Специальность - 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ухта – 2014
Работа выполнена на кафедре «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Сальников Александр Викторович
Официальные оппоненты:
Мустафин Фаниль Мухаметович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Попков Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела по линейной части магистрального газопровода Инженерно-технического центра ООО «Газпром трансгаз Ухта»
Ведущая организация: ОАО «Гипрогазцентр», г. Нижний Новгород
Защита диссертации состоится « 23 » октября 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.291.02 при Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, г. Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета и на сайте www.ugtu.net
Автореферат разослан «22» августа 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Мария Михайловна Бердник
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Сохранение надёжности и долговечности трубопроводов за счет поддержания их устойчивого положения является первоочередной актуальной задачей предприятий по транспортировке нефти и газа и обеспечивается комплексом мероприятий, направленных на предупреждение и своевременное устранение дефектов и повреждений в трубах.
Основной особенностью эксплуатации трубопроводов является разнообразие природно - климатических и гидрогеологических характеристик местности вдоль трассы, что требует значительного разнообразия конструктивных и технологических решений при сооружении линейной части. По этой причине при пересечении подземным магистральным трубопроводом некоторых естественных и искусственных препятствий используют балочные схемы прокладки различных конструкций.
Конструктивное устройство балочных систем газопроводов достаточно хорошо отработано, расчетные схемы учитывают различные виды дополнительной нагрузки от собственного веса трубы, веса транспортируемого продукта и снежного покрова, от ветрового воздействия, от колебаний температуры наружного воздуха, от нагрузки, возникающей при прохождении очистных устройств и снарядов-дефектоскопов.
Одним из вариантов конструкции балочного перехода трубопроводов является однопролетный балочный переход, технические решения по которому разнообразны и постоянно совершенствуются (консольно-анкерный, подвесной вантово-анкерный, прутково-шпренгельный, А-образный).
Наиболее простым с технической точки зрения является однопролетный балочный переход типа «труба в трубе». Между тем, именно данный тип перехода является наиболее сложным в отношении оценки определения его технического состояния и целостности при эксплуатации. Это обусловлено отсутствием прямого доступа к трубопроводу на переходе из-за наличия несущей цилиндрической оболочки. Известны данные об аварийном разрушении подобного типа надземного балочного перехода нефтепровода Ухта-Ярославль через р.
Ропча, которое привело к существенному экологическому ущербу.
Таким образом, доступная для практической реализации методика диагностирования и оценки целостности трубопровода на переходе подобной конструкции отсутствует, что существенно снижает надежность эксплуатации трубопроводов.
Поэтому разработка методов оценки целостности балочных переходов трубопроводов и способов поддержания их устойчивого положения при длительной эксплуатации является актуальной задачей.
Цель работы: Совершенствование методов оценки целостности балочных переходов трубопроводов в несущей цилиндрической оболочке.
Задачи исследования:
- обобщить и проанализировать факторы, вызывающие развитие дефектов труб на балочных переходах трубопроводов, дать оценку существующим методам диагностирования и оценки целостности балочных переходов;
- разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния балочного перехода трубопровода в несущем футляре с учетом случая разрушения внутренних опорных элементов;
- разработать методику определения фактического положения трубопровода в несущей трубе-футляре с учетом характеристик отверстий-сверлений в стенке несущей трубы-футляра;
- разработать и опробовать методику диагностирования балочного перехода трубопровода с применением дальнодействующего ультразвукового контроля;
- разработать технические решения по стабилизации устойчивости балочного перехода трубопровода при эксплуатации, опробовать методику корректировки высотного положения балочного перехода для уменьшения изгибных напряжений.
Научная новизна:
Найдены оптимальные соотношения типоразмеров трубы и футляра для типового сортамента нефтегазопроводных труб и значения пролетов между опорными элементами, расположенными внутри трубы-футляра, при которых минимизируются параметры напряжено-деформированного состояния трубопровода;
Получены расчетные выражения величины зазора между трубопроводом и футляром, позволяющие определить пространственную конфигурацию оси трубопровода при разрушении опорных элементов с учетом характеристик контрольных отверстий-сверлений в стенке несущей трубы-футляра балочного перехода;
Получена экспериментальная зависимость амплитуды отраженной ультразвуковой волны Рэлея частотой 100 кГц от смещения координаты дефекта на окружности трубы по отношению к оси ввода УЗ колебаний, позволяющая проводить выявление продольных и поперечных дефектов в трубопроводе, скрытых футляром, на расстоянии не менее 25 м;
Получены расчетные выражения, описывающие конфигурацию оси балочного перехода с учетом различного состояния опор и ослабления степени защемления концевых участков за счет удаления обвалования, позволяющие корректировать высотное положение балочного перехода для уменьшения изгибных напряжений в трубопроводе.
Защищаемые положения:
- расчетное обоснование методики определения параметров напряженнодеформированного состояния балочного перехода трубопровода в несущем футляре;
- расчетное обоснование методики определения фактического положения трубопровода в несущей трубе-футляре;
- экспериментальное обоснование метода дальнодействующего ультразвукового контроля балочного перехода, позволяющего выявлять скрытые дефекты труб под футляром;
- расчетно-экспериментальное обоснование технических решений по стабилизации устойчивости балочного перехода трубопровода при эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в разработке практических рекомендаций по оценке технического состояния, целостности и технических решений по поддержанию устойчивого положения балочных переходов при эксплуатации применительно к труднодоступным для диагностирования переходам трубопроводов в несущем футляре. В результате разработаны методики, устанавливающие требования к проведению работ по диагностированию и ремонту балочных переходов трубопроводов при эксплуатации, а также методика корректировки высотного положения балочного перехода для уменьшения изгибных напряжений.
Разработаны методические указания по оценке технического состояния балочных переходов трубопроводов в несущем футляре и внедрены в практику работы экспертной организации ООО НТЦ «Эксперт-сервис».
По результатам промышленного внедрения работ рассчитан ожидаемый экономический эффект применительно к условному объекту балочного перехода, достигаемый за счет снижения риска разрушений трубопроводов вследствие внедрения информативных методик диагностирования труб, своевременного выявления и устранения скрытых повреждений и дефектов труб, а также за счет повышения надежности эксплуатации трубопроводов, реализации мероприятий по поддержанию устойчивого положения трубопроводов с минимальными затратами.
Результаты работы представлены в методическом указании и учебном пособии, которые используются в учебном процессе кафедры «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» Ухтинского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- XII межд. молод. науч. конф. «Севегеоэкотех-2011» (16 – 18 марта г., Ухта);
- межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (14- ноября 2013 г.);
- международном семинаре «Рассохинские чтения» (06-07 февраля г., Ухта);
- XV международной молодеж. науч. конф. «Севегеоэкотех-2014» (26 – марта 2014 г, УГТУ, г. Ухта);
- конференции преподавателей и сотрудников УГТУ, 2014 г.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 4 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 174 страницы текста, 59 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 119 наименований.
Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, охарактеризованы научно-методические пути ее решения.
В первой главе выполнен обзор и анализ конструктивных решений однопролетных балочных переходов и методов оценки их технического состояния, раскрыты проблемы, возникающие при длительной эксплуатации балочных переходов, на примере нефтепровода Ухта-Ярославль.
Исследованиями проблем, разработкой различных конструкций балочных переходов в разное время занимались научно-исследовательские - ВНИИСТ, Газпром ВНИИГАЗ, ИПТЭР, учебные - РГУНГ им. И.М. Губкина; и проектные институты - Гипротрубопровод, ВНИПИтрансгаз и др.
Вопросам проектирования, сооружения и эксплуатации надземных трубопроводных переходов посвящены работы отечественных ученых Азметова Х.А., Айнбиндера А.Б., Бабина Л.А., Бородавкина П.П., Булгакова А.В., Быкова Л.И., Гольдштейна А.С., Гумерова А.Г., Камерштейна А.Г., Киреенко В.И., Лунева Л.А., Перуна И.В., Петрова И.П., Спиридонова В.В., Харионовского В.В., Шувалова В.Ю., Ясина Э.М. и др.
Несмотря на большое число работ и выполненных исследований в данном направлении, существенное разнообразие конструкций балочных переходов трубопроводов, отмечен ряд проблем в области диагностирования балочных переходов в несущем футляре и в вопросах их надежности при эксплуатации.
С одной стороны, такой тип балочного перехода является наиболее простым конструктивно, с другой – наиболее сложен для проведения диагностирования стандартными методами из-за невозможности прямого доступа к поверхности трубопровода, скрытого футляром.
Для проведения диагностирования и последующего ремонта перехода требуется полная остановка транспорта перекачиваемой среды, опорожнение полости трубопровода, механический демонтаж оболочки. При этом необходимо обеспечить дополнительную поддержку трубопроводу, так как оболочка является несущей, и при ее разрезании будет развиваться потеря устойчивости трубопровода.
Перечисленные технологические операции являются одновременно как сложными в технической реализации в силу того, что их необходимо выполнять, как правило, над руслом водной преграды, так и достаточно дорогостоящими.
Противокоррозионная защита перехода типа «труба в трубе» обеспечивается лишь за счет защитного покрытия, катодная защита трубопровода на переходе в стандартном его решении не применяется, так как считается, что в прилегающем к трубопроводу пространстве нет электролитической среды, позволяющей проводить катодную поляризацию металла труб. При этом весьма высока вероятность металлического контакта трубопровода и кожуха, при котором в случае наличия в зазоре атмосферных осадков будет развиваться активная контактная и щелевая коррозия, выявить которую обычными методами, не разрезая несущую оболочку, не представляется возможным.
Стандартные известные дефектоскопические методы диагностирования не могут быть реализованы на данном типе балочного перехода в силу того, что для их реализации требуется непосредственный контакт с трубопроводом.
Такой контакт может быть организован путем изготовления в несущей оболочке фрагментарных резов корпуса, через которые будет осуществляться диагностирование, однако на настоящий момент неясно, можно ли локально разрезать оболочку без потери ее несущей способности. Если возможно, то какими будут оптимальные размеры и число локальных резов оболочки, позволяющих обеспечить надежность и безопасность процессов диагностирования и текущей эксплуатации балочного перехода без нарушения его общей и локальной устойчивости.
Наиболее подходящим в этом случае является дальнодействующий ультразвуковой контроль (ДУЗК), основанный на использовании направленных волн, способных распространяться на большие расстояния от места закрепления датчиков, что позволяет по эхо-сигналам обнаруживать удаленные дефекты. Однако для реализации ДУЗК на балочном переходе типа «труба в трубе»
требуется методическая отработка метода.
Во второй главе выполнено расчетное обоснование несущей способности трубы футляра однопролетного балочного перехода для целей его диагностирования. Выполнен анализ основных особенностей расчета балочных переходов магистральных трубопроводов. Применительно к балочному переходу трубопровода в несущем футляре разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния (рис. 1).
После укладки на опоры трубы-футляра изгибающие моменты и прогибы определяют путем расчета балки длиной L, нагруженной поперечной весовой нагрузкой, складывающейся из веса трубы-футляра, изоляции и обледенения (q1), а также из веса внутренней трубы, веса ее изоляции и веса транспортируемого продукта (q2). Ограничив допустимые изгибные напряжения в сечениях трубы-футляра значением нормативного предела текучести, выражение для определения предельного пролета трубы-футляра запишется в следующем виде где Wф – момент сопротивления поперечного сечения трубы-футляра, м3; R2 н – нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла труб, принимаемое минимальному значению предела текучести по государственным стандартам и техническим условиям на трубы, МПа.
Трубопровод, помещаемый в трубу-футляр, приобретает ее конфигурацию в пролете L. Кроме того, от собственного веса и веса продукта трубопровод деформируется на участках длиной Lтр, ограничиваемых опорными элементами внутри трубы-футляра. Таким образом, при расчете трубопровода, размещенного в трубе-футляре, изгибающий момент будет складываться из момента М тр1, обусловленного изгибом трубы-футляра и момента М тр2, обусловленного изгибом трубопровода между опорными элементами, расположенными внутри трубы-футляра.
4 – опорные элементы трубопровода в трубе-футляре Рис. 1 Схема балочного перехода, проложенного в трубе-футляре Момент М тр1, обусловленный изгибом трубы-футляра, может быть вычислен по следующей формуле где Мф(х) – изгибающий момент в рассматриваемом сечении трубыфутляра, определяемый от весовых нагрузок q1 и q2; Wтр – момент сопротивления поперечного сечения трубопровода, м3; Dтр – наружный диаметр трубопровода; Dф – наружный диаметр трубы-футляра.
Момент М тр2 (х/) и деформацию f2 трубопровода, обусловленные поперечной нагрузкой q2, на участке между опорными элементами, расположенными внутри трубы-футляра, определяют из расчета неразрезной балки.
Наличие в трубопроводе продольного усилия Р, обусловленного воздействием температуры и внутреннего давления продукта, вызывает увеличение начального прогиба f2 и изгибающих моментов М тр2 ( x / ) до следующих значений где – коэффициент, зависящий от значения продольной силы, который вычисляют по формуле где k – коэффициент, принимаемый равным 0,6 для однопролетных балочных переходов и 0,7 для балочных переходов с двумя и более пролетами.
Расчетный пролет между опорными элементами, расположенными внутри трубы-футляра Последний член каждого подкоренного выражения в формуле (5) отражает влияние изгиба трубы-футляра на напряженное состояние трубопровода. Если значения этих членов делают подкоренные выражения отрицательными, то в этом случае следует уменьшать значения изгибных напряжений, возникающих в пролете перехода, путем последовательного уменьшения параметра R2, выполняющего роль допускаемых изгибных напряжений, в формуле (1) на 10, 20, 30 % и т.д. до тех пор, пока подкоренные выражения в формуле (5) будут полон жительными. Уменьшение параметра R2 вызывает уменьшение пролета перехода L.
Далее следует отметить, что формула (5) для вычисления пролета Lтр между опорными элементами, расположенными внутри трубы-футляра, содержит коэффициент, который, в свою очередь, зависит от Lтр. В этом случае расчет ведут методом итераций. На первом шаге расчета коэффициент принимается равным 0. Для этого случая рассчитывается значение Lтр0, для которого по формуле (4) вычисляется новое значение коэффициента. Вычисления повторяют до тех пор, пока разница значений Lтр на двух последних итерациях не превышает заданной точности.
Прогиб трубопровода fтр при найденном пролете Lтр может достигнуть или даже превысить величину имеющегося свободного пространства h между трубой-футляром и трубопроводом. В последнем случае трубопровод будет ложиться на внутреннюю поверхность трубы-футляра, что недопустимо. Для исключения такой ситуации следует определить пролет трубопровода, ограничиваемый зазором между трубопроводом и трубой-футляром. При этом целесообразно принять значение допустимого прогиба трубопровода равным половине имеющегося зазора где Dвнф – внутренний диаметр трубы-футляра.
На основании вышеизложенного выражение для определения длины пролета Lтрf из условия ограничения прогиба трубопровода запишется в следующем виде Окончательное значение пролета между опорными элементами, расположенными внутри трубы-футляра, принимают равным минимальному из значений, рассчитанных по формулам (5) и (7).
Выполнены расчеты для газопроводов наружным диаметром 520, 720 и 1020 мм, смонтированных на участках II и III категорий из стали с нормативным значением предела текучести 350 МПа и нормативным значением временного сопротивления 520 МПа. Рассмотрены варианты, когда трубопроводы проложены в трубах-футлярах 1020 10, 1020 12, 1020 14, 1220 12, 14, 1220 16, 1420 14, 1420 16 и 1420 18 мм, при этом для каждой трубыфутляра принято три марки стали с нормативными значениями предела текучести 350, 400 и 470 МПа. Рабочее давление для всех трубопроводов принято равным 5,4 МПа, а температурный перепад – 30 градусам.
Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода при разрушении опорных элементов в несущей трубе-футляре.
При разрушении опорных элементов в несущей трубе-футляре происходит увеличение пролета Lтр, рост деформаций и изгибных напряжений. При отсутствии несущей трубы-футляра увеличение пролета Lтр, в n раз вызвало бы увеличение деформаций в n4 раз и изгибных напряжений в n2 раз. Наличие несущей трубы-футляра ограничивает возможную деформацию трубопровода f свободным пространством h между трубой-футляром и трубопроводом. В этом случае, т.е. когда f > h, средняя часть деформирующегося трубопровода ляжет на внутреннюю поверхность трубы-футляра, а кривизна этого участка трубопровода и изгибающий момент будут равны кривизне и изгибающему моменту трубы-футляра. Схема изгиба трубопровода для этого расчетного случая (при отсутствии деформирования трубы-футляра) показана на рис. 2.
Максимальный изгибающий момент в зоне расположения опорного элемента трубопровода может быть вычислен по формуле где EJ – изгибная жесткость трубопровода; L* – расстояние от опорного элемента балочного перехода до места опирания трубопровода на внутреннюю поверхность трубы-футляра, вычисляемое по формуле Для достоверной оценки фактического напряженно-деформированного состояния трубопровода, находящегося в несущей трубе-футляре, требуется знать конфигурацию оси трубопровода.
1 – начальное положение трубопровода; 2 – положение трубопровода при разрушении промежуточных опорных элементов и отсутствии несущей трубыфутляра; 3 – положение трубопровода при разрушении опорных элементов и наличии несущей трубы-футляра; АВ – участок трубопровода, лежащий на несущей трубе-футляре после разрушения промежуточных опорных Рис. 2 Расчетная схема трубопровода балочного перехода, проложенного в несущей трубе-футляре, при разрушении опорных элементов Тогда изгибные напряжения могут быть вычислены по формуле где – радиус изгиба оси трубопровода, определяемый по данным геодезического обследования положения трубопровода.
«