 
|
 
|
а) трубы обычного исполнения б) трубы повышенной
эксплуатационной надежности
Рисунок 1 - Примеры микроструктур
Для труб повышенной эксплуатационной надежности одним из важных показателей, помимо абсолютных значений показателей структурной зернистости, является разброс этих значений. На рисунке 2 приведены гистограммы разброса значений размера зерна для труб обычного исполнения и труб повышенной эксплуатационной надежности.
а) трубы обычного исполнения б) трубы повышенной эксплуатационной
(среднеквадратическое отклонение s = 1,31) надежности (s = 0,77)
Рисунок 2 - Гистограммы разброса значений размера зерна
При проектировании нефтепроводов нового поколения, предназначенных для эксплуатации в сложных природных условиях (например при пересеченном рельефе местности), закладывается большое количество криволинейных участков, расположенных в различных плоскостях.
В связи с высокой изгибной жесткостью труб, обусловленной большими диаметрами и значительными толщинами стенок, возможность использования холодного гнутья труб непосредственно на трассе при изготовлении гнутых отводов ограничена. Поэтому больший удельный вес приходится на отводы горячего гнутья заводского изготовления.
Особенностью напряженно-деформированного состояния криволинейных участков эксплуатируемых нефтепроводов являются их продольные и поперечные перемещения под действием положительного температурного перепада и внутреннего давления. Наибольшие перемещения трубопровода происходят на выпуклых участках рельефа. Увеличение температурного перепада и внутреннего давления приводит к росту перемещений трубопровода. СНиП 2.05.06-85* при проверке прочности подземных трубопроводов требует определения максимальных суммарных продольных напряжений от всех нагрузок и воздействий с учетом поперечных и продольных перемещений трубопровода. Однако до последнего времени нормативные документы, основанные на методиках определения продольных напряжений на криволинейных участках подземного трубопровода в соответствии с требованиями СНиП 2.05.06-85* и включающие рекомендации по выбору конструктивных решений на стадии проектирования, отсутствовали.
На основе результатов проведенного исследования разработана методика расчета продольных напряжений с учетом поперечных и продольных перемещений трубопровода, возникающих под действием температурного перепада и внутреннего давления. Разработанная методика нашла отражение в руководящем документе «Типовые решения по выбору конструкций криволинейных участков подземных нефтепроводов».
В документе приведены вертикальные углы поворота трубопроводов на выпуклых криволинейных участках, конструктивно выполняемых отводами горячего гнутья и холодногнутыми отводами с прямой вставкой между ними и упругим изгибом трубопровода. Даны оптимальные длины прямых вставок между гнутыми отводами, при которых обеспечиваются минимальные продольные напряжения для заданных нагрузок и воздействий.
В соответствии с разработанной методикой максимальные суммарные продольные напряжения 
, продольное усилие N и изгибающий момент М определяются по формулам:
- при конструктивном выполнении углов поворота отводами заводского изготовления:
, (1)
, (2)
; (3)
- при конструктивном выполнении углов поворота упругим изгибом:
, (4)
, (5)
, (6)
где v - коэффициент Пуассона материала труб;
- кольцевое напряжение в стенке трубы;
W - момент сопротивления поперечного сечения трубопровода;
F - площадь поперечного сечения трубы;
Е - модуль упругости металла трубы;
Dн - наружный диаметр трубы;
- радиус упругого изгиба оси трубопровода;
J - момент инерции сечения трубопровода;
- угол поворота трубопровода;
q – сопротивление вертикальным поперечным перемещениям трубопровода;
А0 - амплитуда начального упругого изгиба трубопровода при его укладке по рельефу дна траншеи (А0 совместно с длиной волны начального упругого изгиба 
и радиусом составляют параметры укладки трубопровода при его сооружении);
- безразмерный параметр сжимающего усилия, определяемый в зависимости от температурного перепада, внутреннего давления, продольных и поперечных перемещений трубопровода, конструкций угла поворота;
- безразмерный параметр изгибающего момента, определяемый в зависимости от тех же величин, что и параметр .
Для вычисления параметров и получены расчетные формулы, которые приведены в указанном выше руководящем документе.
Проверка прочности трубопровода проводится в соответствии с СНиП 2.05.06-85*.
На рисунках 3 - 6 представлены результаты расчета трубопровода наружным диаметром 1220 мм и толщиной стенки 20 мм.
Как видно из рисунка 3, увеличение угла поворота трубопровода и температурного перепада приводит к существенному росту суммарных продольных напряжений. Сравнение результатов расчета по рисункам 3 и 4 показывает, что разбивка одного угла на два с использованием между гнутыми отводами прямой вставки позволяет существенно снизить напряжения в трубопроводе.
Расчеты показали, что для каждого конкретного случая имеется оптимальная длина прямой вставки, при которой суммарные продольные напряжения минимальны. Полученные аналитические зависимости позволяют путем расчета найти оптимальную длину вставки.
На рисунке 5 приведены графики зависимости оптимальной длины вставки от значений угла поворота и температурного перепада.
На рисунке 6 даны графики зависимости продольных напряжений в трубопроводе на упругоизогнутых участках от температурного перепада и амплитуды А0 начального упругого изгиба при укладке по рельефу местности. Увеличение температурного перепада и амплитуды начального упругого изгиба приводит к росту продольных напряжений. Анализ показал, что наиболее существенное влияние на возникающие при эксплуатации дополнительные продольные напряжения оказывает радиус упругого изгиба трубопровода по рельефу местности. Как видно из приведенных данных, выполнение требований СНиП 2.05.06-85* в части допустимого минимального радиуса упругого изгиба оси трубопровода в ряде случаев не обеспечивает условия прочности. В этих случаях следует выполнить проверочный расчет по предлагаемой методике и из условия прочности определить допустимый минимальный радиус упругого изгиба трубопровода.
Рисунок 3 – Графики зависимости s |
1, 2 – крутоизогнутый отвод; 3, 4 – холодногнутый отвод | ||||
1 – холодногнутый отвод; 2 – два холодногнутых отвода с прямой вставкой оптимальной длины между ними | Рисунок 4 – Графики зависимости s |
, МПа
от 2j при различных значениях Dt и радиусов изгиба отводаОдним из технических решений, позволяющих снизить объем разлившейся нефти и ущерб окружающей среде, является размещение на линейной части магистральных трубопроводов запорной арматуры, ограничивающей самотечно опорожняемый участок при повреждении трубопровода. Эффективность использования запорной арматуры для снижения объема выхода нефти из трубопровода зависит от координат ее размещения по трассе.
|
Рисунок 5 – Графики зависимости оптимальной длины прямой вставки 2bопт от значений угла поворота 2j при различных температурных перепадах Dt |
| ||
| |||
| Рисунок 6 – Графики зависимости s | ||
СНиП 2.05.06-85* регламентирует установку запорной арматуры на магистральных нефтепроводах
без учета продольного и поперечного профилей местности, по которой прокладывается нефтепровод. Известная методика ГУП «ИПТЭР» по оптимальному размещению арматуры на магистральных нефтепродуктопроводах направлена на уменьшение среднего самотечного стока продукта при авариях. Вместе с тем при равных объемах выхода нефти в окружающую среду ущерб от аварии будет различным в зависимости от «уязвимости» участков к загрязнению.
В диссертации предложена методика оптимального размещения запорной арматуры на линейной части магистральных нефтепроводов, где за критерий оптимальности принят минимальный экологический ущерб окружающей среде.
Проведенные расчеты показали, что при оптимальном размещении запорной арматуры на линейной части магистрального нефтепровода по критерию экологического ущерба возможный экологический ущерб примерно на 37 % меньше по сравнению с расчетами по критерию минимального объема стока.
Третья глава посвящена разработке методики вероятностного анализа безопасности проектных решений.
В законе «О техническом регулировании», введенном в действие в июле 2003 г. использовано понятие риска. В соответствии со ст. 2 этого закона риск – вероятность причинения вреда жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений с учетом тяжести этого вреда.
Понятие риска переводит безопасность в разряд измеряемых категорий. Общегосударственные нормативные документы практически всех промышленно развитых стран, в том числе и России, предписывают необходимость проведения анализа риска, но не определяют методы анализа, оставляя за эксплуатирующими организациями право создания собственных нормативов, которые должны учитывать требования общегосударственных стандартов.
Решение проблемы повышения безопасности МН предлагается осуществить посредством:
- формулировки количественных критериев (уровней) показателей безопасности;
- анализа, оценки и подтверждения соответствия характеристик МН установленным (нормативным) значениям уровней показателей безопасности с использованием вероятностных методов, учитывающих свойства объектов МН, влияние человеческого фактора, а также тенденций изменения безопасности на протяжении жизненного цикла МН.
В России количественный метод оценки риска с привлечением вероятностных подходов в наиболее развитом виде нашел применение в атомной энергетике и известен как ВАБ – вероятностный анализ безопасности. Метод рассматривает все возможные случаи аварии при какой-либо деятельности и оценивает вероятность (частоту) каждого такого события и связанные с ним последствия.
ВАБ является системным подходом к выполнению расчетного анализа событий, непосредственно связанных с безопасностью потенциально опасных объектов при их проектировании, сооружении и эксплуатации (т. е. на всех этапах их жизненного цикла с учетом действий персонала). ВАБ апробирован на объектах атомной энергетики, и его использование представляется перспективным при оценке безопасности МН.
Суть методологии ВАБ применительно к МН на стадии проектирования формулируется следующим образом:
- выявление исходных событий и коренных причин аварий на объектах МН (на основе анализа статистики аварий и тяжести их последствий);
- моделирование сценариев развития аварий с учетом работы систем предотвращения аварий (систем безопасности), предусмотренных проектом, и действий персонала;
- определение «узких мест» и внесение предложений в части организационно-технических мероприятий, препятствующих неблагоприятному развитию аварийных ситуаций.
Концепция применения методологии ВАБ, определяющая общую стратегию обеспечения безопасности в отрасли магистрального нефтепроводного транспорта, основные принципы и решаемые в ее рамках задачи, включают:
- признание невозможности полного устранения риска;
- рассмотрение МН как сложной технической системы, обладающей многоуровневой защитой от аварий;
- проведение классификации по безопасности участков и объектов МН;
- предъявление дифференцированных требований к показателям в зависимости от класса безопасности;
- анализ гипотетических сценариев развития аварии (аварийных последовательностей);
- расчет вероятностей их реализации и оценка риска.
Стратегической целью ВАБ является обеспечение социально приемлемого уровня риска от коммерческого использования МН за счет комплексной системы организационно-технических мероприятий в условиях ограничения технических и финансовых ресурсов.
Результатом ВАБ МН на стадии проектирования являются предложения и рекомендации, реализуемые на последующих стадиях жизненного цикла МН, которые включают:
- внесение изменений в конструкцию и алгоритмы функционирования объекта, направленных на снижение вероятности выявленных отказов до приемлемого уровня или на повышение устойчивости функционирования объекта в случае их возникновения, или на введение защиты от наиболее тяжелых последствий отказов;
- замену применяемых материалов и комплектующих изделий;
- введение дополнительных средств контроля, диагностирования и индикации отказов, регламентов проверки технического состояния и технического обслуживания объектов в эксплуатации;
- введение в технологию строительства объекта специальных мер по предупреждению, выявлению и устранению дефектов «критичных» элементов (повышение стабильности техпроцессов, введение дополнительных контрольных процедур, ужесточение программ отбраковки скрытых дефектов и т. д.);
- внесение в инструкции по эксплуатации соответствующих правил поведения обслуживающего персонала при возникновении критических или катастрофических отказов, направленных на минимизацию их последствий.
Для достижения сформулированной цели ВАБ нефтепроводы предлагается классифицировать по следующим классам безопасности.
· Низкий класс безопасности, где отказ подразумевает возникновение несущественного риска нанесения ущерба жизни и здоровью людей и незначительные экологические или экономические последствия.
· Нормальный класс безопасности, где в случае отказа риск нанесения ущерба жизни и здоровью людей невысок, но возможен значительный ущерб природной среде или заметные экономические или политические последствия.
· Высокий класс безопасности, где отказ связан с риском причинения ущерба жизни и здоровью людей, значительным ущербом природной среде или очень значительными экономическими или политическими последствиями.
· Очень высокий класс безопасности, где отказ связан с высоким риском причинения ущерба жизни и здоровью людей, значительным ущербом природной среде или очень значительными экономическими или политическими последствиями.
Класс по безопасности присваивается как трубопроводу в целом, так и отдельным его участкам.
В зависимости от назначенного класса безопасности нефтепровода определяется допустимое (нормируемое) значение вероятности отказов:
, (7)
где k – показатель, зависящий от класса безопасности (10-3…10-6);
n – показатель, характеризующий опасность перекачиваемого продукта;
λ – коэффициент интенсивности отказов, уточняемый по статистическим данным и характеризующий технический уровень оцениваемого нефтепровода;
р – численное значение фактического рабочего давления в нефтепроводе (на участке) в атм.;
D – численное значение номинального диаметра трубопровода (участка) в метрах.
Для формирования допустимого количественного значения риска введены понятия проектной и запроектной аварий.
Проектная авария – авария, для которой проектом определены исходные и конечные состояния, а также предусмотрены системы безопасности, обеспечивающие ограничение последствий аварии установленными пределами.
Запроектная авария – авария, вызываемая не учитываемыми для проектных аварий исходными состояниями и сопровождающаяся дополнительными по сравнению с проектными авариями отказами систем безопасности и ошибочными действиями персонала, приводящими к тяжелым последствиям.
В результате обобщения отечественного и зарубежного опыта эксплуатации нефтепроводных систем предложены следующие значения допустимых (нормируемых) количественных показателей:
- проектные аварии – аварии, которые могут произойти с частотой до уровня 10-4 1/(км × год);
- запроектные аварии – аварии, которые могут произойти с частотой от 10-4 до 10-8 1/(км × год);
- аварии с вероятностью менее 10-8 1/(км × год) относятся к области практически невероятных событий.
В результате проведенных расчетов предложена система предупреждающих, защитных и локализующих технических решений и организационно-технических мероприятий, позволяющих повысить безопасность и снизить риск возникновения аварий на магистральных нефтепроводах.
Предложенный подход к оценке безопасности был применен при проектировании нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий океан» (ВСТО) на участке его прохождения вдоль озера Байкал.
а - без применения дополнительных технических решений;
б - с применением дополнительных технических решений
Рисунок 7 - Распределение частоты аварий по трассе нефтепровода
На рисунке 7 показаны результаты расчета частоты аварий, выполненного по методологии вероятностного анализа безопасности для участка нефтепровода, проложенного по территории с повышенной сейсмической активностью, с применением и без применения дополнительных технических решений. В данном примере в качестве дополнительных технических решений применены трубы повышенной эксплуатационной надежности, повышена категорийность участков при проектировании, реализован мониторинг технического состояния стенок труб.
Из приведенных данных видно, что применение дополнительных технических решений позволяет достигнуть таких значений вероятностей возможных аварий, которые позволяют отнести их к категории запроектных.
В четвертой главе на основе анализа современных методов и средств технической диагностики МН изложены основные подходы по усовершенствованию диагностики и оценки технического состояния. В зависимости от этапа жизненного цикла нефтепроводов различают техническое диагностирование МН, законченных строительством; нефтепроводов, находящихся в эксплуатации; нефтепроводов, находящихся в состоянии консервации или режиме содержания в безопасном состоянии. В зависимости от указанной классификации предложены различные виды технического диагностирования нефтепроводов.
На магистральных нефтепроводах, законченных строительством, применяются внутритрубная диагностика (ВТД) (профилеметрия и дефектоскопия) и электрометрическая диагностика (контроль изоляции методом катодной поляризации) линейной части и переходов через естественные и искусственные преграды, включая подводные переходы (послестроительная диагностика).
На магистральных нефтепроводах, находящихся в эксплуатации, применяются внутритрубная диагностика (профилеметрия и дефектоскопия) линейной части и переходов через естественные и искусственные преграды; наружная диагностика методами неразрушающего контроля камер пуска и приема средств очистки и диагностики (КПП СОД), соединительных деталей, приварных элементов и ремонтных конструкций, емкостей сбора нефти с КПП СОД; акустико-эмиссионный контроль участков и элементов линейной части и подводных переходов, на которых в силу их конструктивных особенностей внутритрубная диагностика неосуществима; измерение глубины залегания нефтепровода и определение планового положения его конструктивных элементов; электрометрическая диагностика линейной части.
На магистральных нефтепроводах, находящихся в состоянии консервации или режиме содержания в безопасном состоянии, используются электрометрическая диагностика; измерение глубины залегания нефтепровода и измерение отклонений осей КПП СОД от проектных значений, планового положения и просадки емкостей сбора нефти с КПП СОД.
Планирование интервалов между диагностическими обследованиями существенно влияет на показатели безопасности эксплуатируемого нефтепровода.
В этой связи для линейной части нефтепроводов предложена методика интегральной оценки работоспособности участка в целом, учитывающая его текущее и прогнозное техническое состояние. В основу методики положена оценка рисков, учитывающая параметры трубопровода (геометрические параметры трубопровода, труб и сварных соединений, свойства материалов, дефектность, наличие остаточных напряжений и деформаций), условия эксплуатации (режимы нагружения и воздействия внешней среды), уязвимость участков, по которым проложен трубопровод, параметры транспортируемого продукта, механизмы и скорости развития дефектов, погрешности диагностических обследований.
В соответствии с предложенной методикой прогнозная кинетика изменения параметров трубопровода и условий эксплуатации участка трубопровода отражается функциями интенсивности социальных lRN(t), экологических lRO(t) и технико-экономических lRT(t) рисков.
Наименьший срок, при котором расчетная интенсивность риска становится равной допустимой величине социальных, экологических или технико-экономических рисков (lR = [lR]), определяет срок безопасной эксплуатации участка, в течение которого должны быть проведены диагностические или компенсирующие мероприятия на участке трубопровода.
Предельно допустимые уровни социальных и экологических рисков регламентируются общими и специальными техническими регламентами. Предельно допустимые уровни социальных и экологических рисков являются ограничениями, а приемлемый, с точки зрения эксплуатирующей организации, уровень технико-экономических рисков рассчитывается по методологии вероятностного анализа безопасности с учетом затрат на техническое обслуживание и определяет целевую функцию, которую необходимо минимизировать. Таким образом, допустимые величины рисков являются факторами технико-экономическими (по аналогии с допускаемыми напряжениями при всех видах расчетов на прочность и несущую способность).
Технико-экономический риск RT (как функция времени t) зависит от выбранной программы ремонтно-восстановительных работ, определяемой набором затрат Зр на ремонтные работы.
В технико-экономических рисках находит свое отражение экономический ущерб, имеющий следующую структуру:
- полные финансовые потери эксплуатирующей организации (вышедшее из строя оборудование и потери перекачиваемого продукта);
- расходы на мероприятия по ликвидации последствий аварии;
- социально-экономические затраты, связанные с травмированием и гибелью людей (компенсационные выплаты);
- экологический ущерб (сумма ущербов от различных видов вредного воздействия на объекты окружающей природной среды);
- косвенный ущерб (убытки простоя производства, неустойки, штрафы и пени);
- потери государства от выбытия трудовых ресурсов (исходя из национального / регионального дохода по отрасли с учетом средней заработной платы на предприятии).
По результатам проведения диагностических обследований проводится корректировка расчетных параметров трубопровода и уровней интенсивностей риска lR(t), что влечет за собой уточнение программ диагностики и ремонта трубопровода.
Программы диагностики и ремонта определяются сроками, методами и объемами (Зд и Зр) диагностических и ремонтных работ. Частое проведение диагностики, равно как и увеличение объемов ремонтных работ вплоть до устранения всех выявленных дефектов, уменьшает ожидаемый риск, но приводит к увеличению эксплуатационных затрат, а продление междиагностических периодов связано с ростом рисков.
Предложенная методика позволяет экономически обосновать программу диагностики и ремонта, оптимизирующую суммарные затраты З(t) за период времени t. Задача состоит в поиске минимума функции удельных затрат 
при соблюдении ограничений по уровням социальной и экологической безопасности (lRN < [lRN], lRO < [lRO]).
Реализация данной методики позволяет определить время, соответствующее минимуму функции 
, которое задает оптимальный срок следующей диагностики (рисунок 8).
В результате проведенного исследования установлено, что оптимальные сроки, объемы и методы диагностики и ремонта существенным образом зависят от параметров трубопровода, условий эксплуатации, уязвимости участков, по которым проложен трубопровод, характеристик транспортируемого продукта, механизмов и скорости развития дефектов, погрешностей диагностических обследований.
 |
 |
Рисунок 8 - Определение оптимального срока диагностики
магистрального нефтепровода
В этой связи, в отличие от существующих подходов к назначению сроков с фиксированной периодичностью, оптимальные программы диагностики и ремонта должны быть индивидуальны для нефтепровода в целом и каждого его участка в отдельности. Предложенная методика позволяет осуществить формирование оптимальной программы диагностики и ремонта с учетом ожидаемых социальных, экологических и технико-экономических рисков и затрат на ремонтные работы, проводимые в междиагностический период.
Пятая глава посвящена исследованию и разработке методов расчета трубопроводов на прочность и долговечность с учетом фактического уровня дефектности.
В основу методик расчета на прочность и долговечность труб с учетом фактического уровня дефектности положены результаты экспериментальных исследований прочности и долговечности натурных образцов труб с естественными и искусственными дефектами типа «риска», «трещина», «потеря металла». В качестве исходных данных для расчета используются механические характеристики металла труб и сварных соединений эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, определенные по результатам испытаний стандартных и специальных образцов на статическое растяжение, малоцикловую усталость, ударный изгиб, статическую и циклическую трещиностойкость, а также результаты исследований структурного состояния основного металла и металла сварных соединений.
Теоретическую базу и методологию оценки работоспособности трубопроводов с дефектами составляют:
- единый метод расчета конструкций с дефектами на прочность и долговечность, использующий энергетические критерии прочности и устойчивости, а также деформационные критерии механики разрушения;
- упругопластические решения по определению напряженно-деформированного состояния поврежденной трубы при различных нагрузках;
- положения нормативно-технических и методических документов, определяющих порядок расчетов прочности и долговечности, выбор показателей надежности конструкций с дефектами, выявленными в результате диагностических обследований;
- система коэффициентов запаса, учитывающая последствия отказа, а также разброс значений по свойствам металла, по погрешности определения размеров дефектов при диагностических обследованиях, по значениям прогнозируемых скоростей роста дефектов.
Разработанные методы предназначены для расчетов на прочность и долговечность труб, классификации дефектов по степени опасности, определения предельных рабочих давлений и предельных сроков устранения дефектов по результатам диагностики магистральных и технологических нефтепроводов при оценке их работоспособности.
Анализ основных положений и области применения существующих нормативно-методических документов позволил сформулировать основные требования к разрабатываемым методикам расчета труб и сварных соединений с дефектами на прочность и долговечность. В качестве исходных данных для расчета используются реальные значения внешних нагрузок, фактические свойства металла труб и сварных соединений, результаты комплексной диагностики по выявлению формы, размеров и расположению дефектов.
В работе предложен общий методологический подход к расчету. Разработанный метод расчета на прочность и долговечность труб и сварных соединений с дефектами позволяет определять предельное (разрушающее) давление (расчет на прочность) в зависимости от срока эксплуатации с учетом деградации свойств металла, накопления повреждений, кинетики развития дефектов (расчет на долговечность). В качестве предельных состояний принимаются условия достижения предельной прочности и предельной пластичности.
Условие предельной прочности формулируется как
, (8)
где ei – интенсивность деформаций; e0 – объемная деформация; eiu и e0u – соответственно предельная интенсивность деформаций и предельная объемная деформация; je – угол подобия девиатора деформаций.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
