В экономике России важное место занимает газовая отрасль, успешное функционирование которой во многом зависит от техническогосостояния системы магистральных газопроводов. Однако содержать, систему магистральных газопроводов в исправном, работоспособном, надёжном и безопасном состоянии — непростая задача, учитывая множество усложняющих факторов, в число которых можно отметить большие протяжённости^ удалённость от промышленно-развитых районов, разнообразие климатических условий, большие диаметры и рабочие давления, большое количество переходов через дороги, реки и другие препятствия.
Магистральные газопроводы (МГ) относятся к опасным производственным объектам по нескольким признакам сразу: наличие высоких давлений, легковоспламеняемый продукт (природный газ) — который в ограниченном пространстве: действует отравляюще. Поэтому к ним предъявляются повышенные требования по безопасности.
МГ в основном проложены в подземном исполнении, что обеспечивает в некоторой степени безопасность, но накладывает определённые. требования по защите от почвенной коррозии. Однако, как показывает практика, существующая двухуровневая защита (изоляционное покрытие + катодный, потенциал) обеспечивает защиту от общей и язвенной коррозии, но не защищает от другого опасного явления — стресс-коррозии. Это явление происходит особенно интенсивно на тех участках, где пленочное изоляционное покрытие изношено, потеряна адгезия к металлу, а напряжения в стенке трубы высоки (окружные — от рабочего давления, изгибные — от сложного рельефа местности). Поэтому проблема обеспечения безопасности является одной из актуальнейших.
На МГ встречаются и воздушные участки, проложенные на опорах. Например, на участке КС «Аркауловская» — КС «Полянская» протяжённостью 103 км газопровода Челябинск — Петровск содержится 10 воздушных переходовв среднем через каждые 10 км. Все они являются участками повышенной опасности по следующим причинам:
1. На воздушные участки трубопровода не действует реакция грунта, что вызывает совершенно другой результат от действия веса трубы, газа, снега, обледенения. На такие участки действуют дополнительные нагрузки и другие факторы: ветер, солнечная радиация, осадки, опоры. Каждая из составляющих нагрузок вызывает дополнительные напряжения в стенке трубопровода. Причём, эти' напряжения распределяются неравномерно, с концентрацией в определённых местах, что затрудняет оценку эксплуатационных характеристик газопровода (прочности, надёжности, безопасности, ресурса, допустимых условий эксплуатации).
2. Воздушные участки открыты и доступны не только для наблюдения и технического обслуживания, но и для несанкционированного •вмешательст-вахторонних лиц и организаций. Поэтому более остро стоит проблема охраны таких участков.
3. Конструкции воздушных переходов разнообразны. Они зависят от протяжённости перехода, особенностей рельефа местности, климатических условий, вида температурных компенсаторов, конфигурации препятствия-(например, характеристик русловой и пойменной частей реки). Разнообразие конструкций затрудняет унификацию операций по обследованию, оценке технического состояния и безопасности, обслуживанию и ремонту.
4. До сих пор не изучены некоторые явления на воздушных переходах. Не проведен сравнительный анализ развития износа и разрушений на подземных^ участках и воздушных переходах. В число таких явлений входят стресс-коррозия, усталость и старение металла.
5. Недостаточно исследовано влияние дополнительных нагрузок на напряжённое состояние газопровода. Не исследовано влияние самих опор на напряженное состояние трубопровода, поведение трубопровода за пределами упругости, особенности деформирования отводов, входящих в состав компенсаторов.
Всё это затрудняет совершенствование нормативной базы по диагностике, оценке безопасности, обслуживанию и ремонту воздушных переходов. Поэтому практически все инструкции в основном описывают порядок операций, но не приводят конкретные расчётные методы, формулы, алгоритмы, коэффициенты надёжности и другие необходимые элементы. Их выбор практически полностью зависит от эксперта, следовательно, от человеческого фактора. Это может привести к значительным погрешностям и даже ошибкам, далее к авариям.
Таким образом, существует актуальная проблема совершенствования методической и нормативной базы обследования и оценки технического состояния и безопасности воздушных переходов магистральных газопроводов. Эту важную проблему невозможно полностью решить в одной работе, учитывая большое разнообразие конструкций и" условий эксплуатации. Поэтому в настоящей работе в качестве конкретного примера исследований выбран наиболее сложный из воздушных переходов — переход МГ Челябинск — Пет-ровск через реку Юрюзань на 249 км. Этот переход имеет больший диаметр (1420 мм), протяжённость около 600 м, устроен на 14 опорах, находится под большим рабочим давлением (до 7,3 МПа), однониточный. Все эти особенности в совокупности требуют, чтобы надёжность и безопасность были выше, чем на остальных участках.
Цель работы — совершенствование методов оценки технического состояния и безопасности воздушных переходов магистральных газопроводов после длительной эксплуатации.
Основные задачи:
1. Исследовать напряжённо-деформированное состояние воздушного перехода газопровода с учётом конструктивных особенностей и изменившихся условий взаимодействия с опорами.
2. Оценить возможность и особенности развития стресс-коррозии и других механизмов выхода из строя воздушного перехода газопровода.
3. Исследовать особенности изменения механических свойств металла труб на воздушном переходе газопровода.
4. Разработать методику оценки накопленной повреждаемости воздушного перехода газопровода с учётом фактических нагрузок и произошедших изменений.
5. Оценить остаточный срок безопасной эксплуатации воздушного перехода и разработать предложения по продлению этого срока.
Основой для решения данных задач явились работы известных ученых и специалистов: Аскарова P.M., Гумерова K.M., Зайнуллина P.C., Сираева А. Г., Харионовского В. В. и др.
В работе широко использованы численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов трубопроводов и других конструкций, положения теоретической механики, теорий упругости, термоупругости и прочности, результаты обследования ряда газопроводов после длительной эксплуатации, испытания образцов металла и сварных соединений. Также использован практический опыт эксплуатации магистральных газопроводов, накопленный в ООО «Газпром трансгаз Уфа».
В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:
1. Исследованы поля напряжений на воздушном переходе газопровода с учётом фактических конструктивных особенностей, размеров, нагрузок, условий взаимодействия с опорами и установлено следующее: на начальном участке перехода напряжения достигают предела текучести из-за нарушения работы первой опорына конечном участке перехода напряжения достигают предела текучести из-за неудачного расположения последних двух опор и неверного выбора расстояния между нимиконтактное взаимодействие опор с трубой приводит к 4-х кратному увеличению напряжений в стенке трубы, что эквивалентно созданию концентрации напряжений.
2. Аналитически, численно и экспериментально исследованы особенности напряжённого состояния отводов. Установлено, что наибольшие напряжения возникают вдоль внутренней «образующей». Уточнена расчётная формула для коэффициента несущей способности отвода.
3. Разработан метод моделирования напряжённо-деформированного состояния трубопровода, находящегося за пределами упругости. Метод основан на деформационной теорией пластичности в сочетании с методом переменных параметров упругостипозволяет сводить решение задачи теории пластичности к решению задач теории упругости, что существенно облегчает расчёты.
4. На воздушных участках газопровода возможность протекания стресс-коррозии сильно ограничена из-за отсутствия основного источника атомарного водорода — механического и электрического контакта с влажным грунтом.
5. Металл труб на воздушном переходе сохранил все свои механические свойства за исключением пластичности и ударной вязкости при пониженной температуре. Эти изменения не привели к снижению прочности, но способны сократить остаточный ресурс воздушного перехода.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. На примере одного из наиболее сложных воздушных переходов газопроводов проанализированы известные методы обследования и выявлены некоторые недостатки, показаны новые способы решения задач, разработаны новые алгоритмы и программы.
2. Развита методика оценки накопленной повреждаемости и остаточного ресурса воздушного перехода на основе результатов обследований, расчётов напряжённого состояния, фактических режимов нагружения с учётом их нестабильно сти.
3. Разработана методика исследования контактных напряжений в районе взаимодействия трубы с опорами. Методика позволяет варьировать типами, формами, размерами и расположением опор на этапе проектирования, тем самым оптимизировать конструкцию перехода.
4. Результаты исследования напряженного состояния отводов позволяют внести в строительные нормы и правила уточнение по определению коэффициента несущей способности.
5. По результатам обследования данного воздушного перехода разработано экспертное заключение о промышленной безопасности (40-ТУ-63 427−2009) и предложены рекомендации по дальнейшей безопасной эксплуатации перехода.
Все результаты исследований могут быть использованы при обследовании других воздушных переходов трубопроводов.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования полей напряжений на воздушном переходе газопровода и установленные закономерности, включая: влияние 2-образных компенсаторов и состояния опор на общее напряжённо-деформированное состояниеособенности напряжённого состояния отводов, образующих Ъ-образные температурные компенсаторыособенности контактного взаимодействия трубы с опорами и вызванная этим концентрация напряжений в стенке трубы.
2. Выводы об ограниченной возможности стресс-коррозии трубопровода на воздушном переходе.
3. Результаты исследования металла труб после длительной эксплуатации газопровода.
4. Методика и результаты расчётов накопленной повреждаемости на воздушном переходе с учётом произошедших изменений и режимов нагру-жения.
5. Методика и результаты расчётов допустимого срока безопасной эксплуатации воздушного перехода и методика продления ресурса.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Гумерову Айдару Кабировичу и сотрудникам ГУП «ИПТЭР» РБ за критические замечания при разработке математического аппарата, помощь и содействие в постановке экспериментов и практическом внедрении результатов работы. Автор также благодарен руководству ООО «БашНИПИнефть» и коллегам по месту основной работы за понимание и содействие в процессе учёбы в аспирантуре.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Установлено, что на сварных стыках газопровода, включая воздушный переход, некоторые дефекты сварки не обнаруживаются внутритрубны-ми дефектоскопами. Другие дефекты сварки обнаруживаются, но не определяются важнейшие параметры, необходимые для выполнения расчётов. Поэтому при оценке допустимого рабочего давления и остаточного ресурса воздушного перехода целесообразно вводить дополнительные запасы прочности и надежности сварных стыков.
2. На воздушном переходе газопровода металл труб претерпевает те же изменения, что и на подземных участках. При этом снижаются ударная вязкость, пластичность, температура перехода в хрупкое состояние. Эти изменения приводят к снижению остаточного ресурса.
В отличие от подземных участков, на воздушном переходе не обнаружены признаки стресс-коррозии. Она не ожидается и в будущем, поскольку отсутствуют источники атомарного водорода.
3. Исследованы поля напряжений на воздушном переходе газопровода с учётом всех конструктивных особенностей, включая фактические размеры, расстояния между опорами, наличие отводов, образующих 2-образные компенсаторы, изменившиеся условия взаимодействия с опорами. Для этого сформулирован ряд базовых частных задач и получены соответствующие частные решения, которые могут быть использованы для получения общего решения при любом заданном наборе нагрузок (вес, давление, температура, ветер, реакция опор). Установлен ряд особенностей, в том числе: на начальном и конечном участках перехода напряжения достигают предела текучести из-за неудачного расположения некоторых опор и нарушения заданных условий их взаимодействия с трубопроводом. контактное взаимодействие опор с трубой приводит к 4-х кратному увеличению напряжений в стенке трубы, что эквивалентно созданию концентрации напряжений.
4. Определены нормативные нагрузки, действующие на воздушный переход с учётом режимов эксплуатации, температурных и климатических особенностей. Нестабильность и перепады нагрузок учтены введением специальных блоков и заданием количества циклов в каждом блоке. Блочно-циклическое описание действующих нагрузок позволяет рассчитывать накопленную повреждаемость и оценивать остаточный ресурс.
Предложен алгоритм продления ресурса воздушного перехода с учётом накопленной повреждаемости и динамики изменения механических свойств металла трубопровода. Разработанная расчётная программа позволяет учитывать любые вариации исходных данных и найти безопасные условия дальнейшей эксплуатации воздушного перехода.
5. В процессе исследований были сформулированы дополнительные актуальные задачи, имеющие отношение к воздушному переходу, и получены соответствующие решения:
5.1. Аналитическим методом и методом конечных элементов исследованы особенности напряженного состояния отводов и установлены важнейшие закономерности, которые получили экспериментальное подтверждение. Установлено, что наибольшие напряжения образуются на внутренней «образующей» отвода. Получены новые уточнённые формулы для коэффициента концентрации напряжений и коэффициента несущей способности отвода, которые позволяют определить допустимое рабочее давления в зависимости от размеров отвода, включая диаметр, толщину стенки, радиус изгиба, а также овальность поперечного сечения.
5.2. Исследованы закономерности деформирования трубопровода за пределами упругого состояния. Предложен подход, основанный на методе переменных модулей, позволяющий существенно упростить расчёты и пользоваться программами, разработанными для упругого состояния. Получены зависимости эффективного модуля упругости от свойств металла, размеров труб и действующих нагрузок.
