку исходных данных придётся проводить по результатам водолазных обследований; 2) поперечное воздействие на трубу на размытом участке в основном определяется напором потока воды, следовательно, скоростью течения. 2.3. Обследование переходов газопровода через дороги.
Переходы через дороги являются одними из наиболее опасных элементов распределительных газопроводов. Переходы устраиваются в защитных футлярах, назначение которых - защита трубопровода от механических повреждений и отвод выходящего газа от дороги в случае повреждения трубопровода [93]. Одна из проблем переходов через дороги - появление электрического контакта между трубопроводом и защитным футляром. При этом катодный потенциал переходит на футляр и тогда он (футляр) начинает защищать себя, а не трубопровод. Так футляр может играть и положительную, и-отрицательную роль в безопасности трубопровода.
Например, согласно работе [54] из обследованных 50 переходов через автомобильные и железные дороги вокруг Москвы 40 находятся в удовлетворительном состоянии, 6 переходов имеют электролитический контакт трубы с патроном (в патроне содержится грунтовая вода), 4 — металлический-. контакт. Наличие и вид контакта определяли по электрическому сопротивлению цепи "труба-патрон", пользуясь следующими опытными данными: сопротивление более 1 Ом - отсутствует контакт; сопротивление 0,25... 1 Ом - возможен электролитический контакт; сопротивление менее 0,25 Ом - имеет место металлический контакт трубы с патроном. Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Рассмотрим переход газопровода через Савёловскую железную дорогу, который расположен в 50 м от внешней стороны МКАД (82 км). В районе перехода имеется установка дренажной защиты (УДЗ). Электрометрические измерения по методике [41] показали следующее: удельное сопротивление грунта 12-36 Ом-м; агрессивность грунта по отношению к стали - средняя; сопротивление между трубой и футляром 0,23 Ом; потенциал трубы относительно земли ("труба-земля") - минус 0,90...1,20В; поляризационный потенциал трубы минус 0,85...0,90 В; потенциал "патрон-земля" минус 0,90...1,04 В; потенциал "труба-патрон" плюс 0,18...0,20 В.
В районе перехода отмечено наличие блуждающих токов, натекающих от железной дороги, однако амплитуда потенциала "труба-земля" не превышает 0,4 В (рисунок 2.8), что свидетельствует об удовлетворительной работе УДЗ.
В связи с низким сопротивлением цепи "труба-патрон" и возможным наличием электролитического контакта было проведено испытание изоляции между трубой и патроном методом смещения потенциала трубы катодной поляризацией. Результаты испытаний показали наличие контакта (рисунок 2.9).
Оценка влияния нерасчётных характеристик металла на допустимые режимы эксплуатации трубопровода
Выше было отмечено, что не все важные свойства металла являются расчётными. Есть такие параметры, которые играют важную роль в прочности и надежности трубопроводов, но не используются при соответствующих расчётах, например, кроме ударной вязкости: относительное удлинение, параметры трещиностойкости и др. В подразделе 3.2 была сделана попытка, оценить влияние ударной вязкости на допустимое рабочее давление на основе баланса энергий в процессе развития разрушения. В настоящем подразделе рассмотрим влияние других параметров на допустимые режимы работы трубопровода.
Итак, базой для определения допустимых напряжений являются временное сопротивление ав или предел текучести металла ат. Если необходимо, чтобы конструкция не разрушалась, ориентируются на временное сопротивление. Если конструкция не должна пластически деформироваться при эксплуатации, то в качестве критерия выбирают предел текучести. В большинстве случаев требуется, чтобы конструкция не разрушалась и не деформировалась пластически. Тогда ориентируются одновременно и на временное сопротивление, и на предел текучести материала.
В конструкции напряжения не должны доходить до их предельного уровня не только при нормальных режимах эксплуатации, но и при небольших изменениях и отклонениях, которые могут происходить по разным причинам. Кроме того, естественный разброс испытывают свойства материалов, размеры изделий, технологические параметры на этапах производства труб и строительства трубопроводов. Нестабильны природно-климатические условия эксплуатации, режимы работы насосных станций. Могут образоваться нештатные ситуации, связанные с отказами оборудования и их ремонтом. Конструкция должна быть надёжной с учётом всех этих отклонений в определённых пределах. Для этого напряжения в стенке трубопровода должны оставаться ниже их предельного уровня. Поэтому в расчётах допустимых ра но бочих давлений пользуются коэффициентами запаса или надёжности (коэффициент запаса больше единицы, коэффициент надёжности меньше единицы). В СНиП 02.05.06-85 и других документах [90, 91] предусмотрены следующие коэффициенты: по материалам и технологиям изготовления труб — на нестабильность свойств материалов и сварных соединений; по перекачиваемым продуктам - на их опасность при разрушениях; на природно-техногенные условия эксплуатации трубопровода — переходы через реки и дороги, близость населённых пунктов; по назначению трубопроводов — на сложность сооружения особо ответственных трубопроводов больших диаметров из специальных сталей и связанная с этим вероятность получения повреждений и отклонений по конструктивно-технологическим параметрам в процессе строительства.
Эти коэффициенты учитываются в расчётных формулах по отдельности или в составе интегральных характеристик, явно или неявно. Но некоторые возможные отклонения не учтены в этих коэффициентах. Такими, как показано выше, являются возможные отклонения по некоторым свойствам материалов, чувствительных к процессам старения и связанного с этим ох-рупчивания. Те коэффициенты запаса по материалам, которые рекомендованы нормами, относятся только к новым материалам и трубам. Поэтому необходимо, на наш взгляд, ввести следующие дополнительные коэффициенты запаса или надёжности: на запас пластичности 8 - коэффициент Кб ; на ударную вязкость KCV и KCU - коэффициент Ккс; на трещиностойкость а — коэффициент Ка . При выборе коэффициентов запаса на нерасчётные величины будем исходить из следующих соображений.
Коэффициенты надёжности должны быть равными единице в тех случаях, когда соответствующие характеристики удовлетворяют нормам. Если не удовлетворяют, то должны быть меньше единицы. Коэффициенты должны быть тем меньше, чем больше отклонение соответствующих параметров от норм. Когда точная зависимость коэффициента запаса от соответствующего параметра неизвестна, первым делом проверяют линейную зависимость. Далее проверяют, даёт ли линейная аппроксимация искомой зависимости консервативную оценку прочности, надёжности, безопасности. Если оценка консервативна, то можно в расчётах пользоваться этой зависимостью и такая оценка не приведёт к опасным ситуациям. Далее по возможности ищут способы уточнения аппроксимации с тем, чтобы снизить погрешности.
Для разных марок сталей выдвигаются разные требования по параметру 5. Для низколегированных сталей, применяемых на магистральных трубопроводах, в основном действует требование 8 20 %. Поэтому, когда по результатам испытаний образцов, вырезанных из старого трубопровода, получаются значения, соответствующие этому требованию, проблема не возникает. При этом нет необходимости ввести дополнительный коэффициент надёжности. Или можно ввести такой коэффициент, но его значение будет равно единице. Если испытания показали, что запас пластичности материала труб меньше 20 %, то появляется вопрос: что делать с этим трубопроводом? Разрешить дальнейшую эксплуатацию не имеем права, остановить не можем. Простая логика подсказывает, что вполне допустима дальнейшая эксплуатация с ограничением нагрузок (давления). Степень ограничения должна определяться отклонением измеренного параметра 5 от его нормативного уровня 20 %. Поэтому в первом приближении можно воспользоваться следующей линейной зависимостью (рисунок 3.10,а):
Определение интегрального переходного сопротивления
На практике большинство дефектов металла труб газораспределительных трубопроводов были обнаружены по результатам электрометрических обследований трассы. Суть метода заключается в том, что на дефектах изоляции защитный ток уходит в грунт и при этом создаёт вокруг себя аномальное электромагнитное поле. При этом на поверхности земли изменяется распределение электрических потенциалов. По этим признакам определяется дефект изоляции. На этом месте металл трубы может корродировать. Поэтому здесь назначается шурф и при шурфовых обследованиях выясняется наличие и размеры дефекта трубы. Таким образом, электрометрические измерения дают точную информацию о дефекте изоляции и вероятностную информацию о дефектах металла трубопровода.
Значительная часть дефектов распределительных трубопроводов обнаруживается с помощью газоанализаторов. Если обнаружен выход газа, то это является точным признаком наличия свища. Современные газоанализаторы позволяют проводить такие обследования практически в любых условиях: летом, зимой, на поле, в помещениях, колодцах, защитных футлярах, и даже в почве. Некоторые трудности появляются только при ветреной погоде и в загазованных промышленных объектах.
Все неразрушающие методы контроля, использующие ультразвук, требуют непосредственного контакта с поверхностью трубопровода и подготовки этой поверхности [17]. Поэтому их можно применять только при шурфовых обследованиях подземных трубопроводов.
Таким образом, обнаружение дефектов металлической составляющей подземного газораспределительного трубопровода - во многом дело случая. На сегодняшний день нет способов выявления полного состава дефектов.
Сопоставляя результаты этих измерений, назначаются шурфы и проводятся шурфовые обследования. При этом рекомендуется использовать методы визуально-измерительного контроля, неразрушающие методы контроля, в том числе УЗК [17, 66], измерение твердости, измерение толщины стенки.
После проведения обследований предложенными здесь методами может остаться необнаруженной значительная часть дефектов. Но опасность этих дефектов будет минимальной. Действительно, чтобы дефект стал опасным, надо чтобы он развивался. Наиболее значимый механизм развития дефектов на трубопроводах системы газораспределения — коррозионный. Но этот механизм реализуется только при нарушении защиты от коррозии (дефект изоляции и снижение защитного потенциала). Эти нарушения легко обнаруживаются при электрометрических измерениях.
Опасность представляют коррозионные и другие свищи. Но с помощью газоанализатора такие дефекты легко обнаруживаются.
На некоторых участках могут образоваться перенапряжённые зоны. Причинами этого могут быть грунтовые изменения (размыв, осадка, сдвиг} или температурные перепады. При этом дефектные стыки труб могут раскрыться и привести к разгерметизации. Зоны перенапряжения выявляются-методом магнитной локации, а разгерметизация — газоанализатором.
Поэтому все опасные дефекты можно выявить с помощью предложенных трёх методов обследований. Шурфовое обследование позволит уточнить характеристики дефекта и степень его опасности.
Д. Контроль уровня напряжений в стене трубопровода является очень заманчивой идеей, поскольку практически все разрушения металлических изделий, в том числе и трубопроводов, связаны с появлением в определённых точках напряжений, превышающих критический уровень. Поэтому, контролируя напряжения в стенке, можно было бы безо всяких расчётов оценить, насколько близко состояние трубопровода к критическому. Большинство исследователей при этом использует магнитные свойства сталей. Так появились бесконтактные приборы ИАМ, "Орион-1", "Zond". Хотя эти приборы и отличаются друг от друга, общим их недостатком является неоднозначность интерпретации результатов измерений. Причиной этого является то, что магнитный отклик трубопровода зависит не только от напряжённого состояния, но и от других трудноконтролируемых величин и явлений (например, от наличия и местоположением дефектов, сварных швов, от химического состава и микроструктуры). Поэтому, как нам представляется, эти приборы могут дать только предварительную и весьма приближённую информацию об участках, где, возможно, имеются значительные механические напряжения. Некоторые такие сведения подтверждаются другими методами обследования.
Существует ряд контактных приборов, использующих магнитный отклик металла (магнитно-шумовые), например, "Пион-01", "Уралец", "АФС-1", "Stresscan-500C" а также приборы, реализующие метод магнитной памяти. Неоднозначность интерпретации сохраняется и на этих приборах, но за счёт того, что оператор визуально видит состояние поверхности, объективность результатов оказывается выше, но недостаточно для оценки прочности.
Е. Проектные нарушения легко выявляются при обходе трассы трубопровода, Характерные нарушения: древесная растительность над трубопроводом, застройки над трубопроводом, отсутствие защитных футляров на переходах через дороги, отсутствие контрольно-измерительных колонок и пунктов, недостатки в обустройстве колодцев и узлов арматуры, отсутствие указателей. Степень опасности этих нарушений рассчитать невозможно и необязательно. Их необходимо устранять.
В нормативных документах по проектированию, строительству, эксплуатации, диагностике не уделяется достаточного внимания испытаниям газопроводов на прочность повышенным давлением как одному из эффективных методов проверки их надежности.
СНиП 3.05.02-88 предусматривает испытания на прочность и герметичность, но испытательное давление выбирается равным 1,5 от рабочего и составляет от 0,1 МПа до 2,0 МПа. При таком низком давлении трубы не раз 150 рушаются, поскольку их прочность в 10-15 раз превышает испытательное давление. Такие испытания на прочность могут выявить только наличие сквозных отверстий в трубах под изоляционным покрытием, и то не всегда. Некоторые виды изоляции даже обладают большей прочностью (экструдиро-ванный полиэтилен, стеклоэмаль). Эффективность таких испытаний сомнительна.
Для старых газопроводов, где невозможно проведение внутритрубной диагностики, где не все участки доступны для обследования традиционными методами (переходы через реки, болота, железные дороги, заросли, строения), периодические испытания повышенным давлением могут быть, полезными в оценке их безопасности. Но при этом необходимо принять меры к тому, чтобы высокое испытательное давление не проникало к газопотребляющему оборудованию и приборам.
