На правах рукописи

УДК 622.692.4.07

Ланге Борис Степанович

Разработка методологии комплексной оценки

качества магистральных трубопроводов в процессе

строительного контроля

Специальность: 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ (технические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва, 2012г.

2

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сенцов Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тухбатуллин Фарит Гарифович, ООО «Газпром Газнадзор», Заместитель генерального директора;

кандидат технических наук Караманов Владимир Александрович, ОАО Финансово-Строительная Корпорация «Нефтегазстрой-Восток», Президент

Ведущая организация: Закрытое акционерное научно-проектное внедренческое общество «НГС-оргпроектэкономика» г. Москва

Защита диссертации состоится «20» декабря 2012г. в 15 часов в ауд. 502 на заседании диссертационного совета Д 212.200.06 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу:

Ленинский проспект, 65, корп. 1, Москва, В-296, ГСП-1, 119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «20» ноября 2012 г.

Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http://www.gubkin.ru и направлены на размещение в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу [email protected]

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.М. Ревазов

Общая характеристика работы

Актуальность работы Магистральные трубопроводы - это сложные, высоконагруженные инженерно-технические сооружения, которые в течение всего срока службы могут подвергаться значительным напряжениям, близким к нормативным параметрам предела прочности и предела текучести металла. Поэтому даже незначительные отклонения системы по сравнению с проектными условиями могут приводить ее в аварийное состояние. Это положение определяет необходимость разработки методологии комплексной оценки качества магистральных трубопроводов и методики принятия решений, обеспечивающих максимальное сохранение существующего проектного потенциала при создании новых трубопроводных систем. Специфической особенностью производства труб и трубной арматуры, является то, что некоторые дефекты, возникшие в процессе производства, не могут быть выявлены в процессе приемки при существующей системе заводского контроля. В процессе строительства их выявление и устранение не всегда возможно, а в процессе испытаний и эксплуатации могут привести к серьезным, порой непоправимым последствиям. При этом наиболее опасные из них могут приводить к авариям в первые годы или даже месяцы эксплуатации, дефекты меньших размеров, «подрастая», могут проявиться через десятки лет. Поэтому для отрасли важно проводить упреждающие мероприятия по предотвращению появления дефектов, и исключению источников и причин повреждений трубопроводов. Такая стратегия принесет максимальный экономический эффект при ее внедрении в системе магистральных трубопроводов.

Цель работы – создание научно-обоснованной методики повышения надежности магистральных трубопроводов на основе дифференцированной оценки уровня качества построенных магистральных трубопроводов и прогнозирования изменения при эксплуатации параметров надежности участков трубопровода с выявленными в процессе строительного контроля некритическими локальными дефектами.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

проведение комплексного количественного анализа факторов, определяющих параметры надежности участков линейной части условиях;

разработка концепции строительного контроля, обеспечивающей требуемый уровень надежности и безопасности магистральных газопроводов;

создание и апробация научно-обоснованных процедур комплексной оценки качества строительства трубопроводов.

На защиту выносятся:

строительных дефектов и ранжирования их влияния на формирование уровня надежности трубопроводов.

строительства трубопроводов, обеспечивающая в соответствии с требованиями стандарта ИСО 9001:2000 постоянное улучшение продукции, процессов организации, системы качества трубопроводного строительства.

Методика прогнозирования параметров надежности магистральных трубопроводов, при наличии некритических дефектов заводского и строительного генезиса, выявленных в процессе строительного контроля.

Научная новизна диссертационной работы определяется результатами исследований, полученными автором в процессе проведения комплекса экспериментальных и теоретических работ, основными из которых являются:

методика определения приоритетов отбраковки дефектов линейной части магистральных газопроводов на основании технико-экономических критериев эффективности;

методика оценки ресурса участков магистральных газопроводов с локальными некритическими дефектами на основе прогнозирования ресурса трубопровода;

методика обоснования выбора и оптимизации затрат на строительный контроль при строительстве магистральных газопроводов, реализованная на конкретных объектах построенных магистральных трубопроводов.

Практическая ценность работы Разработана методика строительного контроля и комплексной оценки качества завершенного строительства линейной части магистральных трубопроводов, включающая в себя: формализацию критериев оценки, алгоритм и структуру оценочных действий. Использование перспективных организационно-технологических схем строительного контроля апробирована на строительстве объектов трубопроводного транспорта России и использована при разработке: "Положения ОАО "Газпром" о независимом техническом надзоре и контроле качества строительства объектов газотранспортной системы Ямал – Европа"; "Методических рекомендаций по количественной оценке состояния магистральных газопроводов с коррозионными дефектами, их ранжирования по степени ВРД 39-1.10-004-99. Методика использована для подготовки ПО «Спецнефтегаз» к аттестации на соответствие требованиям, предъявляемым к органу технического надзора типа “А” (независимый орган ТН) в соответствии требованиям РД 08-296-99 Госгортехнадзора России и требованиям международного стандарта качества ISO 9002-94 и в международном Бюро качества Veritas, где получен сертификат соответствия № 557817. Разработанные методики использовались при организации деятельности участков технического надзора и строительного контроля на ОАО «Волжский трубный завод», ОАО «Челябинский трубопрокатный завод», при строительстве трубопроводов системы Заполярное-Уренгой, Россия-Турция, Бованенково-Ухта.

Апробация работы докладывались на семинарах, совещаниях и конференциях, посвященных проблемам развития трубопроводного транспорта газа и эксплуатации магистральных газопроводов, в том числе на: 4-й международной деловой встрече «Диагнгостика-94» Ялта, 1994; Третьей международной обслуживание и ремонт магистральных газопроводов» - Попрад, Словакия, 2000; Одиннадцатой Международной деловой встрече «Диагностика–2001» Тунис, 2001; «Новые технические решения при ремонте, реконструкции и строительстве линейной части магистральных газопроводов и газораспределительных станций» - Волгоград, май 2002; отраслевом совещании-конференции «Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов ОАО «Газпром» Саратов, 2009; VII международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» Новополоцк, 2011; IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России - Москва, 2012; заседаниях Научно-технического совета ОАО «Газпром» по вопросу состояния и перспектив применения новых технических решении при ремонте, реконструкции и строительстве линейной части магистральных газопроводов и газораспределительных станций - 1994-2009гг.; заседаниях проблемного научно-технического совета Российского Союза Нефтегазостроителей, 2007 - 2010гг.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано работ, в т.ч. две из них в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 155 наименований. Работа содержит 201 страниц машинописного текста, 54 рисунка и 30 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, практическая значимость результатов работы.

В первой главе диссертации автором на основе обобщения научных публикаций ведущих ученых и специалистов, а также анализа накопленного многолетнего опыта сооружения и эксплуатации магистральных трубопроводов и результатов собственных исследований даются экспертные оценки современного технического состояния газотранспортной системы России.

Проблему управления качеством, как инструмент решения проблемы обеспечения и повышения эксплуатационной надежности МТ и исследование вопросов их диагностического и ремонтно-восстановительного обслуживания в своих работах исследовали: Бородавкин П.П., Васильев Г.Г., Гумеров А.Г., Иванцов О.М., Короленок А.М., Макаров Г.И., Молдованов О.И., Мустафин Ф.М.., Стеклов О.И., Сенцов С.И., Телегин Л.Г., Тухбатуллин Ф.Г., Гаспарянц Р.С., Хариновский В.В. и другие авторы. Труды этих ученых являются основополагающими при проведении научных исследований в области обеспечения надежности магистральных трубопроводов. При этом отдельные направления требуют соответствующего развития. В частности, это касается совершенствования методов строительного контроля и комплексной оценки качества завершенного строительства линейной части МТ, включая формализацию критериев оценки, алгоритм и процедуру оценочных действий, использование перспективных организационнотехнологических схем строительного контроля.

используемых материалов и влияния множества неучтенных факторов, показатели качества отдельных изделий имеют определенные разбросы, и некоторая доля продукции может оказываться не соответствующей требованиям к ее качеству. Полное исключение несоответствующих единиц продукции из партий невозможно даже при использовании сплошного контроля из-за погрешностей средств и методов контроля, субъективных особенностей контролеров.

Статистический комплексный анализ результатов инструментального контроля качества за период 2009-2011гг. по процедурам заводского контроля труб (рис. 1) позволил выявить наиболее узкие места в обеспечении качества при производстве трубной продукции. Аналогичные исследования были выполнены относительно внешней и внутренней изоляции труб.

Обработка данных по результатам контроля качества на объектах, где статистических данных по испытаниям законченных строительством трубопроводов (таб. 2) показала, что на каждые 100км происходит 2,4 отказа, а при стресс-тестовых испытаниях эта цифра удваивается. При этом дублирующий контроль, при выборке от 2 до 10% от общего объема, выявляет до 1% брака, что свидетельствует о том, что отказы трубопроводов, связанные с дефектами материалов и брака СМР, при существующей системе строительного контроля неизбежны.

Рисунок 1 – Сводный отчет по инспекции труб за 2009-2011гг.

Данные НПО "Спецнефтегаз" по результатам контроля сварных соединений Наименование женнос Сварено предпис объекта (газопровод) ть Л.Ч., стыков аний, Заполярное -Уренгой СРТО-Торжок (переход р. Обь) Статистика результатов дублирующего контроля сварных соединений газопровода дубль- количество проконтролированных дубль. брака к обобщенным данным выглядит следующим образом (рис.2):

3,7% Рисунок 2 - Классификация причин аварий на магистральных трубопроводах В существующей системе строительного контроля для оценки показателей качества трубопроводов производится проверка выходных технических характеристик и их отклонений. Если эти характеристики соответствуют допускам предусмотренным требованиями, то элементы трубопроводов считаются годными для эксплуатации (рис. 3б). При этом дефектом считается только отклонение фактического параметра от его нормативного значения, задаваемого нормируемым допуском. При аналогичной процедуре в процессе диагностики эксплуатирующегося трубопровода все выявленные дефекты подвергаются оценке с точки зрения безопасной эксплуатации с учетом их возможного роста (рис. 3а).

Рисунок 3 – Принципы оценки дефектов линейной части трубопроводов при диагностике и строительном контроле: а) принципы оценки при диагностике внутритрубными снарядами, б) оценка при строительном контроле.

Таким образом, статистика отклонений, выявленных при строительном контроле, являющаяся до настоящего времени основным источником качественным сигналом обратной связи, дающим представление о том, насколько исходные материалы строительства, конструктивные, а также технологические решения, обеспечивают требуемые показатели надежности.

Принципиальный выход из создавшегося положения заключается в прогнозировании возможного развития некритических дефектов СМР в реальных условиях эксплуатации, как основы для формирования технически оправданного уровня конструктивной надежности.

Уровень качества построенного трубопровода предлагается оценивать через значения средневзвешенного показателя Yk (1), определяемого через количественные показатели отклонений от нормативных требований к качеству по отдельным видам работ. При этом в расчет принимаются как закритические (превышающие допуски), так и некритические отклонения где: n – число относительных показателей качества;

i– коэффициент весомости (в баллах от 1 до 10);

ri – значение i-го показателя.

Фактические значения показателя позволяют дифференцировать оценку уровня качества построенного участка трубопровода.

При использовании относительной шкалы в виде нормативных значений и фактических показателей качества СМР, зависящих от результатов показателей, согласно количеству оцениваемых параметров.

Каждый показатель изображается на диаграмме в виде кругового выбранного аналога, а центральный угол – коэффициенту весомости, выраженному условной величиной в градусах или радианах.

Рисунок 4 - Диаграмма для определения уровня качества СМР Учитывая, что различные дефекты в зависимости от соотношения геометрических параметров в различной степени ослабляют механическую прочность материала, автором предложен экспресс-метод, позволяющий на основе известного набора ограниченной информации сделать качественный вывод о степени опасности дефектов.

Для первичной оценки допустимости фактического уровня качества с учетом совокупности некритических отклонений и влияния различных эксплуатационных факторов и их комбинаций производится экспертное ранжирование участков трубопроводов с дефектами, выявленными в процессе строительного контроля. На первом этапе выявленные дефекты ранжируются на основе бальных оценок на:

недопустимые дефекты, которые независимо от расчетной несущей способности дефектной трубы, подлежат устранению;

опасные дефекты (если параметры обнаруженного дефекта таковы, что разрушение по нему возможно при окружных напряжениях, выше 90% от нормативного предела текучести материала, а также дефекты геометрии трубы (вмятины, гофры), приводящие к сужению внутреннего диаметра трубы более 85% от нормативного и дефекты стенки с глубиной более 80% от нормативной толщины стенки);

потенциально опасные дефекты (если параметры обнаруженного дефекта таковы, что разрушение по нему возможно при окружных напряжениях, равных или ниже 90% от нормативного предела текучести материала, а также дефекты геометрии трубы (вмятины, гофры), приводящие к сужению е внутреннего диаметра менее 85% от нормативного и дефекты стенки с глубиной менее 80% от нормативной толщины стенки);

неопасные дефекты (если параметры обнаруженного дефекта находятся ниже величины нормативного запаса прочности).

Далее производится ранжирование участков магистральных газопроводов по степени коррозионной опасности:

участки высокой коррозионной опасности;

участки повышенной коррозионной опасности;

участки умеренной коррозионной опасности.

На третьем этапе производится корректировка ранга участка трубопровода с некритическими дефектами в зависимости от его местоположения на трассе трубопровода.

Сумма основного и корректирующего баллов дает количественную оценку степени опасности (ранг) каждого участка трубопровода с некритическими дефектами, представленного в отчете об инспекции.

Согласно установленным рангам весь список дефектов разбивается на группы, характеризующие степень опасности или риска эксплуатации участков трубопроводов с не критическими дефектами.

Идентификация участков трубопроводов с некритическими дефектами производится по параметрам ранжирования по степени опасности, определяемым по формуле:

где: Пi - ранг по дефектности; I = 1 n – параметры ранжирования.

По результатам ранжирования для каждого из участков трубопроводов с некритическими дефектами трубопровода на следующем этапе прогнозируются объемы работ по диагностике состояния, исходя из прогноза развития не устраненных некритических дефектов.

Во второй главе приведены результаты исследований по разработке методологии прогнозирования надежности магистральных трубопроводов, с локальными некритическими дефектами.

Поскольку любой дефект, не выявленный в ходе изготовления труб, строительства и испытания трубопровода, является потенциальным очагом отказа, а вероятность отказа зависит от размеров дефекта, условий его подрастания при эксплуатации и степени опасности, то можно считать, что такой дефект в зависимости от своих размеров и условий его развития определяет меру риска разрушения трубопровода.

В предлагаемой концепции строительный контроль обеспечивает получение текущих значений и прогноз изменения определяющих параметров, взятых за исходную точку отсчета степени деградации объекта контроля. На основе этих данных оценивается текущее (приемо-сдаточное) состояние и прогнозируется развитие выявленных, но не устраненных не критических дефектов вплоть до наступления предельного состояния (отказа). Результаты анализа состояния на момент приемки в эксплуатацию и оценки остаточного ресурса служат основой для планирования диагностических и ремонтных мероприятий, направленных на обеспечение безопасной эксплуатации трубопровода и достижение оптимальных техникоэкономических показателей (рис. 5).

Отказ линейной части рассматривается как событие, при котором дальнейшая эксплуатация трубопровода (или его участка) с момента t=tотк с проектными параметрами транспорта продукта, становится недопустимым.

При этом количественные изменения нормированных свойств конструкции переводят ее в новое качественное состояние, характеризующееся значительным снижением эффективности работы трубопровода, а между фактическим уровнем конструктивной надежности Q, уровнем нагрузок и сбалансированности) устанавливается вполне определенная взаимосвязь Ф[Q,N,t]=0.

Нормативные требования Возможные предельные состояния Рисунок 5 - Схема оценки качества построенных магистральных трубопроводов по результатам строительного контроля Физическая концепция количественной оценки перехода трубопровода в предельное состояние, потери его работоспособности или наступления отказа могут быть представлены в рамках единого механизма развития перехода Q=f(t).

Время до наступления отказа представляется в виде аддитивной зависимости:

где: tI – время устойчивого состояния участка трубопровода по критерию изменчивости уровня конструктивной надежности в жестко регламентированном диапазоне (определяет длительность 1-й фазы tII – время монотонного снижения конструктивной надежности критического уровня, начиная с которого происходит интенсивное, прогрессирующее развитие отказа (определяет длительность 2-й tIII – длительность третьей завершающей фазы отказа.

Согласно теории длительной прочности материалов и конструкций при нестационарном нагружении имеет место принцип линейного суммирования повреждений. Поэтому при возрастании нагрузки на участок трубопровода в течение некоторого времени t общее время от момента возрастания нагрузки до отказа (например, разрушения), характеризующее длительность второй фазы развития отказа, равно:

где: ti – время локального (частичного) фазового перехода, эквивалентное линейного суммирования, получаем:

здесь: tII( t) – временная функция прочности трубы; tII – расчетное время, от начала эксплуатации до наступления предельного состояния (отказа).

коэффициента запаса надежности, комплексно учитывающего специфику процесса развития отказа участка трубопровода, построенного из труб заданного материала, типоразмера и находящегося под действием заданных давлений и температур. Коэффициент запаса надежности в этом случае будет:

где: ti (i=1,…,m) – отрезки времени, отвечающие безотказной работе трубопровода с напряжениями в стенке 2,…, m, не превышающими развития отказа, определяемая из условия (4).

Для описания дефектов, выявленных при строительном контроле по аналогии с диагностикой в процессе эксплуатации, все наблюдаемые дефекты подразделяются на следующие четыре категории:

связанные с нарушением сплошности материала стенки расслоения, раковины, инородные включения, внутренние трещины, каверны, которые описываются четырьмя параметрами – длиной, шириной, глубиной и расстоянием от поверхности стенки трубопровода;

расположенные в поверхностном слое стенки – коррозионные очаги, вмятины, забоины, которые являются двухмерными и характеризуются тремя параметрами – длиной, шириной и глубиной;

поверхностные – задиры, царапины, волосовины, несквозные трещины, которые, представляют собой одномерные протяженные дефекты, характеризующиеся двумя параметрами – длиной и глубиной;

деформация стенки труб – вмятины, механического происхождения, сплющивания, гофры и т.д., которые определяются одним параметром глубиной.

параметров прогнозного технического состояния участков трубопроводов с некритическими дефектами.

Прогноз оценки работоспособности и определения предельного срока эксплуатации участков магистральных трубопроводов, при наличии участков с некритическими дефектами производится на основе расчетов на прочность и долговечность, определения предельных давлений и предельных сроков эксплуатации.

Алгоритм расчетов на прочность и долговечность труб и сварных соединений с некритическими дефектами, выявленными в процессе строительного контроля приведен на рисунке 6.

В качестве критерия наступления предельного состояния трубопровода (диаметр трубы D, толщина стенки трубы t ), имеющей дефект длиной L и глубиной h, расположенный под углом к продольной оси трубы, принято условие, предложенное Киселевым В.К. и Столовым В.П.:

где: – параметр ( 0 1), характеризующий степень поврежденности соответствует полному разрушению трубы);

– номинальное напряжение, возникающее в неповрежденной трубе перпендикулярно оси дефекта;

- предельное напряжение, допускаемое материалом трубы.

Согласно требованиям действующих нормативных документов расчет опасности дефекта по нормам долговечности трубы – выполняется без учета реального продольного напряжения.

Исходные данные для расчета:

1. Параметры конструкции:

- диаметр Dn - измеренная толщина стенки трубы, 2. Свойства металла труб и сварных швов:

- механические характеристики металла труб и сварных швов - коэффициент запаса kтр 3. Нагрузка:

- проектное давление pпроект для каждого участка трубопровода - цикличность нагружения N - поправка на превышение давления рпри нестационарных процессах 4. Дефектность:

- дата обследования, по результатам которого определены параметры дефекта - тип дефекта - размеры дефекта по результатам обследования L, W, H (длина, ширина, глубина) - поправка на размеры дефекта в зависимости от метода строительного контроля L, W, H 5. Скорость роста дефектов:

- скорость Vкорр Расчет параметров дефекта по проектным давлениям, фактической цикличности и скорости роста V v_уст - размеры дефекта на расчетный период Lрасч, Wрасч, Hрасч Расчет предельной нагрузки pпред для дефекта с параметрами Lрасч, Wрасч, Hрасч по следующим параметрам:

- проектное значение pпроект - прогнозируемая цикличность N - скорость роста V Расчет на долговечность по проектному давлению и прогнозируемой цикличности с определением предельного срока эксплуатации tпред при