Разработка рекомендаций по применению труб

Государственное унитарное предприятие
«Институт проблем транспорта
энергоресурсов»
Республики Башкортостан
РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Основные проблемы обеспечения надежной
и безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов
Докладчик: профессор Султанов Марат Хатмуллинович
Астана, май 2013 г.
ГУП «ИПТЭР» РБ
1. Портфель стратегических инициатив трубопроводных компаний
Предупредительные меры уменьшения вероятности аварий
◄ Реконструкция и техническое перевооружение
◄ Диагностика
◄ Капитальный ремонт
◄ Aвтоматизация и телемеханизация
◄ Обеспечение фокуса руководства Компании на достижение
требуемой системной надежности и стабильности функционирования
системы в условиях координации и комплексирования материальных
и финансовых ресурсов
ГУП «ИПТЭР» РБ
Портфель стратегических инициатив трубопроводных компаний
Меры по повышению
эффективности
функционирования магистральных
трубопроводов
Защитные меры
уменьшения тяжести
последствий аварий
• Обеспечение
требуемой промышленной
безопасности;
 Обеспечение
пожарной и экологической
безопасности, устойчивости
к различным сценариям
развития опасностей;
 Дооснащение аварийновосстановительных пунктов
техническими средствами;
 Оптимизация
взаимодействия
собственных сил ДАО,
Компании, МЧС;
Реализация планов ЛАРН
Снижение
параметра
потока отказов
и времени
восстановления
Снижение
ущерба
от аварий
• Оптимизация состава
и эксплуатационных параметров
объектов;
Продление
срока службы
Повышение
эффективности
функционирования
 Структурная оптимизация системы
в части грузопотоков;
 Оптимизация процедуры
диспетчеризации на уровне Компании
и ДАО по финансированию и
информационным потокам;
 Увеличение пропускной
способности за счет применения
присадок, расширения лупингами и
промежуточными перекачивающими
станциями, строительством
параллельных трубопроводов;
 Формирование устойчивых
финансовых потоков и возможностей
финансирования предупредительных
и защитных мер по обеспечению
надежности
ГУП «ИПТЭР» РБ
2. Матричная структура морфологического пространства
ГУП «ИПТЭР» РБ
3. Предельные состояния трубопроводов
Первое
предельное
состояние
–
состояние
снижения
(спада)
несущей
способности
конструктивных элементов МТ, при достижении которого эксплуатационный участок теряет
способность сопротивляться основой нагрузке и внешним воздействиям или получают такие
остаточные деформации, которые не допускают дальнейшую эксплуатацию.
Второе предельное состояние – состояние развития и приобретения чрезмерных деформаций
линейных участков и арматуры МТ от статических и динамических нагрузок и воздействий, при
достижении которых в трубопроводе, сохраняющим прочность и устойчивость, появляются,
дополнительные к проектному, искривления в вертикальной и горизонтальной плоскостях и
(или)колебания, исключающие возможность дальнейшей эксплуатации.
Третье предельное состояние – состояние трещинообразования в металле конструктивных
элементов,
при
достижении
появляются
и
раскрываются
эксплуатация
становится
которого
трещины
невозможной
в
МТ,
до
сохраняющим
такой
вследствие
величины,
потери
прочность
при
и
устойчивость,
которой
целостности
и
дальнейшая
герметичности
трубопровода.
Четвертое предельное состояние – состояние коррозионного и эрозионного разрушения
металла конструктивных элементов и образования свищей, при достижении которого в МТ,
сохраняющим прочность и устойчивость, появляется течь продукта перекачки, исключающие
возможность дальнейшей эксплуатации.
ГУП «ИПТЭР» РБ
Предельные состояния трубопроводов
Пятое
предельное
состояние
–
состояние
негативного
воздействия
на
МТ
путем
несанкционированного прокола конструктивных элементов трубопровода, при достижении
которого в МТ, сохраняющим прочность и устойчивость, появляется недопустимый отбор
продукта перекачки, исключающий возможность дальнейшей эксплуатации.
Шестое предельное состояние – состояние негативного воздействия на охранную зону, при
достижении
которого
неприемлемый
риск
в
МТ,
аварии
сохраняющим
или
прочность
инцидента,
и
исключающий
устойчивость,
появляется
возможность
дальнейшей
эксплуатации.
Седьмое предельное состояние – состояние негативного воздействия на зону безопасности, при
достижении
которого
в
МТ,
сохраняющим
прочность
и
устойчивость,
появляется
неприемлемый риск аварии, исключающий возможность дальнейшей эксплуатации. Зона
безопасности
трубопровода
участков
до
МТ
объектов,
характеризуется
зданий
строительными нормами и правилами.
и
минимальными
сооружений,
расстояниями
установленными
от
участков
действующими
ГУП «ИПТЭР» РБ
4. Классификация дефектов трубопроводов
Группа дефектов
Подгруппа дефектов
Группа 1. Трещины в металле
(Дефект А)
1.1 Дефект А в основном металле
1.2 Дефект А в продольном сварном соединении
1.3 Дефект А в поперечном сварном соединении
1.4 Трещина на любом дополнительном дефекте групп 2 – 9
Группа 2. Вмятина, гофра
(Дефект Б)
2.1 Дефект Б в основном металле
2.2 Дефект Б в продольном сварном соединении
2.3 Дефект Б в поперечном сварном соединении
2.4 Дефект Б на любом дополнительном дефекте групп 1 – 9
Группа 3. Риска, царапина, задир и
т.п. (Дефект В)
3.1 Дефект В в основном металле
3.2 Дефект В в продольном сварном соединении
3.3 Дефект В в поперечном сварном соединении
3.4 Дефект В на любом дополнительном дефекте групп 1 – 9
Группа 4. Расслоения металла
(Дефект Г)
4.1 Расслоение с выходом на поперечное сварное соединение
4.2 Расслоение с выходом на поверхность основного металла
4.3 Расслоение с выходом в околошовную зону продольного сварного соединения
4.4 Расслоение металла на любом дополнительном дефекте групп 1 – 9
Группа 5. Потеря металла
(утонение стенки труб),
(Дефект Д)
5.1 Сплошная потеря металла
5.2 Местная потеря металла в виде точечных поражений (пятна, язвы, раковины,)
5.3 Сплошная потеря металла на любом дополнительном дефекте групп 1 – 9
5.4 Местная потеря металла на любом дополнительном дефекте групп 1 – 9
Группа 6. Свищ, механическое
отверстие
(в т.ч. криминальная врезка),
пробоина, сквозная
«захлопывающаяся»
при снижении внутреннего
давления трещина (Дефект Е)
6.1 Дефект Е в основном металле или сварном соединении
6.2 Дефект Е на любом дополнительном дефекте групп 1 – 9
ГУП «ИПТЭР» РБ
Классификация дефектов трубопроводов
Группа дефектов
Подгруппа дефектов
Группа 7. Дефекты сварного соединения
(поры, твердые включения, несплавления,
непровары, трещины, подрезы,
неправильной формы сварной шов или
сварное соединение, несплошность
плоскостного типа, аномалии, смещение
кромок) (Дефект Ж)
7.1 Дефект Ж в сварном шве
7.2 Дефект Ж в околошовной зоне
7.3 Дефект геометрии сварного шва
7.4 Дефект геометрии сварного соединения
Группа 8. Дополнительное
к проектному искривление трубопровода в
вертикальной и горизонтальной
плоскостях, дополнительные неучтенные
продольные силы и продольные
перемещения, перенапряжение труб в
результате действия неучтенных нагрузок
(силовые воздействия оползающих грунтов,
размыв подводных трубопроводов,
колебания размытых участков под
воздействием потока, колебания
воздушных переходов и т.п.) (Дефект 3)
8.1 Перенапряжение стенки трубы
8.2 Перенапряжение стенки труб с дополнительным дефектом групп 1-9
Группа 9. Недопустимые ремонтные
конструкции, ранее установленные на
трубопроводе, или допустимые
конструкции, но исчерпавшие ресурс
временного обеспеченияработоспособности
дефектного участка (Дефект К)
9.1 Дефект геометрии сварного соединения ремонтного элемента
9.2 Дефекты групп 1-6, 8 в основном металле ремонтного элемента
9.3 Недопустимые геометрические размеры ремонтного элемента
9.4 Исчерпание ресурса временного обеспечения работоспособности
дефектного участка трубопровода
Примечание - Для комбинированных дефектов доминирующим является трещина или трещиноподобный дефект,
который является критическим
ГУП «ИПТЭР» РБ
5. Особенности применения высокопрочных труб
Преимущества
Экономия металла.
Обеспечение требуемого грузооборота (9,8 МПа).
Обеспечение экономических интересов страны
Особенности
Несравненно большие трудности решения проблемы обеспечения:
• безоотказности;
• долговечности;
• ремонтопригодности;
• качества жизни и деятельности человека (сообщества людей)
• в трубопроводной среде;
• качества окружающей среды трубопроводной среде;
• качества функционирования производственно-технологического
комплекса
Высокопрочные трубы обеспечивают преимущества, отвечают интересам экономики, нацеливают на их
реализацию
с учетом критериев надежности (конструктивной и функциональной) и безопасности (риска).
Для этого требуется:
проектирование трубопроводов по более жестким стандартам с аудитом, который осуществляется по
количественным показателям надежности и безопасности;
строительство трубопроводов с мониторингом сложных технических систем;
эксплуатация трубопроводов с 100 % диагностикой, охватом семи предельных состояний и номенклатуры
диагностических признаков.
Высокопрочные трубы являются продукцией высокой культуры производства, где качество прямошовных труб по
коэффициенту изменчивости не более 0,09. Качество спиральношовных труб по коэффициенту изменчивости не
более 0,12 и уступает прямошовным трубам.
ГУП «ИПТЭР» РБ
6. Формулы расчетов на прочность и надежность
R 1  M  R 1H 
m
 R 1H
K1  K H
где М – поправочный множитель для учета рассеяния разрушающего и рабочего
напряжений в металле.
Для расчета поправочного множителя М получены следующие формулы:
1  1,64 Н
m(1  bn T )
1  bn T
М


К1К 3 (1  1,64 k ) (K 1  1)K H  1 
1   K H K 3
 n
где

2 
,
 k  0,611 
K

1
1


2 

 H  0,611 
,
n

1




2


2
1
 1  (n T  K1 ) 1.
b  n T1 
 1, b H  n T 
 1  k Tk

 1  1,64 k 
,
ГУП «ИПТЭР» РБ
Возможное сочетание между частными коэффициентами запаса
несущей способности трубопровода
Коэффициент надежности по материалу, К1
1,34
1,40
1,47
1,55
Коэффициент условий работы, m [категория В, частота отказов Q = 10-8
(невероятное событие)]
0,60
0,55
0,46
0,40
Коэффициент условий работы, m [категория 1,2, частота отказов Q = 10-5
(неправдоподобное событие)]
0,75
0,72
0,65
0,60
Коэффициент условий работы, m [категория 3,4, частота отказов Q = 10-3
(маловероятное событие)]
0,90
0,87
0,83
0,80
Численные значения коэффициентов перегрузки
K1
1,34
1,4
1,47
1,55
ασВ
2,1
2,4
2,7
3,1
ασН
1,7
1,7
1,7
1,7
nT
0,9
0,85
0,8
0,75
bB
0,9
0,95
1,0
1,1
bH
0,83
0,84
0,85
0,86
7. Интегрированная система менеджмента качества
труб
ГУП «ИПТЭР» РБ
и надежности трубопроводов
Условные обозначения:
PS – стандартизованная
рабочая процедура;
ИТ – изготовитель труб;
QS – процедура системы
качества;
МНПП – магистральный
нефтепродуктопровод;
1(5) – планирование
надежности (качества);
2(6) – управление
надежностью (качеством);
3(7) – обеспечение
надежности (качества);
4(8) – повышение
надежности (качества)
ГУП «ИПТЭР» РБ
8. Техническая спецификация на трубы
1
Область применения.
2
Термины и определения.
3
Условия эксплуатации.
4
Требования к технологии
инспекции труб.
5
Требования к качеству труб.
6
Контроль и испытания.
7
Маркировка и упаковка.
8
Изоляционное покрытие.
9
Требования к приемке.
10
Поставка и документация.
производства
и
ГУП «ИПТЭР» РБ
Содержание спецификации
Содержание спецификации
1. Количество заказанных труб (масса, длина).
2. Вид (тип) труб.
3. Наименование и номер НТД на производство и инспекцию труб.
4. Номинальный размер и толщина стенки труб, допуски и ограничения.
5. Исполнение труб (обычное или хладостойкое, прямошовное или спиральношовное, т.п.).
6. Характеристика продукта перекачки.
7. Расчетная температура эксплуатации.
8. Предельно допустимый уровень окружных напряжений на стенке труб при эксплуатации.
9. Цикличность нагружения труб внутренним давлением.
10. Марка стали.
11. Требования к химическому составу основного металла и параметр Сэ.
12. Требования к механическим показателям основного металла и сварного соединения.
13. Требования к геометрическим параметрам труб, определяемые измерением диаметра, торцов и корпуса, кривизны,
овальности, длины, толщины, разделки торцов, высоты и ширины сварных швов, смещений кромок сварных соединений
и сварных швов и др..
14. Требования к показателям качества наружной и внутренней поверхностей основного металла и сварного соединения,
торцов, маркировки.
15. Требования к показателям сплошности основного металла и сварного соединения, определяемые неразрушающими
методами контроля.
16. Допуски на остаточный магнетизм на концах труб и на уровень радиоактивности металла.
17. Методы контроля показателей качества труб, допуски и ограничения.
18. Методы испытаний образцов основного металла и сварных соединений, допуски и ограничения.
19. Гидравлические испытания труб на прочность и герметичность.
20. Допустимый по дефектности уровень приемки для неразрушающего контроля основного металла и сварных
соединений.
21. Допуски и ограничения на ремонт основного металла и сварных соединений при производстве труб.
22. Требования к технологическим операциям производства и инспекции труб.
23. Требования, допуски и ограничения ТНП контроля на заводе изготовителе труб.
24. Требования к отгрузке и приемке труб, подготовке и передаче сопроводительной документации на трубы и
изоляционное покрытие.
ГУП «ИПТЭР» РБ
9. Формирование процедуры контроля производства и поставки труб
Типовой план ТНП контроля на заводе-изготовителе труб
№
Контрольные операции
Проверяемые характеристики
1 Входной контроль нормативной
базы производства и инспекции
труб
Проверка документации на производство и
инспекцию труб, на правила PR, QS, ТНП контроля.
Проверка и уточнение единых правил PR, QS, ТНП
контроля.
2 Входной контроль методов и
средств контроля и испытаний
сталей, расходных изделий и
готовых труб
Проверка на соответствие методов и средств
контроля и испытаний требованиям Технической
спецификации. Проверка наличия на средствах
измерений клейм (свидетельств), госповерки,
соблюдения сроков поверки, правильности
показаний средств измерений.
3 Входной контроль материа-лов
и расходных изделий для
производства труб
Условия хранения, уровень радиоактивности,
наличие сопроводительных документов, штампа
технического контроля, маркировки. Проверка и
испытания на соответствие требованиям
Технической спецификации. Контроль контроля QS
персонала.
4 Пооперационный контроль
производства и инспекции
труб. Далее в подпункты 4,1;
4,2 и т.д. записать перечень
контрольных операций для
конкретного типа и завода-
Контроль контроля PR и QS персонала.
ГУП «ИПТЭР» РБ
Формирование процедуры контроля производства и поставки труб
Типовой план ТНП контроля на заводе-изготовителе труб (продолжение)
№
Контрольные операции
Проверяемые характеристики
5
Выходной (приемочный) контроль
готовых труб, по результатам
которого принимается решение о
пригодности их к производству
изоляционных работ или поставке
Потребителю без изоляции (по
условию заказа)
Показатели, контролируемые визуальным осмотром (качество
наружной и внутренней поверхности основного металла и
сварного соединения, торцов, маркировки). Размеры труб,
определяемые измерением (диаметр торцов и тела трубы,
овальность, длина, толщина, разделка торцов, размеры фаски,
высота и ширина швов, смещение кромок, кривизна и др.).
Показатели
сплошности,
определяемые
неразрушающими
методами
(расслоение,
трещины,
непровары
и
другие
внутренние дефекты основного металла и сварного соединения).
Химический состав, эквивалент по углероду. Механические
показатели металла и сварного шва (прочность, ударная
вязкость, твердость, загиб, изгиб, сплющивание и др.)
Остаточная магнитная индукция. Контроль контроля QS
персонала. Проверка
сертификатов качества. Проверка
выполнения
дополнительных
технических
требований
Потребителя.
6
Входной контроль нормативной
базы производства и инспекции
изоляции труб
Проверка документации на производство и инспекцию изоляции
труб, на правила PR, QS, ТНП контроля. Проверка и уточнение
единых правил PR, QS, ТНП контроля.
7
Входной контроль методов и
средств контроля и испытаний
изоляции труб
Проверка на соответствие методов и средств контроля и
испытаний требованиям Технической спецификации. Проверка
наличия на средствах измерений клейм (свидетельств),
госповерки,
соблюдения
сроков
поверки,
правильности
показаний средств измерений.
8
Входной контроль труб для их
изоляции после транспортировки
со склада
Показатели, контролируемые визуальным осмотром (качество
наружной и внутренней поверхности основного металла и
сварного соединения, торцов, маркировки).
ГУП «ИПТЭР» РБ
Формирование процедуры контроля производства и поставки труб
Типовой план ТНП контроля на месте разгрузки и складирования труб
№
Контрольные операции
Проверяемые характеристики
1
Входной контроль нормативной
базы поставки труб, в том
числе,
с изоляцией
Проверка (наличие, оформление и
соответствие) комплекта сопроводительной
документации и сертификатов на поставляемые
трубы.
2
Входной контроль методов и
средств неразрушающего
контроля труб
и изоляции
Проверка на соответствие методов и средств
контроля показателей, параметров и размеров
труб, в том числе изоляции, требованиям НТД.
Проверка комплектности технических средств,
госповерки и правильности показаний средств
измерений.
3
Пооперационный контроль
процессов разгрузки и
складирования труб
Проверка состояния транспорта, технологии
проведения разгрузочных работ и
складирования труб. Проверка на соответствие
схемы разгрузки и складирования труб.
4
Входной контроль труб и
изоляции
Проверка комплектации и упаковки труб.
Визуальный осмотр изоляции, внутренней
поверхности, торцов и маркировки труб.
Инструментальная проверка геометрических
размеров труб и изоляции. Неразрушающий
контроль дефектов и повреждений труб и
изоляции. Проверка остаточной
ГУП «ИПТЭР» РБ
10. Аудит проектирования и мониторинг строительства трубопровода
Схема мониторинга
Предупреждение
негативных
изменений
объекта на
стадиях:
Диагностика
Устранение
Система наблюдений
для выявления
объекта (М – Н – С)
и оценка изменений
объекта (М – Н – С):
последствий
негативных
изменений объекта
(проект
и реализация
ремонтных
и
реконструкционных
мер)
проектирования
технологии – П
функциональная – ФД
изготовления – Т
тестовая – ТД
эксплуатации – Э
модельная – МД
реновации – Р
Прогнозирование
служебных свойств живучести (ресурса) объекта
по прочности, усталости, устойчивости.
Рекомендации по реновации
Примечание: М – свойства материала; Н – напряженно-деформированное
состояние; С – воздействие.
ГУП «ИПТЭР» РБ
11. Оценка затрат на диагностику
Затраты, связанные со строительством трубопровода
Зп  К  Е  З1  З2   t  У  п  t
где К – капитальные вложения в строительство трубопровода заданной протяженности;
Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений;
З1 – затраты на эксплуатацию трубопровода, не зависящие от объема перекачки;
З2 – затраты на эксплуатацию трубопровода, зависящие от объема перекачки;
У – суммарный ущерб от отказа (аварии) трубопровода заданной протяженности;
п – ожидаемая частота отказов (аварий) (параметр потока отказов в год) на заданной протяженности
трубопровода.
Полные затраты на функционирование трубопровода заданной протяженности и на единицу времени
Зп  К  Е  Зк  Z t   З1  З2  У  п
где Зк – затраты на диагностику трубопровода заданной протяженности;

Z t    
 n
a
  q 
   

  qn 
a
– безразмерный коэффициент, корректирующий затраты в зависимости
от отношения достигнутого и базового значения параметра потока отказов п и  ;
 – базовое значение параметра потока отказов трубопровода заданной протяженности в единицу
времени;
qn , q – вероятность отказа при п и  соответственно;
а – безразмерный коэффициент, характеризующий динамику изменения параметра потока отказов в
зависимости от вложенных затрат.
1, 5
q
Зп  К  Е  Зк   
 qn



 З1  З2  У  qn
 1,5  Зк  q
dЗп

q


0
Из условия
находим, что минимальное значение затрат будет при
n
4
dqn

1, 5



0, 4
У  qn
З


к
Минимальное значение ежегодных затрат на диагностику трубопровода заданной протяженности
1,5  q
1, 5



ГУП «ИПТЭР» РБ
Заключение
Высокопрочные трубы
перспективная и эффективная элементная база трубопроводных систем.
Требует высокой культуры производства, строительства и эксплуатации
трубопроводов.
Технический уровень производства труб с коэффициентом вариации
(изменчивости) æ в диапазоне 0,08  0,12
Высокопрочные прямошовные
трубы:
nT  0,9 ; К1  1,34 ; 1,7    2,1
îêð  0,75Ò ; 0,62Ò ; 0,5Ò
0,83 Т   исп  0,9 Т
Q (10-3; 10-5; 10-8)
Спиральношовные трубы:
nT  0,9 ; 1,34  К1  1,4 ; 1,7    2,4
0,76 Т   исп  0,9 Т
Q (10-3; 10-5; 10-8)
Вклад в диагностику:
Зк  0,7У  
Система менеджмента:
– аудит проектирования;
– контроль строительства на основе мониторинга сложных технических
систем;
– диагностика и ремонт по состоянию с периодичностью не более 6 лет
по всей номенклатуре диагностических параметров.
Управление эксплуатацией:
Позиционная стратегия инвариантно к виду и времени дестабилизирующих
факторов с учетом технических, технологических и финансовых ограничений.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Контактная информация
Государственное унитарное предприятие
«Институт проблем транспорта энергоресурсов»
Республики Башкортостан
(ГУП «ИПТЭР» РБ)
Российская Федерация,
450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3
тел. (347) 284-37-58;
факс (347) 235-68-63
e-mail: IPTER@anrb.ru
www.ipter.ru