Научные основы обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования трубопроводов с технологическими, конструктивными и эксплуатационными несплошностями (стр. 1 )

УДК 622.692.4.004.58:681.5

На правах рукописи

Научные основы обеспечения безопасности

эксплуатации нефтегазового оборудования

трубопроводов с технологическими,

конструктивными и эксплуатационными

несплошностями

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Уфа 2008

Работа выполнена в Муниципальном унитарном предприятии

«Научно-технический центр «Безопасность эксплуатации сложных технических систем» (МУП «НТЦ «БЭСТС») и Государственном унитарном предприятии
«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный консультант	- доктор технических наук, профессор Гумеров Асгат Галимьянович
Официальные оппоненты:	- доктор технических наук, профессор - доктор технических наук, профессор - доктор технических наук
Ведущее предприятие	- Открытое акционерное общество «Уралтранснефтепродукт»

Защита диссертации состоится 18 июля 2008 г. в 1400 часов на заседании
диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном
предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов»
г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 16 июня 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Вопросы обеспечения безопасности потенциально опасных объектов магистрального транспорта в настоящее время стали чрезвычайно острыми и актуальными. При этом наиболее реальным направлением решения указанных вопросов было и остается установление технического состояния нефтегазового оборудования на основе применения современных методов неразрушающего контроля и оценки остаточного ресурса с регламентацией срока его последующей безопасной эксплуатации.

В связи с этим разработка научно-методических основ для оценки остаточного ресурса нефтегазового оборудования, гарантирующего безопасность его эксплуатации, является чрезвычайно актуальной. Следует иметь в виду, что большинство объектов нефтегазового комплекса работают за преде­лами проектного ресурса.

Крупнейшие природные и техногенные аварии последних лет выявили необходимость углубления исследований в области теории безопасности и катастроф, а также прикладных разработок по обеспечению промыш­ленной и экологической безопасности.

В последнее время в целях реализации основ национальной политики в области обеспечения безопасности был принят ряд государственных научно-технических программ и постановлений по обеспечению безопасности населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных аварий и катастроф. В этих материалах декларируется принципиально новый подход, заключающийся в необходимости реального обеспечения безопасности потенциально опасных объектов, в частности на базе новых критериев оценки их остаточного ресурса и др.

Важным фактором, существенно влияющим на безопасность эксплуатации оборудования, является механохимическая коррозия конструктивных элементов с несплошностями.

Объектом настоящего исследования являются технологические (металлургические), конструктивные (полости между поверхностями конструктивных элементов и накладными элементами) и эксплуатационные несплошности.

Особую роль в обеспечении безопасности и работоспособности конструктивных элементов с различными несплошностями при их эксплуатации играет своевременный ремонт с оценкой остаточного ресурса.

Наиболее сложные проблемы при оценке остаточного ресурса создают различные комбинации несплошностей в конструктивных элементах.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами Минхиммаша по проблеме «Технологическое обеспечение качества изготовления нефтегазохимической
аппаратуры» ( гг.), с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий» по направлению 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», а также в ходе решения комплексной научно-технической программы Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» и в рамках реализации подпрограммы Федеральной целевой научно-технической программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» – ФЦНТП ПП «Безопасность» ( гг.).

Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации конструктивных элементов нефтегазового оборудования (сосудов, аппаратов и трубопроводов) с несплошностями различного происхождения и их комбинациями на базе расчетного определения его остаточного ресурса и применения ряда конструкторско-технологических решений по совершенствованию технологий ремонта.

Основные задачи работы:

- исследование и разработка методов оценки остаточного ресурса конструктивных элементов с металлургическими несплошностями;

- оценка напряженного и предельного состояний и остаточного ресурса конструктивных элементов с конструктивными несплошностями;

- прогнозирование безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов с эксплуатационными несплошностями различных конфигураций и комбинаций;

- разработка технологии ремонта оборудования с несплошностями, находящегося под избыточным давлением;

- усовершенствование технологии аварийного ремонта технологических трубопроводов с применением усилительных накладок;

- повышение ресурса усилительных накладок, применяемых для ремонта оборудования;

- натурные испытания и внедрение основных предложенных научно-технических решений по обеспечению безопасности оборудования с несплошностями различного происхождения.

Методы решения поставленных задач

Основные характеристики безопасности оборудования и трубопроводов, в том числе и остаточный ресурс, определялись с использованием апробированных подходов механики разрушения, теории пластичности и упругости, сопротивления материалов, надежности и безопасности сложных технических систем.

Разработанные методы повышения характеристик безопасности элементов оборудования базировались на современных достижениях в области технологий ремонта, сварки, металловедения.

Научная новизна

1. Базируясь на основных положениях теории упругости и пластичности и механики разрушения, установлены и описаны основные закономерности влияния технологических, конструктивных и эксплуатационных несплошностей и их сочетаний на остаточный ресурс элементов оборудования при длительном статическом и циклическом нагружениях с учетом механохимической коррозии и деформационного старения металла.

2. Разработаны и научно обоснованы методы прогнозирования безопасного срока эксплуатации конструктивных элементов оборудования с несплошностями различного происхождения и их комбинациями.

3. Разработаны и апробированы новые конструкции образцов для оценки несущей способности конструктивных элементов оборудования с несплошностями различного происхождения, для которых дана теоретическая оценка коэффициентов интенсивности напряжений (КИН).

4. Научно обоснована целесообразность применения накладных элементов с отбортованными (закругленными) патрубками и усилительными торцевыми участками.

5. На основе результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены новые технические решения по повышению остаточного ресурса элементов оборудования с несплошностями различного происхождения.

На защиту выносятся:

1. Методы оценки и повышения остаточного ресурса оборудования с несплошностями различного происхождения.

2. Закономерности и аналитические зависимости для определения напряженного и предельного состояний оборудования с несплошностями.

3. Новые конструкции образцов для оценки несущей способности оборудования с несплошностями.

4. Накладные элементы повышенной работоспособности.

5. Нормативные материалы по оценке и обеспечению остаточного ресурса оборудования с несплошностями.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработанные методы определения и повышения остаточного ресурса нефтегазового оборудования с несплошностями позволяют обеспечивать и продлевать безопасные сроки его эксплуатации.

2. Предложенные конструкции образцов более адекватно отвечают условиям работы элементов оборудования с несплошностями различного происхождения.

3. Для изготовления накладных элементов с отбортованными (закругленными) патрубками разработаны рабочие чертежи и изготовлена штамповая оснастка. Штамповая оснастка успешно прошла промышленные испытания в .

4. Основные результаты работы использованы при разработке стандартов предприятия, инструкций и методических рекомендаций по оценке и повышению остаточного ресурса конструктивных элементов с несплошностями. Часть из указанных нормативных материалов согласована компетентными надзорными органами.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленные в работе, докладывались на:

- научных семинарах «Работоспособность и технологичность нефтехимическая
промышленность" href="/text/category/himicheskaya_i_neftehimicheskaya_promishlennostmz/" rel="bookmark">нефтепромыслового оборудования и трубопроводов» (г. Салават, апрель 2005, 2006 и 2007 гг.);

- научно-техническом семинаре «Механика механохимического разрушения» (г. Уфа, ГУП «ИПТЭР», 2007 г.);

- на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти
, нефтепродуктов и газа» в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, май 2007 г.).

Диссертационная работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном научно-методическом совете отдела № 27 ГУП «ИПТЭР» (14 февраля 2008 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 49 научных трудах, в том числе в 6 монографиях и 10 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 244 наименования, и 12 приложений. Работа изложена на 271 странице машинописного текста, содержит 129 рисунков, 9 таблиц.

Достоверность результатов

Достоверность результатов подтверждена качественным и количественным соответствиями результатов теоретических исследований экспериментальным данным, полученным автором на разработанных экспериментальных стендах с использованием современной измерительной аппаратуры. Большинство предлагаемых автором технических решений подтверждены результатами натурных испытаний.

Некоторые результаты, полученные автором, согласуются с данными, полученными дру­гими авторами.

Большинство нормативных материалов согласовано органами Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Личный вклад автора

Постановка и решение задач данного исследования, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, руководство всеми этапами экспериментальных исследований, участие в их проведении и внедрении полученных результатов.

Промышленные испытания проведены в при непосредственном участии автора.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна, практическая ценность и личный вклад автора в получение основных результатов.

В первой главе рассмотрены основные причины нарушения безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования.

Сформулированы общие принципы и направления обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования на всех стадиях его жизненного цикла. Дана классификация основных видов несплошностей, обнаруживаемых при диагностике конструктивных элементов оборудования.

Несплошности условно разделены на технологические, конструктивные и эксплуатационные. К технологическим несплошностям отнесены, в основном, расслоения, обусловленные особенностями технологии производства заготовок для изготовления конструктивных элементов. Показано, что технологические несплошности часто возникают в биметаллических конструктивных элементах.

Конструктивные несплошности образуются между поверхностью усиливаемого элемента (обечайки, трубы и т. д.) и поверхностью привариваемого усилительного накладного элемента.

Эксплуатационные трещины могут возникать в конструктивных элементах в зонах с высокой степенью концентрации напряжений.

В литературе достаточно полно рассмотрены вопросы оценки ресурса конструктивных элементов с эксплуатационными несплошностями (, , и др.). Применительно к нефтегазовому оборудованию, в особенности с технологическими и конструктивными несплошностями, таких работ сравнительно мало.

В ряде случаев применение подходов механики разрушения для оценки ресурса оборудования, работающего под давлением, дает противоречивые данные.

Недостаточно сведений по оценке степени опасности и обеспечению остаточного ресурса оборудования с конструктивными несимметричными несплошностями. То же самое можно сказать о конструктивных элементах из биметаллов, соединениях сильфонных компенсаторов и др.

Вторая глава посвящена исследованиям механизма образования несплошностей. Разработаны теоретические основы оценки напряженного и предельного состояний конструктивных элементов оборудования с несплошностями.

Определены коэффициенты интенсивности напряжений для предложенных новых базовых моделей для оценки характеристики безопасности оборудования.

На основании теории тонких оболочек определены краевые силы и моменты, возникающие на концевых участках несплошностей. Базируясь на подходах теории пластичности, определены значения предельных давлений и напряжений в конструктивных элементах с несплошностями.

В ряде случаев величину КИН невозможно определять прямыми методами, применяемыми в механике разрушения. Кроме того, часто прямые аналитические методы базируются на достаточно жестких исходных допущениях.

Нами для оценки КИН в сложных моделях использован экспериментально-аналитический метод, который заключается в следующем. Для исследуемой модели подбирается соответствующая базовая модель, для которой известны величина КИН и соответствующая ей поправочная функция . Установлено, что в предельном состоянии для двух подобных моделей с несплошностями отношение их предельных нагрузок ( и предельные нагрузки исследуемой и базовой моделей) равно обратному отношению их поправочных функций . Тогда . Заметим, что параметр является важной характеристикой безопасности оборудования с конструктивными элементами, имеющими различные несплошности. В дальнейшем величину будем называть коэффициентом несущей способности. Очевидно, что . Испытания моделей с несплошностями легко реализуются на низкопрочных хрупких материалах (органическом стекле).

В работе предложены несколько новых базовых моделей, для которых величины КИН определяются прямыми аналитическими методами механики разрушения. Сущность этих методов заключается в следующем. Как известно, поток энергии в вершину несплошности G связан с КИН простыми уравнениями: - для плоской деформации и для плоского напряженного состояния. Здесь модуль упругости; коэффициент Пуассона. В предельном состоянии и , где и критические значения потока энергии и КИН. Для оценки потока энергии воспользуемся методом податливости Дж. Ирвина, согласно которому , где податливость модели при заданной длине несплошности . При этом , где смещение точки приложения силы для модели с заданной длиной несплошности. Величина определяется известными методами сопротивления материалов.

В общем виде величину КИН для основных базовых моделей с несплошностями можно представить как

, (1)

где относительная нагрузка, МПа; параметр рабочего сечения модели, м; поправочная функция (безразмерная). В предельном состоянии ( критический коэффициент интенсивности напряжений). С учетом этого условия находим предельную относительную нагрузку :

. (2)

К примеру, для базовой модели в виде двухконсольной балки (ДКБ-образца): ; ; ; . Здесь полагалось, что , в – толщина модели. Геометрические параметры ДКБ-образца видны из рисунка 1 (позиция 2).

Рисунок 1 – Зависимость поправочной функции от параметра (1) для ДКБ-образца (2)

Рост отношения приводит к интенсивному снижению и и тем самым к увеличению несущей способности модели с несплошностью. Модель, показанная на рисунке 2, а более адекватно отражает работу элементов оборудования с технологическими и конструктивными несплошностями. В дальнейшем эту модель будем называть разнотолщинной балкой с замкнутой несплошностью, или РБЗН-образцом.

В этом случае при параметры, входящие в формулу (1), равны: ; ; ; . Легко показать, что для БЗН-образца величина КИН меньше, чем для ДКБ-образца, почти в три раза.

Более подробнее рассмотрим случай, когда . Податливость определяется по формуле

. (3)

Дифференцируя (3) по , получаем:

. (4)

Подставляя (4) в формулу для оценки потока энергии , имеем:

. (5)

Так как , то с учетом (5) получаем:, где ; ; ; ; коэффициент разнотолщинности; . При из этих формул вытекают соответствующие выражения для балки с замкнутой несплошностью. Коэффициент разнотолщинности изменяется в пределах от 0,7 до 1,0 (рисунок 3, а).

Несущая способность РБЗН-образцов в большей степени зависит от рабочего сечения нижней составляющей балки (при ). При несущая способность РБЗН-образцов предопределяется степенью уменьшения рабочего сечения верхней составляющей балки.

Аналогичным образом получаем значения параметров формул (1) и (2) для разнотолщинной двухконсольной балки (РДКБ-образца): ; ; ; ; ; . При этом величина КИН для РБЗН-образцов .

Рисунок 3 – Зависимости и для РБЗН-образцов

В работе рассмотрены особенности напряженного и предельного состояний в окрестности вершины несплошностей. Показано, что несущая способность РБЗН-образцов при плоской деформации может быть в 1,65 раза больше, чем дают расчеты на основании формулы (2). Величина Q (рисунки 1, 2, а) определяется произведением давления в несплошности на площадь ее поверхности.

Необходимо рассмотреть нагружение отдельных частей модели распределенной нагрузкой , где Р − внутреннее давление в несплошности) в соответствии со схемами, приведенными на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схемы нагружения составляющих базовых моделей распределенной нагрузкой q

Рассмотрим особенности определения КИН для РДКБ-образцов при нагружении их распределенной силой q. Опуская промежуточные преобразования и подстановки, получаем: , где . Поправочная функция определяется так же, как и в случае нагружения РДКБ-образцов сосредоточенной силой Q. Показано, что в случае действия на РДКБ-образцы распределенной нагрузки величина КИН почти в 2,7 раза меньше по сравнению с величиной КИН при нагружении их сосредоточенной силой.

В случае проникновения в полость несплошности внутреннего давления (через сквозное повреждение, рисунок 5) нижняя часть РБЗН-образца оказывается в ненапряженном состоянии.

В ряде случаев корпуса оборудования изготовляют из двухслойных обечаек. При этом двухслойные обечайки (рисунок 6) могут изготовляться из сталей, имеющих различные модули упругости: . При этом они иногда изготавливаются без натяга с точной подгонкой двух обечаек (рисунок 7). В дальнейшем обечайки свариваются между собой по существующей технологии сварки. Необходимо отметить, что количество обечаек может быть и больше двух.

Рисунок 5 – Схема модели с несплошностью со сквозным повреждением

В этом случае:; . (6)

Вначале рассмотрим модель с замкнутой несплошностью, образованной двумя балками (рисунок 6).

Для простоты анализа будем полагать, что . В качестве модели примем балку с замкнутой несплошностью (рисунок 7).

Здесь полагается, что верхняя и нижняя части с толщинами Sн и Sв имеют различные модули упругости. При этом величина параметра С такова, что эта модель соответствует известной модели двухконсольной балки при Ен = Ев, для которой КИН определяется по формуле (2). Как и ранее, верхнюю и нижнюю части балки рассматриваем как жестко защемленные по торцам (рисунок 8).

Перемещение в точке приложения силы Q по аналогии с предыдущими решениями будет равным: , где и модули упругости верхней и нижней частей модели; У – момент инерции.