Введение к работе
Актуальность
Трубопроводный транспорт является одним из самых дешевых и надежных транспортов при доставке жидких и газообразных продуктов на значительные расстояния. Как правило, трубопроводы изготавливаются из стальных труб, соединенных между собой сваркой. Технические и эксплуатационные характеристики трубопроводов обеспечиваются за счет выбора необходимого типа труб с заданным уровнем физико-механических свойств металла этих труб. Однако в процессе длительной эксплуатации технические характеристики трубопровода изменяются и могут перейти критические значения, при которых возможно «самопроизвольное» разрушение трубопровода.
Как известно действующие трубопроводы подвержены комплексу воздействий, приводящих к деструкции его металла. При этом из-за неравномерности таких воздействий по длине трубопровода степень деструкции металла в отдельных зонах может достигнуть критических значений и привести к разрушению трубопровода при нормальной работе основной части трубопровода.
Отправными точками, характеризующими появление в металле трубопровода элементов деструкции можно назвать: повышение плотности дислокаций (снижение пластических свойств металла); образование пор и микротрещин (элементы разрушения); коррозию металла.
Рассматривая весомость факторов, приводящих к ускоренной деструкции металла в локальных зонах, можно отметить, что главенствующее значение в этом процессе имеют действующие в данной зоне металла трубопровода механические напряжения. Причем, чем выше уровень напряжений, тем деструкция металла наступает быстрее.
Исследования по оценке распределения отказов на трубопроводах после различных сроков эксплуатации показывают, что количество отказов резко возрастает после 15 лет эксплуатации.
В этом же интервале времени наблюдается существенное снижение ударной вязкости металла труб и других характеристик, определяющих его пластические свойства. Например, относительные удлинение и сужение металла при эксплуатации трубопровода более 20-ти лет снижается более чем на 30% , а ударная вязкость металла уменьшается до значений, ниже нормативных требований.
Проводимые работы в соответствии с действующей нормативной документацией по оценке состояния трубопроводов, в том числе внутритрубная диагностика не обеспечивают необходимую надежность. Разрушения трубопроводов происходят, в том числе и на участках подвергнутых диагностике. Эти данные свидетельствуют о недостаточной достоверности оценки состояния трубопроводов по результатам диагностики.
В связи с этим работы, направленные на создание методологии нераз-рушающей оценки состояния действующих трубопроводов, являются актуальными.
Цель работы и задачи исследований
Целью диссертации является разработка методологии неразрушающего определения ресурса безопасной эксплуатации действующих стальных трубопроводов на основе исследования и создания методик и средств выявления локальных зон трубопровода с максимальной деструкцией металла и определении степени этой деструкции.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать состояние металла трубопроводов, разрушенных в процессе аварий, выявить закономерности изменения свойств металла и влияние внешних факторов на наступление разрушений;
расчетно-экспериментальным путем оценить качественные изменения свойств металла в локальных зонах трубопроводов, работающих под давлением и разработать методику определения предельного состояния этого металла;
разработать критерии оценки состояния металла трубопроводов в процессе их эксплуатации;
исследовать и предложить информативные параметры средств неразрушающего контроля для реализации разработанных критериев оценки состояния трубопроводов;
разработать и внедрить средства неразрушающего контроля для измерения выбранных информативных параметров;
разработать и внедрить методики неразрушающего определения информативных параметров состояния трубопровода;
разработать и внедрить методологию оценки состояния действующих стальных трубопроводов на основе данных неразрушающего контроля и измерений в локальных зонах трубопровода;
разработать и внедрить методологию оценки ресурса безопасной эксплуатации действующих трубопроводов.
Научная новизна.
Научная новизна работы заключается в разработке на базе магнитных методов неразрушающего контроля и теории металловедения научно-методических основ комплексного неразрушающего контроля состояния стальных конструкций в процессе их эксплуатации и выражается в следующем:
на основе определения пространственного положения трубопровода получены соотношения, позволяющие выявлять зоны трубопровода с максимальными напряжениями, как правило, участки с минимальным радиусом изгиба трубы, а также установлено, что на протяженных прямолинейных участках трубопровода (длиной больше 20 наружных диаметров этого трубопровода), работающего под давлением, осевые напряжения близки к нулю;
разработан алгоритм определения предельного значения деструкции в стальных трубопроводах, заключающийся в последовательности технологических операций по определению первой точки деструкции стали при ее деформировании;
разработана модель изменения доменной структуры стали под нагрузкой, заключающаяся в представлении прохождения границ доменов по узлам кристаллической решетки, в которых имеются неоднородности и перемещении этих границ при механическом и магнитном воздействии на сталь, позволяющая прогнозировать изменение магнитных характеристик стали при изменении ее свойств;
определен параметр магнитного метода неразрушающего контроля (коэрцитивная сила), позволяющий оценить степень деструкции стальных трубопроводов;
получены соотношения, показывающие, что коэрцитивная сила стали пропорциональна величине относительной пластической деформации стали в степени 1/2;
разработан метод определения коэрцитивной силы на основе регистрации времени с начала перемагничивания стали до максимума ЭДС сигналов магнитного шума за каждый период перемагничивания;
получены соотношения позволяющие использовать параметры магнитного шума в стали (ЭДС магнитного шума вдоль и поперек трубы) для определения абсолютных значений напряжений действующих в трубопроводе.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана и внедрена методика определения ресурса безопасной эксплуатации стальных трубопроводов на основе оценки степени деструкции металла труб в локальных зонах с максимальным уровнем напряжений и деформаций;
разработана и внедрена методика выявления зон деструкции в стальных трубопроводах на основе измерения коэрцитивной силы в зонах с максимальными напряжениями и деформациями;
разработана и внедрена методика определения напряжений в действующих трубопроводах магнитным методом на основе измерения ЭДС магнитного шума вдоль и поперек трубы;
создан портативный магнитошумовой прибор для определения абсолютных значений напряжений в стальных трубопроводах, с автоматическим пересчетом данных измерений ЭДС магнитного шума в вдоль и поперек трубы в величины напряжений;
создан портативный магнитошумовой прибор для определения коэрцитивной силы в поверхностных слоях стальных конструкций;
методические разработки автора (определение наиболее опасных участков трубопровода, оценка коррозионной активности среды в зоне трубопровода, определение напряжений в трубопроводах магнитными методами) вошли в качестве обязательных в СТО Газпром 2-2.3-095-2007 «Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов»;
методические разработки автора вошли в новые редакции ГОСТ Р 51164 и ГОСТ 9.602 в части определения локальных участков трубопроводов наиболее подверженных коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, а также свойств сталей по измеренной коэрцитивной силе;
методические разработки автора вошли в качестве обязательных в методические указания ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) по проведению экспертизы промышленной безопасности трубопроводов, работающих под давлением;
разработаны типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов, в области эксплуатации, обслуживания и диагностики объектов добычи и транспортировки газа системы ОАО «Газпром».
Реализация результатов работы:
1. Разработанные методики и устройства использованы:
- в ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) для определения ресурса
безопасной эксплуатации трубопроводов, а также для измерения напряжений
в стальных трубопроводах различных объектов, в том числе при проведении
экспертизы промышленной безопасности газопроводов в Брянской, Орлов
ской, Смоленской, Тверской и др. областях;
в ОАО «Оргэнергогаз» для определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов на ряде объектов Газпрома, в том числе, на объектах газотранспортных предприятий «Мострансгаз», «Са-маратрансгаз», «Томсктрансгаз», «Тюментрансгаз», «Таттрансгаз», «Газпром трансгаз Ухта», «Ямбургазодобыча», на объектах в Армении, Германии и др;
в ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» для определения напряженно-деформированного состояния участков трубопровода в местах установок вставок электроизолирующих;
в учебном процессе предприятий Газпрома и ООО «Завод импульсной техники».
-
Разработанные типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов предписаны для повышения квалификации специалистов по транспортировке газа, входящих во 2-ю группу специальностей (должностей) в системе непрерывного фирменного профессионального образования (СНФПО) ОАО «Газпром».
-
Разработки автора использованы в НПЦ «Гарантия-М» (НИМИ) при создании магнитошумовых приборов «ПИОН-03» и «ПИОН-ОЩ».
-
Методические разработки автора защищены 4 патентами РФ на изобретения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции (г. Сочи 2000, 2001, 2007 г.г.), Международных конференциях в Риме (2000 г.), Тунисе (2001 г.), Мальта (2003 г.), а также на семинарах в МГУПИ, НИМИ, ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» и др.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 35 печатных работ, в том числе 4 патента РФ на изобретения. 10 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ. Одна монография на 388 страницах. Две работы являются стандартами ОАО «Газпром».
Структура и объем диссертации.
Похожие диссертации на Развитие теории, создание способов, средств и технологии определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов магнитными методами неразрушающего контроля
