Влияние овализации, поверхностных коррозионных и эрозионных повреждений на надежность и остаточный ресурс участков линейной части магистральных газопроводов

Актуальность темы

.

Протяженность магистральных газопроводов России составляет свыше 150 тысяч километров. Большинство из них находятся в эксплуатации 20.30 лет и приближаются к исчерпанию назначенного ресурса. Переход газовой отрасли от традиционного регламентного ремонтно — технического обслуживания газопроводов к эксплуатации по их техническому состоянию предусматривает развитие системы диагностического обслуживания и разработку расчетных методик оценки работоспособности, надежности и остаточного ресурса участков газопроводов, имеющих дефекты и повреждения, для принятия решения о выводе их из эксплуатации и проведении ремонта.

Оценка состояния газопроводов, анализ безопасности их эксплуатации и ранжирование участков трубопроводов по срокам ремонта являются важной и актуальной задачей для газовой промышленности.

В результате проведения внутритрубных обследований обнаруживаются дефекты поперечного сечения труб, вызванные механическими воздействиями нарушения формы поперечного сечения (наиболее распространенной из которых является овальность) и изменения геометрии стенки — утонение вследствие коррозионных и эрозионных процессов.

Критерием вывода из эксплуатации того или иного участка газопровода является реальное его состояние, характеризуемое уровнем его надежности и остаточного ресурса. Исходя из этого, актуальной задачей является разработка моделей, комплекса алгоритмов, программного обеспечения и инженерных методик для определения надежности и оценки остаточного ресурса дефектных участков газопроводов.

Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо социальных и экологических факторов, обусловлена большой стоимостью замены или ремонта газопроводов. Ранжирование участков газопроводов по срокам их замены или ремонта позволяет минимизировать затраты эксплуатирующих предприятий, делает эти затраты сбалансированными и обоснованными.

Актуальность вышеперечисленных задач обуславливает важность поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы для диссертации.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является разработка методик оценки надежности и остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами типа овализации, поверхностными коррозионными и эрозионными повреждениями.

На надежность и ресурс влияет множество факторов: конструктивных, технологических, эксплуатационных. В работе рассматривается влияние конструктивных и эксплуатационных факторовисходя из этого для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— построение механико-математических моделей для расчета надежности и проведения вероятностных оценок остаточного ресурса участков линейной части магистральных газопроводов с дефектами типа овализации и с поверхностными коррозионными и эрозионными повреждениями (далеедефектных участков газопроводов);

— построение алгоритмов и программного обеспечения для расчета надежности и проведения вероятностных оценок остаточного ресурса дефектных участков газопроводов;

— отработка инженерных методик на базе построенных алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих оперативно оценивать надежность дефектных участков газопроводов и прогнозировать их остаточный ресурс.

Научная новизна и основные защищаемые положения работы модели оценки надежности и остаточного ресурса применительно к дефектным участкам линейной части магистральных газопроводовучет в моделях факторов: стохастичности механических свойств материала конструкции, воздействующих нагрузок вероятностного характера, случайности геометрии дефектовметодики оценки надежности и остаточного ресурса дефектных участков линейной части магистральных газопроводов.

Практическая значимость.

Определяется:

— предложенными алгоритмами расчета надежности и прогнозирования остаточного ресурса дефектных участков газопроводов;

— разработанным программным обеспечением и методиками, которые могут использоваться в производственной практике предприятий газовой промышленности, организаций, осуществляющих диагностический контроль, а также в практике работы научно-исследовательских и проектных институтов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-техническими программами каф «Строительная механика корабля и сопротивление материалов» НГТУ по темам: «Прогнозирование ресурса и надежности тонкостенных конструкций» (Программа по головному совету «Механика» при Минвузе РФ) и «Механика материалов и конструкций» (Федеральная целевая программа «Интеграция»).

Достоверность результатов.

Достоверность результатов определения надежности и ресурса по разработанной автором методике подтверждается: корректным использованием метода линеаризации функций многих случайных переменных при построении моделей, а также проведенным сравнением результатов расчетов автора и исследований приведенных в литературе [39,51].

В соответствии с исходными данными ВНИИГАЗа и с применением разработанного программного обеспечения были проведены сравнительные оценки по расчету надежности для следующих дефектных участков газопроводов: участка газопровода на нитке «Оренбург-Новопсков» (Оренбург ГАЗПРОМ) — двух участков ЛПУМГ «Мышкино» (СеверГАЗПРОМ) — штампосварного отвода на входе компрессорной станции «Юбилейная» (СеверГАЗПРОМ).

Точность расчета остаточного ресурса коррозионно поврежденных участков определялась сравнением с результатами, полученными по методике, разработанной в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались и (или) публиковались на:

3-ей международной конференции «Энергодиагностика и condition monitoring» (Н.Новгород, 2000 г.);

3-ей международной конференции «Диагностика трубопроводов» (Москва, 2001 г.).

Региональном, молодежном научно-техническом форуме «Будущее технической науки нижегородского региона» (Н.Новгород, 2002) — ХХ-ой международной конференции «Теория оболочек и пластин» (Н.Новгород, 2002);

Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти В. М. Керичева «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве» (Н.Новгород, 2002).

Внедрение результатов исследования:

— разработанные в диссертации программное обеспечение и инженерные методики, а также результаты численных исследований используются в Нижегородском Центре Технической Диагностики (НЦТД) для определения надежности, остаточного ресурса элементов тонкостенных сосудов давления и трубопроводов;

— результаты работы внедрены в учебную программу преподавания специальных дисциплин ''" 'Надежность машин и конструкций" и «Прогнозирование ресурса тонкостенных конструкций и машин» для студентов специальности «Динамика и прочность машин» ;

— результаты работы использовались в совместной НИР «НАДЕЖНОСТЬ ОАО», разрабатываемой НИИИС и ГАЗПРОМ, а также в практике работ.

ВНИИГАЗ при оценке надежности и у% ресурса дефектных участков газопроводов.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в [10,11,20,24,36,37].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения (основные результаты и выводы по работе), списка литературы и пяти приложений. Основной печатный текст вместе с 30 иллюстрациями и 16 таблицами занимает 101 страниц, список литературы состоит из 82 наименований, объем приложений составляет 109 страниц.

Основные результаты и выводы по работе.

В данной работе излагается методика оценки надежности и остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами поперечного сечения труб: нарушениями формы поперечного сечения (овальность), изменениями геометрии стенки (поверхностные коррозионные повреждения и эрозионное утонение стенок) для прямолинейных и криволинейных участков. При построении методики автором использовались как результаты собственных теоретических исследований, так и результаты экспериментально-теоретических работ, выполненных на кафедре «Строительная механика корабля и сопротивление материалов» НГТУ, НИИИСе, ВНИИГАЗе и РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина.

В результате были решены следующие задачи:

1. Разработаны:

— алгоритмы и методики оценки надежности участков газопроводов с дефектами (овализация, поверхностные коррозионные повреждения и эрозионное утонение стенок);

— алгоритмы оценки надежности комбинированного участка с учетом и без учета корреляции определяющих параметров дефектов;

— программное обеспечение для оценки надежности участков газопроводов с дефектами, которое прошло необходимые испытания и тестирование;

— инженерная методика для оценки надежности участков газопроводов с дефектами;

— алгоритмы для оценки остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами (овализация, поверхностные коррозионные повреждения и эрозионное утонение стенок);

— программное обеспечение для оценки остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами, которое прошло необходимые испытания и тестирование.

— инженерная методика для оценки остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами;

2. Проведено исследование влияния овализации, коррозионных и эрозионных утонений на уровень надежности и остаточного ресурса поврежденных участков газопроводов.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

— предложенные инженерные методики и программное обеспечение позволяют оценить надежность и остаточный ресурс участков газопроводов с дефектами (овализация, поверхностные коррозионные повреждения и эрозионное утонение стенок);

— полученные результаты численных исследований надежности и остаточного ресурса поврежденных участков газопроводов имеют практическое значение для предприятий газовой промышленности, в том числе организаций, осуществляющих диагностический контроль;

— разработанная методика и программное обеспечение для оценки надежности и остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами могут бьггь использованы в практике научных, проектных и конструкторских организаций на стадии сопоставительных расчетов остаточного ресурса проектируемых или эксплуатируемых газопроводных конструкций.

Необходимо отметить, что относительная разница результатов оценки остаточного ресурса участков газопроводов с дефектами по авторской методике, основанной на вероятностном подходе, и методике разработанной в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, основанной на детерминированном подходе, составляет не более 25.6% в безопасную сторону.

Заключение

.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь и консультации руководителю работы доктору технических наук, профессору, зав.каф. СМК и СМ НГТУ В. М. Волкову, сотрудникам НИИИСа и ВНИИГАЗа: д. ф-м.н. В. К. Киселеву, к. ф-м.н. В. П. Столову, к.т.н. Ю. А. Слепову, ст.н.с. А. А. Кишьяну, д.т.н. В. В. Хариановскому, к.т.н. И. С. Кургановой, а также всему коллективу кафедры СМК и СМ за помощь и поддержку в процессе написания работы.

Основные обозначения.

Q — нагрузка, действующая на конструкцию, усилие в элементах конструкции, напряжения;

R — несущая способность, выраженная в тех же единицах, что и величина нагрузкиГ— гарантия неразрушимости;

Zj, a1,.ai,.an определяющие параметры (случайные величины);

Q (ar+i, ar+2,. ап) — нагрузка как функция п случайных аргументовR (alfa2,. аг) — несущая способность как функция г случайных аргументов- *Р (а], а2,. ап) — функция неразрушимости;

Р (?)¦> p (Qh P® ~ плотности вероятности ц/, Q, R соответственно;

Q — среднее значение функции нагрузки;

R — среднее значение функции несущей способностиу/- среднее значение функции неразрушимости;

SQ — среднеквадратичное отклонение функции нагрузки;

SR—среднеквадратичное отклонение функции несущей способности;

Sy — среднеквадратичное отклонение функции неразрушимостиtj — коэффициент запаса прочностиvQкоэффициент вариации нагрузкиvRкоэффициент вариации несущей способности конструкциикоэффициент вариации функции неразрушимостиР (—) — вероятность наступления предельного состояния (отказа) — Р (+) — вероятность безотказной работыN (t) — изменяющаяся во времени надежность конструкции- [N] - предельная (допускаемая) надежность конструкцииUp — гауссовский уровень надежностииР (г) — квантиль, отвечающая вероятности безотказной работы, как функция времени;

Ф (иР) — нормированная функция Лапласаkij — коэффициент корреляции величин.

— коэффициент вариации i-го определяющего параметра;

Д — коэффициент влияния i-го определяющего параметраAjr, Aiq — коэффициенты влияния определяющих параметровvri*vqi — коэффициенты вариации определяющих параметров [ст^] - допускаемые кольцевые напряжения- [?] — допустимая толщина стенки;

R" - норматавное сопротивление растяжению (сжатию) металла трубы (предел текучести);

R" - нормативное сопротивление растяжению металла трубы (предел прочности) — Rl — расчетное сопротивление материаласг^ - кольцевые напряжения;

— кольцевые напряжения при овализацииащм — кольцевые напряжения для участка с поверхностными коррозионными поврежцениями- ** ярм — продольные осевые напряжения;

Р — рабочее давлениеDH — наружный диаметр трубыDeH — внутренний диаметр трубы- 8- толщина стенки трубы;

Р — безразмерный параметр давленияЕ — модуль Юнга- /г — коэффициент ПуассонаS — 2 2 в— окружная координата (0 < 0 < 2л:);

Alk,^{-коэффициенты} ряда Фурье разложения функции отклонения формы сечения от круговойп — коэффициент надежности по нагрузкет — коэффициент условий работы газопроводаКх — коэффициент надежности по материалуКн — коэффициент надежности по назначению газопроводаX — коэффициент несущей способности для выпуклой стороны отводаА — амплитудное значение изменения половины номинального диаметра трубы;

A (t) — изменение величины, А в процессе эксплуатации;

Ао — амплитудное значение изменения половины номинального диаметра трубы в момент времени t=0- VA — скорость изменения величины ДA j — амплитуда изменения величины Аай — показатель изменения величины Ас — фактическое утонение стенки трубыc (t) — изменение фактического утонения стенки трубы в процессе эксплуатациис0 — фактическое утонение стенки трубы в момент времени t=0- Vc — скорость утонения стенки трубы;

Ас — амплитуда изменения величины фактического утонения стенки трубыас — показатель изменения величины фактического утонения стенки трубыдф — фактическая толщина стенки на выпуклой стороне отвода;

S, p (t) — изменение фактической толщины стенки отвода на выпуклой стороне в процессе эксплуатацииcome (t) — изменение фактического утонения стенки отвода на выпуклой стороне в процессе эксплуатациисо°те — фактическое утонение стенки отвода на выпуклой стороне в момент времени t=0- уотв СКОрОСТЬ утонения стенки отвода на выпуклой стороне- 81тв — толщина стенки бездефектной части отводадоте амшшТуда изменения величины фактического утонения стенки отвода на выпуклой сторонесfme — показатель изменения величины фактического утонения стенки отвода на выпуклой сторонеUРт — квантиль, соответствующая вероятности безотказной работы участка с дефектом типа овализацииUрпп — квантиль, соответствующая вероятности безотказной работы участка с поверхностными повреждениямиUp — квантиль, соответствующая вероятности безотказной работы отвода с эрозионным утонением стенкиТ]0в — коэффициент запаса для участка с дефектом типа овализацииrjnn — коэффициент запаса для участка с поверхностными повреждениямиг}эру — коэффициент запаса для отвода с эрозионным утонением стенки;

Лов, ппкоэффициент запаса для участка с сочетанием повреждений типа овализации и поверхностными повреждениями при корреляции определяющих параметров дефектовРкн — конструктивная надежность;

Ров — конструктивная надежность участка с дефектом типа овализацииРпп — конструктивная надежность участка с поверхностными повреждениямиРэру — конструктивная надежность отвода с эрозионным утонением стенкиРов. пп ~ конструктивная надежность участка с сочетанием повреждений типа овализации и поверхностными повреждениямиРэрумп — конструктивная надежность отвода с сочетанием эрозионного утонения стенки и поверхностными повреждениямиd (t) — закон изменения величины дефекта по времениd0 — величина дефекта в момент времени t=0;

Vd — скорость роста дефекта;

А — амплитуда роста дефектаа — показатель роста дефекта;

Or, B (t) — закон изменения по времени предела текучести или прочности металла трубы;

От, в) о — значение предела текучести или прочности в момент времени t=0;

Vаскорость старения металла;

3 — показатель старения металла;

Y (t) — аппроксимирующая функцияbo^biпараметры аппроксимирующей функции;

М — количество технических освидетельствований конструкции;

At)i — итерационный шагkd — параметр, определяющий изменение в % величины дефекта за один итерационный шагксг — параметр, определяющий величину изменения предела текучести или прочности за один итерационный шаг (задается в %);

Ту — остаточный ресурс;

Vrh — коэффициент вариации нормативного сопротивления растяжению (сжатию) металла трубы (предела текучести);

Vp — коэффициент вариации рабочего давления;

Уdh — коэффициент вариации наружного диаметра трубы;

УА — коэффициент вариации амплитудного значения изменения половины номинального диаметра трубы;

Vg — коэффициент вариации толщины стенки трубы;

У с — коэффициент вариации фактического утонения стенки трубы;

Ущ — коэффициент вариации расчетного сопротивления материала;

Урвн — коэффициент вариации внутреннего диаметра трубы;

У8Ф— коэффициент вариации фактической толщины стенки на выпуклой стороне отвода;

Arh — коэффициент влияния нормативного сопротивления растяжению (сжатию) металла трубы (предела текучести) — - коэффициент влияния рабочего давления;

ЛПн — коэффициент влияния наружного диаметра трубы;

Лл — коэффициент влияния амплитудного значения изменения половины номинального диаметра трубы;

Ду — коэффициент влияния толщины стенки трубыА: — коэффициент влияния фактического утонения стенки трубы- ^ - коэффициент влияния расчетного сопротивления материалаЛВвн — коэффициент влияния внутреннего диаметра трубыкоэффициент влияния фактической толщины стенки на выпуклой стороне отводав — относительная погрешность.

Принятые сокращения.

ИНУ — изгибно-напряженный участокКС — компрессорная станция;

ЛЧМГ — линейная часть магистрального газопровода;

НДС — напряженно-деформированное состояние;

ОС — операционная система;

ПК — персональный компьютер;

ПМО — программно-математическое обеспечение;

ПО — программное обеспечение;

ПОУ — потенциально опасный участок;

ПЭВМ — персональная электронная вычислительная машина;

ТУ — технические условия.