Методология оценки несущей способности магистральных трубопроводов с локальными дефектами

2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................ 6
Глаза 1. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.................................................. 12
1.1 Методы и средства диагностирования технического состояния линейной части магистральных трубопроводов.................................... '12
1.2 Типы и классификация локальных дефектов трубопроводов........................................ 21
1.3 Применяемые подходы к оценке опасности локальных дефектов трубопроводов.................... 33
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задач исследования............................................. 59
Глава 2. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ЗОНАХ ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДОВ............................................. 61
2.1 Обоснование применения метода конечных элементов для решения задачи.................. 62
2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния
в двухмерных упругих задачах...................... 64
2.2.1 Используемые соотношения и алгоритмы метода конечных элементов................. 64
2.2.2 Расчетные схемы для дефектов типа потери металла........................................ 72
2.2.3 Расчетные схемы для дефектов типа расслоений........................................... 78
3
2.3 Анализ НДС в зоне дефектов труб при трехмерной постановке задач и границы применимости двухмерных расчетных схем.......................... 84
2.4 Исследование НДС в зоне локальных дефектов труб с учетом упругопластического поведения материала.......................................... 89
2.4.1 Алгоритмы расчета и решения тестовых
задач........................................ 89
2.4.2 Примеры упругопластического анализа НДС
в зоне острых и гладких дефектов труб.. 101
2.5 Анализ НДС в зоне локальных дефектов труб, расположенных з области сварных швов.............. 112
2.6 Выводы по главе 2................................. 121
Глава 3. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ЛОКАЛЬНЫМИ ДЕФЕКТАМИ........................... 123
3.1 Оценка прочности труб с гладкими дефектами... 123
3.2 Оценка прочности труб с острыми дефектами.... 125
3.2.1 Существующие критерии механики разрушения............................................... 125
3 . 2.1.1 Коэффициент интенсивности напряжений.................................... 127
3.2.1.2 J - интеграл....................... 132
3 . 2 .1.3 Раскрытие трещины в вершине .... 136
3.2.2 Влияние трещиноподобных дефектов на несущую способность труб............................ 139
3.2.3 Атгоритмы применения МКЭ к расчету критериев разрушения и решение тестовой задачи........................................... 14 6
3.3 Оценка несущей способности труб по результатам расчета на "гарантированную прочность"............................................ 153
4
3.4 Сравнительный анализ результатов расчетов с применением различных критериев прочности и определение областей применения критериев ... 157
3.5 Выводы по главе 3................................... 163
Глава 4. РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЯ РАЗРУШЕНИЯ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ В ЗОНАХ ЛОКАЛЬНЫХ ГЛАДКИХ И ОСТРЫХ ДЕФЕКТОВ............................................ 165
4.1 Экспериментальные исследования характера разрушения трубных сталей в зонах гладких и острых концентраторов.............................. 165
4.1.1 Исследование свойств и разрушения
стали 17ГС................................... 166
4.1.2 Исследование свойств и разрушения
стали Х60................................... 17 9
4.2 Обобщенный критерий разрушения трубных сталей в зонах локальных гладких и острых концентраторов................................................... 183
4.3 Экспериментальное исследование разрушения трубных сталей в зонах острых концентраторов, нанесенных в области сварных швов.................. 199
4.3.1 Разрушение в зоне сварного шва
стали 17 ГС.................................. 199
4.3.2 Разрушение в зоне сварного шва
стали Х60.................................... 207
4.4 Экспериментальные исследования разрушения стали 17ГС в зонах острых концентраторов при повторном нагружении............................... 209
4.5 Выводы пс главе 4................................... 212
5
Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ ТРУБОПРОВОДОВ....................... 215
5.1 Оценка опасности локальных дефектов труб по критерию "предельное давление".................... 215
5.2 Примеры расчетов реальных дефектов и сравнительный анализ методик опасности дефектов.... 222
5.2.1 Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными натурных испытаний труб с дефектами ............................. 222
5.2.2 Сравнительный анализ разработанной и существующих методик ............................. 236
5.3 Принятие управленческих решений на основе анализа результатов внутритрубной диагностики............................................... 24 0
5.4 Выводы по главе 5.................................. 254
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................... 256
ЛИТЕРАТУРА............................................ 25 9
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Описание программного комплекса по
оценке опасности локальных дефектов
магистральных трубопроводов .......... 274
ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Акт внедрения........................... 284
6
ВВЕДЕНИЕ
Одними из факторов, тормозящих развитие современной промышленности, являются ощутимый износ основных фондов предприятий и увеличение на этом фоне отказов и аварий. 3 связи с этим в приоритетный ряд становятся научные разработки, позволяющие оценить работоспособность промышленного оборудования с учетом его износа и выявленных дефектов. В нефтегазовом комплексе России проблема старения оборудования стоит не менее остро, чем в других отраслях промышленности.
Средний возраст магистральных газопроводов, эксплуатируемых на территории России, составляет 50 % от проектного срока службы. Нефтепроводы постарели в большей степени: около 40 % эксплуатируется дольше нормативного срока - 33 лет. Факт старения основных фондов подтверждается достаточно высокой интенсивностью отказов магистральных трубопроводов. Среднее количество аварий на 1000 км трасс по данным Госгортехнадзора России в 1996 году составило в среднем 0,2. В 40 % случаев причиной отказов служили
коррозионные дефекты, развившиеся в процессе эксплуатации трубопроводов. С целью повышения надежности трубопроводного транспорта и предотвращения аварий в настоящее время интенсивно развиваются методы диагностирования дефектов. Особое внимание уделяется разработке приборов внутритрубной диагностики. Известные фирмы разработчики: НПО
"Спектр", Саратовский ССУДМГ, АО "Спецнефтегаз", "Лайналог", "Розен", "Бритиш газ", "Пайптроникс". Информация о дефектах труб, получаемая с помощью средств внутритрубной диагностики, служит базой для принятия управленческих решений о ремонте, выводе из эксплуатации и изменении режимов перекачки.
7
Текущая экономическая ситуация в России и недостаточность амортизационных отчислений для финансирования ремонтных работ в полном объеме делают актуальным вопрос о выборочном ремонте, решение которого требует определения реальной опасности каждого отдельного дефекта и предельного срока его устранения. Проведение экспертной оценки по каждому отдельному дефекту позволяет установить реально необходимый объем ремонтных работ, который значительно уменьшается по сравнению с нормативным. В этой связи актуальным становится создание методики, позволяющей максимально реально оценивать несущую способность магистральных трубопроводов с локальными дефектами и легко применимой в производственной практике.
Данная диссертация, конечной целью которой является разработка теоретических основ и способов практической реализации обобщенного подхода к оценке прочности труб сварных магистральных газонефтепроводов с локальными дефектами стенок тип потери металла различной конфигурации, состоит из пяти глав.
3 первой главе приведен обзор методов и результатов диагностирования локальных дефектов трубопроводов по работам В. Л. Березина, А. К. Галямова, А. Г. Гумерова, О. М. Иванцова, В. Я. Киршенбаума, В. В. Клюева, H.A. Пугина, Ф.Р. Соснина, В.В. Харионовского, К.В. Черняева и показано, что к настоящему времени созданы все необходимые предпосылки не только для обнаружения дефектов, но и для проведения количественной оценки их опасности на основе анализа напряженно-деформированного состояния стенки трубы з зоне дефекта и теорий прочности, так как получаемые данные о дефектах позволяют создать корректную расчетную схему, необходимой степени точности.
8
Анализ научных подходов к оценке опасности локальных дефектов трубопроводов, изложенных в работах уже названных авторов и П. Вайеса, А.Ф. Германа, А. Даффи, Р. Дениса, Д. Кифнера, Г. М. Купершляка-Юзовича, Е. Фолиаса, Г. Хана, а так же отраслевых методик, используемых за рубежом (рекомендации фирмы Бритиш газ, В31С) и б России (рекомендации ВНИИГАЗа, методика ЦТД "Диаскан"} позволил выявить общий рациональный алгоритм проведения оценки, общие недостатки методик и сформулировать задачи исследования .
Рассматривая недостатки методик, следует отметить, что при анализе дефектов не учитывается специфика геометрии поверхности дефектов и расположение их на поверхности трубопровода. 3 основу методик не заложена реальная физическая модель поведения материала в зоне дефекта, что затрудняет развитие и обобщение этих методик. В силу своей приближенности методики дают заниженную оценку прочности и не позволяют оценить реальную опасность дефектов. Заметим, что внутритрубная диагностика проводится на трубопроводах, находящихся в эксплуатации и выполняющих в данный момент свои производственные функции. В результате того, что используемые на сегодняшний день методики оценки опасности дефектов не ставят своей целью определение действительного предельного давления, с точки зрения производственников возникает противоречивая ситуация, когда при отсутствии аварии многие дефекты однозначно трактуются как недопустимые. Это ещё раз подтверждает, что ниболее полезной характеристикой степени опасности дефекта является величина реальной разрушающей нагрузки для трубы с данным дефектом.
Во второй главе разработаны унифицированные расчетные схемы дефектов типа поверхностной и внутристенной по-
9
тери металла и алгоритмы применения МКЭ к расчету НДС трубопроводов в зоне дефектов с учетом реальной геометрии дефектов, реальной диаграммы поведения материала, специфики ситуаций расположения дефектов в зоне сварных швов и особенностей нагружения конструкции, а также даны общие рекомендации для проведения сравнительной оценки опасности дефектов, сформулированные на базе численных экспериментов .
В третьей главе решены задачи оценки предельных давлений для труб с гладкими и острыми дефетами с использованием различных теорий прочности и критериев механики разрушения, а также даны рекомендации о возможностях применения критериев в зависимости от конфигураций дефектов .
В четвертой главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований характера разрушения трубных сталей 17ГС и Х60 в зонах различных концентраторов и сварных швов, проанализированы известные деформационные критерии разрушения по работам A.C. Куркина, Ф. Макклин-тока, H.A. Махутова, Е.М. Морозова, В. Сотэ и предложен оригинальный деформационный критерий для описания разрушения трубных сталей з зонах гладких и острых дефектов.
В пятой главе изложен алгоритм методики оценки опасности локальных дефектов трубопроводов по предельному давлению, приведены результаты экспериментальной прозерки разработанной методики и результаты сравнительного анализа с существующими методиками, а также обоснованы преимущества оценки степени опасности дефектов труб по действительному предельному давлению с точки зрения современных концепций принятия управленческих решений.
Достоверность результатов исследования вытекает из обоснованности использованных теоретических положений и
10
математических методов и подтверждена численными экспериментами по оценке сходимости и точности разработанных алгоритмов, а также - сравнительным анализом расчетных результатов с имеющимися экспериментальными данными других авторов по определению разрушающих дазлений для труб с дефектами стенок.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что создана обобщенная методика численного расчета предельных давлений для труб с различного типа локальными дефектами стенок. Знание значений предельных давлений для труб с каждым типом дефектов позволит определить истинную степень опасности каждого дефекта, характеризуемую коэффициентом запаса прочности по предельным нагрузкам, рационально установить очередность выборочного ремонта и повысить уровень сервиса нефтегазотранспортной системы. Разработанные подходы к оценке опасности дефектов реализованы в виде программного комплекса, позволяющего определять степень опасности дефекта. Комплекс прост в эксплуатации, работает в системе Windows и может быть установлен на любой персональный компьютер. Результаты работы в виде алгоритмов численных расчетов и комплекса программ переданы ОАО "Транснефтепродукт" для практического использования, а также используются в учебном процессе ?ГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.
В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследований докладывались на Всероссийских конференциях: "Актуальные проблемы состояния и развития нефтяного и газового комплекса России" в 1994, 1995, 1997, 1998, 2001
годах, на международных конференциях "Энергодиагностика" в 1994 и1998 годах, на международном конгрессе "Защита-98" в 1998 году, а также на отчетной конференции-выставки по подпрограмме "Топливо и энергетика" научно-технической
11
программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" б 2001 году.
Основное содержание работы опубликовано в 1-й монографии [41] и в 24 печатных работах [28-40, 42-45, 61, 63, 90, 93, 105] (научных статьях, тезисах докладов конференций и методических указаниях).
12
Глава 1. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
1.1. Методы и средства диагностирования технического состояния линейной части магистральных трубопроводов.
Магистральные трубопроводы эксплуатируются в сложных условиях при воздействии природной среды и различных техногенных процессов. В связи с этим необходимо регулярно проводить работы по оценке их технического состояния, определять условия их дальнейшей эксплуатации и перечень мероприятий по их восстановлению.
Кратко охарактеризуем методы непрерывного контроля технического состояния трубопровода - метод регистрации ультразвуковых колебаний, метод «золны падения давления» и метод «излома гидравлического уклона».
Метод регистрации ультразвуковых колебаний [110]. При истечении жидкости через дефект возникают ультразвуковые колебания, регистрация которых позволяет идентифицировать утечки из трубопровода. Системы, построенные на этом методе, определяют утечку с расходом нефти более 50 литров в час и требуют установки датчиков через каждые 100 метров. При увеличении расстояния между датчиками порог чувствительности системы снижается [2,130].
Метод «золны падения давления». При возникновении утечки в обе стороны от нее начинает распространяться волна изменения давления [14]. Недостаток метода - низкая чувствительность (регистрируются утечки 5000 литров в час и более).
Метод «излома гидравлического уклона». Этот метод основан на эффекте появления в месте утечки изменения
13
давления [14]. Этот метод требует установки по всей трассе множества высокоточных датчиков давления.
Эти методы в сочетании с гидравлическими испытаниями линейной части позволяют поддерживать безопасную эксплуатацию трубопровода, но не позволяют получить конкретную информацию о техническом состоянии отдельных его участков, которая позволила бы планировать проведение капитального ремонта участков трубопровода.
Для получения такой информации в настоящее время в инженерной практике широко применяются методы неразрушающего контроля, позволяющие проверить состояние элементов технической системы без перерыва в эксплуатации [73— 76] .
В мировой практике большое внимание уделяется совершенствованию и развитию этих методов. Диапазон методов используемых в неразрушающем контроле весьма велик. В работе [76] проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков большинства методов неразрушающего контроля, используемых в нефтегазовых отраслях промышленности. Из анализа следует, что наиболее перспективными методами неразрушающего контроля технического состояния линейной части магистральных трубопроводов являются метод акустической эмиссии, ультразвуковые и магнитографические методы.
Акустико-эмиссионный метод - это мощное современное техническое средство неразрушающего контроля и оценки состояния материалов конструкций. Он основан на обнаружении упругих волн, генерируемых деформацией напряженного материала в момент роста дефекта. Эти волны регистрируются датчиками, преобразующими их в электрические сигналы. На основе получаемой информации оценивается состояние и поведение материала конструкции под напряжением.
14
Если при обнаружении повреждений (дефектов) традиционные методы неразрушающего контроля используют ввод в исследуемую структуру волновой энергии определенного вида, то акустико-эмиссионный метод, напротив, основан на регистрации упругих волн, упругой энергии, выделяемой при разрыве межатомных связей в процессе подрастания дефекта. Зарождение микроскопической трещины, развитие трещины, утечка жидкости, могут быть обнаружены и локализованы с применением акустико-эмиссионного метода контроля.
Сигналы акустической эмиссии возникают только в нагруженных системах и связаны с процессами, ведущими к отказам. Это поззоляет использовать этот метод для предупреждения отказов, так как при современном проведении акустико-эмиссионного диагностирования можно вычислить дефектную или ослабленную область по обнаруживаемой эмиссии задолго до того как повреждение достигнет критических размеров и возникнет опасность разрушения конструкции.
Метод акустической эмиссии широко используется:
при диагностике подводных, подземных и воздушных переходов длиной до 120 м с целью раннего обнаружения микродефектов и предупреждение их развития до критической величины;
при определении мест утечек на трубопроводах, во фланцевых соединениях;
при проверке качества и герметичности запорной арматуры;
при контроле качества сварных швов.
Эффективность этого метода диагностики намного повышается при проведении работ в совокупности с другими методами контроля.
Магнитографические методы. Современные достижения в области науки и техники позволили создать на базе магни-
15
тографических методов неразрушающего контроля внутритруб-ные инспекционные снаряды, позволяющие получить достоверную информацию о состоянии трубы. Обобщенная классификация используемых в настоящее время внутритрубных инспекционных снарядов приведена в работах [83,111]. Для газопроводов магнитные диагностические системы являются предпочтительными [9,137]. Обнаружение дефекта магнитным снарядом основано на новейших исследованиях по изучению закономерностей рассеивания магнитного потока. Принцип работы снарядов такого типа следующий. По мере движения снаряда производится намагничивание короткого участка трубы с помощью мощных магнитов (постоянные магниты или электромагниты), расположенных определенным образом относительно стенки трубы и друг друга. Дефект стенки трубы вызывает локальное искажение конфигурации магнитного поля, которое фиксируется электромагнитными датчиками. Обычно используются датчики двух типов - индукционные катушки и датчики Холла. Катушки определяют скорость изменения магнитного поля, а датчики Холла его фактическую напряженность.
Таким образом, основными компонентами магнитных инспекционных снарядов яеляются: элементы насыщающие маг-
нитным потоком стенки трубы во время инспекции; большое количество расположенных по окружности датчиков, сканирующих сигнал; устройства записи сканированного сигнала, позволяющие фиксировать широкий спектр сигналов и иметь достаточную емкость, обеспечивающую запись результатов сканирования трубы большого диаметра, протяженностью не менее 300 км; вспомогательные датчики для идентификации внутренних и внешних повреждений. Кроме того, при сканировании должно быть точно зафиксировано местоположение диагностического снаряда и его ориентация в трубе.
16
Магнитные дефектоскопы надежно работают на газопроводах, нефтепроводах и на трубопроводах с многофазовыми потоками. Единственным существенным ограничением их использования является величина толщины стенки трубы. Кроме того, магнитные снаряды предъявляют высокие требования к очистке внутренней полости трубы [111], так как от посторонних металлических предметов налипших на магниты, возникают искажения, приводящие к получению ложной информации о состоянии стенки трубы. Опыт эксплуатации магнитных снарядов в ОАО «Диаскан» [111] показал, что они имеют меньшую точность определения размеров дефектов типа потеря металла, по сравнению с ультразвуковыми снарядами, не контролируют дефекты типа расслоения и инородного включения .
Тем не менее, в настоящее время идет интенсивное развитие и совершенствование магнитных методов. Созданы отечественные магнитные снаряды - дефектоскопы, предназначенные для выявления стресс - коррозийных повреждений стенок труб магистральных газопроводов диаметром 1420, 1220 мм, обнаружения и определения параметров продольных трещин и коррозионных каверн, минимальные размеры которых составляют: трещины глубиной 0,It и протяженностью 3t; каверны глубиной 0,2t и протяженностью t, где t - толщина стенки трубопровода.
Важной составляющей диагностики повреждений является система анализа сигналов, включающая различные методы идентификации дефекта по особенностям изменения сигнала, а также базу данных о дефектах. Достоверность идентификации дефектов при расшифровке магнитограмм существенно повышается при использовании для этих целей численных методов анализа изменения параметров магнитного поля в зоне
17
различных по конфигурации и типу повреждений стенки трубы [127].
В последнее время сделан большой прорыв в области обнаружения трещин магнитографическими методами в комбинации с технологией обнаружения трещин упруговолновым методом. Созданы инспекционные снаряды, позволяющие получить информацию об уровне сжимающих и растягивающих напряжений в стенке трубы.
Ультразвуковая дефектоскопия. Аппаратура ультразвукового контроля включает набор датчиков, содержащих пьезоэлементы для излучения и приёма ультразвуковых колебаний. При излучении датчиком, погруженным в пространство, заполненное жидкостью, обеспечивающей акустический контакт с исследуемым объектом, происходит отражение ультразвукового сигнала сначала от внутренней, а затем от внешней границы исследуемого объекта. Зремя первого и второго отраженного сигнала фиксируется. Время прихода первого отраженного сигнала позволяет при известной скорости распространения ультразвука в жидкой среде определить расстояние между датчиком и внутренней поверхностью трубы (х), а время прихода второго отраженного сигнала - толщину стенки трубы (й) {см. рис. 1.1).
Конструктивно инспекционные снаряды ультразвуковой диагностики выполнены в виде двух секций, шарнирно соединенных между собой. Первая секция системы включает носители информации, блок батарей для питания всей системы, блок для предварительной обработки поступающей информации, одометрическую систему для измерения пройденного расстояния, систему определения положения снаряда относительно своей оси и блока локаторов, фиксирующих сигналы от внешних маркерных передатчиков, расположенных снаружи трубопровода вдоль его оси. Во второй секции в специаль-
18
ном держателе, обеспечивающем их ортогональное положение к образующей трубы, размещены ультразвуковые датчики, которые сканируют стенку трубопровода. В зависимости от диаметра трубопровода их число колеблется от 160 до 448 на одном снаряде.
Рис. l.'l. Принципиальная схема обнаружения дефектов ультразвуковым снарядом-дефектоскопом.
Все данные, собранные во время прогона снаряда, преобразуются к цифровому виду и записываются в блоках хранения информации.
Опыт эксплуатации ультразвуковых диагностических систем в ОАО «Диаскан» показал [111], что ультразвуковая технология обеспечивает высокую точность измерений толщины стенки и глубины дефекта (точность измерения толщины стенки 0,2 мм, точность измерения глубины дефекта ±0,5 мм, поперечное разрешение составляет 8 мм, продольное разрешение - 3,3 мм), высокую повторяемость результатов, четкую идентификацию дефектов, возможность измерений толщины стенки и глубины дефекта при непостоянной скорости снаряда. Наибольшее влияние на качестзо обследования трубопровода оказывает наличие мусора и отложений различной природы на внутренней поверхности трубопровода.
Первичные результаты внутритрубной ультразвуковой диагностики после компьютерной расшифровки представляются в виде дзух графиков для каждой из линий движения датчи-
19
ков. Первый график показывает изменение расстояния (х) от датчика до стенки трубы по длине трубопровода (по линии движения датчика) , второй график - изменение толщины стенки трубопровода (Ь) (рис. 1.2).
По характеру изменения параметров х и Ь можно идентифицировать дефект. Для дефектов типа внутренней и внешней коррозии вид графиков изображен на рис. 1.2. На рисунках 1.3а и 1.36 изображен вид графиков для дефектов типа вмятины и типа расслоения. По виду графиков (рис. 1.2) можно определить геометрическую конфигурацию профилей продольных сечений дефекта, на основе которых затем могут быть построены поперечные профили.
7.
г
Рис. 1.2. Графики изменения вдоль оси трубы расстояния от датчика до её стенки (х) и толщины стенки (Ь), характерные для дефектов типа потери металла.
Данные о геометрической конфигурации дефекта наиболее целесообразно представлять в виде таблицы со значениями глубин в узловых точках сетки, наложенной на развертку дефекта. При этом, естественно, указывают шаг сетки в направлении оси трубы и шаг по окружности трубы. Минимальный шаг сетки в продольном направлении равен продольному разрешению дефектоскопа, а в поперечном направлениях -поперечному разрешению дефектоскопа.
20
„
Рис. 1.3. Графики изменения вдоль оси трубы расстояния от датчика до её стенки (х) и толщины стенки {Ь), характерные для дефектов типа вмятины (а) и расслоения (б).
В качестве примера, в таблице 1.1 приведены результаты дефектоскопии для обнаруженного дефекта типа каверна. Данные о глубинах приведены в миллиметрах.
Таблица 1.1.
Таблица сетки глубин коррозионного дефекта, мм.
На основе вышеизложенного можно сделать вывод о том, что к настоящему времени созданы все необходимые предпосылки для успешного использования численных методов анализа напряженно-деформированного состояния стенки трубы в зоне дефекта для оценки его опасности, так как по информации, получаемой средствами технической диагностики, можно создать корректную расчетную схему с необходимой степенью точности.
21
1.2. Типы и классификация локальных дефектов трубопроводов .
Для систем трубопроводного транспорта, эксплуатирующихся в сложных условиях, все дефекты можно разделить на следующие классы [95]: отклонения оси трубопровода от
проектного положения; нарушения формы поперечных сечений; локальные дефекты стенок труб.
Отклонения оси трубопровода от проектного положения. К этому классу относятся всплывшие участки трубопровода, потерявшие проектное положение з обводненном грунте с выходом на поверхность воды, арочные выбросы - участки трубопровода потерявшие устойчивость симметричные и несимметричные в виде одной полуволны синусоиды или в виде «змейки» в горизонтальной плоскости с двумя и более полуволнами, провисы - оголенные участки, не опирающиеся на грунт, которые возникли в результате размывов и других эрозионных воздействий на грунт, просадки - участки трубопровода в глинистых и лесовых грунтах, ось которых при повышении влажности опускается ниже проектного уровня.
Нарушения формы поперечных сечений. К этому классу относят овальность сечения трубы, вмятины, гофры.
Овальностью сечения трубы является дефект, возникший в результате внешнего воздействия на трубу, результатом которого явилось превращение начального кольцевого сечения трубы в эллиптическое. Степень этого отклонения характеризуется величиной р [103], определяемой как отношение разности между максимальным 0гаах и минимальным Вгаіп диаметрами в одном и том же сечении к номинальному диа-
метру, /3 = ~ .
22
Вмятины - местное изменение формы поверхности трубы, образующееся при взаимодействии трубы с твердым телом или за счет значительных сжимающих изгибных напряжений. Процесс образования вмятины, как правило, не сопровождается утонением стенки и имеет плавное сопряжение с остальной поверхностью трубы. В области вмятины не наблюдается концентрации напряжений, но имеются значительные остаточные пластические деформации. Вмятины характеризуются размерами вдоль оси трубы, в поперечном направлении трубы и глубиной .
Гофры - поперечные складки на поверхности трубы, образовавшиеся за счет изгиба труб при изоляционноукладочных работах или при эксплуатации на криволинейных участках трубопровода, отклоненного ст проектного положения вследствие значительных перемещений сечений.
К третьему классу относятся локальные дефекты стенок труб. По происхождению эти дефекты можно разделить на производственно-технические - дефекты металлургического происхождения (трещины, расслоения, закаты, плены, рванины, риски, дефекты сварных соединений) и эксплуатационные - дефекты, образовавшиеся при транспортировке труб, сооружении и эксплуатации трубопровода (потеря металла стенкой трубы за счет механического и коррозионного воздействия на нее).
Подробный анализ дефектов сталей, образующихся в изделии при отливке, прокате, ковке и других видах обработки металла дан в ГОСТ 10243-82 [17] и ГОСТ 8233-56 [19], а также в работе [23].
Во время плавки и литья из-за загрязнения металла шлаками, продуктами раскисления или огнеупорами в нем образуются неметаллические (шлаковые и флюсовые) включения. При обработке давлением эти включения, имеющие неправиль-
23
ную форму и расположенные в различных местах отливки, деформируются в направлении волокна.
При кристаллизации в металле в результате выделения растворившихся в нем газов возникают газовые пузыри. При обработке давлением пузыри запрессовываются. Запрессованный пузырь может проявить себя при нагреве или коррозии в виде трещины или вздутия.
При неправильной технологии литья в металле у поверхности слитка образуются несплошности (неслитины) , а также неоднородности отдельных участков металла по химическому составу, структуре, неметаллическим включениям (ликвации). Ликвация может быть точечной, пятнистой, в виде квадрата или круга. Она не нарушает сплошности металла, но существенно снижает его прочностные свойства.
В процессе производства металла из-за нарушений технологии производства образуются различного вида трещины. Под действием высоких температур образуются межкристалли-ческие горячие трещины. После затвердевания металла под действием усадочных и термических напряжений возникают холодные трещины. При обработке давлением в поковках появляются поверхностные трещины и внутренние разрывы. В процессе прокатки металла на поверхности листа появляются риски, царапины, а если в слитке имелись газозые пузырьки, то в листе металла появляются дефекты в зиде тонких прямых линий (волосовины), а если газовые пузырьки были крупными - расслоения (внутренние нарушения сплошности металла). При прокате по краям слитка могут возникать закаты металла, рванины. При выделении растворенного в металле водорода в прокате возникают тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм (флокены). При термической обработке из-за несоблюдения температурного режима в металле возникают закалочные и другие термические трещины.
24
В сварных швах труб из-за нарушений технологии сзар-ки образуются типичные металлургические дефекты: ракови-
ны, газовые поры, шлаковые включения, а также непровэр, изменение размеров зерен, горячие и холодные трещины, ликвации.
С позиций ремонтопригодности дефекты линейной части трубопроводного транспорта классифицируются по следующим признакам [111]:
а) по природе образования: металлургические, сварочные, механические, коррозионные;
б) по принадлежности к определенному технологическому процессу: дефекты листа, производства труб, повреждений третьей стороной;
в) по месту расположения дефекта: основной металл труб, заводской сварной шов, поперечный сварной шов, зона термовлияния сварных швов, нижняя образующая трубы, верхняя образующая трубы;
г) по положению дефекта з металле стенки трубы или сварного шва: поверхностные, внутренние, сквозные дефекты;
д) по конфигурации дефекта: точечные, линейные, дефекты значительной площади.
С позиций управления качеством продукции (ГОСТ 15467-79 [18]) дефекты подразделяются на явные и скрытые, а также критические, значительные и малозначительные.
По степени опасности дефекты классифицируются по трем категориям: опасные, неопасные, недопустимые
[69,106].
В методике [69] за недопустимый дефект принимают дефект стенки трубы, глубина которого не может быть точно определена по данным внутритрубной дефектоскопии. При наличии такого дефекта давление в трубопроводе должно быть
25
снижено в 1,33 раза до проведения дополнительного контроля параметров дефекта. При опасном дефекте прочность трубы ниже нормативной. Возможно разрушение трубы в зоне дефекта при нагружении давлением, равным заводскому испытательному давлению. Требуется снижение давления до допустимого по сравнению с расчетным рабочим давлением по СНиП 2.05.06-85. При неопасном дефекте прочность трубы соответствует нормативной.
Основываясь на результатах исследований и опыте эксплуатации трубопроводов, компания British Gas разработала критерии [132], согласно которым, подлежат устранению следующие дефекты:
а) питинговая коррозия на площади размером 36x35, где 5 - толщина стенки трубы, при глубине каверны 0,4-5 и больше;
б) общая коррозия на площади более 35x35 при глубине
повреждений 0,2-6 и больше;
в) царапины, ориентированные в осевом направлении и имеющие глубину 0,2-5 и больше;
г) царапины, ориентированные в окружном направлении и имеющие глубину 0,4-5 и больше;
д) повреждения, возникшие в процессе изготовления труб, строительства трубопровода или его ремонта площадью более 35x35 и глубиной более 0,2-6.
При обработке результатов технической диагностики дефекты в зависимости от вида дефектоскопии идентифицируются как вмятины, включения, расслоения, потеря металла и трещины.
Согласно методике [69] при расшифровке данных внут-ритрубной дефектоскопии все возможные зафиксированные де-
26
фекты подразделяют на дефекты типа "потеря металла" (коррозия сплошная равномерная, коррозия сплошная неравномерная, коррозия местная точечная, коррозия местная пятнистая, коррозия местная язвенная, коррозия ручейко-вая, эрозия), типа "риска" (риска, царапина, вмятина в прокате, забоина, задир, рванина), типа "расслоение" (расслоение, инородное включение, раскатанное загрязнение), типа "расслоение с выходом на поверхность" (закат, подкат, плена, наклонное расслоение) , типа "расслоение в околошовной зоне" (расслоение, примыкающее к сварному шву), типа "изменение толщины стенки" (локальное утонение стенки горячекатанной трубы).
Выборочная информация о распределении дефектов по типам на нефтепроводе, полученная при помощи ультразвуковой дефектоскопии, предстазлена в табл. 1.2 [126].
Таблица 1.2.
Соотношение типов дефектов на участке нефтепровода.
Тип дефекта Доля от общего числа дефектов
Вмятины 0,25
Включения 0,03
Расслоения 0,23
Потеря металла 0,49
Распределение включений и расслоений по размеру следующее :
расслоения длиной до 200 мм - 0,75;
расслоения длиной от 200 мм до 1000 мм - 0,14; расслоения длиной превышающей 1000мм - 0,01;
включения - 0,10.
Внутренняя потеря металла составляет 0,34 от общего числа дефектов этого типа, соответственно внешняя - 0,66.
Для участка нефтепровода Александровское - Анжеро -Судженск, длинной 955 километров, построенного в 1972 го-