Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение безаварийности и безопасности эксплуатации магистральных трубопроводных систем для экологии и населения страны является определяющим требованием.
Акционерная Компания по транспорту нефти "Транснефть" эксплуатирует 48.5 тыс. км магистральных нефтепроводов (МН). Срок службы более половины из них составляет 25 лет и выше. С ростом срока эксплуатации нефтепроводов, постоянно находящихся под воздействием перекачиваемой нефти и окружающей среды, увеличивается количество коррозионных и усталостных повреждений в металле труб. Эти повреждения снижают несущую способность линейной части МН по сравнению с проектной, что приводит к увеличению вероятности отказов.
Для обеспечения безопасной эксплуатации любые ухудшения в состоянии нефтепровода должны своевременно предупреждаться. Для реализации этого принципа необходимы: систематический контроль трубопроводной системы неразрушающими методами, проведение ремонта или назначение безопасных технологических режимов перекачки нефти по результатам контроля.
Обострившаяся в России с начала 90-х годов экономическая ситуация не позволила как по финансовым, так и по техническим возможностям использовать в дальнейшем технологшо сплошного ремонта в качестве основного метода капитального ремонта линейной части нефтепроводов АК "Транснефть".
Поэтому в настоящее время вместо широкомасштабной сплошной замены протяженных участков трубопровода приоритетное значение получила стратегия выборочного ремонта (как более дешевый и эффективный вид капитального ремонта), которая заключается в том, что ремонтируются только дефектные трубы или дефектные участки. Применение технологии выборочного ремонта возможно только на основе проведения сплошного диагностического контроля трубопровода с применением внутритруб-ных инспекционных снарядов (ВИС), позволяющих выявлять дефекты трубопровода, требующие ремонта.
Практический опыт использования внутритрубных профи-лемеров "Калипер" и дефектоскопов "Ультраскап", накопленный
АО Центр технической диагностики "Диаскан" АК "Транснефть", показал высокую эффективность применения этих систем для не-разрушающего диагностического контроля магистральных нефтепроводов. Этими ВИС выявляются аномалии геометрии труб (вмятины, гофры, овальности сечения) и дефекты стенки: потери металла различного происхождения (коррозионного, механического, технологического), а также внутристенные несплошности типа расслоений и включений.
Следующим важным этапом является определение технического состояния трубопровода на основе полученной при внут-ритрубной инспекции диагностической информации о состоянии труб и дефектах. Высокая точность измерений, достигаемая ВИС "Калипер" и "Ультраскан" во время прогонов, позволяет не только обнаруживать дефекты, но также классифицировать их по типам и измерять их геометрические параметры. А это, в свою очередь, позволяет- проводить расчеты на прочность и тем самым количественно оценивать техническое состояние нефтепровода в зоне дефекта, причем, не производя вскрытия нефтепровода.
Целью диссертационной работы является оценка прочности линейной части магистральных нефтепроводов по данным внут-ритрубных инспекционных снарядов.
В работе решены следующие основные задачи:
-
Разработана методика оценки опасности дефектов геометрии труб магистральных трубопроводов (вмятины, гофры) по данным диагностического обследования внутритрубными профилеме-рами "Калипер". Методика позволяет оценивать прочность труб магистральных трубопроводов с дефектами геометрии, определяя допустимые рабочие давления перекачки.
-
Проведены экспериментальные стендовые испытания натурных труб при статическом разрушении внутренним давлением, с дефектами потери металла коррозионного и механического происхождения. Испытывались трубы, вырезанные из действующих нефтепроводов и из аварийного запаса; как непосредственно после нанесения дефектов, так и после предварительного малоциклового нагружения, соответствующего 20-30 годам эксплуатации.
-
Проведен анализ возможности применения американских норм ANSI/ASME B31G-1984 к оценке прочности отечественных магистральных нефтепроводов в зоне дефектов. Исследованы влияние факторов деформационного старения и накопленных
усталостных повреждений в вершине дефекта; параметра аппроксимации площади расчетного сечения (параболическая, прямоугольная, точная); параметра разрушающего напряжения (предел текучести и временное сопротивление). Выполненный анализ показал, что необходима доработка норматива B31G для его использования при оценке прочности дефектных участков действующих нефтепроводов Компании "Транснефть".
-
Разработана методика оценки опасности дефектов стенки магистральных нефтепроводов (потери металла, расслоения) по данным внутритрубных дефектоскопов "Ультраскан". Проведенный сравнительный анализ расчетных и фактических разрушающих давлений труб показал, что расчет по предлагаемым в методике зависимостям обеспечивает необходимые запасы прочносга и удовлетворяет требованиям'точности для практических инженерных расчетов: для коррозионных дефектов разница по сравнению с экспериментом не превышает 5%, для механических дефектов в среднем составляет 20-25%.
-
Предложен подход практического использования методики расчета на прочность нефтепроводов с дефектами по данным дефектоскопов "Ультраскан" для оценки технического состояния магистральных нефтепроводов АК "Транснефть" и обеспечения их эксплуатационной надежности. Разработанный подход позволяет установить безопасные технологические режимы перекачки нефти и планировать очередность проведения ремонтных работ на нефтепроводе.
Методы решения задач.
При решении поставленных задач использованы методы прикладной математики, математической статистики и метода конечных элементов. Ряд результатов получен на основе экспериментальных лабораторных исследований. Для подгверждения теоретических выводов и апробации предложенных в работе алгоритмов использованы данные внутритрубной дефектоскопии нефтепроводов АК "Транснефть".
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработана методика оценки опасности дефектов геометрии труб магистральных трубопроводов по данным обследования внутритрубными профилем ерами "Калипер", в которой опасность обнаруженных дефектов оценивается по критершо статической прочности от нагружения нормативным внутренним давлением.
-
Исследована реальная несущая способность труб магистральных нефтепроводов с дефектами потери металла коррозионного и механического происхождения. При стендовых испытаниях на статическую прочность натурных труб экспериментально получены фактические значения разрушающих давлений в зависимости от геометрических параметров дефектов.
-
Исследована возможность применимости американских норм ANSI/ASME B31G-1984 к оценке прочности магистральных нефтепроводов АК "Транснефть" в зоне дефектов. Проанализировано влияние различных факторов на величину разрушающего давления: деформационного старения стали и накопленных усталостных повреждений в вершине дефекта; параметра аппроксимации площади расчетного сечения (параболическая, прямоугольная, точная); критерия разрушающего напряжения (предел текучести и временное сопротивление). Установлено, что необходимо внесение изменений в норматив B31G для его адаптации к оценке прочности отечественных нефтепроводов.
-
Разработана методика оценки статической прочности от нагружения внутренним давлением магистральных нефтепроводов с дефектами, геометрические размеры которых задаются по данным диагностического обследования внутритрубными дефектоскопами "Ультраскан". По сравнению с нормативом B31G методика адаптирована к действующим российским нормативным документам по магистральным трубопроводам, расширена для де-фекгов механического и технологического происхождения, а также уточнена для отечественных трубных сталей. Получена достаточная для инженерных расчетов сходимость результатов расчета и экспериментов.
-
Разработан практический подход количественной оценки технического состояния магистральных нефтепроводов АК "Транснефть" на основе диагностической информации внут-ритрубных дефектоскопов и результатов расчетов на прочность. Этот подход позволяет установить безопасные технологические режимы перекачки нефти и планировать очередность проведения ремонтных работ на нефтепроводе.
На защиту выносятся результаты научного обобщения разработок в области повышения надежности эксплуатации систем магистральных нефтепроводов на основе использования внут-ритрубных инспекционных снарядов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Научные результаты, полученные в работе, нашли применение при эксплуатации и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов. Суммарный учтенный экономический эффект от внедрения основных результатов, полученный в 1996 г., составил 563 350 000 рублей (долевое участие автора - 50%).
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на:
совете главных инженеров АК "Транснефть" в г.Уфе 12 января 1995 г.;
научно-технической конференции "Диагностика магистральных нефтепроводов и технологического оборудования трубопроводного транспорта неразрушающими методами контроля" на ВВЦ в г. Москве 5 апреля 1995г.;
десятой международной школе "Расчет и управление надежностью больших механических систем" в г.Екатеринбурге 27 июня 1995г.;
семинаре "Организация производства аппаратуры мониторинга и создание методик диагностики технического состояния оборудования и трубопроводов" международной специализированной выставки "Нефть и газ-95. Конверсия и машиностроение для топливно-энергетического комплекса" в г.Тюмени 14 сентября 1995г.;
первой международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике" в г.Минске 23 ноября 1995г.;
шестой международной встрече "Диагностика-96" в г.Ялте 23 апреля 1996г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, включающего 172 наименования. Она содержит 163 страницы машинописного текста, 33 рисунка, 9 таблиц и приложения на 12 страницах.