Введение к работе
ttrf
Актуальность темы
Внутритрубная диагностика линейной части магистральных нефтепро-дуктопроводов (МНПП) является приоритетным направлением определения технического состояния тела трубопровода. По результатам диагностики производится планирование ремонтных работ по устранению выявленных дефектов для обеспечения надежности и безопасной эксплуатации линейной части МНПП.
В результате анализа выявленных при внутритрубной диагностике дефектов, подлежащих ремонту, установлена существенная доля однотипных дефектов - заплаты, как правило, ненормативной формы и размеров, наваренные на «чопы» в местах устраненных несанкционированных врезок в трубопровод и, в отдельных случаях, на места повреждений тела трубы (риски, царапины, задиры и т.п.).
Способ ремонта дефектов с демонтажем существующей заплаты, подготовкой дефектного участка и наваркой заплаты нормативных размеров по существующим технологиям связана с опасностью повреждения тела трубопровода при демонтаже заплаты и нарушения структуры металла стенки трубопровода при наварке новой заплаты фактически на то же место. Кроме этого, определение качества сварного шва существующей заплаты неразрушающими методами контроля практически невозможно по причине наличия в трубе нефтепродукта, что не обеспечивает безопасность работ при демонтаже существующих заплат.
Способ ремонта дефектов путем вырезки дефектного участка и заменой его «катушкой» требует остановки перекачки по МНПП, расспрессовки и опорожнения участка, что приводит к необходимости изменения товаро-транспортной обстановки и является предпосылкой к срыву планов перекачки. Кроме этого, данный способ трудозатратен и продолжителен по времени.
Работа выполнена в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии» по направлению 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазо-химическом комплексе», а также в ходе решения комплексной научно-технической программы Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» и в рамках реализации подпрограммы Федеральной целевой научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» - ФЦНТП ПП «Безопасность» (2000 - 2003 гг.).
Цель работы - оценка и обеспечение безопасности эксплуатации неф-тепродуктопроводов со сквозными повреждениями с применением накладных элементов повышенной несущей способности.
Основные задачи исследования:
исследование несущей способности труб нефтепродуктопроводов со сквозными повреждениями;
обоснование методов повышения безопасности эксплуатации нефтепродуктопроводов со сквозными повреждениями;
разработка инструкции по ремонту несанкционированных врезок на нефтепродуктопроводах.
Научная новизна:
- установлены закономерности и получены формулы для оценки коэф
фициентов снижения несущей способности труб со сквозными поврежде
ниями;
-предложена аналитическая зависимость для оценки эффективности укрепления сквозных повреждений на нефтепродукгопроводах, работающих под действием циклических нагрузок;
-получена формула, описывающая закономерности формирования и снятия остаточных напряжений при приварке усилительных накладных элементов на нефтепродуктопроводы, находящиеся под давлением.
Практическая ценность результатов работы:
-предложенные аналитические зависимости позволяют обоснованно выбирать геометрические параметры и рассчитывать характеристики безопасной эксплуатации накладных элементов;
-регламентация гидравлических испытаний накладных элементов позволяет гарантированно обеспечивать безопасность эксплуатации нефтепро-дуктопроводов;
-разработанная инструкция по ремонту с применением накладных элементов мест криминальных врезок, выявленных при внутритрубной диагностике линейной части магистральных нефтепродуктопроводов, согласована Госгортехнадзором России и внедрена в ОАО «Уралтранснефтепродукт».
На защиту выносятся установленные закономерности и аналитические зависимости, которые явились основой разработанной технологии ремонта действующих нефтепродуктопроводов со сквозными повреждениями.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на тематической секции IV Конгресса нефтегазопромышленников России (21 мая 2003 г.).
Работа заслушана и рекомендована к защите на заседании методического совета отдела технической эксплуатации трубопроводов ГУЛ «ИГГТЭР» (протокол № 1 от 5 марта 2004 г.).
Структура и объем работы
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования.
В первой главе рассмотрены основные проблемы, связанные с ликвидацией повреждений на нефтепродуктопроводах.
Проблеме обеспечения безопасности нефтепродуктопроводов посвящено большое количество известных научных работ В.Л. Березина, А.Г. Гумерова, Р.С. Гумерова, Л.И. Быкова, Х.А. Азметова, Р.С. Зайнуллина, К.М. Гумерова, Р.Х. Идрисова, К.М. Ямалеева, MX. Султанова и др., на базе которых разработаны и внедрены технологии ремонта трубопроводов, находящихся под давлением.
В последнее время при эксплуатации нефтепродуктопроводов участились новые виды сквозных повреждений, обусловленные криминальными (несанкционированными) врезками.
В связи с этим и возникла необходимость постановки настоящего исследования с целью создания технологии ликвидации сквозных повреждений, обусловленных криминальными врезками на нефтепродуктопроводы.
Вторая глава посвящена количественной оценке несущей способности и долговечности труб нефтепродуктопроводов со сквозными повреждениями.
Анализ и обобщение литературных данных показывает, что повреждения вызывают снижение несущей способности вследствие уменьшения рабочего сечения и недостаточной пластичности и трещиностойкости металла. В связи с этим коэффициент снижения несущей способности фр (фр - отношение разрушающего напряжения трубы с повреждением и без него) целесообразно ПреДСТавЛЯТЬ В ВИДЄ ПрОИЗВеДеНИЯ ДВУХ Коэффициентов: фр = Ктр-Кои,
где Ктр и Кош - коэффициенты трещиностойкости и ослабления рабочего сечения.
Установлено, что Кц, зависит от отношения диаметра повреждения d к диаметру трубы D (ma = d/D) и параметра трещиностойкости Кф, представляющего относительное снижение разрушающих напряжений в сравнении с временным сопротивлением металла о, в соответствии со следующей функциональной зависимостью:
ICp-l-mdO-maHl-ICp.), (1)
где Кф = Кф при ma = 0,5.
В работе приведены данные по Кф> для наиболее характерных трубных сталей.
Для выполнения расчетов Кош получена следующая формула:
Косл = 1 - CSh/So)8- тЗ» (2)
где 5н и 80 - толщина стенок накладного элемента и трубы; g и q - опытные коэффициенты (g * 1,0; q = 0,25 + 0,3). Полученные результаты согласуются с данными других авторов (рисунок 1), полученных энергетическим методом (Л.М. Качалов).
О 0.2 0А 0.6 0.8 mi=d/D
1-Л.М. Качанов;
2 - на основании формулы (2)
Рисунок 1 - Зависимость фр от та
Расчеты показывают, что несмотря на сравнительно небольшие диаметры отверстий криминальных врезок (не более 50 мм), они могут заметно снижать несущую способность труб. Например, для трубы из стали 17ГС (0 500 мм) при та = 0,1 и 80 = 10 мм не усиленное сквозное повреждение
может почти в два раза снизить несущую способность (фр * 0,5). Между тем, подобные повреждения не вызывают разрушения при рабочих давлениях.
Показано, что при усилении сквозного повреждения накладными элементами коэффициент концентрации напряжений a 0. = 3-2^ (3) где с - константа (с * 0,5); Кус = сУ80. Многие нефтепродуктопроводы работают в режиме циклического на-гружения. Поэтому имеет практическую значимость оценка эффективности ремонта криминальных врезок по критериям малоцикловой усталости. Эта задача решается достаточно просто в тех случаях, когда для рассматриваемого повреждения можно устанавливать локальные значения относительного сужения \\i и коэффициента концентрации напряжений а,,. Между тем, для большинства реальных повреждений оценка этих параметров затруднена, в частности величины а,,, хотя бы потому, что возникает неопределенность измерений радиусов кривизны в их наиболее острых участках. Поэтому, для оценки малоцикловой долговечности труб с усиленными отверстиями использованы феноменологические закономерности и функции, связывающие число циклов нагружения до разрушения Np с величиной максимального напряжения цикла нагружения по отнулевому циклу типа Басквина и др. В частности, для оценки коэффициента снижения малоцикловой долговечности фмтруб с усиленными отверстиями получена следующая формула: Ф„=^ = Фр, (4) где m - константа (т * 12,5); Np - долговечность трубы с данным поврежде-нием; Npe - долговечность трубы при фр = 1,0. Особенностью этой функции является интенсивное снижение фы при незначительном уменьшении фр в сравнительно узком диапазоне 0,8 < фр< 1,0. Таким образом, получены аналитические зависимости для расчетного определения коэффициентов концентрации напряжений а,,, снижения несущей способности фр и малоцикловой долговечности фы со сквозными повреждениями. В третьей главе приводятся результаты исследований по обоснованию методов обеспечения безопасности эксплуатации труб нефтепродуктопрово-дов со сквозными повреждениями. Базируясь на известных подходах теории пластичности, в работе выполнен анализ напряженного и предельного состояния накладных элементов. В частности установлено, что отношение предельного давления накладных элементов (Рс) и длины трубы с такими же размерами (Рс.) находится в обратной зависимости от их относительной ширины m„ (т„ = B/D, где В и D - ширина накладного элемента и диаметр трубы): Рс/Рс. = к/тв, (5) где к - константа (к « 1,0). Установлены закономерности изменения размеров накладных элементов при их нагружении от упругого до предельного состояния неустойчивости пластических деформаций. Получены аналитические зависимости для оценки характеристик несущей способности накладных элементов различной формы и размеров с учетом особенностей деформационного упрочнения трубных сталей. Установлено, что для круглых накладных элементов величина к в формуле (5) равна 2. Полученные результаты позволяют обоснованно устанавливать оптимальные размеры накладных элементов для усиления отверстий в трубах нефтепродуктопроводов с повреждениями. В пояснительной записке работы приведены сравнительные данные, полученные другими авторами, по решению подобных задач в других областях техники. Отмеченные закономерности справедливы при условии реализации предельного состояния по основному металлу накладных элементов. Между тем, наиболее опасными зонами накладных элементов, с точки зрения несу- щей способности, являются сварные угловые швы. Вопросам оценки работоспособности угловых швов усилительных накладных элементов посвящено достаточно большое количество опубликованных работ (B.C. Бут, М.Г. Гале-ев, К.М. Гумеров, Р.К. Адиев, Ю.В. Попов и др.). В этих работах для оценки несущей способности накладных элементов использовались образцы типа II (ДКБ-образец), см. рисунок 2. На наш взгляд, более адекватно работе накладных элементов отвечает образец типа I (сдвоенный ДКБ-образец или СДКБ-образец). mrf/M/D КирП/6«і а) б) 0.5 0.6 п«- 0.7 0,8 0.9 щй/L Рисунок 2 - Зависимость предельных моментов Мс от Шц. Установлено, что отношение предельных нагрузок Qc (или моментов Мс = Qc-t/tOro) этих образцов к (к = Qc. /Q.) составляет з 72 (к = 3 Л), что в 1,5 раза больше теоретического значения (ЕМ. Морозов, Р.С Зайнуллин, В. Д. Олешко). При этом независимо от типа образцов: Мс = 0СЛ8Ю = ЗМс.(1 - mtL), где t - размер модели (рисунок 2); тц. = C/L. При Шеь < та* = 2/3 величина Мс = Мс» = const. Таким образом, для сдвоенного ДКБ-образца коэффициент интенсивности напряжений (КИП) будет определяться формулой: (6) 3/6 (l-m„ ) Для оценки несущей способности накладных элементов с угловыми швами введем обобщенный коэффициент формы шва Кфщ = а/8„э. Этот параметр можно изменять путем соответствующей разделки кромок накладного элемента или наложением дополнительных валиков на равнокатетный (стандартный) шов. Экспериментально установлено, что при обеспечении КфШ і 2,0 достигается максимально возможная несущая способность накладных элементов, соответствующая несущей способности СДКБ-образцов (при тц, < 2/3): Мс = Мс» (рисунок 3). Установлено, что величину КИН с учетом КфШ можно определять по формуле: л/б М (7) К. = i+k^V^T' о - применение дополнительных валиков; - применение разделки кромок Рисунок 3 - Зависимость Мс/Мс» от Кфщ M(/Mt 0,9 0.8 0,7 —і U\ 1 Г Для равнокатетного шва (КфШ = 1,0) величина КИН в 1,5 раза больше, чем для СДКБ-образца. С увеличением Кфц, КИН снижается и при КфШ — 2,0 достигнет значения КИН для СДКБ-образца (mu S 2/3). С учетом установленных закономерностей напряженного и предельного состояния СДКБ-образцов получена следующая формула для расчетного определения коэффициента снижения несущей способности накладных элементов, механических свойств и трещиностойкости металла: = р, = 1^^кл Фр Р. л/6-m. о. ' (> где т, - как и ранее, относительная ширина накладного элемента; IQ - критический коэффициент интенсивности напряжений, определяемый в соответствии с требованиями ГОСТ 2S.S06-8S; Рс - разрушающее давление накладного элемента с угловым швом; Р, - разрушающее давление накладного элемента без учета шва (P. = дюОв/R). При 8«, = 6 значение Р„ является разрушающим давлением трубы. Как известно, в сварных швах после полного остывания металла возникают остаточные напряжения, которые близки к пределу текучести металла шва а. Поэтому, в ряде случаев возникает задача снятия остаточных напряжений в сварных соединениях накладных элементов. На базе известных закономерностей формирования и снятия остаточных напряжений приложением внешней нагрузки (Н.О. Окерблом, О.А. Бакши, Р.С. Зайнуллин и др.) получена следующая формула для оценки степени остаточной напряженности угловых швов накладных элементов, приваренных на нефтепродуктопроводы без остановки перекачки: а„ =К,аг(1-о0Р;Х1-^)/(1-^4), (9) где К„ =" ст"/от; стт - предел текучести основного металла; у ^а^/а,; о4 - максимальные остаточные напряжения, возникающие при сварке трубопроводов с остановкой перекачки; а„ - коэффициент концентрации иапря- жений; Рр =РР /Рт; Рр - давление в трубопроводе при ремонте; Рт - давление, соответствующее о~т; q - константа; 4 ~~ относительная координата (4 = 0- соответствует центру шва; ^= 1,0 — напряжения меняют знак на обратный). Анализ этой формулы показывает, чем больше давление в трубопроводе при ремонте, тем ниже степень остаточной напряженности швов. При этом, в отличие от ранее известных закономерностей, имеет место нелинейность функции остаточных напряжений аш от приложенных окружных напряжений о0 в трубопроводе (рисунок 4). Установлено, что константа q в уравнении (9) равна двум (рисунок 4). В центре шва (4==0) при К, = а„= у = 1, егост/стт = 1 - Рр. В известных нам источниках: cWaT = 1 - Рр(рисунок 4). О ЮО 200 300 Оо.МПо — - Н.О. Окерблом и др - эксперимент (У.Дж.Холл) Рисунок 4 - Зависимость остаточных напряжений в сварных швах накладных элементов от величины действующих напряжений в трубопроводе <т0 Остальные закономерности, вытекающие из формулы (9), аналогичны установленным ранее в работах Н.О. Окерблома, О.А. Бакши, Р.С. Зайнулли- на, Р.К. Алиева и др. Очевидно, что при Рр = 1,0 остаточные напряжения в кольцевых швах накладных элементов не возникают. В качестве примера на рисунке 6 на основании формулы (9) построены графики распределения ос- таточных напряжений в окрестности угловых швов накладных элементов, приваренных на нефтепродуктопровод с остановкой перекачки (а0 = 0) и без остановки перекачки (ст0 = 0,5 стт = 150 МПа). Отмечается удовлетворительное качественное и количественное совпадение расчетных и экспериментальных данных, полученных У. Дж. Холлом и др fc. ИПо 1-е остановкой перекачки; 2 - без остановки перекачки Рисунок 5 - Распределение остаточных напряжений при приварке накладных элементов В настоящее время нормативные документы по ликвидации аварий и повреждений на нефтепродуктопроводах не предусматривают гидравлических испытаний накладных элементов. Между тем, на наш взгляд, гидравлические испытания являются единственным радикальным методом проверки герметичности и прочности конструктивных элементов всех конструкций, работающих под давлением, и в частности, нефтепродуктопроводов. Это обосновывается следующим. Практическая реализация испытаний накладных элементов не представляет технических сложностей. Испытания могут осуществляться достаточно просто и быстро, например, путем использования плунжерных или поршневых масляных насосов. Для этого в теле накладных элементов должны предусматриваться специальные отверстия для подвода испытательной жидкости. На основании обобщения литературных данных (А.Г Гумеров, Р.С. Гумеров, Р.С. Зайнуллин, А.Г. Пирогов, С.Н. Мокроусов, Е.М. Морозов, Р.Х. Хажиев и др.) и проведенных исследований установлено, гидравлические испытания способствуют повышению несущей способности практически в линейной зависимости от коэффициента запаса прочности nH ( = PJPp, где Р„ и Рр - соответственно испытательное и рабочее давления) вследствие снижения остаточной дефектности и напряженности. При этом эффект снижения остаточной напряженности угловых швов соответствует рассчитанному с помощью полученной формулы (9). Установлено, что полное снятие сварочных напряжений в угловых швах происходит при условии, что если сумма окружных напряжений при ремонте (ст0) и испытаниях (сти) будет не менее величины предела текучести металла шва а (ст0 + а„ о). В случае, когда ремонтные работы произведены с остановкой перекачки (с0 = 0) для полного снятия сварочных напряжений необходимо, чтобы испытательное напряжение ои было на уровне предела текучести металла шва. Кроме того установлено, что долговечность накладных элементов в условиях механохи-мической повреждаемости линейно возрастает с увеличением коэффициента запаса прочности п„. Эффективность проведения испытаний накладных элементов, работающих в условиях циклического нагружения, устанавливается на основании предложенной зависимости (4) по формуле: Np=10n'.w. (10) Полученные в работе результаты нашли отражение в разработанной инструкции по ликвидации криминальных врезок на нефтепродуктопрово-дах. Кроме этого в работе проведены натурные испытания труб с накладными цилиндрическими элементами, установленными на нефтепродукто- 16 проводы. При этом выполнен комплекс механических испытаний. Проведены металлографическое исследование и испытания накладных элементов в условиях малоциклового нагружения. Натурные трубы с накладными элементами не удалось разрушить вплоть до 5000 циклов нагружения пульсирующим давлением Рр. Это свидетельствует о достаточно высокой надежности испытуемых накладных элементов. Таким образом, на основе теории пластического деформирования установлена взаимосвязь несущей способности накладных элементов повышенной безопасности и пониженной металлоемкости. Показано, что варьируя параметрами накладных элементов, возможно изменять схему напряженного состояния и их несущую способность. Установлено, что несущая способность накладных элементов находится в обратной зависимости от отношения их ширины к диаметру труб. Получены формулы для расчета несущей способности круглых накладных элементов. Выявлены новые закономерности изменения напряженного состояния в вершине трещинообразной полости, образованной между поверхностями трубы и накладных элементов, для которых получены аналитические зависимости для расчетов коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Получены и обоснованы формулы для определения несущей способности накладных элементов с учетом параметров формы угловых швов Установлены оптимальные параметры угловых швов, обеспечивающие повышенные характеристики безопасности эксплуатации нефтепродуктопро-водов с усиленными сквозными повреждениями. Предложены аналитические зависимости, на основании которых устанавливаются основные закономерности формирования и снятия остаточных напряжений при приварке накладных элементов на сквозные повреждения нефтепродуктопроводов. Четвертая глава посвящена разработке инструкции по ремонту с применением накладных элементов мест криминальных врезок, выявленных при внутритрубной диагностике линейной части магистральных нефтепродукто-проводов. Разрабатываемая инструкция устанавливает два метода ремонта - усиление существующих заплат путем наложения приварных муфт без остановки перекачки и демонтажа существующих заплат путем наварки усилительных элементов одномуфтовой и трехмуфтовой конструкции (рисунок 6). аершя гслуицфто срестоцицд ипмяи технологическое кольцо / / \ ~У'типологическое кольцо ""V ) \А "''" ііііііттіти я -sSt! провальний artotaou шоб строительный шоЬ 6-е а) бстоногдтмыюе кольцо сдостВдаоя эоплшм б) omttpciM с реьіой в) Рисунок 6 - Схемы накладных элементов: а - одномуфтовой конструкции; б и в - трехмуфтовой конструкции При производстве работ по обоим методам необходимо выполнение специальных требований, обеспечивающих их безопасность (они даны в пояснительной записке диссертации). Разработанная инструкция предполагает проведение испытаний накладных элементов после их приварки на нефтепродуктопроводы. 1. В результате обобщения литературных данных и проведенного Предложены формулы, позволяющие производить оценку эффективности усиления сквозных повреждений труб в условиях циклического нагруже-ния нефтепродуктопроводов. 2. Разработаны методы оценки оптимальных геометрических парамет Установлены основные закономерности формирования остаточных напряжений при приварке накладных элементов на нефтепродуктопроводы, находящиеся под давлением. Установлена и оценена нелинейность функции снижения остаточных напряжений в накладных элементах от величины окружного напряжения в ремонтируемом участке нефтепродуктопровода. Обоснована эффективность испытаний накладных элементов после их приварки на нефтепродуктопроводы. Предложены формулы для расчетов ресурса накладных элементов в зависимости от их параметров испытаний. Разработана инструкция по ремонту с применением накладных элементов мест криминальных врезок, выявленных при внутритрубной диагностике линейной части магистральных нефтепродуктопроводов. Инструкция согласована органами Госгортехнадзора России и внедрена в ОАО «Урал-транснефтепродукт».
— -расчет
\ і 150-200, /
оспопоготельное кольцо
анализа напряженного и предельного состояния получены аналитические за
висимости, описывающие закономерности снижения несущей способности
труб со сквозными усиленными и не усиленными повреждениями.
ров усилительных накладных элементов и их сварных швов, обеспечиваю
щих повышенную безопасность эксплуатации нефтепродуктопроводов.
Похожие диссертации на Оценка и обеспечение безопасности эксплуатации нефтепродуктопроводов со сквозными повреждениями
