Методика оценки ресурса основного металла труб

Описание
конкурсной работы «Методика оценки ресурса основного металла труб
магистральных трубопроводов»
Актуальность. Надежность и безопасность таких трубопроводов
напрямую зависит от качества проводимых обследований и эффективности
выполнения ремонтных работ. Особо остро вопросы оценки технического
состояния
и
проведения
ремонтных
работ
стоят
для
длительно
эксплуатируемых трубопроводных систем. Разработка и внедрение методов,
позволяющих получить представление не только о наличии дефектов, но и об
остаточном ресурсе металла является актуально задачей, решение которой
позволит существенно повысить эффективность планирования и выполнения
ремонтных работ.
Область
применения.
Результаты
разработки
могут
быть
использованы:
- при проведении экспертизы промышленной безопасности объектов
транспорта углеводородного сырья (в том числе для обоснования продления
срока эксплуатации);
- в составе комплексного диагностического обследования объектов
линейной части;
- при выполнении предремонтного диагностического обследования;
- при предпроектном сборе исходных данных (капитальный ремонт);
- для определения протяженности заменяемых фрагментов при
выполнении внеплановых и аварийных ремонтов;
- при уточнении категории труб повторного применения в трассовых и
заводских условиях.
Новизна. Разработанная методика оценки ресурса основного металла
труб магистральных трубопроводов базируется на неразрушающем методе
контроля – измерении твердости с малой нагрузкой. Метод реализуется
1
широко распространенными портативными приборами – ультразвуковыми
твердомерами. На сегодняшний день методов оценки ресурса металла труб,
реализуемых в трассовых условиях без необходимости разрушать испытуемый
материал, не существует.
Ход
исследований.
Основной
количественной
характеристикой,
используемой для оценки работоспособности металла труб при реализации
предлагаемой методики, является дисперсия многократно измеренной (не
менее 100 раз) S2, HB2 твердости с малой нагрузкой (ТМН). Из ряда смежных
работ известно, что на дисперсию ТМН может оказывать влияние ряд
факторов, таких как напряженное состояние, температура проведения
испытаний и т. д.
Для исследования ограничений метода и изучения возможности его
применения для оценки ресурса металла проводились экспериментальные
исследования, реализованных в несколько этапов:
- лабораторные испытания по исследованию влияния различных
факторов на особенности распределения значений ТМН;
- исследование зависимости между значениями дисперсии ТМН и
значениями ударной вязкости трубных сталей;
- проведение ресурсных испытаний (лабораторных и стендовых).
В ходе первого этапа работ исследовалось влияние механических
напряжений на распределение значений ТНМ и времени протекания
изменений.
Для изучения степени однородности изменения распределения значений
ТМН
испытуемого
объекта
под
действием
нагрузок
на
образцах,
изготовленных из трубной стали отмечали по 4 зоны контроля, по которым
производили многократное (не менее 100 раз) измерение твердости с малой
нагрузкой (ТМН) равномерно по всей поверхности, затем к образцам
прилагалась
нагрузка,
создающая
в
металле
статическое
одноосное
напряжение σ = 250 МПа. После снятия нагрузки повторно проводили
2
многократное измерение ТМН по всем зонам контроля. Результаты испытаний
представлены на рис. 1.
Установлено, что при нагружении до 0,7σ0,2 в испытуемом металле
происходит изменение значений параметров распределения ТМН, характер
изменения дисперсии ТМН однороден по всему объему металла.
Рис. 1. Изменение дисперсии ТМН под действием статической нагрузки
Определение характера изменения значений параметров распределения
ТМН
нагруженном
образце
во
времени.
Перед
началом испытания
многократно (не менее 100 раз) измеряли ТМН по всей поверхности образцов.
Далее к образцам прикладывалась нагрузка, создающая в металле статическое
одноосное напряжение σ = 250 МПа. Сразу после приложения нагрузки и
далее с шагом в 10 минут и проводились повторные измерения ТМН по
поверхности. Полученная экспериментальная зависимость представлена на
рис. 2.
Рис. 2. Изменение дисперсии ТМН в присутствии механических напряжений в
испытуемом металле во времени
3
Установлено, что изменение значений параметров распределения ТМН
происходит сразу после приложения нагрузки к образцу, рост значений
дисперсии ТМН наблюдается полчаса, после чего стабилизируется.
Оценка степени влияния напряжений в испытуемом металле на
распределение ТМН в зоне упругих деформаций. После многократного
измерения ТМН образцы нагружали поэтапно, напряжения в металле образцов
увеличивались с шагом в 30 МПа. На каждом этапе нагружения образцов с
получасовым интервалом многократно измеряли ТМН. Результаты испытаний
с использованием образцов представлены на рис. 3.
Обнаружена линейная зависимость между величиной напряжений в
металле и дисперсией ТМН.
Рис. 3. Зависимость значений дисперсии ТМН от напряжений в образце
Исследование изменения дисперсии ТМН для случая приложения
статической нагрузки с последующим разгружением. Испытания проводили в
следующем порядке: многократно измеряли ТМН по всей поверхности
образцов, поэтапно нагружали образец, а после заданного максимума начали
пошаговое снятие нагрузки. Шаг нагружения (разгружения) – 30 МПа,
интервал изменения нагрузки и измерения ТМН – 30 минут. Максимальная
величина напряжений в металле образцов, созданных в ходе испытаний σ =
250 МПа. Результаты испытаний представлены на рис. 4.
Установлено, что изменение значений параметров распределения ТМН
носит
обратимый
характер.
Значения
дисперсии,
определяемые
по
4
результатам
многократного
измерения
ТМН,
увеличивались
в
ходе
нагружения образцов, а по ходу поэтапного снижения нагрузки наблюдалось
уменьшение её значений.
Рис. 4. Изменение значений дисперсии ТМН при поэтапном нагружении
образцов с последующим снятием нагрузки
В ходе второго этапа исследований изучалась связь между значениями
дисперсии ТМН и ударной вязкостью.
Для
проведения
испытаний
из
фрагментов
основного
металла
магистральных трубопроводов бывших в эксплуатации разное время было
изготовлено 18 образцов для испытаний на ударный изгиб. Марка стали –
17Г1С. На образцы наносился концентратор U-типа. Разделенные на 3 группы
по температуре проведения испытаний (20 оС – группа 1, 0 оС – 2 группа и
минус 40 оС – 3 группа) образцы были испытаны на ударный изгиб согласно
ГОСТ 9454-78. Все образцы были разрушены, результаты испытаний
представлены в табл. 1.
Табл. 1. Результаты испытаний на ударный изгиб
Номер
1 (20 оС)
2 (0 оС)
3 (минус 40 оС)
группы
Номер
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
образца
KCU,
94 90 88 97 91 87 47 53 54 79 83 84 45 40 26 76 76 80
Дж/см2
После испытаний на ударный изгиб по поверхности каждой части всех
разрушенных
образцов
многократно
измеряли
ТМН.
Результаты
5
сопоставления значений дисперсии ТМН на удалении от излома со
значениями ударной вязкости образцов представлены на рис. 7.
 - группа 1; ■ – группа 2; ▲ – группа 3
Рис. 7. Зависимость дисперсии ТМН от значений ударной вязкости
Установлены линейные зависимости дисперсии от ударной вязкости,
определенной
при
положительных
температурах
(группа
1
и
2),
коэффициенты достоверности аппроксимации R2 равны 0,9088 и 0,8689
соответственно.
Для подтверждения достоверности полученных результатов необходимо
оценить однородность материала испытуемых образцов, для этого проверим
принадлежность всех выборок значений твердости единой генеральной
совокупности. Для этого воспользуемся непараметрическим критерием
Краскела-Уоллиса.
Статистикой критерия Краскела-Уоллиса служит величина
m R2
12
H=
( ∑ i )-3(n+1),
n(n+1) i=1 n i
(1)
где Ri - сумма рангов i-й выборки.
Правильность подсчета ранговых сумм Ri контролируют по формуле:
m
1
∑ R i = n(n+1).
2
i=1
(2)
Величина Н при n1 > 5 и m > 4 распределена по закону χ2 с k=m – 1
степенями свободы.
6
В случае выполнения неравенства
H ≤ χα2 ,
(3)
нулевую гипотезу о тождественности генеральных распределений, из которых
взяты
выборки,
не
отвергают.
В
противном
случае
принимают
альтернативную гипотезу о неоднородности совокупностей. В дальнейшем
путем отбрасывания резко выделяющихся выборок, для которых ранговые
суммы чрезмерно малы или велики, на основании условия (3) можно
выделить однородную группу выборок.
Задавшись уровнем значимости α = 0,05 при общем числе в 1800
измерений твердости, соответствующих 18 образцам (выборкам) определили
критическое значение χ20,05 = 35,7.
Установлено, что выборки значений твердости, соответствующие 1 и 2
группе образцов принадлежат единой генеральной совокупности, значения
твердости по 3 группе образцов были исключены в ходе вычислений как
несоответствующие.
последующих
На
основании
аналитических
результатов
исследований
с
экспериментов
применением
и
методов
математической статистики можно сделать вывод о том, что существует
сильная связь между значениями дисперсии ТМН для трубных сталей,
испытанных при положительных температурах.
В рамках того же этапа исследований изучалось влияние температуры
металла в момент измерения ТМН на результаты оценки дисперсии. Для
проведения измерений использовались образцы металла, изготовленные из
фрагментов магистрального газопровода диаметром 1420 мм и толщиной
стенки 15 мм, находившегося в эксплуатации, марка стали 17Г1С.
Доведение
испытуемого
образца
до
температуры
измерения
производилось в условиях пониженной температуры воздуха окружающей
среды. Образец выдерживался при температуре испытания не менее получаса.
Контроль
за
значением
температуры
осуществлялся
с
помощью
лабораторного термометра ТЛ-50 с диапазоном измерения от минус 30 оС до
плюс 40 оС, цена деления шкалы 0,2 оС.
7
После подготовки поверхности и выдержки образца при температуре
измерения производили измерения твердости с малой нагрузкой в течение 100
раз
для
каждого
значения
температуры.
Измерения
осуществлялись
равномерно по всей площади образца, что обеспечивалось плавным
перемещением датчика прибора по поверхности.
В ходе испытаний были измерены значения ТМН для разных температур
с последующей оценкой дисперсии (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость дисперсии ТМН от температуры объекта контроля
Результаты экспериментов были проанализированы с применением
методов математической статистики (критерий Колмогорова-Смирнова).
Задавшись уровнем значимости α = 0,05, произвели сравнение всех выборок
значений твердости, полученных в ходе проведения испытаний, друг
относительно друга. Проверка производилась с использованием табличного
редактора и заранее составленной программы. Гипотеза о принадлежности
двух выборок единой генеральной совокупности была отвергнута дважды: для
значений твердости, измеренных при минус 24 оС и минус 27 оС. Это
подтверждает предположение о том, что при низких температурах происходят
изменение свойств материала, которое регистрируется прибором.
Из вышесказанного можно сделать несколько выводов:
8
- изменение температуры испытуемого объекта сказывается на
результатах тестирования ТМН только при низких температурах (ниже минус
20 оС);
- для оценки функционального состояния металла трубопроводов
необходим контроль температуры элемента при проведении измерений;
- дисперсия распределения твердости с малой нагрузкой может быть
параметром, чувствительным к процессам, происходящим в структуре металла
при низких температурах. По результатам испытаний при различных
температурах разработан способ определения температуры хладноломкости
(пат. 2535642).
Задачей третьего этапа исследований было проведение ресурсных
испытаний: с использованием полноразмерного стенда и с использованием
образцов металла.
Для стендовых испытаний в качестве объекта использовалась труба,
которая в течение 30 лет проработала в составе магистрального газопровода.
Диаметр трубы – 1420 мм, толщина стенки - 16,7 мм, длина - 5 м. Марка
стали - 09Г2ФБ. Для проведения измерений ТМН выделены три зоны: зона 1
расположена на удалении в 52 мм от продольного сварного шва, на удалении в
30 мм от зоны контроля присутствует сетка мелких трещин длиной 2-3 мм.
Зона 2 и зона 3 расположены на бездефектных участках: зона 2 на расстоянии
373 мм от сварного шва, а зона 3 в непосредственно близости с продольным
сварным швом, в области термического влияния. Стенд циклически
нагружался 8500 раз в режиме 0 – Рраб – 0, где Рраб = 7,4 МПа, что приводило к
накоплению поврежденности металла, разрушения стенда не произошло.
Производили пересчет числа циклов в годы эксплуатации, сымитированных в
ходе испытаний согласно «Руководству по проведению ресурсных испытаний
труб, отремонтированных с применением муфтовых и сварочных технологий»
ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Определено, что
8500 циклов соответствует
длительности эксплуатации в течение 15,32 лет, таким образом
1 году
эксплуатации соответствует 554,8 цикла нагружения 0 – Pраб – 0.
9
Измеряли ТМН до начала нагружения и после реализации разного
количества циклов по всем зонам контроля (рис. 9).
 - 1 зона контроля;
■ – 2 зона контроля; ▲ – 3 зона контроля
Рис. 9. Зависимость дисперсии ТМН от накопления повреждаемости в металле
под действием циклических нагрузок
Установлено, что металл трубопровода имел изначально повышенный
разброс значений твердости с дисперсией 800-1000 HB2, что свидетельствует о
наличии начальной поврежденности металла в процессе эксплуатации в составе
газопровода. Отмечена тенденция увеличения дисперсии показаний ТМН с
ростом количества циклов испытания, т.е. времени эксплуатации трубопровода,
что
подтверждает
возможность
тестирования
поврежденности
металла
трубопроводов методом ТМН.
Коэффициент
корреляции
между дисперсией
показаний
ТМН
и
количеством циклов по всем зонам контроля составляет 0,94-0,96. Значения
дисперсии с ростом накопления повреждаемости изменяются по закону
S2 = 0,1N + S2м,
(4)
где N – число циклов перепада давления в трубопроводе за расчетный период;
S2м – начальная неоднородность структуры испытуемого металла, НВ2.
Для установления изменений значений параметров распределения ТМН
во времени после испытаний из стенда были удалены фрагменты металла,
содержащие зоны контроля. ТМН измеряли с интервалом в 3 месяца в течение
года (рис. 10).
10
 - 1 зона контроля;
■ – 2 зона контроля; ▲ – 3 зона контроля
Рис. 9. Изменение значений дисперсии ТМН во времени после испытаний
Значения дисперсии в течение времени изменялись незначительно и
отличались от определенных после испытаний не более чем на 5%.
Таким образом, с учетом постоянства дисперсии значений ТМН во
времени, установлено, что для материала стенда при имитации 1 года
эксплуатации объекта происходило увеличение дисперсии ТМН в среднем на
ΔS2 = 60 ÷ 80 HB2. Важно отметить, что работа газопровода имитировалась с
известным числом циклов перепада давления в трубопроводе и без присутствия
коррозионно-активных факторов.
Лабораторные ресурсные испытания проводили на 15 плоских стальных
образцах с размерами 4 х 4 х 50 мм. Вырезка образцов осуществлялась из
фрагментов
металла
магистральных
газопроводов
с
разным
сроком
эксплуатации (от 10 до 30 лет). Марка стали 17Г1С. Образцы подвергались
циклическому изгибающему нагружению с постоянной амплитудой. Все
образцы были разрушены. Ресурс металла образцов определяется числом
циклов нагружения N, которое образцы выдерживали до разрушения. ТМН
измерялась до начала испытаний, значения параметров распределения
сопоставлялись с числом циклов нагружения образцов (рис. 11).
Установлена линейная зависимость между значениями дисперсии ТМН и
числом циклов нагружения до разрушения, коэффициент достоверности
аппроксимации R2 равны 0,8818. Прочих зависимостей установлено не было.
Зависимость числа циклов нагружения образца до его разрушения для образцов
11
из стали марки 17Г1С описывается уравнением
N = Nmax – 6,0·S2,
(5)
где Nmax – максимальное количество циклов нагружения, выдерживаемое
образцом;
S2 – значение дисперсии ТМН определенное для металла образца до
испытаний.
Рис. 11. Зависимость значений дисперсии ТМН от числа циклов нагружения,
выдерживаемого образцом до разрушения
После разрушения образцов измеряли ТМН в непосредственной близости
к месту разрушения. Установлено, что значения дисперсия ТМН разрушенных
образцов (S2раз) лежат в интервале от 2000 до 2500 НВ2. До достижения этих
значений происходит накопление повреждаемости, после чего материал
разрушается.
Вследствие
того,
что
в
условиях
эксплуатации
накопление
поврежденности металла может проходить с различной интенсивностью,
предложена следующая формула для оценки остаточного ресурса Тост по
измеренным значениям дисперсии ТМН S2изм
2
(S2раз − Sизм
)Т экс
Т ост =
,
2
2
Sизм − Sнач
(6)
где Тэкс – время эксплуатации объекта на момент обследования, лет;
S2нач – начальная дисперсия неповрежденного металла (определяется на
трубах аварийного запаса и составляет порядка 200-300 НВ2).
12
На основании выполненных исследований составлена методика оценки
остаточного
ресурса
основного
металла
труб
магистральных
нефтегазопроводов, изготовленных из низколегированной конструкционной
стали марок 17ГС, 09Г2ФБ, 17Г2СФ и ближайших аналогов (рис. 12).
Основные выводы.
1. Экспериментально установлено, что в образцах трубной стали
происходит изменение дисперсии ТМН при приложении статической нагрузки
σ = 0,7σ0,2 при комнатной температуре через 30 минут после начала нагружения.
При однократном нагружении с последующим снятием нагрузки значения
превышают начальные, измеренные до нагружения на 25%. Установлено, что
изменения происходят в равной степени по всей поверхности образца.
2. Установлена зависимость между работой, затраченной на разрушение
металла и дисперсией ТМН для образцов, испытанных на ударный изгиб при
положительных температурах, что позволяет без разрушения материала
прогнозировать значения ударной вязкости металла. Проведение измерений
ТМН с целью дальнейшего определения дисперсии значений целесообразно
проводить при температурах не ниже – 20 оС для марки стали 17Г1С.
4. По результатам лабораторных и стендовых ресурсных испытаний
показано, что существует линейная зависимость между числом циклов
нагружения металла и значениями дисперсии ТМН. Получена зависимость
значения дисперсии измеренного до испытания
от количества циклов
нагружения до разрушения образца. Установлено, что после разрушения
металла всех испытанных образцов характеризуется значением дисперсии 20002500 НВ2.
5. Разработана методика определения дисперсии ТМН и расчета
остаточного ресурса основного металла нефтегазопроводов при постоянных
режимах эксплуатации на действующем объекте, учитывающая ограничения
метода измерения ТМН.
13
Рис. 12. Алгоритм оценки остаточного ресурса основного металла труб
нефтегазопроводов
14
Апробация методики на действующих объектах.
В 2014 году была выполнена апробация методики на объектах
трубопроводного транспорта газа.
1. Практическая реализация методики была осуществлена в ходе
предремонтного обследования дефектного трубного элемента перехода
магистрального газопровода через водную преграду большой протяженности.
а)
б)
Рис. 13. Объект апробации разработанной методики:
15
а – внешний вид дефектного фрагмента; б – схема проведения измерений
Выявленный
дефект
представлял
собой
поперечную
трещину,
расположенную в непосредственной близости с кольцевым сварным швом и
распространившейся в основной металл трубы. Длина дефекта – 1,5 м,
максимальная ширина раскрытия – 15 мм.
Диагностические и последующие ремонтные работы проводились в
специализированной подводной камере – кессоне. Разработанный метод
оценки ресурса металла применялся в комплексе с другими методами
неразрушающего контроля. По результатам обследования было установлено,
что дефект имеет усталостную природу и является критическим, при этом
единственный разрешенный способ ремонта – замена дефектного фрагмента.
Для
определения
оптимальной
длины
заменяемого
фрагмента
выполнялась оценка ресурса металла в непосредственной близости с дефектом
и на контрольных участках, удаленных от него по ходу газа и в обратном
направлении с равным шагом. На каждом контрольном участке выполнялось
не менее 100 измерений ТМН с последующим анализом в рамках методики.
По результатам исследований было установлено, что для участков
контроля, расположенных в непосредственной близости с образовавшейся
трещиной, значения дисперсии составляют 3000-3300 НВ2 соответственно, что
соответствует полностью разрушенному металлу. Для участков контроля,
удаленных от дефекта на 3 м в каждую сторону установленные значения
ресурса металла не превышали 15 лет, в то время как находящийся на
большем
удалении
от
дефекта
металл
характеризовался
ресурсом,
составляющим 25 лет.
По итогам обследования с учетом результатов оценки ресурса металла
по разработанной методике к замене был назначен фрагмент трубопровода
длиной 6 м, а также рекомендовано использование усиливающей конструкции
(муфты). Ремонтные работы выполнены, участок введен в эксплуатацию.
2.
Реализация
методики
на
участке
капитального
ремонта
магистрального газопровода, подверженного стресс-коррозии.
16
Метод реализовывался в ходе выполнения капитального ремонта с
заменой труб на участке магистрального газопровода с выявленными стресскоррозионными повреждениями. Выполнялась оценка ресурса металла труб,
планируемых к ремонту и последующему использованию в составе
магистрального газопровода.
На трубных элементах (рис. 14) подготавливались контрольные участки,
удаленные от кольцевого сварного шва с равным шагом. По каждому участку
проводилось многократное измерение ТМН с последующей оценкой
работоспособности металла согласно разработанной методике.
Рис. 14 Внешний вид диагностируемого трубного элемента
В ходе измерений было установлено, что фрагменты труб со стресскоррозионными повреждениями характеризуются повышенными значениями
дисперсии ТМН (до 2800 НВ2), ресурс металла таких участков значительно
снижен. Экспериментально было установлено, что на поверхности труб
присутствуют аналогичные по свойствам фрагменты металла потенциально
предрасположенные к возникновению стресс-коррозионных дефектов. По
17
результатам измерений были даны рекомендации о нежелательности
последующего использования таких трубных элементов.
18