Разработка методов оценки работоспособности трубопроводов компрессорных станций при наличии дефектов

Актуальность работы. Технологические трубопроводы компрессорных станций относятся к наиболее ответственным трубопроводам газотранспортной системы. Их отличают сложная конструкция, высокий уровень монтажных и эксплуатационных нагрузок, повышенные требования по безопасности, предъявляемые к объектам высокого давления газа. В связи с этим эти объекты отнесены по линии Госгортехнадзора к высокой категории сложности (категория В), что связано также с близостью компрессорных станций к крупным населенным пунктам.

С увеличением сроков эксплуатации в технологических трубопроводах могут возникать различного рода дефекты, вызванные нерасчетными ситуациями, ошибками при строительстве, коррозионными воздействиями, непрогнозируемыми изменениями гидрогеологических условий и т. п. Кроме того, в обвязках имеется ряд мест значительной концентрации напряжений (тройники, отводы, крановые узлы и т. д.), в которых открытые или поверхностные дефекты могут развиваться в условиях переменных нагрузок, включая вибрации трубопроводов. Проектные расчеты и натурные измерения свидетельствуют о том, что уровень напряженно-деформированного состояния обвязочных трубопроводов КС выше, чем на линейной части газопроводов и в номинальных режимах достигает 0,72 предела прочности труб. Из практики эксплуатации известен ряд аварий на компрессорных станциях с тяжелыми последствиями, причиной которых были дефекты в трубопроводных обвязках.

Таким образом, задача по разработке методов оценки работоспособности обвязочных трубопроводов, имеющих дефекты, является актуальной. Решение этой задачи позволит как на стадии эксплуатации, так и этапе проектирования получить научную основу для расчетов прочности, несущей способности обвязочных трубопроводов в условиях сложного нагружения, оценки их остаточного ресурса для конкретных условий, а также даст возможность для теоретического обоснования новых методов и средств по восстановлению участков трубопроводов, имеющих дефекты.

Тем самым, за счет решения этой задачи может быть повышен уровень надежности и безопасности эксплуатации объектов компрессорных станций.

Целью работы является разработка методов оценки работоспособности трубопроводов КС на основе расчетно-теоретических и натурных исследований, включая разработку конструктивных решений по восстановлению дефектных участков.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

— определить на основе натурных исследований напряженно-деформированное состояние в зонах дефектов трубопроводов;

— определить на основе расчетно-теоретических исследований, работоспособность и остаточный ресурс дефектных участков трубопроводов с учетом циклических нагрузок;

— определить на основе модельных испытаний участка трубопровода с дефектами типа вырывов, подрезов работоспособность трубопровода с такого вида дефектами,.

— определить по результатам теоретических и натурных исследований статические и динамические деформации и напряжения в окрестности дефектов;

— разработать метод восстановления трубопроводов, имеющих дефекты на поверхности.

Для решения поставленных задач в четырех главах работы изложены результаты натурных исследований трубопроводов компрессорных станций при наличии в них дефектов, включающие длительные тензометрические измерения напряженно-деформированного состояния в окрестностях дефектов, испытания на циклические нагрузки, механические испытания труб. Наряду с натурными исследованиями представлены расчетные материалы по оценке напряженного состояния и остаточного ресурса трубопроводов с дефектами, выполненные с применением известных методов строительной механики. На основе этих разработок в заключительной главе дан анализ методов восстановления дефектных участков трубопроводов и предложен метод, который наиболее приемлем для трубопроводов компрессорных станций.

Разработанный метод и практические выводы по работе нашли применение в отраслевой Программе ОАО «Газпром» «Комплексная система диагностики и технической инспекции магистральных газопроводов» (с 1995 г.), «Межгосударственной программе «Высоконадежный трубопроводный транспорт» и тематических отраслевых планах НИР, начиная с 1991 г.- методике оценки работоспособности участков трубопроводов с протяженными дефектами, 1996 г., утвержденной руководством ОАО «Газпром».

Технический эффект от внедрения диссертационной работы получен на компрессорной станции «Юбилейная» предприятия «Севергазпром».

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции Ученого совега ВНИИГАЗа «Надежность и ресурс газопроводов», технического совета Предприятия 20ргэнергогаз", 1-й Международной конференции по трубопроводам (Канада, Калгари, июнь 1996 г.).

1. Айнбиндер А., Такса Б., Дальтон П., Грин В. Прочностные критерии в американских нормах проектирования нефтегазопроводов и их сопоставление с критериями российских норм СНиП 2.05.06−85. //Газовая промышленность № 2, 1994. — стр. 31 — 34.

2. Балина B.C., Мядякшас Г. Г. Прочность, долговечность и трещиностойкость конструкций. СПб.: Политехника, 1994.

3. Болотин В. В Прогнозирование ресурса машин и конструкций, М.: Машиностроение, 1984.

4. Болотин В. В., Уравнения роста усталостных трещин //Механика твердого тела. 1983. № 4. стр. 153 — 160.

5. Босняцкий Г. П., Харионовский В. В. Мегод нормирования вибраций трубопроводов //Газовая промышленность № 11 1985. стр. 33 — 34.

6. Герштейн М. С. О динамической устойчивости газопровода. //Строительная механика и расчет сооружений, 1985, № 1.

7. Герштейн М. С., Климовский Е. М., Красулин И. Д., Харионовский В. В. О виброиспытаниях обвязочных трубопроводов компрессорных станций //Исследование надежности магистральных трубопроводов, М.: ВНИИСТ, 1985. стр. 129−132.

8. Гумеров А. Г., Зайнуллин P.C., Гумеров B.C. Прогнозирование долговечности нефтепроводов на основе диагностической информации //Нефтяное хозяйство № 10, 1991. стр. 36−37.

9. Гутман Э. М., Харионовский В. В. Переменная нагруженность магистральных газопроводов //Магистральный транспорт природного газа. М.: ВНИИГАЗ, 1990 стр.15−21.

10. Демофонти Ж., Буццичелли Ж. и др. Распространение вязкого разрушения в трубопроводах высокого давления //Строительство трубопроводов № 1, 1995.-стр. 22−25.

11. Денней А. К., Солеман С. Л. и др. Восстановление трубопровода без его остановки. Oil & Gas Journal, Январь 9, 1995.

12. Дяггярев В. И., Харионовский В. В., Курганова И. Н., Подзинская И. С. Натурные исследования деформаций и усилий в обвязке ДКС //Газовая промышленность. Серия: Транспорт и хранение газа. Вып. 2., 1983. -стр.10 12.

13. Заец А. Ф. Анализ работоспособности трубопроводной обвязки компрессорной станции. //Строительство трубопроводов, 1996, № 1. стр. 24.

14. Заец А. Ф. Исследования участка газопровода, имеющего дефекты. //Проблемы надежности конструкций газотранспортных систем. М.: ВНИИГАЗ, 1998. — сгр 179−183.

15. Заец А. Ф. Натурные испытания технологических трубопроводов, имеющих дефекты. //Научно-техн.сб. «Транспорт и хранение газа», 1−2, 1996. стр. 2124.

16. Заец А. Ф., Курганова И. Н. Натурное исследование участка технологического трубопровода с поверхностными дефектами. //Проблемы ресурса газопроводных конструкций., М.: ВНИИГАЗ. 1995. — стр. 13−16.

17. Заец А. Ф., Курганова И. Н. Натурные исследования участка технологического трубопровода с поверхностными дефектами. //Проблемы ресурса газопроводных конструкций. М.: ВНИИГАЗ, 1995, стр. 50−58.

18. Заец А. Ф., Курганова И. Н. Оценка ресурса трубопроводов компрессорной станции, имеющих дефекты. //Научно-техн. сб. «Транспорт и хранение газа», 3−4. 1996. стр.3−8.

19. Заец А. Ф., Курганова И. Н., Харионовский В. В. Комплексный анализ ресурса трубопроводов компрессорной станции, имеющих дефекты. //Газовая промышленность, 1996, сентябрь-октябрь, — стр. 37−40.

20. Зайнуллин P.C., Шарафиев Р. Г., Ямуров Н. Р., Мокроусов С. Н. Оценка предельных состояний при испытаниях элементов оборудования с трещиноподобными дефектами //Заводская лаборатория № 11, 1996 -стр. 51−52.

21. Зайнуллин P.C., Кожикин М. Н., Шарафиев Р. Г. и др. Оценка ресурса оборудования по параметрам испытаний и эксплуатации //Заводская лаборатория № 6. 1996 с. 57−58.

22. Иванцов О. М. Пути повышения надежности трубопроводного транспорта // Строительство трубопроводов, 1994, № 6, стр. 8 -11.

23. Инструкция по контролю толщин стенок отводов надземных газопроводов, технологической обвязки КС, ДКС, ГРС и гребенок подводных переходов магистральных газопроводов. М.: ВНИИГАЗ, — 1998.

24. Кифнер Д. Ф., Фурни Р. Д. Обзор существующих методов ремонта трубопроводов, г. Минск. Белтрансгаз. Доклад по инициативе ООН. 1992.

25. Ковех В. М., Нефедов C.B., Силкин В. М. Прочность участков магистральных газопроводов с локальными дефектами. Алгоритмы схематизации дефектов и критерий разрушения. //Надежность и диагностика газопроводных конструкций., М.: ВНИИГАЗ. 1996. стр. 67- 83.

26. Контроль и ремонт дефектов стальных трубопроводов (для давлений больше 7 бар). Британский стандарт BGC/PS/P11. Декабрь 1983.

27. Красовский А. Я., Орыняк И. В., Тороп И. М. Вязкое разрушение цилиндрических тел с аксиальными трещинами, нагруженных внутренним давлением. //Проблемы прочности № 2, 1990. стр. 16−20.

28. Ленджер. Расчет сосудов давления на малоцикловую долговечность //Техническая механика. 1962. — Т. 84. — № 3. — стр. 97−113.

29. Мазель А. Г., Гобарев C.B., Головин C.B. и др. Работоспособность сварных муфт для ремонта трубопроводов под давлением. //Строительство трубопроводов, январь-февраль, 1996, стр. 16−22.

30. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машино строение, 1981.

31. Методика оценки статической прочности и циклической долговечности магистральных нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1990.

32. Методика расчета технологических трубопроводов компрессорных станций., М., «Союзгазтехнология», ВНИИГАЗ, МИНГ им. И. М, Губкина, 1987.

33. Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие в 4х томах /Т. 1. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Партон В. З. Основы механики разрушения материалов. Киев: Наукова думка, 1988.

34. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. М.: Машиностроение, 1974.

35. Остсемин А. А., Заварухин В. Ю. Прочность нефтепровода с поверхностными дефектами. //Проблемы прочности № 12, 1993. стр. 51 -59.

36. Преднапряженные муфты для остановки разрушения в охрупченных трубах. Информационное письмо Департамента энергетики США. факс № 3200-J 198−1. 17 ноября 1993 г.

37. РД 39−147 103−387 -87. Методика определения трещиностойкости материала труб нефтепроводов. 1987.

38. РД 51−4.2.-003−97. Методические рекомендации по расчетам конструктивной надежности магистральных газопроводов. M.: ВНТТ -1997.

39. Рекомендации по оценке работоспособности участков газопроводов с поверхностными повреждениями. М.: ВНИИГАЗ, 1996.

40. Рекомендации по оценке работоспособности участков газопроводов с дефектами типа овализации. М.: ВНИИГАЗ, -1996.

41. Рекомендации по повышению надежности и долговечности технологических трубопроводов газораспределительных станций. М.: ВНИИГАЗ, — 1990.

42. Ремизов Д. И. К оценке прочности трубопроводов, имеющих утонение стенки //Надежность и диагностика газопроводных конструкций. М.: ВНИИГАЗ, 1996. Стр. 129−134.

43. Ржаницин А. Р. Строительная механика. М.: «Высшая школа» , — 1991.

44. Сервисен C.B., Когаев В. П., Шнейдорович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность, М.: Машиностроение, !975.

45. Система ремонта дефектов трубопроводов фирмы PLP (Канада). Ревизия 25 августа 1994 г. Руководство.

46. Скотт П. М., Кифнер Д. Ф. Эффективность ремонта трубопровода полумуфтами. Oil & Gas Journal, Декабрь 4, 1984.

47. СНиП 2.05.06 85. Нормы проектирования. Магистральные трубопроводы. -М.: «Стройиздат», 1985.

48. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжении. Под ред. Ю. Мураками, М.: Мир. 1990.

49. Стрельцов С. А., Харионовский B.B. Натурные тензометрические исследования обвязки нагнетателей ОПКС «Грязовец» //Повышение работоспособности и надежности узлов и деталей газотранспортного оборудования. М.: ВНИИГАЗ, 1987. стр. 143 — 146.

50. Стрельцов С. А., Харионовский В. В. Разработка датчиков силонагруженности трубопроводов компрессорной станции // Повышение работоспособности и надежности узлов и деталей газотранспортного оборудования. М.: ВНИИГАЗ, 1987. стр. 126 — 132.

51. Стрельцов С. А., Швалев В. М. Методы и средства оперативной диагностики технологических трубопроводов КС по «Куйбышевтрансгаз» //Проблемы надежности газопроводных конструкций. М.: ВНИИГАЗ., 1991. стр. 100 -104.

52. Труфяков В. И., Ковальчук B.C. Циклическая долговечность при двухчастотном нагружении. Киев: АН УССР, 1982.

53. Фурни Р. Д. Использование охватывающих муфт для ремонта трубопроводов. Москва. ГАНГ им. Губкина. 1992.

54. Харионовский В. В. Перспективы развития диагностики газопроводов России //Проблемы ресурса газопроводных конструкций. М.: ВНИИГАЗ. -1995.

55. Харионовский В. В., Дяггярев В. И., Сараев В. В. Исследование эксплуатационной прочности трубопроводов КС //Газовая промышленность, № 2, 1979. стр. 37−47.

56. Харионовский В. В., Фесенко С. С., Звягин Г. М. Автоматизация контроля напряженного состояния магистральных газопроводов // Газовая промышленность № 12, 1988. стр. 45 — 46.

57. Шнейдорович P.M. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. -М.: Машиностроение, 1968.

58. Шумайлов A.C., Гумеров А. Г., Молдованов О. И. Диагностика магистральных трубопроводов. -М.: «Недра». 1992.

59. AD Merkblatt В9 (AD Code of Practice В9), 1991. Recesses in cylinders, cones and spheres.

60. Ainbinder A., Powers J., Palton P. //Oil & Gas Journal, Feb., 20, 1995, pp. 70 -77.

61. An American National Standard. ASME B31.8 1992. Code For Pressure Piping. Gas Transmission And Distribution Piping Systems, — N.Y.: ASME. — 1993.

62. An American National Standard. ASME B31. G 1991. Code For Pressure Piping. Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines, -N.Y.: ASME. — 1991.

63. API 5L Specification for line pipe.

64. DIN 2413, 1993. Calculation of wall thickness of steel pipes under internal pressure.

65. Kiefner J.F., Vieth P.H. New method corrects criterion for evaluating corroded pipe //Oil & Gas Journal, Aug., 6, 1990., pp. 56 59.

66. Kiefner J.F., Vieth P.H. PC programm speeds new criterion for evaluating corroded pipe //Oil & Gas Journal, Aug., 20, 1990.

67. Kurganova I.N., Zayets A.F. Restoring the supporting capacity of compressor station (CS)'s frameworc with pipe surfase 4 defects. //Proceedings of the 1st International Pipeline Conference IPC'96, Vol. 2, USA, New York, 1996. — p.p. 629−635.

68. Mackenstein P., Schmidt W. Evaluating the strength of defective pipes: methods and assesment criteria. // Pipes & Pipelines International, September-October, 1996, pp. 23−30.

69. Mok D.H., Pick R.J., Glover F.J., Hoff R. Bursting of line pipe with long external corrosion. //Int. Journal Pressure Vessel & Piping, vol. 46., 1991. pp. 195−215.

70. Thomas J. O’Grady, Daniel T. Hisey, John F. Kiefner. Method for evaluating corroded pipe addresses variety of patterns // Oil & Gas Journal, Oct., 12, 1992., pp. 77−82.

71. Thomas J. O’Grady, Daniel T. Hisey, John F. Kiefner. Pressure calculation for corroded pipe developed. // Oil & Gas Journal, Oct., 19, 1992., pp. 84−89.