Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы безопасной эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды 15
1.1 Особенности эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ 16
1.2 Анализ отказов трубопроводов ОНГКМ 18
1.3 Методы контроля технического состояния трубопроводов 34
1.4 Методы оценки потенциальной опасности дефектных участков трубопроводов 42
1.5 Определение остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов 46
1.6 Методы повышения безопасности эксплуатации трубопроводов 52
1.7 Методы оценки технического состояния и интенсивности отказов трубопроводов 55
1.8 Постановка задач исследования 61
2 Идентификация дефектов трубопроводов по данным диагностического контроля 62
2.1 Материал труб, применяемых на ОНГКМ 62
2.2 Идентификация дефектов металла трубопроводов 67
2.2.1Дефекты формы труб 69
2.2.2Металлургические дефекты 72
2.2.3 Дефекты сварных швов 81
2.2.4Коррозионные дефекты трубопроводов 88
2.2.5Эксплуатационные расслоения трубопроводов 91
2.3 Основные отличительные признаки дефектов 96
2.3.1 Отличие неметаллических включений от металлургических расслоений 97
2.3.2 Отличие металлургических расслоений от эксплуатационных 101
2.3.3 Отличие водородных расслоений от вмятин 112
2.4 Развитие эксплуатационных расслоений 113
2.5 Структурно-физическое состояние металла в области дефектов труб 117
2.6 Выводы по главе 2 127
3 Потенциальная опасность и остаточный ресурс трубопроводов с дефектами формы труб 128
3.1 Причины образования дефектов формы труб 128
3.2 Напряженно-деформированное состояние в области дефектов формы труб 131
3.3 Контроль состояния металла в области дефектов формы 136
3.3.1 Определение пластических свойств сталей методом АУЗИ 136
3.3.2Изменение скорости распространения акустических волн при различном НДС металла 141
3.4 Гидравлические испытания труб с вмятинами и гофрами на малоцикловую усталость 145
3.4.1 Оценка повторно-статической нагруженности трубопроводов 145
3.4.2 Оборудование и методика стендовых испытаний труб 148
3.4.3 Образование и развитие трещин в металле труб с дефектами формы 152
3.4.4 Динамика изменения глубины вмятин от величины давления и количества циклов нагружения труб 158
3.4.5Напряжения и деформации в металле вмятин по результатам гидравлических испытаний 161
3.5 Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов с дефектами формы 165
3.6 Оценка потенциальной опасности дефектов формы труб, контактирующих с сероводородсодержащими средами 170
3.7 Выводы по главе 3 173
4 Потенциальная опасность и остаточный ресурс трубопроводов с дефектами утонения стенки 174
4.1 Выбор критериев и оценка потенциальной опасности дефектов утонения стенки 174
4.2 Испытания труб с дефектами утонения стенки 179
4.3 Потенциальная опасность участков трубопроводов с дефектами сварных соединений 185
4.3.1 Теоретическая оценка напряжений в металле кольцевых сварных соединений с дефектами 185
4.3.2 Гидроиспытания труб с дефектами в кольцевых сварных соединениях.. 189
4.3.3 Потенциальная опасность дефектов сварных соединений трубопроводов 201
4.4 Методика определения остаточного ресурса трубопроводов 209
4.5 Выводы по главе 4 217
5 Потенциальная опасность и остаточный ресурс трубопроводов с водородными расслоениями и закатами в металле 218
5.1 Испытания труб с несплошностями в металле стенки 218
5.2 Напряженно-деформированное состояние металла труб с водородными расслоениями 222
5.3 Определение критического давления, необходимого для развития расслоения 229
5.4 Моделирование НДС труб с водородными расслоениями 233
5.5 Потенциальная опасность и остаточный ресурс участков трубопроводов с водородными расслоениями 242
5.6 Выводы по главе 5 251
6 Технологические методы повышения безопасности эксплуатации трубопроводов 252
6.1 Входной контроль труб, деталей и запорной арматуры 252
6.2 Выбор эффективных ингибиторов для защиты трубопроводов ОНГКМ 259
6.3 Ремонт дефектных участков трубопроводов установкой напряженных муфт 267
6.3.1 Моделирование процесса установки напряженной муфты 269
6.3.2 Экспериментальное исследование процесса ремонта муфтой 278
6.4 Замена запорной арматуры по техническому состоянию 290
6.4.1 Техническое состояние запорной арматуры трубопроводов ОНГКМ 290
6.4.2 Оценка вероятности отказов и периодичности замены запорной арматуры 292
6.5 Планирование очередности ремонта по балльной оценке факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ 300
6.5.1 Обоснование и выбор факторов влияния технического состояния трубопровода 300
6.5.2 Балльная оценка факторов влияния состояния трубопроводов ОНГКМ на интенсивность отказов 303
6.5.3 Опеределение зависимостей интенсивности отказов трубопроводов ОНГКМ от факторов влияния 321
6.6 Выводы по главе 6 326
Заключение 328
Список использованных источников 331
Приложение
- Методы контроля технического состояния трубопроводов
- Идентификация дефектов металла трубопроводов
- Напряженно-деформированное состояние в области дефектов формы труб
- Потенциальная опасность участков трубопроводов с дефектами сварных соединений
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время в России эксплуатируется несколько десятков тысяч километров трубопроводов, построенных в период с 1970 по 1980 год. Длительные сроки и непрерывно изменяющиеся параметры эксплуатации трубопроводов, отдельные свойства транспортируемых сред способствуют увеличению количества повреждений в металле труб, которые в свою очередь могут привести к аварийным отказам трубопроводов (в том числе и с возникновением пожаров) с негативными воздействиями на окружающую среду и значительным экономическим потерям. Присутствующие в составе продукции Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ОНГКМ) сероводород и диоксид углерода имеют повышенную агрессивность, вызывают язвенную коррозию, сероводородное растрескивание и водородное расслоение металла, приводящие к существенному снижению безопасности эксплуатации трубопроводов. Продление срока безопасной эксплуатации трубопроводных систем является важнейшей задачей нефтегазовой отрасли.
Своевременная диагностика, всеобъемлющий мониторинг, капитальный ремонт и реконструкция, а также принципиально новые, научно обоснованные технические, технологические и организационные решения позволяют перевести трубопроводы в возобновляемые безопасные системы с продлением срока службы.
Внутритрубная дефектоскопия (ВТД) в сочетании с электрометрией и другими методами контроля позволяют реализовать концепцию реконструкции трубопроводов по техническому состоянию.
Изменение состояния металла трубопроводов при длительной эксплуатации определяет необходимость оценки дефектности металла и работоспособности труб. Для вновь сооружаемых и реконструируемых трубопроводов существующие нормы дефектности металла обеспечиваются соблюдением установленной технологии изготовления, в то время как для трубопроводов, выработавших нормативный срок эксплуатации, актуальным становится вопрос о замене выявленных дефектных участков. Дальнейшая безопасная эксплуатация трубопроводов с дефектными участками возможна при условии получения обоснованных оценок их потенциальной опасности, а, следовательно, работоспособности и расчетного остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.
Для принятия решений о выборе мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации и оценке остаточного ресурса трубопроводов необходима дополнительная информация о дефектах, то есть, их идентификация - определение природы дефектов (коррозия, механическое повреждение, металлургическое расслоение, структурная неоднородность, водородное расслоение и др.) и их геометрических параметров. Идентификация дефектов металла труб проводится при компьютерном анализе результатов ВТД и проверяется при дополнительном диагностическом контроле в шурфах. Однако, с целью снижения трудоемкости, основное количество выявленных дефектов необходимо идентифицировать исключительно при компьютерном анализе результатов ВТД. Обследование дефектов в шурфах экономически целесообразно применять для подтверждения потенциальной опасности только тех дефектов, которые оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства металла трубопровода. В связи с этим, определение характерных признаков для идентификации выявленных дефектов металла труб, создание методик оценки их потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов является актуальной проблемой для предприятий, эксплуатирующих трубопроводы.
Несмотря на большой объем опубликованных исследований в области обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов с дефектными участками, много вопросов остается малоизученными и требуют дальнейшего решения. Идентификация дефектов металла труб и сварных соединений, разработка новых методов оценки потенциальной опасности участков трубопроводов с различными дефектами, восстановление несущей способности трубопроводов без остановки перекачки продукта, прогнозирование остаточного ресурса, являются актуальной проблемой обеспечения безопасности трубопроводов.
Цель работы: повышение безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
- анализ причин отказов и дефектности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды;
- разработка методики идентификации дефектов по данным внутритрубной дефектоскопии;
- определение механизма развития повреждений и потенциальной опасности дефектов формы труб и разработка метода контроля повреждений металла трубопроводов;
- выбор критериев оценки потенциальной опасности дефектов утонение стенки труб и участков трубопроводов с объемными дефектами в сварных соединениях;
- разработка моделей приведения несплошностей металла к дефектам утонение стенки труб и оценка их потенциальной опасности;
- разработка методик и оборудования для лабораторных и стендовых коррозионных испытаний образцов, труб и запорной арматуры;
- разработка технологических методов повышения безопасной эксплуатации трубопроводов;
- разработка системы балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ на интенсивность их отказов.
Методы исследований: Поставленные задачи решены с использованием: положений теории прочности и коррозионной стойкости металлов и сплавов; теории надежности и экспертных оценок; положений теории подобия и математического моделирования физических объектов и процессов; методов статистического анализа результатов ВТД, наружного контроля и экспериментальных исследований элементов трубопроводов; металлографических исследований. Окончательная оценка предлагаемых научно-технических решений проводилась по результатам стендовых и опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна работы:
- предложена методика идентификации дефектов трубопроводов, позволяющая установить характерные признаки дефектов, отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, и повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов;
- установлено, что в процессе эксплуатации стальных труб в течение 25 лет в сероводородсодержащей среде: основной металл сохраняет исходную феррито-перлитную структуру; в области металлургических дефектов количество эксплуатационных дефектов (водородных расслоений) увеличивается по экспоненциальному закону; в области технологических дефектов кольцевых сварных соединений возникают трещины; ударная вязкость KCU-40 металла труб снижается на 26-33 % по сравнению с исходной.
- разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки трубы на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. Получена зависимость разрушающего давления в водородных расслоениях металла стенки трубы от площади повреждения. Разработаны модели приведения внутренних дефектов к дефектам утонение стенки трубы;
- предложены зависимости значений изменения скорости распространения акустических волн в металле труб от значений величины накопленной поврежденности в процессе развития малоцикловой усталости металла, на основе которых разработана методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопровода с дефектами формы;
- уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами и введен коэффициент ослабления прочности сварного шва kС в интервале значений 1,5…2,0 при определении разрушающего давления. Предложена методика оценки потенциальной опасности объемных дефектов кольцевых сварных соединений, позволяющая обосновать возможность безопасной эксплуатации участков трубопроводов, содержащих дефектные сварные стыки;
-предложена математическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке на трубе напряженной муфты, позволяющая определить оптимальное обжимающее давление сварной муфты;
- предложена математическая модель технического состояния и проведено ранжирование потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие определить сроки ее плановой замены и повысить безопасность эксплуатации трубопроводов;
- разработана система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и определена зависимость связи значений факторов и интенсивности отказов трубопроводов, позволяющие обосновать объемы и сроки проведения ремонта дефектных участков трубопроводов для обеспечения необходимого уровня их безопасной эксплуатации.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
- разработаны и внедрены в УЭСП ООО «Газпром добыча Оренбург» методика и стенд для проведения испытаний дефектных участков трубопроводов, позволяющие определить потенциальную опасность дефектов, необходимость и сроки проведения ремонта, а также заменить общее испытание трубопровода при продлении его срока безопасной эксплуатации;
- разработана методика оценки поврежденности металла дефектных участков трубопроводов при циклических деформациях с прогнозированием их остаточного ресурса, используемая при проведении экспертизы промышленной безопасности трубопроводов;
- предложены технологические методы повышения безопасности эксплуатации дефектных участков трубопроводов путем применения: входного контроля трубных изделий; импортозамещаемой отечественной запорной арматуры; эффективных ингибиторов коррозии; технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами.
Основные положения разработанных методик включены в: СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением»; СТО 0-13-28-2006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии», СТО 0-03-22-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».
Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил: в 2005 г. - 18 миллионов рублей, в 2007 г. - более 7 миллионов рублей.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-методика идентификации дефектов трубопроводов, выявленных внутритрубной дефектоскопией;
-методика оценки акустическими волнами величины накопленной поврежденности металла труб с дефектами формы при малоцикловом нагружении;
-экспоненциальная зависимость увеличения количества водородных расслоений в области металлургических дефектов металла труб в процессе эксплуатации трубопроводов;
-модели приведения внутренних дефектов металла труб к дефектам утонение стенки;
-методика оценки потенциальной опасности дефектов металла труб и сварных соединений и прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов;
-методика натурных испытаний труб и запорной арматуры;
-модель технического состояния запорной арматуры;
-модель напряженно - деформированного состояния металла ремонтируе-мых участков трубопроводов муфтой, обжимаемой упругой камерой;
-система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и зависимость, устанавливающая соответствие между балльной оценкой участков трубопроводов ОНГКМ и интенсивностью их отказов.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на конференциях и семинарах: «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (Всероссийская НТК, г. Оренбург, 1995 г.); «Проблемы диагностирования и оценки остаточного ресурса оборудования и трубопроводов, работающих в сероводород-содержащих средах» (Международный научно-технический семинар ОАО Газпром, г. Оренбург, 1997 г.); III-й Международный конгресс и выставка «Защита – 98» (г. Москва, 1998 г.); «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Всероссийская НТК, г. Орск - 1998, 2000, 2002 г.г.); «Научно-технические решения по повышению эффективности ингибиторов коррозии» (НТС, г. Москва, 2000 г.); «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Международная НТК, г. Оренбург, 2000 г.); «Диагностика трубопроводов» (3-я Международная конференция, г. Москва, 2001г.); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Российская НТК, г. Оренбург - 2004, 2005 г.г.); «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности»
(7-я Международная выставка и конференция, г. Москва, 2008 г.); «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (МТК ОрГТИ, г. Орск, 2008 г.); «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (МНТК ОАО «Газпром», г. Оренбург - 2002, 2004, 2006, 2007, 2008 г.г.); «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Третья МК ИМЕТ РАН, г. Москва, 2009 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 91 научном труде, в том числе: монографии - 2, статей – 39 (в т.ч. в изданиях Перечня ВАК - 17), патентов на изобретения - 7.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований и приложения. Работа изложена на 355 страницах машинописного текста, содержит 191 рисунок и 67 таблиц.
Методы контроля технического состояния трубопроводов
В условиях многофакторного воздействия коррозионных сред сероводородсодержащих месторождений, обусловленных наличием H2S, С02 и минерализованной пластовой воды, кинетика и характер коррозионных поражений конструкций чрезвычайно разнообразны. Для оценки степени агрессивности рабочих сред и характера коррозии трубопроводов, определения эффективности противокоррозионных мероприятий и своевременного принятия мер для снижения коррозионных потерь, установления сроков реконструкционных работ и повышения безопасности эксплуатации необходим постоянный многоплановый контроль технического состояния трубопроводов с применением различных средств и методов [30, 208].
Контроль коррозионного состояния трубопроводов ОНГКМ наряду с наружным осмотром осуществляется следующим образом. Скорость общей коррозии определяется по образцам-свидетелям и электрическим зондам коррозиометров. Количество продиффундировавшего через металл водорода фиксируют с помощью водородных зондов [30]. Расслоения и изменение толщины стенки трубопровода в местах, наиболее подверженных воздействию среды выявляют ультразвуковым методом. Аналогичные методы контроля коррозионных процессов применяли на промыслах США, Канады, Франции [217, 220, 222, 227, 228, 229]. Многообразие методов, применяемых для определения стойкости материалов против сероводородного растрескивания (СР), в некоторой степени связано с разнообразием эксплуатационных условий, в которых может иметь место коррозия под напряжением. Каждый из методов испытаний не имеет универсальных преимуществ перед другими, однако каждый может иметь свое преимущество в соответствующих условиях. Метод испытаний не должен быть ни настолько жестким, чтобы приводить к отбраковке материала, стойкого в реальных условиях эксплуатации, ни настолько мягким, чтобы допустить использование материала в неприемлемых условиях. При испытаниях материалов на СР напряжение в испытуемых образцах создают с помощью: постоянной деформации, постоянной нагрузки и медленного растяжения (MP) - скорость деформации меньше 10 5 с"1 [30]. Трубопроводы сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений подвергаются сероводородной коррозии, вызывающей различные типы повреждений и опасность возникновения аварийных ситуации, приводящих к значительному материальному и экологическому ущербу. В то же время, ни один из методов локального коррозионного контроля ТП не отражает реальной коррозионной ситуации в контролируемой системе в целом. При проведении реконструкционных работ на трубопроводах, контактирующих с сероводородсодержащими средами, часто возникает необходимость экспрессной оценки коррозионных свойств бывших в эксплуатации материалов и вариантов технологий ремонтных работ. Широкое применение и совершенствование методик исследования материалов сопротивления коррозии сдерживается отсутствием специализированных испытательных установок.
Перспективным направлением повышения объективности оценки технического состояния ТП представляется внутритрубная дефектоскопия (ВТД) ТП на основе современных информационных технологий, включающих создание базы данных дефектных участков, идентификацию дефектов и построение прогнозируемых моделей дефектности ТП. Несмотря на отдельные проблемы, возникающие при применении ВТД, этот метод диагностики имеет ряд несомненных преимуществ перед другими альтернативными методами (в частности, перед методом гидроиспытаний): высокую разрешающую способность и возможность обнаружения не только критических, но и потенциально опасных дефектов; возможность измерения геометрических параметров дефектов всех типов (гофры, вмятины, риски, забоины, коррозия, расслоения, включения, трещины, непровары, шлаковые включения в сварных соединениях); снижение затрат на эксплуатацию, т.к. нет необходимости вывода ТП из эксплуатации на длительное время при проведении испытаний и исключается ремонт со сплошной заменой труб; стойкость дефектоскопов-снарядов к ударным и вибрационным воздействиям, давлению и температуре, возможность прохождения препятствий; высокую производительность, достигаемую благодаря скорости инспекции без нарушения нормального режима эксплуатации ТП; возможность проведения выборочного ремонта с заменой только дефектных труб или дефектных участков; возможность определения скорости коррозии на основе сравнения данных, полученных в разные периоды времени эксплуатации ТП [25, 26, 33, 62, 90, 118, 179].
В работе [179] приведены результаты многочисленных исследований по оценке дефектности магистральных нефтепроводов, прошедших ВТД. Установлено, что наиболее распространенными причинами аварий являются расслоения и потери металла (почти 80% от всех видов дефектов). Причем, если потери металла являются следствием механических (царапины, забоины) или коррозионных повреждений, то расслоения следует относить к заводскому браку [179]. Большинство выявленных ВТД дефектов трубопроводов ОНГКМ также является металлургическими, а наиболее опасными дефектами являются эксплуатационные водородные расслоения металла труб, и определение отличительных признаков этих расслоений от металлургических дефектов и дефектов формы металла труб представляется весьма актуальным.
При проведении ВТД трубопроводов ОНГКМ выявлено более 80 тысяч дефектов различного типа, более половины которых не допустимы согласно требованиям действующих нормативных документов (НД). Результаты ВТД представляют значительный массив данных (до 1500 шт. на 25-30 км ТП). Оперативность его обработки, доступность и достоверность определяют качество оценки технического состояния ТП. Поэтому необходима автоматизированная база данных, включающая справочную информацию, статистическую обработку, статистику исследований и методику решения специальных задач. Опыт работы с данными ВТД по окончательным отчетам фирмы исполнителя показывает, что предложенная фирмой классификация не в полной мере отражает природу образования дефектов. Кроме этого, при оценке результатов обработки возникают трудности из-за «зашумленности» исходных данных. Поэтому необходимо определить четкие критерии оценки типов дефектов и их отличительные признаки с учетом природы образования дефектов.
Данные ВТД представляют собой расшифрованные образы дефектов в виде отчета и изображения В- и G-сканов. Причем, в отчетах фирмы не указывается природа дефекта, а лишь даются его описание и геометрические размеры. Нам представляется необходимой классификация дефектов по основному признаку: эксплуатационный дефект или технологический [30, 68].
На практике дефекты имеют сложные формы, часто наблюдаются похожие признаки (включение или расслоение, водородное расслоение или вмятина, вздутие или отложения и др.), в области сварных швов наблюдаются потери сигнала, которые значительно снижают информативность. Поэтому, учитывая важность правильной идентификации дефектов, не имеющих явно выраженных признаков своего типа, необходимо определить дополнительные признаки, которые уменьшали бы вероятность ошибочного определения типа дефектов. Признаки идентификации типов дефектов особенно важны, т.к. основная часть вырезанных из трубопроводов дефектных труб содержит металлургические дефекты, и эти участки ТП могли бы эксплуатироваться. Под идентификацией понимается определение природы дефекта (технологический или эксплуатационный) и его вида. Для этого проведен анализ нескольких тысяч изображений В- и С-сканов, накоплена статистика по видам дефектов, сведения о режимах работы ТП и нормативные требования к качеству труб [30, 68].
Идентификация дефектов металла трубопроводов
Для контроля технического состояния трубопроводов ООО «ГДО» регулярно с 1990 года проводится ВТД, и по состоянию на 01.01.08 г. проинспектировано более 6 тыс. км. По результатам экспертной оценки полноты данных сканирования, информация выдается практически по всей площади поверхности труб с очень малой областью неопределенности [61, 118]. Для принятия решений о мероприятиях по обеспечению промышленной безопасности и оценки остаточного ресурса трубопроводов необходима идентификация выявленных дефектов, то есть определение природы дефектов (коррозия, механическое повреждение, металлургическое расслоение, структурная неоднородность, водородное расслоение и др.) и их геометрических параметров [149].
Идентификация — опознание, отождествление объекта. Идентификация устанавливает соответствия распознанного предмета своему образу - предмету, называемому идентификатором. Разработанная методика идентификации дефектов, выявленных ВТД, включает следующие основные этапы: - определение образа дефекта по сканам ВТД; - уточнение вида и размеров дефекта наружным НК; - определение природы возникновения дефекта по результатам проведения металлографических исследований дефектного участка труб; - сравнение сканов ВТД различных дефектов между собой и определение отличительных признаков характерных для каждого вида дефектов и составление атласа дефектов; - оперативный анализ результатов ВТД по указанным в атласе характерным признакам дефектов ТП. Цель - повышение объективности и оперативности оценки результатов ВТД для повышения безопасности эксплуатации трубопровода. Выявлено более 80 тысяч дефектов различного типа и категорий опасности [84, 85]. Из них обследовано методами наружного контроля 1075 участков, из которых 710 вырезано. В подконтрольной эксплуатации по результатам компьютерного анализа и расчетов на прочность оставлено 1882 участка [212]. При ВТД информация от датчиков обрабатывается бортовым компьютером внутри дефектоскопа и поступает на хранение в устройство памяти. После извлечения дефектоскопа из трубопровода производится копирование записанной информации и оценка качества полученных данных. Дальнейшая обработка проводится с применением программно-аппаратного комплекса.
Программы обработки информации позволяют распознавать выявленные особенности трубопровода и вывести их графическое изображение на экран. Графическое изображение данных, полученных с магнитного дефектоскопа, отображается в виде линий уровня напряженности магнитного поля. Каждая линия соответствует номеру определенного датчика. Причем в местах, где нет изменения напряженности магнитного поля, линии не выводятся. По характеру изменений линий, отражающих измерения каждого датчика, определяется вид выявленной особенности. В местах изменения амплитуды при повышении определенных пороговых значений сигнала система автоматически выполняет идентификацию дефекта и определяет его размер. Более точную оценку выявленного дефекта дает инженер-интерпретатор. Точность измерения дефектов, получаемых при магнитной дефектоскопии, во многом зависит от накопленных данных о дефектах различной формы и природы. Результаты ультразвуковой ВТД представляются на экране в виде развернутых фрагментов (сканов) внутренней поверхности трубопровода, окрашенных в различные цвета в зависимости от остаточной толщины стенки. По сканам, на которых отображена толщина стенки трубы (wallth), определяются параметры дефектов наружной поверхности трубопровода и внутренние дефекты типа включений и расслоений, а по сканам «расстояния от датчика до внутренней поверхности трубы» (stand off) оценивают дефектность внутренней поверхности трубопровода. Для уточнения вида и размеров дефектов проводится дополнительный диагностический контроль дефектных участков труб в шурфах.
Напряженно-деформированное состояние в области дефектов формы труб
Одной из наиболее актуальных задач при определении ресурса эксплуатации участков трубопроводов с вмятинами является адекватная оценка концентрации напряжений в металле. На основе анализа геометрии вмятин на трубопроводах установлено, что отношение длины вмятины к ее глубине находится в диапазоне значений от 8 до 15. Форма вмятин плавная и состоит из сопряженных поверхностей описываемых некоторыми радиусами. Для установления НДС и коэффициента концентрации напряжения в металле трубы в области вмятины предлагается модель поверхности дефекта (рисунок 3.1). Поверхность вмятины состоит из трех окружностей одинакового радиуса R, сопряженных последовательно между собой и образующей трубы. Глубину вмятины h принимали равной R/8.
Сделав несложные геометрические вычисления, получили: при длине вмятины L ее глубина h равна L/2V31, а радиус кривизны R = ALIл/31. Расчет НДС производился по программе АРМ WinMachine, разработанной специалистами МГТУ им. Баумана Э.Н. На первом этапе создавалась модель поверхности вмятины (рисунок 3.2), которая нагружалась равномерным внутренним давлением и разбивалась на элементарные пластины с шагом от 3 до 7 мм. На втором этапе производился расчет НДС при различных значениях толщины пластины, глубины и длины вмятины. По найденным максимальным значениям напряжений металла в области вмятины определяли значение коэффициента концентрации напряжений относительно средних окружных напряжений, т.е. Ка=отях/Оф. На рисунке 3.3 изображены графики зависимости коэффициента концентрации напряжений от отношения толщины стенки трубы к ее диаметру при различной глубине и длине вмятины. При одних и тех же размерах вмятины концентрация напряжений уменьшается при увеличении толщины стенки трубы. На рисунке 3.4 представлены графики зависимости концентрации напряжений Ка от отношения глубины вмятины к толщине стенки трубы при различной глубине и длине вмятины.
При одних и тех же размерах вмятины концентрация напряжений увеличивается при увеличении глубины вмятины. При этом длина вмятины на значение Kff влияет незначительно. На рисунке 3.5 изображены графики зависимости концентрации напряжений от отношения глубины вмятины к диаметру трубы при различной толщине стенки трубы. Концентрация напряжений увеличивается при увеличении глубины вмятины на трубе. При этом, чем тоньше стенка трубы, тем больше значение Ка. Так для магистральных труб при h/D=3,5 % и D/t=100 (высокопрочные трубы, таблица 3.1) значение Kff равно 4,1. В отличие от магистральных трубопроводов, соединительные трубопроводы ОНГКМ, транспортирующие сероводородсодержащие среды, имеют отношение D/t от 27 до 40, следовательно, Ка находится в диапазоне от 2,4 до 2,8 соответственно. Полученные коэффициенты концентрации напряжений в пределах от 2,4 до 4,1 для вмятин трубопроводов с максимальной глубиной h/D=3,5 % могут быть использованы для установления их ресурса по критерию зарождения трещин малоцикловой усталости.
В целях выявления повреждений и оптимального распределения объема работ проведения контроля неразрушающими методами состояния металла в области вмятины необходимо знать наиболее нагруженные точки. На рисунке 3.6 показано распределение интенсивности напряжений в металле трубы с вмятиной от действия внутреннего давления при L/D=0,5, h/D=4,5% и различных отношениях диаметра трубы к толщине стенки трубы. На толстостенных трубах (D/t=25, рисунок 3.6) максимальные напряжения располагаются вдоль оси трубы ближе к центру вмятины. С уменьшением толщины стенки трубы (D/t =50, рисунок 3.6) максимальные напряжения смещаются на края вмятины.
Потенциальная опасность участков трубопроводов с дефектами сварных соединений
Исследование НДС сварных соединений с дефектами проведено с помощью метода конечных элементов программы АРМ WinMachine.
Смоделировано двухосное НДС кольцевых и продольных сварных соединений труб 0720x20 мм, нагруженных давлением 6,4 МПа. При этом окружные напряжения равны 115,2 МПа и осевые напряжения металла трубы 57,1 МПа. На рисунке 4.4 кольцевое сварное соединение имеет непровар размерами: глубиной 2,5 мм, шириной 5 мм и длиной по всему сварному шву. Максимальные напряжения, возникающие в сварном шве, расположены в центральной части непровара (130 МПа) и превышают напряжения в стенке свариваемой трубы (100 МПа) в 1,3 раза. Аналогичное моделирование НДС для сварных соединений с непроварами глубиной 5 и 10 мм (рисунки 4.5, 4.6).
Напряжения в усилении сварного шва (40-50 МПа) меньше в 2 раза по сравнению с основным металлом (100 МПа).
Выполнено моделирование двухосного НДС кольцевых и продольных сварных соединений трубы 0720x20 мм с порами в виде цилиндра диаметром D=5 мм и D=10 мм расположенных на глубине равной половине толщины стенки трубы по центру сварного шва. Распределение напряжений в металле области дефекта кольцевого соединения приведены на рисунках 4.7, 4.8. Концентрация напряжений наблюдается в верхней и нижней частях поры. Подобное моделирование проведено и для продольного сварного соединения с дефектами.
Концентрацию напряжений в металле оценивали через коэффициент Koi, равного отношению интенсивности напряжений в области дефекта сварного соединения к интенсивности напряжений в основном металле. Значение интенсивности напряжений (100 МПа) в основном металле больше осевых напряжений (57,1 МПа), но меньше окружных напряжений в стенке свариваемой трубы (115,2 МПа).
По результатам расчетов построены графики зависимости значений концентрации напряжений Ка1 в кольцевых и продольных сварных соединениях от высоты дефектов (рисунок 4.8). Чем больше размеры дефектов, тем концентрация напряжений выше, при этом минимальную концентрацию напряжений создают поры в кольцевых швах. В два раза большие значения концентрации напряжений создают дефекты в продольных швах. Максимальная концентрация напряжений наблюдается от непровара в продольных швах (рисунок 4.8).
Гидроиспытания труб, содержащих дефектные кольцевые сварные швы, проводили для определения прочности и оценки возможности дальнейшей эксплуатации трубопроводов с дефектными кольцевыми сварными швами.
Испытывали трубы ДуЮОО с дефектами кольцевых сварных швов, вырезанные из трубопровода «Оренбург-Заинек» и Ду700 с дефектными кольцевыми сварными швами, вырезанными из соединительных трубопроводов УКПГ-ОГПЗ ООО «Газпром добыча Оренбург». Общие сведения по данным трубопроводам приведены в таблице 4.2. Характеристики испытуемых дефектных труб приведены в таблице 4.3.
Трубы с вышеописанными дефектами кольцевых сварных швов были испытаны согласно вышеизложенной методике (раздел 3.4).
При нагружении внутренним давлением труб величина осевых напряжений в два раза меньше окружных напряжений. Металл сварного шва по прочностным характеристикам превышает основной металл труб. В испытываемых кольцевых сварных соединениях дефекты, превышающие предельные размеры установленные НД [18], не вызывают разрушение по окружности трубы от внутреннего давления. Для создания осевых напряжений выше окружных напряжений и способных привести к разрушению металла кольцевых сварных швов при проведении гидравлических испытаний, в области исследуемых дефектов усиление сварного шва удаляли и/или выполняли утонение стенки трубы на 40-70%. На трубах с небольшими по геометрическим характеристикам дефектами сварных швов с целью имитации непроваров наносили искусственные надрезы вдоль швов снаружи и внутри труб (рисунок 4.10). При нанесении надрезов вдоль кольцевых сварных швов визуально подтверждалось наличие пор в швах, которые были обнаружены при ультразвуковой дефектоскопии (рисунок 4.11).
Данные поры в процессе циклического нагружения труб давлением увеличивались в размерах вследствие пластических деформаций, далее сливались в единую трещину, по которой в свою очередь происходила разгерметизация труб. Все испытуемые трубы разрушились по кольцевым сварным соединениям с дефектами (рисунок 4.12). Основные результаты гидравлических испытаний дефектных труб приведены в таблице 4.4. Испытанные дефектные кольцевые сварные швы показаны на рисунке 4.9.
Рисунок 4.9 - Испытанные дефектные кольцевые сварные швы а - два кольцевых шва, расположены на недопустимом расстоянии 80 мм друг от друга; б - смещение кромок до 4 мм; в - непровар, усиленный подкладным кольцом; г - непровар длиной 370 мм и максимальной глубиной 6,5 мм с подкладным кольцом; д - несплавления по всему периметру сварного шва; е - применение подкладного кольца на длине 750 мм кольцевого сварного шва
