Раздел 2. Инженерные науки

Разработка способа определения ресурса трубопровода

с трещиноподобными дефектами

, УГТУ, аспирант, г. Ухта

Научный руководитель:

, УГТУ, доцент,

канд. техн. наук, доцент кафедры ПЭМГ, г. Ухта

Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию магистральных трубопроводов (МТ), следует рассчитывать ресурс каждой секции трубопровода. Понятия ресурс и долговечность какой-либо системы считаем эквивалентными. Ресурс – свойство объекта (в нашем случае линейной части МТ) сохранять работоспособность до наступления предельного состояния. Предельное состояние объекта устанавливается по критериям, указанным в нормативно-технической документации. [1]

Для МТ устанавливается два типа предельных состояний: 1) разрушение трубопровода (предельное состояние пластичности); 2) потеря несущей способности трубопровода (предельное состояние прочности). [2, 3]

На ресурс МТ большое отрицательное влияние оказывают разного типа дефекты – любые отклонения параметров объекта (системы) от норм, зафиксированных в технической документации. Среди разнообразных дефектов линейной части МТ особое внимание следует уделить исследованию трещиноподобных дефектов и их влиянию на прочность и долговечность труб.

К трещиноподобным дефектам отнесём: трещины; риски; трещиноподобные коррозионно-механические дефекты (стресс-коррозионное растрескивание; вызванное водородом растрескивание). Отметим, что коррозионно-механические дефекты испытывают комбинированное воздействие коррозии и растягивающих напряжений.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Предположим, что трещиноподобные дефекты представляют собой усталостные трещины или содержат усталостные трещины и что они развиваются (растут вглубь) из-за цикличной работы МТ (цикличности давления нагружения).

Геометрическими параметрами трещиноподобного дефекта, которые определяются в процессе диагностического исследования МТ, являются: длина (длина дефекта вдоль оси трубы) L, мм; ширина (длина дефекта в кольцевом направлении) W, мм; глубина H, мм.

Ресурс трубопровода определяется количественными параметрами – предельным сроком эксплуатации трубной секции с данным дефектом, год, или предельным числом циклов нагружения трубопровода внутренним давлением, цикл. Значения величин и вычисляются по методике, представленной в нормативном документе [2].

В данной работе предлагается способ использования нормативной методики из [2] с применением табличного процессора MS Excel для вычисления и, которые являются ключевыми показателями надёжности при планировании ремонтных работ, а также диагностических обследований на линейной части МТ.

Проблемой выполнения расчётов на долговечность труб с трещиноподобными дефектами является то, что скорость развития дефекта не постоянная величина и она изменяется с течением времени эксплуатации трубопровода.

В данной работе рассматривается скорость развития усталостной трещины в глубину (измеряется в мм/год или мм/цикл); длину и ширину дефектов считаем постоянными величинами, которые не изменяются вследствие цикличности работы МТ. Величину скорости обозначим, если она измеряется в мм/год, и, если она измеряется в мм/цикл. Связь между двумя этими величинами следующая:

(1)

где – прогнозируемое число циклов работы трубопровода в год, цикл/год, рассчитываемое по специальной методике.

Связь между величинами и следующая

(2)

а между величинами (время эксплуатации трубной секции, год) и (число циклов нагружения трубопровода давлением, цикл) –

(3)

Скорость определяется по формуле из [2]:

(4)

где – характерный размер металла, определяющий чувствительность материала к концентрации напряжений, мм; – показатель степени в уравнениях накопления повреждений при циклическом нагружении; – размах объёмной деформации для пульсирующего нагружения по компонентам локальных деформаций; – размах интенсивности деформаций для пульсирующего нагружения по компонентам локальных деформаций; – разрушающая интенсивность деформаций; – разрушающая объёмная деформация.

В расчётах следует увеличивать величину или введением коэффициента, который зависит от категории участка трубопровода:

(5)

По расчётной схеме поверхностной трещины производятся расчёты на прочность и определяется величина разрушающей глубины дефекта, мм, то есть то значение глубины усталостной трещины, при котором наступает предельное состояние трубопровода. Разница , где – глубина трещиноподобного дефекта на момент проведения диагностики с учётом поправки на размер дефекта, зависящей от типа дефектоскопического прибора, мм, выражает интервал, в пределах которого должно происходить развитие усталостной трещины в глубину с течением времени эксплуатации до наступления предельного состояния.

Прирост глубины дефекта , мм, из [2]:

(6)

где – расчётное давление, МПа,

,

(7)

где – коэффициент запаса по прочности трубы, зависящий от категории участка трубопровода; – проектное (внутреннее) давление, МПа; – поправка на возможное превышение рабочего давления при нестационарных режимах, МПа, или

(8)

Графическая интерпретация формулы (8) представлена на рисунке.

Рисунок – Графическая интерпретация формулы (8), где площадь под кривой равна значению разности

Задача расчёта – найти из уравнения (8), причём в функции величины – постоянные величины, а величина переменная и меняется от до. От величины зависят величины и из формулы (4).

Разбиваем процесс роста дефекта в глубину на шаги. Принимается величина шага, мм. Если, а и, то имеем ряд : 2,0; 2,2; 2,4; … 5,6; 5,8; 6,0 мм. Для каждого рассчитываем по формулам в порядке (4), (5), (1). В пределах каждого шага величину считаем постоянной. На каждом шаге рассчитываем прирост времени эксплуатации : После выполнения всех шагов суммируем и получаем, что где – число шагов.

При использовании «теоремы о среднем» определённого интеграла выводим формулу для вычисления средней скорости усталостной трещины в глубину вследствие цикличной работы трубопровода , мм/год:

(9)

Скорость предлагается использовать при прогнозировании развития трещиноподобного дефекта.

В то же время следует учитывать другие факторы, влияющие на рост трещиноподобных дефектов, например, коррозионный фактор, который тоже можно охарактеризовать величиной средней скорости развития дефекта в глубину, мм/год. Тогда запишем

(10)

где – скорость развития вглубь трещиноподобного дефекта вследствие цикличности работы трубопровода и коррозионного воздействия на металл трубы, мм/год.

Библиографический список:

1.  Трубопроводный транспорт нефти [Текст]: учебник для вузов в 2 т. – Т. 2. / [и др.]; под ред. . – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. – 621 с.: ил.

2.  РД-23.040.00-КТН-115-11. Нефтепроводы и нефтепродуктопроводы магистральные. Определение прочности и долговечности труб и сварных соединений с дефектами [Текст] / «Диаскан»; ТНН». – М.: «Транснефть», 2013. – 142 с.

3.  ВРД 39-1.10-004-99. Методические рекомендации по количественной оценке состояния магистральных газопроводов с коррозионными дефектами, их ранжирования по степени опасности и определению остаточного ресурса [Электронный ресурс] / Режим доступа: http: // www.docload. ru. – Загл. с экрана (дата обращения 05.03.2016).