Технологические процессы испытания магистральных газопроводов при их сооружении и капитальном ремонте

53

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Технологические процессы испытания магистральных газопроводов при их сооружении и капитальном ремонте

Специальность 25.00.19 - "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

Митрохин М.Ю.

Москва - 2008

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий» -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс в области современных технологий строительного производства, а также объективная необходимость, обусловленная целым рядом техногенных причин, определяют актуальность решения комплекса научно-методологических и инженерно-технических задач, ориентированных на обеспечение эксплуатационной надежности магистральных газопроводов (МГ) с целью поставки запланированных объемов газа отечественным и зарубежным потребителям. Обеспечение надежного и безопасного функционирования системы МГ обуславливает разработку принципиально новых технологических решений и комплекса мероприятий по сооружению и капитальному ремонту, в том числе и при испытании МГ на прочность и герметичность.

Основными источниками дефектов в МГ большого диаметра являются общая коррозия и коррозионное растрескивание металла труб под напряжением. Одним из эффективных методов выявления и ликвидации коррозионных дефектов является гидравлическое испытание МГ с одновременным его комплексным обследованием, что позволяет выявлять и ликвидировать все критические дефекты. Реализация этих работ обеспечивает безаварийную эксплуатацию МГ в течение расчетного периода времени. При реализации проектов испытания МГ возникает множество случайных факторов, которые влияют на результат строительно-монтажных работ в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях.

Выполненный анализ существующих методов производства работ по испытанию МГ показал, что технологические параметры испытаний меняются в широких пределах. В связи с этим возникла необходимость оценки правомерности ряда требований как отечественных, так и зарубежных норм, в частности, к скорости подъема испытательного давления, влиянию температуры окружающей среды на изменение давления внутри газопровода, к определению взаимосвязи величины испытательного давления и наличия негерметичности трубы и др. Также необходимо исследовать нестационарные термогидравлические процессы, возникающие непосредственно при испытании на прочность и герметичность, с учетом факторов, влияющих на технологические параметры производственных процессов сооружения и капитального ремонта.

В этой связи разработка методов и средств реализации технологических процессов испытания МГ на прочность и герметичность при сооружении и капитальном ремонте, обеспечивающих повышение эффективности производства строительно-монтажных работ на линейной части, является актуальной темой диссертационного исследования.

Исследования проводились в соответствии со следующими приоритетными направлениями развития науки и техники: комплексная межгосударственная научно-техническая программа "Высоконадежный трубопроводный транспорт" по внедрению новых методов и средств ремонта дефектных участков магистральных газопроводов по результатам диагностического обследования, утвержденная Председателем координационного совета, академиком РАН Б.Е. Патоном (приказ № 7 от 09.10.1998г.); перечень приоритетных научно-технических проблем ОАО "Газпром" при сооружении и капитальном ремонте магистральных газопроводов "Комплексные мероприятия по повышению надежности объектов магистральных газопроводов ООО "Тюментрансгаз" на 2006-2010 гг.", утвержденный заместителем Председателя правления ОАО "Газпром" А.Г. Ананенковым (приказ № 14 от 16.08.2006г.); научно-техническая программа реализации мероприятий по восстановлению работоспособности и повышению надежности участков магистральных газопроводов путем испытания на прочность "Комплексные мероприятия по повышению устойчивости к системным авариям на газопроводах ООО "Лентрансгаз"", утвержденная заместителем генерального директора ООО "Лентрансгаз" В.Н. Сивоконем (приказ № 27 от 29.06.2004).

Цель диссертационной работы - разработка и теоретическое обоснование эффективных методов и технологических процессов испытания магистральных газопроводов при их сооружении и капитальном ремонте в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях.

Основные задачи исследования:

- обоснование технологических методов испытания магистральных газопроводов, обеспечивающих наибольшую эффективность производства строительно-монтажных работ при сооружении и капитальном ремонте в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях;

- разработка организационно-технологических структур процесса испытания магистрального газопровода на прочность и герметичность с учетом методов реализации строительно-монтажных работ в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях;

- разработка методов и алгоритмов прогнозирования продолжительности гидравлических испытаний магистральных газопроводов в условиях использования специализированных строительных бригад и механизированных комплексов;

- разработка технологических рекомендаций по испытанию магистральных газопроводов при контролируемом давлении и температуре испытательной среды с учетом возможного наличия сквозных дефектов;

- разработка методов моделирования технологических процессов удаления из магистральных газопроводов испытательной среды при использовании специализированными бригадами различных типов ресурсного обеспечения;

- разработка алгоритмов анализа результатов испытаний путем оценки качества выполнения строительно-монтажных работ с применением байесовского метода;

- реализация практических рекомендаций по использованию результатов исследований при испытании магистральных газопроводов в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях сооружения и капитального ремонта с оценкой эффективности производства строительно-монтажных работ.

Научная новизна полученных результатов:

Впервые разработана методология проведения комплексных испытаний МГ на прочность и герметичность в процессе сооружения и капитального ремонта в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, включающая обоснование технологических параметров испытания с учетом разработанной классификации технологических операций. По результатам теоретических исследований обоснованы организационно-технологические структуры процесса испытания МГ при сооружении и капитальном ремонте, которые позволили разработать алгоритмы технологического проектирования эффективного производства строительно-монтажных работ с использованием специализированных строительных бригад и механизированных комплексов в условиях возможного появления отказов; разработаны технологические рекомендации по испытанию МГ на прочность и герметичность при контролируемом давлении и температуре испытательной среды с учетом возможного наличия в стенках труб сквозных дефектов.

Разработаны методы моделирования технологических процессов удаления из МГ испытательной среды, которые позволили создать алгоритмы прогнозирования показателей производства работ при использовании специализированными бригадами различных типов ресурсного обеспечения. Обоснована методика количественной оценки качества производства строительно-монтажных работ при сооружении и капитальном ремонте МГ на основе представления результатов испытаний на прочность и герметичность в виде вероятностно-статистических данных с применением байесовских методов; сформулированы принципы принятия решений по испытанию МГ на прочность и герметичность в условиях сооружения и капитального ремонта, предусматривающие разработку проектов производства работ с эффективным распределением ресурсов газотранспортных предприятий, что обеспечивает выполнение строительно-монтажных работ в установленные сроки.

Защищаемые положения.

1. Обоснование структуры комплексного подхода к решению технологических задач испытания МГ на прочность и герметичность при сооружении и капитальном ремонте в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, которая включает в себя методы обоснования параметров испытания с учетом принципов реализации строительно-монтажных операций.

2. Аналитические подходы к анализу эффективного производства строительно-монтажных работ специализированными бригадами с использованием механизированных комплексов в условиях возможного появления отказов на основе предложенных организационно-технологических структур процесса испытания МГ при сооружении и капитальном ремонте.

3. Разработка технологических рекомендаций по испытанию МГ на прочность и герметичность при контролируемом давлении и температуре испытательной среды с учетом возможного наличия сквозных дефектов в стенках труб.

4. Методы реализации технологических процессов испытания и алгоритмы прогнозирования параметров удаления из МГ испытательной среды с учетом ресурсного обеспечения специализированных бригад.

5. Методика оценки качества производства строительно-монтажных работ при испытании МГ на основе вероятностно-статистического анализа результатов с применением байесовских методов.

6. Обоснование принципов реализации информационных технологий для принятия решений по испытанию МГ на прочность и герметичность в процессе сооружения и капитального ремонта, предусматривающие разработку проектов производства работ, учитывающие эффективное распределение ресурсов газотранспортных предприятий и обеспечивающие выполнение строительно-монтажных работ в установленные сроки.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке методических и нормативно-технических документов отраслевого и межотраслевого значения, регламентирующих технологические процессы испытания МГ при сооружении и капитальном ремонте в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях. Разработанные информационные технологии принятия обоснованных технологических решений испытания МГ обеспечивают повышение эффективности производства строительно-монтажных работ на линейной части МГ и сохраняют эксплуатационную надежность газотранспортных систем в целом.

Методы подготовки технологических решений для испытания МГ при сооружении и капитальном ремонте в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, организационно-технологические принципы производства строительно-монтажных работ, алгоритмы и методики расчета, обеспечивающие эффективное выполнение работ, использованы газотранспортными предприятиями ОАО "Газпром" (ООО "Газпром трансгаз Сургут", ООО "Газпром трансгаз Ухта", ООО "Газпром трансгаз Томск", ООО "Газпром трансгаз Югорск", ООО "Газпром трансгаз Чайковский", ДОАО "Гипрогазцентр", ОАО "Стройтрансгаз") при производстве работ на МГ Уренгой - Петровск, Уренгой - Новопсков, Уренгой - Ужгород, Уренгой - Центр 1, Уренгой - Центр 2, Ямбург - Елец 1, Ямбург - Тула, Надым - Пунга 5, Парабель - Кузбасс 1, Пунга - Вуктыл - Ухта и Заполярное - Уренгой 1. Практическая значимость основных результатов диссертации подтверждена соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: НТС ОАО "Газпром" "Экономика, организация и управление производством в газовой промышленности" (г. Сочи, 2000); НТС ОАО "Газпром" "Техническое обслуживание и ремонт газопроводов. Новые технические средства для ремонта - основа повышения эксплуатационной надежности магистральных газопроводов" (г. Екатеринбург, 2001); 11-ой Международной деловой встрече "Диагностика-2001" (Тунис, 2001); НТС ОАО "Газпром" "Техническое обслуживание и ремонт газопроводов. Разработка и внедрение технологий, оборудования и материалов по ремонту изоляционных покрытий и дефектных участков труб, включая дефекты КРН, на магистральных газопроводах ОАО "Газпром" (г. Ухта, 2003); международной выставке "Реконструкция, ремонт и строительство трубопроводных систем. Поиск экономически и технологически обоснованных путей повышения реконструкции, ремонта, строительства, технической диагностики, утилизации и консервации объектов трубопроводного транспорта, а также совершенствование законодательной и нормативной базы." (г. Москва, Всероссийский Выставочный Центр, 2002, 2003, 2004); 2-ой Международной конференции "Обслуживание и ремонт газонефтепроводов" (ОАЭ, г. Дубай, 2005); 3-ей Международной конференции "Обслуживание и ремонт газонефтепроводов" (г. Сочи, 2006).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 77 научных работах и нормативно-технических документах (монографий - 2, брошюр - 4, статей - 49, докладов - 6, авторских свидетельств и патентов - 8, нормативно-технических документов - 8), из них 10 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Она изложена на 322 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков и 40 таблиц. Библиографический список включает 204 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертационной работы отражает актуальность выбранной темы исследования, содержит формулировку научно-технической гипотезы, разработка которой определяет достижение поставленной цели, а также объект и предмет диссертационного исследования. Сформулирована научная новизна и практическая значимость основных составляющих исследования, акцентировано внимание на внедрении и апробации полученных результатов. Определена структура диссертации и положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ современных методов испытания на прочность и герметичность (ИПГ) МГ при сооружении и капитальном ремонте с учетом комплексного обследования участков, что позволило структурировать технологические процессы и параметры испытания. Принятая концепция классификации технологических процессов испытания МГ на прочность и герметичность предполагает использование специализированных строительных бригад и механизированных комплексов в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, что обеспечивает выполнение строительно-монтажных работ высокого качества в кратчайшие сроки для вводимых в эксплуатацию участков МГ.

Решению проблем строительства, эксплуатации и капитального ремонта МГ посвящены научные работы многих известных ученых, таких как: Антипьев В.Н., Березин В.Л., Бородавкин П.П., Васильев Г.Г., Галлиулин З.Т., Гумеров А.Г., Короленок A.M., Мустафин Ф.М., Одишария Г.Э., Ращепкин К.Е., Телегин Л.Г., Халлыев Н.Х., Харионовский В.В., Ясин Э.М. и др., труды которых являются основополагающими в решении вопросов, связанных со строительством, эксплуатацией и капитальным ремонтом МГ. Вместе с тем, проблемы сооружения, эксплуатации и капитального ремонта газотранспортной системы ОАО "Газпром" на современном этапе ее развития требуют разработки новых технологических подходов и механизации производства строительно-монтажных работ для обеспечения надежного функционирования объектов транспорта газа.

Зарубежный опыт испытаний МГ свидетельствует о возможности их безопасного нагружения давлением, создающим напряжения в стенках труб 1,1 от нормативного предела текучести стали и выше. Испытание выполняют короткими участками и осуществляют контроль за деформированием труб путем замера объема закачиваемой в трубопровод воды и давления. Фактический переход труб в пластическое состояние определяют по отклонению от линейного закона функции зависимости объема воды в трубопроводе от давления. Стратегии капитального ремонта и восстановления эксплуатационных параметров МГ придается в настоящее время огромное значение. Это связано с тем, что в условиях реализации рыночных отношений возникает острая необходимость в развитии теории и практики обеспечения надежности МГ, которая характеризуется следующей спецификой: линейная часть МГ в очень малой степени приспособлена для контроля ее состояния и для предупреждения аварий и повреждений. Наиболее опасными видами отказов линейной части являются разрушения металла труб в виде разрывов и трещин, при этом на поверхность выходит большое количество транспортируемого продукта, что представляет большую угрозу для населенных пунктов, лесных угодий, водных источников, находящихся вблизи трассы. Требование достижения высокой надежности нередко попадает в противоречие с другими необходимыми характеристиками, такими например, как сокращение металлоемкости сооружения, низкой стоимости и т.п.

Известные технологии производства ИПГ регламентируют проведение гидравлических испытаний повышенным давлением (методом стресс-теста). Предполагается, что в результате проведения испытаний: выявляются критические дефекты; утечки; отклонение формы сечения труб (недопустимая овальность); снижение локальных напряжений, возникающих в процессе производства труб и строительства трубопровода; стабилизация докритических дефектов. Эти технологические решения рассматриваются на участках трассы, где местность имеет спокойный рельеф и отсутствуют сложности производства строительно-монтажных работ при отрицательных температурах окружающей среды.

В работе выполнен анализ требований к очистке полости и испытанию на прочность и герметичность, что позволило обосновать необходимость проведения работ по различным технологическим структурам, которые представляют собой совокупность строительно-монтажных работ, выполняемых в строго определенной последовательности. Структуры содержат основные (промывка, продувка воздухом или природным газом, испытание и удаление воды) и вспомогательные (подготовительные, промежуточные, аварийные и заключительные) работы при реализации ИПГ. Предложено использование специализированных строительных бригад, осуществляющих подготовку участка МГ для ИПГ, заключающееся в работе по монтажу узлов подключения и арматуры для присоединения механизированных комплексов и технологического оборудования.

Во второй главе приводятся методы и результаты исследований продолжительности выполнения процессов производства строительно-монтажных работ при испытании МГ на прочность и герметичность с использованием разработанных организационно-технологических структур. Организационно-технологические структуры процесса испытания МГ на прочность и герметичность обусловили необходимость разработки алгоритмов расчета продолжительности реализации определенного набора строительно-монтажных операций с учетом методов производства работ в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях. Разработаны методы прогнозирования продолжительности гидравлических испытаний МГ специализированными бригадами с использованием механизированных комплексов в условиях возможного появления отказов в процессе производства работ.

Для реализации организационно-технологических структур ИПГ МГ разработаны методы синхронизации строительных потоков и потоков ИПГ, которые учитывают предшествующие испытанию строительно-монтажные работы на линейной части МГ. Основным принципом эффективной организация поточного производства работ по ИПГ предусматривается окончание выполнения всех предшествующих видов строительно-монтажных работ (изоляционно-укладочные, балластировка, приварка катодных выводов, засыпка трубопровода, монтаж линейной арматуры, а также узлов подключения к компрессорным и насосным станциям), что должно в дальнейшем быть учтено при разработке проекта организации строительства (ПОС) и проекта производства работ (ППР).

Обеспечение производства работ по ИПГ в установленные сроки зависит от технологических решений по очистке полости, испытанию и удалению воды. Рабочая схема и график производства работ по ИПГ на завершающем этапе сооружения или капитального ремонта МГ могут быть откорректированы в связи с изменением условий выполнения строительно-монтажных работ. В качестве основного критерия корректировки рабочей схемы и графика производства работ по ИПГ предлагается использовать величину продолжительности завершающих работ (T_кон), т.е. проектирование организации и производства работ по ИПГ должно быть выполнено с таким расчетом, чтобы была обеспечена минимальная продолжительность завершающих работ (min T_кон) после окончания всех предшествующих работ, выполненных основным строительным потоком (рис. 1 - рис. 2, где Т_дир - директивный срок строительства; T_ИПГ - продолжительность осуществления потока ИПГ; Т_МК - продолжительность осуществления основного строительного потока (СП); Т_нач - начальное сближение потоков; Т_кон - конечное сближение потоков СП и ИПГ; L - протяженность объекта; L_кон - протяженность последней захватки осуществления потока ИПГ; L_нач - протяженность захватки, соответствующая начальному сближению потоков).

Рис. 1. Синхронизация строительного потока (1) и потока ИПГ (2) при одновременной работе потоков

Рис. 2. Синхронизация строительного потока

(1) и потока ИПГ (2) при последовательной работе потоков

Разработан алгоритм расчета продолжительности производства работ по ИПГ с учетом сроков начала и окончания отдельных видов работ по сооружению и капитальному ремонту МГ в целом, а также степени совмещения предшествующих потоков с потоком ИПГ. При этом, проектирование производства работ по ИПГ осуществляют применительно к конкретному участку последовательно в два этапа: 1 этап - для отдельных участков выполнения ИПГ; 2 этап - для всего МГ в целом. Графики производства работ в пределах одного участка ИПГ следует разрабатывать способом поэтапного моделирования в последовательности, приведенной на блок-схеме (рис. 3). В соответствии с блок-схемой разрабатывают графики производства работ по ИПГ в границах действия одного специализированного потока ИПГ при определяющих параметрах потока ИПГ.

Рис. 3. Блок-схема разработки графиков производства работ по ИПГ

Выполнена классификация методов производства ИПГ МГ в условиях низких температур (рис. 4). Разработанные методы производства ИПГ в условиях отрицательных температур, границы испытательных участков, а также схемы проведения испытаний должны сопровождаться соответствующими теплотехническими расчетами.

Рис. 4. Классификация ИПГ МГ в условиях низких температур

Рис. 5. Комплекс мероприятий для осуществления ИПГ в сложных природно-климатических условиях

Предложены математические модели и алгоритмы, которые позволяют обосновать: необходимость проведения испытаний в условиях отрицательных температур с учетом сроков и климатических данных по конкретному участку МГ; технические и организационные мероприятия, а также дополнительные затраты на проведение работ; ресурсное обеспечение. На основании решений по всему перечню указанных вопросов разрабатывают соответствующие ПОС и ППР.

В качестве основных принципов успешной реализации строительно-монтажных работ по ИПГ МГ в работе приняты (рис. 5): максимальное сокращение времени нахождения испытательной среды в трубопроводе; утепление и подогрев открытых участков трубопровода и запорной арматуры; максимальная заводскую готовность используемых при выполнении строительных работ узлов подключения наполнительных и опрессовочных агрегатов, узлов подключения заливочных шлейфов к трубопроводу, инвентарных камер пуска поршней; улучшение условий технического обслуживания наполнительной и опрессовочной техники; ускорение производства строительно-монтажных работ при устранении отказов и ликвидации технологических разрывов после испытания трубопровода и вводе его в эксплуатацию.

Рис. 6. Технологические структуры и идентификаторы видов работ по гидравлическому испытанию МГ

Задача определения продолжительности испытания участка МГ предполагает возможность реализации отказов в процессе производства работ. Технологический процесс ИПГ участка МГ состоит из следующих один за другим процессов и видов работ, занимающих определенное время (рис. 6); величины t_1j и t_2j в общем случае являются случайными; время безотказной работы имеет экспоненциальное распределение F(t) = 1 - exp(-t/₁₁), где ₁₁ - среднее время безотказной работы при выполнении рассматриваемой технологической операции; продолжительность проведения подготовительных работ t_п11, t_п12, t_п13, t_п14, t_п21, t_п22, t_п23 и t_п24 должна рассчитываться в соответствии с действующими нормативными документами (нормами на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы) с учетом фактических объемов работ при различных технологических структурах по ИПГ МГ. Продолжительность процесса ИПГ участка МГ (промывка, испытание, удалении воды) предлагается определять по формулам

T₁ = _i=1,4 t_п1i + _j=1,3 t_1j ; T₂ = _i=1,4 t_п2i + _j=1,3 t_2j . (1)

В случае безотказного выполнения промывки и заполнения величину ₁₁ следует определять по формуле

₁₁ = ₂₁ = 0,8D²Lk₁/( k₂Q_н) , (2)

где D - диаметр, L - протяженность, k₁ = 1,15 1,20 - коэффициент, учитывающий объем предварительного заполнения участка водой для его промывки, k₂ - число наполнительных агрегатов, Q_н - производительность наполнительного агрегата.

При расчете продолжительности каждого вида работ учитывается состав машин, а также состав специализированных бригад по проведению отдельных видов работ. Число машин в комплекте выбирается исходя из условий проведения работ. В случае безотказного выполнения работ по испытанию водой и удалению воды величины ₁₂, ₁₃, ₂₂ и ₂₃ можно найти из соотношений

₁₂ = ₂₂ = 0,0013D²L/(k₂Q_о) + T_пр + T_г ;

₁₃ = Lk₃/V_у + 3,14D²L_р/(k₂Q_к) ; ₂₃ = Lk₃/ V_у , (3)

где Q_о - производительность опрессовочного агрегата, T_пр - продолжительность выдержки трубопровода под испытательным давлением на прочность, T_г - продолжительность проверки на герметичность, k₃ - количество поршней-разделителей, L_р - протяженность ресивера, V_у = 3 5 км/ч - средняя скорость удаления воды воздухом или газом, Q_к - производительность компрессора.

Предложены зависимости для определения продолжительности гидравлических испытаний участка МГ с учетом возможного появления отказов

T_s1 = _i=1,4 t_п1i + _j=1,3 (m_s1j + 1,65D_s1j^1/2) ;(4)

T_s2 = _i=1,4 t_п2i + _j=1,3 (m_s1j + 1,65D_s1j^1/2) .

где m_s1j и D_s1 - соответственно, математическое ожидание и дисперсия продолжительности соответствующей технологической операции.

Многовариантные расчеты продолжительности технологических операций с учетом возможности появления отказов при варьировании среднего времени до отказа (_1j и _2j) и среднего времени ремонта (_1j и _2j) дают следующие результаты: при выполнении технологического процесса промывки и заполнения трубопровода жидкостью (D_н = 1020 мм, ₁₁ = 33 ч) уменьшение продолжительности безотказной работы (₁₁) с величины ₁₁ = 130 ч до ₁₁ = 40 ч приводит к увеличению времени выполнения указанной технологической операции (t₁₁()) в 1,6 раза. При этом, общую продолжительность выполнения работ по испытанию можно сократить за счет уменьшения времени устранения отказа (₁₂). Так, при изменении ₁₂ с 32 ч до 10 ч время испытания на прочность и герметичность сокращается на 23,6% (рис. 7). Тем не менее, как показали расчеты (рис. 8, структура ИПГ₇), общая продолжительность выполнения работ по очистке полости, испытанию и удалению воды (T_s2) с учетом возможного появления отказов увеличивается в среднем на 8,3% для всех диаметров, что весьма существенно (так для D_н = 1420 мм эта величина составит 44 ч).

Рис. 7. Продолжительность ИПГ при изменении среднего времени устранения отказа: 1 - с учетом отказов; 2 - без учета отказов

Рис. 8. Продолжительность ИПГ₇ в зависимости от диаметра МПГ: 1 - с учетом отказов; 2 - без учета отказов

Практический опыт выполнения работ по ИПГ при сооружении и капитальном ремонте МГ позволил автору установить, что темп производства строительно-монтажных работ зависит от вынужденных и запланированных остановок. В работе моделируется процесс отказов - восстановлений и разработаны алгоритмы, позволяющие найти количественные характеристики оценки продолжительности производства работ по ИПГ. При этом, трубопровод, состоящий из цепочки последовательно соединенных звеньев - агрегатов для закачки воды (наполнительно-опрессовочных станций) и линейных частей МГ, представляет собой систему специальным образом соединенных элементов.

В качестве звеньев автором рассмотрены наиболее часто встречающиеся типы соединения элементов (1 и 3 - испытываемые участки МГ, 2 - наполнительно-опрессовочная станция) в звено: 1 2 и 1 2 3. Для решения задачи определения продолжительности ИПГ с учетом среднего времени устранения отказа приняты следующие допущения: наполнительно-опрессовочная станция выполнена без резервирования, т.е. отказ данного элемента приводит к отказу всего звена - 1 2; схема соединения элементов с резервированием линейного участка - это 1 2 3, т.е. участок 3, находящийся в резерве, мгновенно включается в работу при отказе на участке 1.

Модель процесса отказ - восстановление элементов и звеньев системы содержит случайную величину T, равную продолжительности работы элемента от момента включения до момента отказа (время жизни элемента), которая характеризуется функцией распределения F(t) = P(T < t). Вероятность безотказной работы элемента на интервале (0, t) с учетом интенсивности потока отказов (t) представлена в виде

Ф(t) = 1 - F(t) = exp[ - _0,t (t) dt ] . (5)

В работе приводится алгоритм определения вероятности состояний системы P_k(t) (k = 0, 1, 2) для любого момента времени t (_k=0,2 P_k(t) = 1). Этот подход позволяет прогнозировать реальное состояние механизированных комплексов, включающих в себя наполнительные, опрессовочные и другие машины и механизмы, используемые специализированными бригадами в процессе ИПГ МГ. Так, результаты расчетов P₊(t) от t для различных значений средней продолжительности работы группы наполнительных и опрессовочных агрегатов до возможного появления отказа (₁) показывают, что при изменении указанной величины с ₁ = 33 ч до ₁ = 165 ч вероятность безотказной работы агрегатов возрастает на 15%. Это свидетельствует о необходимости постоянного обновления парка машин и механизмов для выполнения работ по ИПГ МГ. Кроме того, доказана необходимость использования двухстороннего подключения группы наполнительных и опрессовочных агрегатов при производстве работ по ИПГ МГ. Это увеличивает вероятность выполнения работ в заданный промежуток времени на 5%.

Третья глава посвящена исследованию и разработке технологических рекомендаций по испытанию магистральных газопроводов при контролируемом давлении и температуре испытательной среды. Система реализации требований современных нормативно-технических документов и технологических рекомендаций при осуществлении процессов испытания МГ на прочность и герметичность обуславливает разработку методов и алгоритмов расчета технологических параметров испытания с учетом возможного наличия в металле труб сквозных дефектов.

Проведенный анализ показателей производства работ по ИПГ МГ позволил установить, что технологические параметры испытаний меняются в довольно широких пределах, что обуславливает значительные трудности в оценке результатов испытания МГ на прочность и герметичность. В связи с этим возникает необходимость в оценке правомерности ряда требований как отечественных, так и зарубежных норм, в частности, влияния температуры окружающей среды на изменение давления внутри МГ.

Процесс подъема давления от p₀ до испытательного p в МГ протяженностью L с учетом возможного наличия воздушных пробок после заполнения трубопровода водой моделируется системой дифференциальных уравнений с учетом показателей: V_в и V_г - соответственно объемы полости испытываемого трубопровода, занятые водой и воздухом; V_0т = 0,25D₀²L - объем испытываемого участка трубопровода с параметрами p₀ и T₀; - коэффициент температурного расширения стали; V_0г = K₀V_0т - объем полости трубопровода, занятый воздухом (K₀ < 1) при p₀ и Т₀; z₀ - коэффициент сжимаемости воздуха при p₀ и Т₀; p_кр и T_кр - критическое давление и критическая температура воздуха; Q_i - производительность i-го опрессовочного агрегата; n - количество агрегатов; - плотность воды. Путем интегрирования системы уравнений получено соотношение для определения времени подъема давления до испытательного

t = 0,25D₀²(p - p₀)[(1 - ²)D₀/(E) + K₀/(pz₀)]L/_i=1,n Q_i . (6)

На рис. 9 приведены натурные данные изменения давления при испытании двух участков МГ. Здесь же приведены результаты расчетов по формуле (6) со следующими исходными данными: 1) L = 19 км, D₀ = 1,191 м, = 0,0145 м, Q = 25 м³/ч, K₀ = 0,05, p₀ = 2,5 МПа, p = 8,5 МПа, Т₀ = 285 K; 2) L = 49 км, D₀ = 1,191 м, = 0,012 м, Q = 75 м³/ч, K₀ = 0,03, p₀ = 1,0 МПа, p = 8,5 МПа, Т₀ = 285 K. Сопоставление результатов расчетов и натурных данных показывает, что полученное соотношение с достаточной степенью точности описывает процесс подъема давления в участке трубопровода при гидравлическом испытании с учетом возможного наличия в испытываемом трубопроводе воздушных пробок. Относительное отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает 15%.

L = 19 км

L = 49 км

Рис. 9. Сопоставление натурных данных (1) с расчетными (2)

Предложена методика определения взаимосвязи испытательного давления и температуры окружающей среды, которая предполагает определенную последовательность изменения указанных параметров с учетом наличия внутри трубопровода некоторого количества воздуха после его заполнения водой для гидравлического испытания. Исходя из того, что изменение температуры вызывает расширение или сжатие трубопровода, а следовательно увеличение или снижение объема воды, в условиях незначительного изменения коэффициента сжимаемости воздуха при изменении температуры от T₁ до T₂ с учетом V_г1 = K₁V_0т, величина падения испытательного давления p при изменении температуры испытательной среды Т представлена в виде системы следующих соотношений

p = (2A₂)-¹{A₂p₁ - A₃ - [(A₂p₁ - A₃ )² + 4A₂p₁(A₃ + A₄)]^1/2} ;

A₁ = D₀(1 - ²)/(E) ; A₂ = A₁ + C_в(A₁p₁ - K₁ + 1) ; (7)

A₃ = [2_c - _в(A₁p₁ - K₁ + 1)]T - K₁ ; A₄ = (T₁ - T)K₁/T₁ .

При отсутствии внутри испытываемого трубопровода воздуха (K₁ = 0), величина падения испытательного давления определяется по формуле (8) или с учетом A₁p₁ << 1 по формуле (9)

p = [_в(A₁p₁ + 1) - 2_c]T/[C_в(A₁p₁ + 1) - A₁] ; (8)

p = AT . (9)

В работе протабулированы значения коэффициента А для соответствующих значений диаметра и толщины стенки трубопровода, которые представлены в виде A(D = 1,42 м; = 0,0157 м) = 0,207 МПа/град.

Процесс падения испытательного давления, вызванного отсутствием герметичности испытываемого участка трубопровода с учетом воздушных пробок, а также возможного наличия в стенках труб сквозных отверстий, моделируется функциональной зависимостью

t = V₀(2/)^1/2(s)^-1[(1 - ²)D(p₁^1/2 - p₂^1/2)/(E) + np₀(p₂^-3/2 - p₁^-3/2)/(3Z₀)] (10)

где V₀ = pD²L/4 - объем полости испытываемого участка трубопровода при p₀; D, - внутренний диаметр и толщина стенки трубы; E , - модуль Юнга и коэффициент Пуассона для трубной стали; p - испытательное давление; Z₀, Z - соответственно коэффициент сжимаемости воздуха при p₀ и p; n - часть испытываемого участка трубопровода (n < 1), занятая воздухом; - коэффициент расхода; - плотность воды; s - площадь сквозного отверстия.

Установлено, что нормативные документы, регламентирующие герметичность участка МГ в процессе ИПГ, должны содержать количественные диапазоны возможного изменения испытательного давления с учетом погрешности применяемых при испытании манометров, возможного влияния на результаты испытаний наличия воздуха внутри трубопровода, а также возможных изменений температуры окружающей среды.

Реализация указанных требований включена в разработанную методику, основным принципом которой является следующий: чтобы правильно назначить для конкретного участка испытания нормативный срок выдержки под испытательным давлением, необходимо потребовать, чтобы вероятность (G_t) выявления за этот период времени утечки (при условии, что утечка есть) была бы достаточно высокой, т.е. G_t(t < t_н) 1 , где t - случайная величина продолжительности периода времени, за который выявляется утечка, т.е. происходит падение давления на величину p = p₁ -p₂ (по показаниям манометра), а t_н - нормативный срок выдержки трубопровода под испытательным давлением.

В работе выполнен анализ и получены вероятностно-статистические характеристики с учетом натурных данных по сквозным отверстиям обследованных участков трубопроводов: m_s = n^-1 _i=1,n s_i, D_s = (n - 1)^-1 _i=1,n (s_i - m_s)², _s = D_s^1/2/m_s, где s_i - суммарная по участку испытания площадь сквозных отверстий, являющаяся выборочным значением случайной величины, распределенной в интервале 0 < s_i < ; m_s - математическое ожидание величины s_i; D_s - дисперсия величины s_i; _s - коэффициент вариации величины s_i; i = 1, 2, 3,..., n - количество испытанных и обследованных участков трубопроводов. Таким образом, зная закон распределения случайной величины - площади сквозных отверстий в реальном (с точки зрения выявляемости при гидравлическом испытании) диапазоне, можно найти распределение случайного времени t как функции одного случайного аргумента.

На основе совокупности приведенных выше данных разработана методика вероятностной оценки нормативных требований к продолжительности испытания конкретного участка магистрального трубопровода на герметичность. В частности, выражение для вероятности обнаружения сквозного отверстия на участке испытания G_t, представлено в следующем виде

магистральный газопровод монтажный герметичность

G_t = 1 - [I₀(b)]^-1 _0,B/(at) exp[- (s^b + s^-b)] ds . (11)

В работе изложены принципы оценки вероятности выявления сквозных отверстий на участке испытания с учетом всех практически важных физических факторов с учетом продолжительности периода испытания конкретного участка МГ на герметичность. Получены зависимости вероятности обнаружения сквозного отверстия на участке испытания от продолжительности выдержки под испытательным давлением при различных значениях величин воздушных пробок (рис. 10) при следующих исходных данных: L = 10 км; D = 0,5 м; p₁ = 8,25 МПа; p = 0,1 МПа; = 0,5; = 10 мм; E = 205000 МПа; p₀ = 2 МПа; z₀ = 0,8; = 0,6; = 1000 кг/м³; k = 0,5; a = 1 мм²; b = 2 мм². Установлено, что за нормативное время t_н = 24 ч обнаружение сквозных отверстий (по показаниям приборов) будет при отсутствии воздуха практически достоверным событием, а при наличии внутри трубопровода 10% воздуха вероятность обнаружения негерметичности составит 80%.

Кроме того, результаты расчетов показывают, что за время t_н = 24 ч обнаружение сквозных отверстий будет при отсутствии воздуха практически достоверным событием для величины s = 69 мм², а за время t_н = 12 ч выявить отсутствие герметичности не удастся, если суммарная площадь сквозных отверстий будет меньше 39 мм². На рис. 11 приведены результаты расчетов изменения внутреннего давления при изменении температуры испытательной среды при различных значениях объема воздуха, оставшегося в трубопроводе после заполнения его водой для испытания на прочность и герметичность. Видно, что увеличение объема воздуха существенно влияет на величину падения или возрастания давления при изменении температуры испытательной среды. Так, при уменьшении температуры испытательной среды на 8 ^оС падение давления составляет 20% от испытательного при отсутствии воздушных пробок и 14% при наличии воздушной пробки, составляющей 2% от объема испытываемого участка трубопровода.

Рис. 10. Вероятность обнаружения сквозного отверстия: 1 - K₀ = 0; 2 - 0,05; 3 - 0,10

Рис. 11. Величина давления при изменении температуры: 1 - K₁ = 0; 2 - 0,02; 3 - 0,10

Таким образом, установлена возможность представления в нормативно-технических документах и технологических рекомендациях контролируемой величины испытательного давления p_контр. в виде определенного функционального соотношения p_контр. = p_норм. - p, учитывающего как нормативную величину испытательного давления p_норм., так и изменение давления p, вызванное тепловым взаимодействием испытываемого трубопровода с грунтом или наличием в трубопроводе сквозных отверстий.

В четвертой главе представлены методы и результаты исследований технологических процессов испытания МГ с использованием мобильных механизированных комплексов (наполнительных и опрессовочных агрегатов, компрессорных установок). Предложены методы эффективного использования механизированных комплексов при испытании МГ в условиях отрицательных температур окружающей среды. Исследованы и разработаны технологические принципы удаления испытательной среды и осушки внутренней поверхности МГ после гидравлического испытания.

В работе выделена группа элементов линейной части МГ, испытания которых проводятся в два этапа: предварительные испытания и основные испытания. К этой группе элементов относятся: запорно-регулирующая арматура; узлы подключения к компрессорным станциям; камеры приема-пуска очистных поршней; участки МГ I-ой категории. Несмотря на то, что протяженность указанных элементов в общей длине МГ относительно невелика, процесс их испытания имеет свои существенные особенности, а именно: необходимость использования механизированных комплексов в сложных природно-климатических условиях с одновременной разработкой эффективных организационно-технологических схем производства строительно-монтажных работ.