методика оценки ресурса основного металла труб

2015 г.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Актуальность темы
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.
2015 г.
2
Общая протяженность линейной части
магистральных трубопроводов
составляет более 242 тыс. км
Главные системы магистральных
трубопроводов были построены
в 1960—1980 гг. В настоящее время около
40 % протяженности магистральных
трубопроводов отработали более 30 лет.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Область применения разработки
Результаты разработки могут быть использованы:
1. При проведении экспертизы промышленной безопасности объектов
транспорта углеводородного сырья (в том числе для обоснования продления
срока эксплуатации).
2.
В
составе
комплексного
диагностического
обследования
объектов
линейной части.
3. При выполнении предремонтного диагностического обследования;
4. На стадии предпроектного сбора исходных данных (капитальный ремонт);
5.
Для
определения
оптимальной
длины
заменяемых
фрагментов
(протяженности заменяемых участков) при выполнении внеплановых и
аварийных ремонтов;
6. При уточнении категории труб повторного применения в трассовых и
заводских условиях.
2015 г.
3
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Новизна разработки
Разработанная методика оценки ресурса основного металла труб магистральных
трубопроводов базируется на неразрушающем методе контроля – измерении
твердости с малой нагрузкой. Метод реализуется 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.
Степень завершенности
Разработка является завершенной. Необходимо продолжении работы по
адаптации положений методики к конкретным условиям реализации (различные
марки стали труб, сроки эксплуатации дефекты металла и т. д.).
Опубликовано 44 работы по тематике исследования. Оригинальные решения,
полученные в ходе проведения исследований защищены 3 патентами
Российской Федерации.
2015 г.
4
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Экспериментальные исследования. 1 этап.
Результаты испытаний
Установление степени однородности изменения значений
дисперсии ТМН при нагружении (σ = 0,8σ0,2 )
Установление времени начала изменения распределения ТМН в
образцах под нагрузкой
Установление изменения распределения ТМН в образцах под
нагрузкой в зоне упругих деформаций
Установление времени начала изменения распределения ТМН
в образцах под нагрузкой при поэтапном разгружении и полном
снятии нагрузки
Характеристика образцов:
•
•
•
•
•
срок эксплуатации в составе
действующих объектов – от 10 до
30 лет, а также металл труб
аварийного запаса.
марка стали 17Г1С;
условный предел текучести не
менее σ0,2 = 360 МПа;
ширина и толщина – 4 мм;
длина – 210 мм;
апрель 2015 г.
5
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Экспериментальные исследования. 2 этап.
Ударная вязкость
Температура хрупко-вязкого перехода
m
n=  n1
Общее число результатов испытаний
i=1 , принадлежащих m
независимым выборкам.
Статистикой критерия Краскела и Уоллиса служит величина
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
88
97
91
87
47
53
54
79
83
84
45
40
26
76
76
80
3 (минус 40 оС)
90
2 (0 оС)
Значения дисперсии ТМН металла образцов с разной
ударной вязкостью
12
R
(  i )-3(n+1),
n(n+1) i=1 n i
m
H=
2
1 (20
оС)
94
KCU,
Дж/см2
Номер
образца
Номер
группы
Результаты измерения ударной вязкости
где Ri - сумма рангов i-й выборки.
Правильность подсчета ранговых сумм Ri контролируют по формуле:
m
1
 R i = n(n+1).
2
D  max W1 (x)  W2 (x) .
i=1
Величина Н при n1 > 5 и m > 4 распределена по закону
степенями свободы. В случае выполнения неравенства
χ2
Вычисленная статистика сопоставляется с критическим значением
Dα, зависящим от уровня значимости α (двусторонний критерий) и
объемов выборок n1 и n2. Для n1+n2 > 35
с k=m – 1
H  2 ,
D   
нулевую гипотезу о тождественности генеральных распределений,
из которых взяты выборки, не отвергают. При равных объемах
отдельных выборок (n1 = n2 = ... = nm = n/m) статистику H допускается
вычислять по формуле
H=
12m m 2
(  R i )-3(n+1).
n (n+1) i=1
2
апрель 2015 г.
Для проведения анализа использовался непараметрический критерий
Колмогорова и Смирнова, который является наиболее строгим
критерием однородности двух распределений при сравнительно
больших объемах выборок.
В качестве статистики используется наибольшая по абсолютной
величине разность между накопленными частостями из всех значений,
вычисленных для каждого х при ограниченном объеме испытаний или
для каждого интервала значений случайной величины при группировке
результатов испытаний:
 - группа 1; ■ – группа 2; ▲ – группа 3
6
n1  n 2
n1n 2
Задавшись уровнем значимости α = 0,05, произвели сравнение всех
выборок значений твердости, полученных в ходе проведения
испытаний, друг относительно друга. Гипотеза о принадлежности двух
выборок единой генеральной совокупности была отвергнута для
выборок значений твердости, измеренных при температуре ниже -25 оС.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Экспериментальные исследования. 3 этап (начало)
Образцы и оборудование для испытаний
Параметры образцов:
-размеры образцов 4 х 4 х 50 мм;
-срок эксплуатации металла образцов от
10 до 30 лет;
-марка стали 17Г1С.
1 – электродвигатель; 2 – станина; 3 – упругие опоры; 4 – маховик; 5 – установочный диск; 6 нагрузочный палец; 7 – счетчик оборотов; 8 – образец; 9 – уголок; 10 – индикатор контроля амплитуды
отклонения; 11 – индикатор контроля установки образца
Режим нагружения
1 – образец с насадкой; 2 – нагрузочный палец;
3 – индикатор контроля амлитуды отклонения;
4 – емкость для подачи смазки
Результаты измерений
где Mmax – наибольший изгибающий момент;
W x – момент сопротивления.
Mmax  P  l
σmax
Wx 
a3
6
Значение
сосредоточенной
силы
P,
прилагаемой к образцу под действием
испытательной машины определяем при
известном значении максимального прогиба
образца vmax:
σmin
Цикл нагружения образцов является симметричным, т. е.
σmin = σmax
Механические напряжения, возникающие в сечении
образца:
M
σ max 
апрель 2015 г.
max
Wx
v max 
P  l2
3  E  Jx
P
3  E  Jx  v max
,
l2
где E – модуль упругости материала;
Jx
–
осевой
момент
инерции
поперечного сечения.
Jx 
7
a4
.
12
Установлена зависимость между значениями дисперсии ТМН и числом циклов
нагружения до разрушения:
N = Nmax – 6,0·S2,
где Nmax – максимальное количество циклов нагружения, выдерживаемое
образцом;
S2 – значение дисперсии ТМН определенное для металла образца до
испытаний.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Экспериментальные исследования. 3 этап (окончание)
Испытательный стенд
1220
Зона 1
100×100
100×100
Зона 2
890
373
52
ПСШ
Зона 3
ПСШ
Результаты испытаний
Характеристики стенда:
-срок эксплуатации в составе
МГ – 30 лет.
- диаметр трубы - 1420 мм;
- толщина стенки - 16,7 мм;
- длина - 5 м.
- марка стали - 10Г2ФБЮ.
Выполнено 8500 циклов нагружения с рабочим давлением 7,5 МПа, что
соответствует длительности эксплуатации в течение 15,32 лет (согласно
«Руководству по проведению ресурсных испытаний труб, отремонтированных с
применением муфтовых и сварочных технологий», разработанному ООО «Газпром
ВНИИГАЗ»).
Приращение дисперсии ТМН в процессе накопления
поврежденности металла
1615
100×100
Порядок проведения
испытаний
Выделение зон контроля
Тестирование ТМН по всей
поверхности зон контроля
Изменение значений дисперсии ТМН во времени
Нагружение в режиме
0 – Pраб – 0
Тестирование ТМН по всей
поверхности зон контроля
каждого блока нагрузок
Определение значений
параметров распределения
ТМН
апрель 2015 г.
8
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Методика реализации метода определения ресурса металла газопроводов
Подготовка поверхности испытуемого объекта для проведения измерений (очистка от загрязнения, устранение излишней
шероховатости, определение разметка контрольных зон)
Измерение
температуры
объекта
Ниже -20 оС
Выполнить подогрев
Есть напряжения
Выше -20 оС
Снять напряжения в металле
Оценка
напряженного
состояния
металла
испытуемого
объекта
Нет напряжений
Не ранее чем через 30 минут
Многократное (не менее 100 раз) измерение твердости с малой нагрузкой по размеченной
зоне контроля
S2 < 500
Остаточный
ресурс
составляет
30-45 лет
500 < S2 < 1000
Увеличение S2
S2 > 1000
Создать
напряжения
в металле
порядка
0,7σ0,2
Внесение измеренных значений ТМН в табличный редактор с последующим расчетом
дисперсии S2изм, установление времени эксплуатации объекта Тэкс, определение начального
значения дисперсии S2нач и значения дисперсии S2раз соответствующего разрушенному
материалу (для конкретной марки стали)
Часть данных отсутствует
Уменьшение S2
Остаточный
ресурс
составляет
15-35 лет
апрель 2015 г.
Остаточный
ресурс
составляет
менее 25 лет
Проверка
наличия всех
необходимых
данных
Имеются все
необходимые данные
Расчет остаточного
ресурса по формуле
Т ост 
9
2
(S2раз  Sизм
)Т экс
2
2
Sизм
 Sнач
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Практическая реализация методики
Подводный переход через реку Волга
(диаметр 1420, срок эксплуатации порядка 30 лет)
12 ч
Ход газа
3
Труба II
КСШ
Труба I
ПСШ
9ч
3ч
1
4
5
Трещина
2
6ч
апрель 2015 г.
10
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Практическая реализация методики. Результаты исследований
Результаты измерений
Результаты оценки ресурса металла
2
1
4
3
Ремонт дефектного участка
5
апрель 2015 г.
Участок
контроля
Среднее
значение
твердости,
HB
Дисперсия
твердости, HB2
1
220
2988
2
179
3300
3
174
563
4
178
2133
5
220
2078
11
РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА МЕТАЛЛА ГАЗОПРОВОДОВ
Спасибо за внимание!
апрель 2015 г.
12