Научные основы обеспечения повышенной пропускной способности объектов трубопроводного транспорта

Создание объектов трубопроводного транспорта (OTT) с высокими эксплуатационными показателями, снижение их металлоемкости, оценка и повышение несущей способности и ресурса безопасной эксплуатации всегда были и будут актуальными проблемами жизнедеятельности. При этом особое внимание придается разработке OTT, работающих в экстремальных условиях, как по параметрам нагружения, так и рабочим средам. Применение для производства таких объектов высокопрочных сталей в сочетании с локализованными тепловыми и механическими воздействиями на металл их базовых элементов обуславливает большую вероятность возникновения в последних технологических и эксплуатационных трещиноподобных повреждений. Высокая стоимость, масштабность и уникальность большинства представителей объектов трубопроводного транспорта, а также несомненные достижения в области механики разрушения предопределяют использование новых подходов к их проектированию и эксплуатации, базирующихся на допущении в их конструктивных элементах безопасных трещиноподобных повреждений. Все это позволяет в ряде случаев в несколько раз повышать прогнозируемый ресурс, а также обеспечивать маневренность регулирования режимами и параметрами безопасной эксплуатации базовых элементов OTT.

С другой стороны, применение высокопрочных сталей для производства OTT вызывает необходимость разработок способов и средств технологического снижения остаточной напряженности, обусловленных локализованными механическими и термическими воздействиями на металл их базовых элементов. В этом плане одним из наиболее доступных и легко реализуемых технологических приемов является применение для выполнения кольцевых стыков высокопрочных труб электродов, обеспечивающих достаточную сопротивляемость металла шва к образованию технологических повреждений (трещин), а также способность к деконцентрации послесварочных концентраторов напряжений в процессе испытаний объектов трубопроводного транспорта. Несмотря на широкую апробацию отмеченного технологического приема в практике производства различного оборудования и трубопроводов остается ряд нерешенных проблем, связанных, в основном, с оценкой их ресурса безопасной эксплуатации и обеспечением надлежащего качества проектирования, изготовления и эксплуатации. При этом важнейшими характеристиками, предопределяющими ресурс объектов трубопроводного транспорта, являются деформативность, чувствительность к концентрации напряжений и ассиметрии цикла, пределы кратковременной, малоцикловой и усталостной прочности, механическая неоднородность сварных соединений базовых элементов из сталей различного структурно-прочностного состояния.

Другим направлением повышения пропускной способности OTT является применение для их производства базовых элементов с повышенной толщиной стенок. Необходимо отметить, что применение высокопрочных базовых элементов связано со снижением характеристик трещиностойкости и реализацией высоких сварочных напряжений. В результате этого возможно снижение характеристик безопасности OTT на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, изготовление и эксплуатация) из-за механической активации коррозии, цикличности силовых нагрузок, воздействия отрицательных температур и др. Это позволяет констатировать, что использование базовых элементов с повышенной толщиной стенок (с целью повышения пропускной способности OTT) может оказаться одним из рациональных решений, хотя и в этом случае возникает ряд проблем, связанных с оценкой ресурса их безопасной эксплуатации.

Как известно, современные расчетные методы оценки ресурса OTT основываются на теории сопротивления материалов и некоторых механических характеристиках металлов (предел текучести стт, временное сопротивление сгв). При этом коррозионная активность среды учитывается на данных испытаний ненапряженных образцов в соответствующих рабочих средах. Другими словами, в расчетах на прочность OTT не учитывается известный феномен активизации скорости коррозии металла от действия приложенных механических напряжений (механохимический эффект) [1, 2, 35,48−52, 55−57, 60, 66, 67, 70−72, 75, 76, 79, 80, 82, 83, 86, 113].

Поэтому необходимы научные разработки методов расчетов на прочность и ресурс базовых элементов OTT с повышенной пропускной способностью элементов и в особенности, работающих в условиях коррозионно-механического воздействия рабочих сред.

Эффективность OTT во многом предопределяется пропускной способностью магистральных трубопроводов и вертикальных стальных резервуаров (РВС). Это, в свою очередь, вызывает необходимость повышения их эксплуатационной надежности и безопасности. В настоящее время на состояние безопасности OTT оказывают негативные факторы, связанные со сложными экономическими условиями, падением объемов добычи нефтиотсутствием достаточных инвестиций для реконструкции, ремонта и развития систем транспорта и хранения нефти и газаувеличением доли промышленных объектов с большими единичными мощностями и более жесткими режимами эксплуатацииужесточением требований экологической безопасности и надежности к потенциально опасным промышленным объектамростом доли объектов трубопроводного транспорта, выработавших назначенный срок эксплуатации.

В этих условиях предотвращение аварийных ситуаций и экологическая защита возможны лишь при своевременном проведении технического диагностирования OTT с выдачей научно обоснованных рекомендаций по срокам безопасной эксплуатации.

Непрерывный рост числа OTT при одновременном увеличении периодов эксплуатации неизбежно приводят к увеличению объемов и стоимости работ по техническому диагностированию. Это определяет актуальность внедрения современных методов неразрушающего контроля, обеспечивающих ускорение диагностирования, и на этой основе создание научно обоснованных методов оценки технического состояния и характеристик безопасности.

Приоритетными и особо значимыми являются методы контроля и ремонта, не требующие вывода OTT из эксплуатации, что обеспечивает значительное снижение материальных затрат.

Немаловажную научно-практическую ценность приобретают разработки методов расчетной оценки долговечности и остаточного ресурса, базовых элементов OTT, базирующихся на адекватных математических и физических моделях, а также фактических данных по диагностической и априорной информации.

Особую значимость имеют разработки технологического (при монтаже и ремонте) обеспечения безопасности эксплуатации OTT.

Таким образом, в настоящее время назрела необходимость комплексной оценки безопасности OTT, позволяющей оперативно, без вывода из эксплуатации проводить диагностику и ремонт, адекватную оценку степени перенапряженности и характеристик безопасности (прочность, долговечность и ресурс) их базовых элементов.

В целом, решение вопроса повышение пропускной способности OTT должно базироваться на комплексном подходе усовершенствования и развития новых методов повышения их качества OTT на всех стадиях их жизненного цикла (проектирование, изготовление и эксплуатации). В указанных направлениях и построена настоящая работа.

Цель работы — обеспечение безопасности эксплуатации OTT с повышенной пропускной способностью на основе разработки и внедрения усовершенствованных методов расчета на прочность, технологии сварки, прогнозирования остаточного ресурса и диагностики.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи: анализ современного состояния и определение перспективных направлений обеспечения повышенной пропускной способности OTTразработка математических моделей физико-механических процессов повреждаемости базовых элементов OTTсовершенствование методов расчета на прочность и оценки ресурса базовых элементов OTT с повышенной пропускной способностью, работающих под давлением коррозионных рабочих средсоздание теоретических основ технологического обеспечения безопасности OTT с повышенной пропускной способностьюразработка и практическая реализация тепловизионного контроля OTT.

Методы решения поставленных задач.

Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов теории коррозии и механохимии металлов, пластичности, механики разрушения, физики твердого тела, теории надежности работоспособности и безопасности трубопроводных систем.

Научная новизна результатов работы: базируясь на эволюционно-дискретных процессах разрушения твердого деформируемого тела, обусловленных кинетикой и переходом различных структурных оболочек металла из одного термодинамического состояния в другое, в работе предложено модифицированное уравнение механической активации коррозии на всех этапах устойчивого упругого и пластического деформирования металладанное уравнение явилось научной базой для создания усовершенствованных методов расчета на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом коррозиина основе известных подходов теории пластичности неоднородных тел выполнен уточненный анализ напряженного и предельного состояний наклонных мягких и твердых прослоек в составе базовых элементов OTT, на основании которого произведена оценка допускаемых (оптимальных) параметров механической неоднородности, обеспечивающих необходимую работоспособность и безопасность при статическом и циклическом нагружениях базовых элементов OTT, а также позволяющих расчетным путем устанавливать их остаточную напряженность и дефектность после проведения гидравлических испытанийнатурными исследованиями стальных труб доказана возможность задержки роста трещиноподобных повреждений после проведения испытаний повышенным давлениембазируясь на многочисленных экспериментальных данных, в работе предложен и апробирован метод расчета полных диаграмм циклической повреждаемости базовых элементов OTT различной прочности в зависимости от остаточных напряжений, коэффициентов концентрации напряжений (ККН) и характеристик цикличности нагружения и механической неоднородности сварных кольцевых швов и др.- установлены и описаны основные закономерности взаимосвязей между характеристиками трещиностойкости, пластичности сталей различной прочности и температурой испытанийразработан метод оценки степени напряженности базовых элементов OTT с помощью тепловизора, включающий панорамную и детальную съемку базовых элементов в эксплуатационных условиях, обработку термоизображений, расчет экспериментальных значений ККНадаптирован к условиям применения в резервуарных парках метод оптико-эмиссионной спектрометрии для определения химического состава, марки стали металла стенки резервуаров и трубопроводов без вывода их из эксплуатацииустановлены аналитические зависимости между твердостью и химическим составом сталей.

На защиту выносятся: комплекс результатов исследований, определяющих научную и практическую ценностиматематические модели повреждаемости металла в различных условиях эксплуатацииметоды расчета на прочность и долговечность и технологического обеспечения безопасности OTTметоды тепловизионного контроля диагностических параметров при и испытаниях и эксплуатации OTTметоды оценки балльной экспертизы и степени напряженности базовых элементов OTT с применением тепловизорааналитическая взаимосвязь твердости и химического состава сталей.

Практическая ценность результатов работы: результаты выполненных исследований позволяют научно обоснованно устанавливать параметры гидравлических испытаний и технологические свойства мягких кольцевых сварных швов, при которых обеспечиваются пониженные остаточная напряженность и дефектность базовых элементов при сохранении необходимого уровня безопасности эксплуатации OTTразработанные методы определения ресурса базовых элементов OTT позволяют расчетным путем определять долговечность и устанавливать безопасные сроки эксплуатации OTT с повышенной пропускной способностью.

Некоторые полученные научные результаты апробированы на предприятиях нефтегазового комплекса России и нашли применение в практике диагностирования и экспертизы промышленной безопасности OTT, в частности:

• «Методика экспертизы параметров дефектов вертикальных стальных резервуаров РВС» была внедрена на ОАО «Башкирнефтепродукт»;

• «Методика оценки напряженно-деформированного состояния стальных резервуаров и трубопроводов с помощью тепловизора» была внедрена на ОАО «Башкирнефтепродукт», ОАО «Северные магистральные нефтепроводы», ОАО «Уралтранснефтепродукт»;

• Научно-практические исследования по проведению анализа химического состава и оценке механических свойств резервуарных и трубных сталей в эксплуатационных условиях были внедрены на ОАО «Башкирнефтепродукт», ОАО «Уралтранснефтепродукт».

Разработана нормативно-методическая база по оценке ресурса безопасности объектов трубопроводного транспорта.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах, Конгрессах нефтегазопромышленников России и конференциях, проведенных в УГНТУ, ГУП «ИПТЭР» и др. в период с 1996 по 2011 гг.

Работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании секции Ученого совета «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» ГУП «ИПТЭР» (протокол № 3 от 9 декабря 2011 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ Основные выводы и рекомендации.

1. Пропускная способность OTT рассматривается как комплексная характеристика, обеспечиваемая внедрением оптимальных научно-технических решений и мероприятий на всех стадиях их жизненного цикла (проектировании, строительства, монтажа, эксплуатации), в частности усовершенствованием и созданием: новых методов расчетов на прочность и долговечность, технологических приемов и методов снижения степени напряженности и дефектности, а также диагностического контроля и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации.

2. На основании термодинамических представлений о разрушении предложены и научно обоснованы математические модели статической, циклической и коррозионно-механической повреждаемости базовых элементов OTT, на основании которых разработаны методы расчетного определения ресурса их безопасной эксплуатации.

3. Базируясь на основных положениях и подходах механохимии металлов, теории упругости и пластичности, разработаны усовершенствованные методы расчетов на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом механической активации коррозии.

4. Выполненный анализ напряженного и предельного состояний базовых элементов OTT с механической и геометрической неоднородностью позволил разработать комплекс научно обоснованных методических рекомендаций по оценке и повышению ресурса безопасной эксплуатации при различных условиях эксплуатации.

5. Разработаны и внедрены в производство методы тепловизионного контроля и оценки степени напряженности металла базовых элементов OTT, что позволило на ряде предприятий повысить эффективность OTT.