Дифференцированная система проведения гидравлических испытаний магистральных тепловых сетей

Дифференцированная система проведения гидравлических испытаний магистральных тепловых сетей

Плешивцев В.Г.

Пак Ю.А.

Глухих М.В.

Известно, что основной целью проведения гидравлических испытаний теплопроводов является выявление наиболее опасных с точки зрения разрушения участков тепловых сетей. При этом испытания проводятся при давлении, минимальное значение которого составляет 1,25 от рабочего давления в трубопроводе. Максимальный уровень испытательного давления жестко не регламентирован, а задается в приказах, инструкциях и другой нормативно-технической документацией, исходя из сложившихся в регионах Российской Федерации условий.

В г. Самаре, Тольятти, Новокуйбышевске, Сызрани, а также в г. Белгороде гидравлические испытания проводят при давлении превышающем в 1,25 рабочее. В городах Ижевске, Кемерове, Красноярске, Риге и Орле испытания магистральных тепловых сетей проводят повышенным давлением до 16 атмосфер, причем для Красноярска испытательное давление в 16 атмосфер в 1,25 раза выше рабочего давления. В муниципальных тепловых сетях города Архангельска испытательное давление на 30 — 35 процентов выше, чем обычное давление в тепловых сетях. В г. Екатеринбурге и г. Назарово (ОАО «Красноярская генерация») во время испытаний давление в трубах повышают до 16—20 атмосфер. В тех случаях, когда рабочее давление в тепловых сетях пониженное, то и испытания проводят на более низком давлении. Например, в г. Радужный Ханты-Мансийского автономного округа в 2006 году провели испытания магистральных тепловых сетей давлением 12,5 атмосфер.

Гидравлические испытания в г. Москве начали проводить после 1969 г., когда министерством «Минэнерго» были изданы инструкции, которые рекомендовали проводить испытания два раза, и использовать насосы, которые стоят на электростанциях — это насосы второй ступени. При этом закрывалась обратная задвижка, давление поднималось в обеих трубах, и испытывался трубопровод. Конечно, качество испытаний было низким. Когда происходило повреждение, надо было все отключать, ремонтировать это повреждение и снова поднимать давление. Поэтому с 1973 года начались работы по сооружению испытательных пунктов теплосети Мосэнерго и в течение 3-х лет смонтировано более 30 насосов. Это позволило поднять давление гидроиспытаний уже летом 1975 г. с 18−20 атм. до 27 атм., а обратном до 24 атм. В настоящее время в г. Москве, по сравнению с другими регионами, гидравлические испытания магистральных трубопроводов теплосетей проводят при более высоком давления 24−30 атмосфер. Таким образом, в различных регионах Российской Федерации давление при гидравлических испытаниях теплосетей устанавливают без учета геометрии трубопровода, марки стали и условий эксплуатации.

Основной причиной высокой повреждаемости тепловых сетей является наружная коррозия труб. Отказы по причине коррозии составляют около 90% от всех отказов. При выборе испытательного давления важно учитывать процессы, протекающие в металле труб в процессе эксплуатации. В ходе длительной эксплуатации в металле труб протекают процессы деформационного старения, накопления дефектов, снижающие сопротивление металла труб разрушению, а периодические гидравлические испытания труб усугубляют эти процессы. Так установлено, что в течение первых 5 лет эксплуатации новых трубопроводов тепловых сетей гидравлические испытания проводимые в г. Москве при давлении 26 атм приводят к резкому снижению пластичности, снижению работы зарождения и распространению трещин (почти в 2 раза). Принятые в практике повышенные давления испытания ухудшают качество целых участков теплосети из-за снижения прочностных показателей труб [2−4].

В работах различных авторов выявлена связь испытательного давления и отдельных характеристик состояния труб теплосетей [5, 6]. Но до сих пор отсутствуют работы, позволяющие рекомендовать уровень испытательного давления в зависимости от целого комплекса технических параметров труб и условий их эксплуатации. В связи с этим очень важно выбрать безопасный с точки зрения дальнейшей эксплуатации трубопровода уровень испытательного давления. Имеется целый ряд факторов, от которых зависит реакция металла труб теплосетей на приложенное давление при гидравлических испытаниях. Учет этих факторов необходимо заложить в основу системы дифференцированного проведения гидравлических испытаний в зависимости от типа трубопроводов (подающий или отводящий), диаметра труб, толщины их стенок, как новой, так и подверженной коррозии, а также изменения свойств металла труб в ходе длительной эксплуатации.

На основе разработанной системы комплексного анализа факторов, определяющих надежность функционирования трубопроводов тепловых сетей приведенной в предыдущем докладе, разработана дифференцированная система проведения гидравлических испытаний тепловых сетей, представляющая собой методику определения испытательного давления при гидравлических испытаниях по упрощенной схеме. На практике предлагается использовать формулу (1) для расчета разрушающего давления и выбора уровня испытательного давления трубопровода в виде, в котором используются суммарная локальная скорость коррозии в дефектных областях (V_?).

где (1).

— предел текучести металла трубопровода, МПа;

— скорость деградации, МПа/год;

t — длительность эксплуатации, год;

D — диаметр, мм;

s₀ — толщина стенки, мм;

V_? — суммарная локальная скорость коррозии в дефектных областях, мм/год;

=0,9 — коэффициент ослабления сварного шва.

Из формулы (1) получаем выражение для расчета разрушающего давления P_разр от времени эксплуатации t.

(2).

Для упрощения пользования данной методикой построены диаграммы наиболее существенных зависимостей: скорости коррозии V_? и скорости деградации Vу_{T, пр} от концентрации углерода и предела текучести сталей.

Последовательность действий:

• 1. По составу стали (например, Ст10 — концентрация С — 0,08−0,12%, у_т0 = 220−240 МПа), точнее по концентрации углерода, из диаграммы 1 (рис.2) определяется скорость суммарной коррозии V_? (для Ст10 V_? = 0,4−0,42 мм/год)
• 2. По концентрации углерода стали (например, Ст10 — концентрация С — 0,08−0,12%,) и по пределу текучести (у_т0 = 220−240 МПа) из диаграммы 2 (рис.3) определяется скорость деградации Vу_{т, пр} (для Ст10 Vу_{т, пр} = 4,7- 5,0 МПа/год)
• 3. Для труб с данными размерами (D, s₀) по формуле (2) строится зависимость p (t), т. е. график разрушающего давления p_разруш от времени эксплуатации t.
• 4. На тот же график наносятся p_и — испытательное давление, p_раб — рабочее давление и p_m — предлагаемый уровень пробного давления равный 1,6 МПа.
• 5. По графику определяется Дt — период потенциального продления срока эксплуатации трубопровода при уменьшении величины испытательного давления.

Практическое применение системы данных и методики выбора уровня испытательного давления при проведении гидравлических испытаний тепловых сетей можно проиллюстрировать примерами. Использовалась следующая система входных данных.

Определены следующие входные данные:

1. Начальный предел текучести трубной стали:

у_т0 = 240 — 540 МПа.

2. Геометрические параметры трубы (ц = 0,9):

D_i = 200 — 1400 мм; s_i = 6 — 11 мм.

3. Скорость суммарной коррозии:

V_? = 0,08 — 0,8 мм/год.

4. Скорость деградации трубной стали:

Vу_{т, пр} = 3 — 11 МПа/год.

Пример выбора уровня испытательного давления приведенный на рис. 4 выполнен для трубопровода D₁ = 200×6 мм, исходя из показанного выше примера для Ст10 с параметрами: содержание углерода 0,08−0,12%, у_Т0 = 240 МПа. Скорость деградации, оцененная по диаграмме 2 (рис 3), принимается V_Т = 5 МПа/год. Скорость коррозии для этой стали в размере 0,4 мм/год характеризует суммарную коррозию. Для более точной оценки соотношений разрушающего и испытательного давления предлагается строить не одну, а несколько кривых p_разруш для разных скоростей коррозии. Для нормальных условий эксплуатации можно опустить составляющую, учитывающую локальную коррозию и принять скорость коррозии близкую к общей равную 0,2 мм/год. На практике возможны более точные оценки скорости коррозии, исходя из местных условий. Например, на рис 4 добавлена кривая для скорости коррозии 0,3 мм/год. При более худших условиях эксплуатации можно построить кривые p_разруш для скорости коррозии выше найденной суммарной (то есть более 0,4 мм/год), если на практике применены более точные методы оценки фактической скорости коррозии.

Из рис 4 видно, что начиная с 11 года эксплуатации принятый уровень испытательного давления (2,6 МПа) превышает разрушающее напряжение металла трубопровода (p_разр.) для суммарной скорости коррозии 0,4 мм/год. Снизив уровень испытательного давления до p_m=1,6 МПа можно провести гидравлические испытания на 12 году эксплуатации.

Еще один пример графиков, позволяющих выбрать уровень испытательного давления, приведен на рис. 5. По сертификату на трубы, проложенные на участке трубопровода, определили марку стали 17ГС и ее параметры — предел текучести стали у_т0=420 МПа и содержание углерода от 0,16 до 0,22%. Далее, согласно разработанной методике, определяем скорость деградации по рис. 3 в размере V_Т = 10 МПа/год.

Содержание углерода от 0,16 до 0,22% дает по диаграмме 1 выбор скоростей коррозии от 0,2 мм/год (общая для углерода 0,16%) до 0,7 мм/год (суммарная для углерода 0,22%). В заданном диапазоне легче конкретизировать скорость коррозии, исходя из экспертных оценок и практических наработок специалистов, эксплуатирующих данный участок трубопровода. На рис. 5 приведены 3 кривых p_разруш для V_?=0,2, 0,4 и 0,7 мм/год. Это позволяет на любом году эксплуатации соотнести разрушающее давление с уровнем испытательного давления и принять обоснованное решение о его изменении.

Из изложенного можно сделать следующие выводы:

На основе разработанной обобщенной системе учета деградационных процессов для определения предельных состояний трубопроводов при выборе допустимого уровня испытательного давления разработана дифференцированная система проведения гидравлических испытаний в виде алгоритма. Предложенный общий алгоритм оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопровода дает возможность не только эффективно устанавливать научно обоснованное надежное значение испытательного давления, но и непрерывно отслеживать текущее техническое состояние трубопроводов тепловых сетей.

При системном исследовании эволюции состояния металла труб выделены четыре наиболее значимых физико-химических процесса в трубах при эксплуатации теплосетей:

• · уменьшение толщины стенки трубы, обусловленное общей коррозией;
• · возникновение очаговых повреждений за счет локальной коррозии;
• · деградацию трубных сталей и понижение уровня их механических свойств;
• · возникновение пластических деформаций в теле трубы при высоких испытательных давлениях, которые снижают ее прочностные характеристики и ускоряют коррозию.

Получена формула, связывающая напряжения в стенке трубы с ее геометрией и испытательным давлением, в которой вместо предела текучести использован обобщенный параметр, учитывающий уменьшение пластичности и вязкости стали. Выработаны рекомендации по практическому применению дифференциальной системы гидравлических испытаний тепловых сетей с использованием обобщенных показателей скорости коррозии и скорости деградации.

Использование системы позволяет произвести оценку трубопровода с точки зрения возможности порывов в период эксплуатации, определить момент проведения и давление испытания, при котором локальные коррозионно-усталостные трещины трубопровода подвергнутся разрушению. В результате оптимизации режима гидравлических испытаний обеспечивается эксплуатация в отопительный период без порывов и аварий.

• 1. Типовая инструкция по периодическому техническому освидетельствованию трубопроводов тепловых сетей в процессе эксплуатации РД 153−34. 020.522−99 СПО ОРГРЭС М.; 2000.
• 2. Пак Ю. А., Плешивцев В. Г., Глухих М. В., Филиппов Г. А., Морозов Ю. Д., Чевская О. Н., Ливанова О. В. Влияние гидравлических испытаний на состояние металлов трубопроводов тепловых сетей // Труды конференции «Тепловые сети. Современные решения» Изд-во Новости теплоснабжения 2005 г.
• 3. Плешивцев В. Г., Пак Ю. А., Филиппов Г. А. и др. Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность трубопроводов // Деформация и разрушение. 2007. № 1. С.6−11.
• 4. Плешивцев В. Г., Пак Ю. А., Филиппов Г. А. и др. Моделирование влияния гидроиспытаний и теплового воздействия сетевой воды на свойства металла труб. // Сталь. 2007. № 8, С. 97−100.
• 5. Липовских В. М. «Опыт опрессовки трубопроводов тепловых сетей на повышенном давлении» Новости теплоснабжения, № 6 (10) июнь 2001, с. 19−21/.
• 6. Ионин А. А., Фридман Я. Х. Обоснование уровня давления при летних гидравлических испытаниях теплопроводов// «Новости теплоснабжения», № 6 (10), 2001, С. 22 — 27.