Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

Чирков Юрий Александрович

Уфа 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Кушнаренко Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коршак Алексей Анатольевич

доктор технических наук, доцент Ревазов Алан Михайлович

доктор технических наук Худякова Лариса Петровна

Ведущая организация

ООО «Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа» (ООО «ВолгоУралНИПИгаз»)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 k_С 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; дефектность трубопровод нефтегазовый безопасность

- 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность вопросов диссертационной работы. Сформулированы цель и основные задачи исследований, связанные с определением эксплуатационных свойств металла труб и повышением безопасности эксплуатации трубопроводов, имеющих участки труб с различными дефектами. Обоснованы научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации и внедрении результатов. Дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ условий эксплуатации и причин отказов трубопроводов, осуществлена систематизация возможных дефектов металла труб, дано описание существующих методов оценки технического состояния и работоспособности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержа щие нефтегазовые среды.

Теория оценки работоспособности металла труб и разработка научных основ обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов связана с именами ведущих ученых: Абдуллина И.Г., Басиева К.Д., Березина В.Л., Ботвиной Л.Р., Бугая Д.Е., Гареева А.Г., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Зорина Е.Е., Иванцова О.М., Коршака А.А., Ревазова А.М., Чабуркина В.Ф., Черняева К.В., Kiefner J.F., O'Grady T.J., Thomas J. и др. Особенности обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводород содер жащие среды, отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Гафарова Н.А., Генделя Г.Л., Иванова С.И., Кушнаренко В.М., Макаренко В.Д., Митрофанова А.В., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др.

Анализ опыта более чем 25-летней эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ позволил установить, что основными причинами отказов являются: сероводородная коррозия (утонение стенки труб) и водородное расслоение металла труб; сероводородное растрескивание деталей и сварных соединений трубопроводов; охрупчивание уплотнительных элементов запорной арматуры.

Оценка дефектности металла трубопроводов проводится различными методами диагностики. Наиболее эффективным методом диагностики трубопроводов на сегодня является ВТД. Для проведения ВТД применяют два основных метода - ультразвуковой и магнитный, последний позволяет контролировать сварные соединения. При проведении ВТД трубопроводов ОНГКМ выявлено более 80 тысяч дефектов различного типа, из которых более половины недопустимы согласно требованиям действующих нормативных документов (НД).

Одним из условий безопасной эксплуатации трубопроводов является наличие методик и НД, регламентирующих нормы оценки дефектности металла труб. В известных методиках и НД рассматриваются дефекты геометрии, дефекты наружной и внутренней поверхностей труб, в то время как основное количество дефектов, превышающих требования НД, это неметаллические включения, расслоения в стенках труб и дефекты сварных швов. В НД дефекты, как правило, делятся на допустимые и недопустимые. В то же время для основной массы дефектов необходима экспертная оценка их потенциальной опасности с целью определения ресурса безопасной эксплуатации дефектных участков трубопроводов. Итоговую оценку нагруженности трубопровода с дефектными участками или степени потенциальной опасности дефекта могут дать расчетно-экспериментальные исследования.

Выявленные дефекты формы труб - вмятины и гофры не уменьшают толщину стенки трубопровода и величину статического разрушающего давления, но создают в металле высокую концентрацию напряжений. Под действием переменных нагрузок в области вмятин и гофр накапливаются повреждения, уменьшается пластичность металла, и могут возникать трещины. Существует немало перспективных приборов определения свойств и дефектности металла труб, основанных на акустических методах неразрушающего контроля. Поэтому представляется актуальной разработка методики неразрушающего контроля металла труб с дефектами формы.

В настоящее время идентификация технического состояния линейной части трубопровода сводится к анализу данных ВТД, наружного контроля и оценки потенциальной опасности дефектных участков. ВТД не фиксирует дефекты запорной арматуры, а неразрушающий контроль при наружном диагностировании запорной арматуры позволяет определить дефектность только корпусных деталей и не выявляет дефекты других элементов: седел, затвора, сальников, штока и трубок. Например, после 25-летней эксплуатации на ОНГКМ вследствие негерметичности затвора выходит из строя до 72% общего количества запорной арматуры, что свидетельствует об актуальности оценки дефектности и потенциальной опасности ЗА.

Трубопроводы ОНГКМ эксплуатируются в сложных условиях, характеризуемых широким диапазоном режимов работы, температуры, давления, скорости движения и агрессивности сред, наличия и свойств ингибиторов. При оценке остаточного ресурса работы ТП необходимо четко представлять воздействие основных факторов и количественно определить изменение в этих условиях коррозионно-механических свойств металла ТП.

При реконструкции и замене дефектных участков трубопроводов ОНГКМ актуально проведение входного контроля для определения соответствия материалов и изделий требованиям НД. Отбраковка при входном контроле некачественных изделий позволит повысить безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

Ингибиторная защита - широко распространенный метод противокоррозионной защиты трубопроводов на сероводородсодержащих месторождениях. Применяемые на ОНГКМ ингибиторы коррозии обладают недостаточным защитным эффектом в наиболее коррозионно-опасных участках трубопроводов, где скапливается влага. Замена этих ингибиторов коррозии на более эффективные позволит свести к минимуму процессы сероводородной коррозии, наводороживания, водородного и сероводородного растрескивания металла труб и, следовательно, повысить безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

Для повышения безопасности эксплуатации дефектных участков трубопроводов осуществляются реконструкционные работы. Существующие методы ремонта труб имеют ряд недостатков: остановка перекачки продукта (в большинстве случаев), сложность технологии ремонта и его высокая трудоемкость, отсутствие специальной оснастки и материалов, отрицательное воз действие сварки на напряженно-деформированное состояние (НДС) и структуру металла ремонтируемого участка трубопровода, отрицательное влияние приваренных к стенке конструкции элементов, как концентраторов напряжений. Экономически целесообразен ремонт трубопроводов без остановки перекачки продуктов, что возможно с использованием специальных муфт. Разработка эффективной технологии установки муфт на дефектные участки с созданием разгружающих напряжений на дефектном участке трубопровода для увеличения безопасности эксплуатации является актуальной.

На основе проведенного анализа определены цель и основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика идентификации дефектов металла трубопроводов по данным диагностического контроля. Основными дефектами (более 50% по результатам ультразвуковой ВТД) являются металлургические дефекты: неметаллические включения, металлургические расслоения (закаты, плены, плоско раскатанные расслоения, ликвационные зоны и т.д.) и металлургические утонения стенки трубы (уменьшение толщины стенки, раковины).

Неметаллические включения представляют собой нарушение сплошности металла внутри стенки трубы. Сульфидные включения имеют вытянутый ступенчатый вид. Оксиды встречаются в большинстве случаев в виде мелких, почти сферических частиц. Сульфиды легкоплавкие и при кристаллизации металла группируются, как правило, по срединной линии сечения листового проката (рисунок 1). Эти включения часто имеют большую протяженность (более 200 мм), а иногда распространяются на всю длину трубы.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1 - Неметаллические включения в металле трубы Ш 720х22 мм, TU-28 FR 73

В металле трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, плоские расслоения, грубая полосчатость и неметаллические включения при определенных условиях (застойная зона, наличие жидкости, отсутствие или неэффективность ингибирования) сорбируют водород на некогерентных границах с матрицей с образованием опасных водородных расслоений. Установлено, что при длительной эксплуатации трубопроводов в области металлургических дефектов металла труб происходит образование эксплуатационных водородных расслоений, причем этот процесс протекает интенсивнее на участках трубопроводов с застойными зонами или в металле трубопроводов, находящихся в консервации. Периодическая ВТД позволяет контролировать параметры эксплуатационных расслоений и проводить ремонт на участках трубопровода, которые приобрели признаки развитых водородных расслоений.

Результаты металлографических исследований макро- и микрошлифов, вырезанных из различных участков труб, позволили установить, что основные водородные расслоения возникают в области ликвационных зон и состоят из нескольких соединившихся между собой макрорасслоений, являющихся результатом объединения межкристаллитных микрорасслоений.

При этом: зарождение водородного растрескивания (расслоения) происходит по цепочкам оксидов, силикатов, оксисульфидам, сульфосиликатам (рисунок 2); присутствие крупных скоплений неметаллических включений определяет наличие в металле труб структурных аномалий - локально деформированных зон (рисунок 3а), инициирующих зарождение и развитие водородного растрескивания; развитие водородного растрескивания происходит по структурным аномалиям и имеет преимущественно межкристаллитный характер (рисунок 3б).

На основании анализа многочисленных данных ВТД, наружного контроля и результатов металлографических исследований дефектного металла труб разработана методика идентификации дефектов металла трубопроводов, позволяющая установить отличительные признаки дефектов.

Рисунок 2 - Панорама водородного растрескивания металла трубы Ш 720 х 22 мм, TU-28 FR 73. х100

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 3 - Макроструктура (а) и микроструктура (б) металла трубы Ш 720 х 22 мм, TU-28 FR 73, в зоне водородного растрескивания

Эксплуатационные водородные расслоения (рисунок 4) имеют: по контуру основного дефекта ступенчатые расслоения, приближающиеся к внутренней или наружной поверхностям трубы; следы общей или локальной коррозии в виде общего или локального утонения стенки трубы; в случае протяженных водородных расслоений более 100 мм возникают разрушения стенки трубы над центральной частью расслоения.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 4 - Водородное расслоение:

а - ступенчатые расслоения, приближающиеся к внутренней поверхности трубы; б - изображение по результатам ВТД в области водородных расслоений

Для неметаллических включений при просмотре В-скана ультразвуковой ВТД в продольном сечении характерным является прерывистая потеря донного сигнала. Металлургическими расслоениями считается дефект, в области которого не наблюдается донный сигнал более чем на 100 мм, и отсутствуют следы коррозии со стороны внутренней поверхности трубы.

Закаты имеют наибольшую длину, как правило, вдоль трубы. Они могут выглядеть как параллельные поверхности трубы дефекты по кромке листа, в этом случае они похожи на расслоения. В области наклонных расслоений в металле стенки трубы возможны плотные включения, расположенные в одной плос кости, но к краю обязательно наблюдается выход к поверхности (рисунок 5).

Рисунок 5 - Металлургический закат:

а - фрагмент дефекта; б - В-скан ВТД выхода дефекта к поверхности

При анализе данных ВТД установлено, что в течение пяти лет (между двумя диагностированиями) в металле трубопроводов ОНГКМ произошло увеличение эксплуатационных дефектов (рисунок 6, пример сканов, которые демонстрируют изменение параметров расслоений). Эти изменения подтверждаются и результатами металлографических исследований металла дефектных участков трубопроводов.

Рисунок 6 - Образование водородных расслоений в области неметаллических включений в металле трубы Ш 720х20 мм, TU/28-BRD-75: а) результаты ВТД 1995 года; б) результаты ВТД 2000 года

Для определения характера изменения количества эксплуатационных расслоений за пятилетний период между обследованиями проведена математическая обработка данных ВТД. Построен график прироста количества эксплуатационных расслоений за эти периоды и подобрана соответствующая графику аппроксимирующая экспоненциальная функция (рисунок 7).

Рисунок 7 - Зависимость прироста количества водородных расслоений от продолжительности эксплуатации трубопроводов ОНГКМ: * - данные ВТД

Прирост количества эксплуатационных дефектов, образующихся при наводороживании металла на участках трубопровода с металлургическими дефектами сплошности металла труб, происходит по экспоненциальному закону Q1 =3,32e^0,02t (рисунок 7, кривая 1). Проведение внутритрубной дефектоскопии с периодичностью в 5 лет позволяет выявить трубы с водородными расслоениями и обосновать проведение ремонта участков трубопроводов, имеющих водородные расслоения длиной более 200 мм, остальные оставить в подконтрольной эксплуатации. Тогда фактическое изменение количества эксплуатационных расслоений аппроксимируется экспоненциальной зависимостью Q2=2,08е^{0,02 t} (рисунок 7, кривая 2).

На основе анализа результатов металлографических исследований и механических испытаний установлено, что после 25-летней эксплуатации структура основного металла труб и сварных соединений соединительных трубопроводов практически не изменилась по сравнению с исходной структурой, прочностные и пластические характеристики металла труб, включая ударную вязкость, не ниже минимальных нормативных требований ТУ. Твердость металла труб, бывших в эксплуатации, не превышает 20 HRC, однако происходит уменьшение на 26-33% ударной вязкости KCU_-40 металла трубопроводов ОНГКМ при эксплуатации в сероводородсодержащих средах (рисунок 8) по сравнению с исходной ударной вязкостью, указанной в сертификатах. Ударная вязкость металла труб по TU/28-BRD-75 и TU-28 FR 73 практически приблизилась к минимальным значениям требований ТУ, что свидетельствует о снижении остаточного ресурса этих труб (рисунок 8).

Разработанная методика идентификации дефектов трубопроводов позволяет установить характерные признаки дефектов, отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, а также, с учетом структурно - физического состояния металла, повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и значительно сократить количество ремонтируемых дефектных участков труб без снижения уровня безопасной эксплуатации трубопроводов.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 8 - Изменение ударной вязкости KCU-40 металла труб ОНГКМ при эксплуатации

В третьей главе приведена методика оценки потенциальной опасности трубопроводов с дефектами формы и определения их остаточного ресурса безопасной эксплуатации.

Участки с дефектами формы труб, создающими высокую концентрацию напряжений (вмятины, гофры, несплошности основного материала и сварного соединения), являются потенциально опасными и под действием циклически изменяющегося давления могут привести к потере работоспособности трубопроводов вследствие возникновения трещин.

Общепринято считать, что трубопроводы испытывают 300 циклов нагружений в год. Для уточнения этого создана база данных режимов нагружения внутренним давлением пяти наиболее нагруженных трубопроводов ОНГКМ (период оценки - три года). С помощью разработанной программы автоматизированного подсчета эквивалентных циклов нагружения по годам и статистической обработки результатов уточнены значения фактического числа нагружений трубопроводов ОНГКМ (36, 49, 57 и 73 циклов в год при доверительной вероятности 0,90, 0,95, 0,98 и 0,99 соответственно). Учет реального количества циклов нагружений при определении остаточного ресурса позволяет существенно сократить количество вырезаемых участков труб с дефектами формы.

С целью определения несущей способности дефектных участков труб с дефектами основного металла и сварных соединений при циклических и статических нагрузках разработана методика испытаний и создан стенд (рисунок 9). В процессе стендовых испытаний дефектных труб, вырезанных из трубопроводов, проводят их циклическое нагружение давлениями: 200 циклов нагружения с размахом изменения давления Р_цик=Р_Н раб (от 0,1Р_Н раб до 1,1 Р_Н раб). Затем продолжают циклические нагружения с размахом изменения давлений: Р_цик=1,25Р_Нраб - 125 циклов; Р_цик = 1,5Р_Нраб - 85 циклов; Р_цик=1,75Р_Нраб- 60 циклов; Р_цик=2,0Р_Нраб- 40 циклов. Суммарное эквивалентное число циклов нагружений с размахом изменения давления Р_цик=Р_Н раб составляет 1000 циклов. Если не произойдет разрушение испытуемой трубы, то дальнейшим подъемом давления доводят трубу до разрушения с фиксацией разрушающего давления Р_разр.

Для оценки потенциальной опасности дефектов формы труб, основного металла и сварных соединений трубопроводов проведены испытания шестидесяти девяти труб диаметрами от 377 мм до 1020 мм.

Рисунок 9 - Стенд для натурных испытаний труб с дефектами

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 имеет различную кривизну, описываемую некоторыми радиусами. Предложена модель вмятины для установления НДС и коэффициента концентрации напряжения в металле трубы (рисунок 10). Поверхность вмятины в продольном сечении описывается тремя окружностями одинакового радиуса R, последовательно сопряженных между собой и с образующей трубы. Согласно результатам исследований глубина вмятин h принята равной R/8, тогда, при длине вмятины L, ее глубина h равна , а радиус кривизны .

Расчет НДС металла трубы с вмятиной производился методом конечных элементов (МКЭ) по программе «APM WinMachine». При одних и тех же размерах длины вмятины концентрация напряжений увеличивается при увеличении глубины вмятины. При этом длина вмятины, при неизменной глубине, на значение К_у влияет незначительно.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 10 - Модель вмятины и график зависимости концентрации напряжений от отношения глубины вмятины к диаметру трубы

Полученные значения коэффициента концентрации напряжений от 2,4 до 4,1 в металле области вмятин труб с различной толщиной стенки при глубине h, равной 3,5% от D предложено использовать для установления ресурса в циклах N_ц трубопроводов по критерию зарождения трещин малоцикловой усталости:

, (1)

где е_пл - исходная (накопленная) деформация при изгибе стенки трубы;

е_ц - деформация за один цикл нагружения; n - коэффициент запаса долговечности, принимается равным 6; б - коэффициент концентрации напряжений при наличии дополнительного дефекта в области вмятины (гофра).

Величина исходной (накопленной) деформации определяется расчетным путем в зависимости от геометрии вмятины и количества циклов нагружения. Для уточнения е_пл проведены исследования и предложена методика определения накопленной поврежденности по изменению скорости прохождения акустической волны. Установлена зависимость (Дф/t⁰_имп)=0,05е_пл изменения скорости распространения акустических волн от величины усталостного повреждения металла в области дефектов формы труб.

Согласно разработанной методике рассчитан остаточный ресурс труб с вмятинами и гофрами, подвергнутых гидравлическим испытаниям. Полученные расчетом по методике определения остаточного ресурса значения N_ц.раз участков трубопроводов с дефектами формы труб зависят от вида дефекта и его геометрических размеров. С уменьшением радиуса кривизны дефекта формы труб уменьшается остаточный ресурс безопасной эксплуатации участков трубопроводов с вмятинами и гофрами.

В четвертой главе приводится методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса безопасной эксплуатации участков трубопровода с дефектами утонение стенки труб и с кольцевыми сварными соединениями, содержащими объемные дефекты.

К настоящему времени известна система критериев и запасов прочности, отраженная в НД и гарантирующая безопасную эксплуатацию объектов при соблюдении заданных условий эксплуатации. Прочность трубопровода обеспечивается, если фактический коэффициент запаса прочности N₁ превышает допустимый коэффициент запаса N_доп, регламентируемый НД. Фактический коэффициент запаса прочности N₁ определяется расчетом и/или уточняется по результатам натурных гидроиспытаний N₁= Р_раз / Р_раб.

В процессе эксплуатации трубопровода происходит уменьшение коэффициента запаса прочности N₁ . Это изменение характеризует различные состояния объекта, и может быть оценено функцией желательности Харрингтона на пяти интервалах с равновероятностным попаданием в каждый интервал, имеющих качественные показатели: высокий, хороший, удовлетворительный, пониженный и низкий. Значение коэффициента запаса прочности для трубопроводов, имеющих припуск на коррозию, можно оценить тремя допустимыми интервалами: первый - высокий, когда при эксплуатации сохраняется припуск на коррозию, второй - хороший - выбирается припуск на коррозию, третий - удовлетворительный - выбран припуск на коррозию, и трубопровод подлежит ремонту. При этом сохраняется достаточный запас по прочности - два интервала. Эксплуатация трубопровода с пониженным коэффициентом запаса прочности запрещается, но эксплуатация может быть продлена, если ведется мониторинг за техническим состоянием дефектного участка. Состояние дефектного участка трубопровода характеризуется тремя состояниями: неопасное, потенциально опасное, опасное.

Исходя из вышеуказанных оценивающих интервалов, коэффициент запаса прочности для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, составляет для: неопасных дефектов N₁N_доп; потенциально опасных

0,6·N_доп +0,4< N₁<N_доп; опасных дефектов N₁ 0,6·N_доп +0,4.

Функция 0,6·N_доп +0,4 не позволяет строго установить границу интервала, но применима к любому значению N_доп , то есть устанавливаемый предельный фактический коэффициент запаса всегда будет больше единицы.

Все дефекты, выявленные в результате внутритрубной дефектоскопии, подразделяются на три категории в зависимости от природы происхождения и запаса прочности: опасные; потенциально опасные; неопасные.

Опасные дефекты - требуется ремонт в кратчайшие сроки. Для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, опасными (недопустимо снижающими безопасность) являются дефекты с остаточной толщиной стенки трубы менее 40% от толщины стенки и с запасом прочности относительно разрушающего давления менее, чем для потенциально опасных дефектов.

Потенциально опасные дефекты - дефекты, не входящие в категорию опасных, однако размеры которых превышают требования действующих НД. Для участков трубопроводов с такими дефектами требуется наружное обследование и ремонт в плановом порядке.

Неопасные дефекты - не снижается безопасность эксплуатации трубопроводов и не требуется наружное обследование и ремонт. К ним относятся утонения стенки труб, допустимые требованиями НД, а также внутренние металлургические дефекты.

Оценку потенциальной опасности дефектов утонение стенки трубы проводили гидроиспытаниями сероводородсодержащей средой NACE. Испытывали в течение 720 часов при давлении Р_Нраб трубы диаметром от 57 до 377 мм из стали 20, применяемые для строительства трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазоконденсатные среды. Затем, перед проведением испытаний до разрушения, на трубе создавали утонения - лыски и надрезы, затем по центру искусственных дефектов труб наклеивали тензодатчики. Значение отношения давления текучести металла в области лыски к давлению в области надреза (Р_л/Р_н) представляет собой коэффициент концентрации напряжений К_у в остаточном слое металла надреза. Среднее значение К_у, равное 1,385, условно определяет потенциальную опасность дефектов типа локальных механических или коррозионных повреждений, расположенных по линии вдоль оси трубопровода, например, группы точечных коррозионных язв, по отношению к общей коррозии, имеющей тот же линейный размер вдоль оси трубопровода.

Гидроиспытания натурных образцов труб сероводородсодержащей средой позволили уточнить потенциальную опасность нетрещиноподобных дефектов и сопоставить величины разрушающих давлений с расчетными значениями. Проведенные коррозионно-механические испытания труб позволили обосновать применение модифицированной методики института Баттелля (стандарт B31G) для определения потенциальной опасности нетрещино-подобных дефектов трубопроводов, транспортирующих сероводород-содержащие нефтегазовые среды.

Окружные напряжения S_p (МПа), которые могут вызвать разрушение участка трубопровода, имеющего дефект, находят по формуле

, (2)

где S'- напряжение текучести, соответствующее появлению пластического течения и разрушению в вершине дефекта (на основании проведенных экспериментальных исследований для трубопроводов, контактирующих с наводороживающими средами, предлагается S' принимать равным пределу текучести материала - ); А - площадь участка трубы с утонением стенки (площадь дефекта или повреждения) в продольном (осевом) сечении дефектного участка трубы (А = L^.h - для протяженных механических повреждений, а также для всех повреждений трубопроводов, транспортирующих коррозионные среды), мм²; А_о - исходная площадь продольного сечения поврежденного участка трубы (А_о = L·t), мм²; L - длина повреждения стенки трубы в осевом направлении, мм; h - глубина поверхностного повреждения стенки трубы, мм; t - номинальная, определенная по сертификатным данным или толщинометрией на бездефектном участке, толщина стенки трубы, мм. Коэффициент «М» Фолиаса в работах Kiefner J.F., O'Grady T.J., Thomas J. определяется:

для ;

для . (3)

где D - номинальный наружный диаметр трубы на дефектном участке, мм.

Расчетное разрушающее давление дефектного участка трубопровода определяют по известной формуле

. (4)

Допустимое рабочее давление поврежденного участка трубопровода с учётом (3) и (4) нами предлагается рассчитывать по формуле

, (5)

где N_доп - проектный коэффициент запаса прочности.

При расчете трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, проектный коэффициент запаса прочности определяют по формуле

; , (6)

где - допускаемое номинальное напряжение с учетом транспортировки трубопроводом сероводородсодержащих сред, МПа; n_к - коэффициент снижения допускаемых напряжений, равный 0,4; 0,5 или 0,6 в зависимости от состояния металла и категории участка трубопровода.

В случае нескольких дефектов, если расстояние между ними не превышает длину наименьшего из дефектов, их рассматривают как один дефект, а за глубину принимают глубину наибольшего из них.

Экспресс оценку прочности дефектных участков трубопровода проводят на ЭBM, при этом строят графики допустимых размеров дефектов трубопровода, позволяющие принимать оперативные решения о мерах по дальнейшей эксплуатации трубопровода, а также осуществляют классификацию дефектов данного трубопровода в зависимости от области их расположения на графиках (рисунок 11).

Прямая I представляет собой припуск на коррозию и ограничи вает зону 1 проектных условий эксплуатации трубопровода. График II ограничивает размеры дефектов с проектным коэффициентом запаса прочности N₁=N_доп относительно разрушающего давления. График III получают при N₁=0,8N_доп+0,2. График IV получают при коэффициенте запаса прочности N₁, ограничивающем предельные размеры потенциально опасных дефектов (горизонтальный участок графика соответствует глубине дефекта, равной 60% от толщины стенки трубы). График V строят при размерах дефектов, способных вызвать разрушение трубопровода при рабочем давлении (N₁=1).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 11 - Пример графического представления областей параметров дефектов с различной степенью потенциальной опасности

Горизонтальные участки графиков II, III, ограничивающие предельную глубину дефектов в областях 2 и 3, получают переносом точки А с графика IV (в месте, соответствующем 60% от толщины стенки трубы) на графики II, III.

В зависимости от области расположения параметров дефектов по данным ВТД на поле графиков (рисунок 11) определяют условия дальнейшей эксплуатации или необходимость ремонта дефектных участков трубопровода: область 1 - припуск на коррозию, проектные условия эксплуатации трубопровода; область 2 - допустимое состояние эксплуатации трубопровода, содержащего допусти-мые дефекты в условиях, обеспечивающих эффективную электрохимическую и ингибиторную защиту; область 3 - участок трубопровода содержит потен-циально опасные дефекты и подлежит ремонту (если дефект находится ниже тонкой линии графика III, делящего область 3 на две области, ремонт прово-дится в плановом порядке; если дефект находится выше тонкой линии графика III - ремонт проводится в течение года); область 4 - участок трубопровода содержит опасные дефекты и подлежит ремонту в кратчайшие сроки (внеплановый ремонт).

В случаях необходимости эксплуатации трубопровода с потенциально опасными или опасными дефектами, расположенными в 3-ей или 4-ой областях, проводят расчет и, согласно результатам расчёта, снижают давление в дефектном участке трубопровода.

Определяющими для расчета кольцевых сварных соединений с дефектами, приводящими к утонению стенки трубы, являются осевые напряжения от внутреннего давления и изгиба. Результаты малоцикловых гидроиспытаний труб с кольцевыми сварными швами, имеющими непровары до 45% толщины стенки труб, бывших в эксплуатации с коррозионными средами более 25 лет, позволили установить, что зарождение трещин и дальнейшее разрушение труб происходит не по сварным соединениям, а по основному металлу вдоль образующей трубы по цепочке язвенной коррозии глубиной до 20% толщины стенки труб. Это объясняется как напряженным состоянием металла труб, так и тем, что трубопроводы ОНГКМ смонтированы из труб, изготовленных из “мягких” сталей типа стали 20 с твердостью меньше 20 HRС. Металл сварных соединений этих трубопроводов с послесварочной термообработкой по своим физико-механическим свойствам близок к основному металлу и имеет твердость ниже 20 HRС.

С учётом результатов проведённых натурных испытаний труб с кольцевыми сварными швами, имеющими дефекты, предлагается уточнить выражение для расчёта значения коэффициента Фолиаса, приняв его более интенсивно изменяющимся:

, (7)

где L_ц - длина дефекта (повреждения) кольцевого сварного шва, мм;

Расчетное разрушающее давление Р_раз от осевых напряжений определяется по формуле

, (8)

где: k_с - коэффициент ослабления прочности сварного шва, значение принимается в интервале 1,5…2,0 в зависимости от точности определения размеров дефекта; у_zb - напряжения в металле труб от изгиба, которые зависят от значения нагрузки или определяются радиусом кривизны трубы на основании данных приборного обследования положения трубопровода. Напряжения от изгиба трубы определяют по формуле

. (9)

Радиус кривизны оси трубопровода определяется на основании замеров в местах наибольшего изгиба трубы. Замеряют с точностью 0,1 мм прогиб трубы h_и изогнутого участка трубопровода на длине L_и (рекомендуемая база 5 диаметров трубы). Вычисляют радиус R кривизны трубы по формуле

. (10)

Допустимое рабочее давление Р_Д в участках трубопроводов с нетрещиноподобными дефектами в кольцевых сварных швах предлагается рассчитывать по формуле

Размещено на http://www.allbest.ru

(11)

Все нетрещиноподобные дефекты сварных кольцевых соединений труб, аналогично дефектам утонение стенки трубы, подразделяются на три категории в зависимости от природы происхождения и запаса прочности: опасные, потенциально опасные, неопасные. Оценка потенциальной опасности проводится по формулам (7…11) с учетом формулы (2).

Остаточный ресурс безопасной эксплуатации трубопроводов определяется значением интервала развития размеров дефектов из области 2 в область 3 до линии графика III (N₁=0,8N_доп+0,2) на рисунке 11. На основании расчета максимально допустимой глубины дефекта h_{III Li}, соответствующей графику III (рисунок 11), и установленной ВТД глубины h_Li дефектов, остаточный ресурс ф_ост трубопровода определяется по формуле

фост= min{ (hIII Li -hLi)/ аmax }. (12)

На основании анализа результатов ВТД ряда трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, установлены зависимости изменения максимальной скорости коррозии металла труб а_max от времени развития дефектов (рисунок 12) при доверительной вероятности 0,95.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 12 - Изменение скорости коррозии металла труб от времени развития дефектов

Уточнение максимальных скоростей коррозии металла труб позволило более точно определить остаточный ресурс дефектных участков трубопроводов, обосновать объемы и сроки проведения ремонта при обеспечении необходимого уровня безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

В пятой главе рассматриваются методы оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов с дефектами несплошности металла стенки труб.

Одним из основных видов повреждений трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды, являются расслоения, которые возникают под воздействием давления водорода, скапливающегося в дефектах структуры сталей. Согласно литературным данным величина давления, развиваемого молизованным водородом внутри расслоений, составляет по одним источникам 15…20 МПа, по другим - от 10²…10⁴ МПа до 10⁵…10⁷ МПа. Существенное различие в теоретических и практических оценках величин давления водорода в расслоениях металла труб обусловливает актуальность уточнения реальных давлений. Для определения величины реальных давлений водорода в расслоениях стенки труб разработана методика, позволившая по результатам гидроиспытаний натурных темплетов с расслоениями в основном металле труб диаметром 720х18 мм и диаметром 377х14 мм с учётом расчетных данных: оценить значение давления, которое создается в полости расслоения; выявить факторы, от которых зависит значение этого давления; установить, что сварной шов является не «слабым звеном», а силовым элементом, тормозящим развитие расслоений в стенке трубопровода. Полученная зависимость величины разрушающего давления внутри расслоения стенки труб от площади этого расслоения приведена на рисунке 13. Данная зависимость позволяет определить предельные площади расслоений для трубопроводов с различными рабочими давлениями.