Совершенствование методов повышения безопасности трубопроводов сероводородсодержащих месторождений

На правах рукописи

ЧИРКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Уфа – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Кушнаренко Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коршак Алексей Анатольевич

доктор технических наук, доцент

Ревазов Алан Михайлович

доктор технических наук

Худякова Лариса Петровна

Ведущая организация ООО «Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа»

(ООО «ВолгоУралНИПИгаз»)

Защита состоится «15» октября 2010 года в 1500 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкорстан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «___» _________ 2010 года.

Ученый секретарь

совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в России эксплуатируется несколько десятков тысяч километров трубопроводов, построенных в период с 1970 по 1980 год. Длительные сроки и непрерывно изменяющиеся параметры эксплуатации трубопроводов, отдельные свойства транспортируемых сред способствуют увеличению количества повреждений в металле труб, которые в свою очередь могут привести к аварийным отказам трубопроводов (в том числе и с возникновением пожаров) с негативными воздействиями на окружающую среду и значительным экономическим потерям. Присутствующие в составе продукции Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ОНГКМ) сероводород и диоксид углерода имеют повышенную агрессивность, вызывают язвенную коррозию, сероводородное растрескивание и водородное расслоение металла, приводящие к существенному снижению безопасности эксплуатации трубопроводов. Продление срока безопасной эксплуатации трубопроводных систем является важнейшей задачей нефтегазовой отрасли.

Своевременная диагностика, всеобъемлющий мониторинг, капитальный ремонт и реконструкция, а также принципиально новые, научно обоснованные технические, технологические и организационные решения позволяют перевести трубопроводы в возобновляемые безопасные системы с продлением срока службы.

Внутритрубная дефектоскопия (ВТД) в сочетании с электрометрией и другими методами контроля позволяют реализовать концепцию реконструкции трубопроводов по техническому состоянию.

Изменение состояния металла трубопроводов при длительной эксплуатации определяет необходимость оценки дефектности металла и работоспособности труб. Для вновь сооружаемых и реконструируемых трубопроводов существующие нормы дефектности металла обеспечиваются соблюдением установленной технологии изготовления, в то время как для трубопроводов, выработавших нормативный срок эксплуатации, актуальным становится вопрос о замене выявленных дефектных участков. Дальнейшая безопасная эксплуатация трубопроводов с дефектными участками возможна при условии получения обоснованных оценок их потенциальной опасности, а, следовательно, работоспособности и расчетного остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.

Для принятия решений о выборе мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации и оценке остаточного ресурса трубопроводов необходима дополнительная информация о дефектах, то есть, их идентификация - определение природы дефектов (коррозия, механическое повреждение, металлургическое расслоение, структурная неоднородность, водородное расслоение и др.) и их геометрических параметров. Идентификация дефектов металла труб проводится при компьютерном анализе результатов ВТД и проверяется при дополнительном диагностическом контроле в шурфах. Однако, с целью снижения трудоемкости, основное количество выявленных дефектов необходимо идентифицировать исключительно при компьютерном анализе результатов ВТД. Обследование дефектов в шурфах экономически целесообразно применять для подтверждения потенциальной опасности только тех дефектов, которые оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства металла трубопровода. В связи с этим, определение характерных признаков для идентификации выявленных дефектов металла труб, создание методик оценки их потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов является актуальной проблемой для предприятий, эксплуатирующих трубопроводы.

Несмотря на большой объем опубликованных исследований в области обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов с дефектными участками, много вопросов остается малоизученными и требуют дальнейшего решения. Идентификация дефектов металла труб и сварных соединений, разработка новых методов оценки потенциальной опасности участков трубопроводов с различными дефектами, восстановление несущей способности трубопроводов без остановки перекачки продукта, прогнозирование остаточного ресурса, являются актуальной проблемой обеспечения безопасности трубопроводов.

Цель работы: повышение безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:

- анализ причин отказов и дефектности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды;

- разработка методики идентификации дефектов по данным внутритрубной дефектоскопии;

- определение механизма развития повреждений и потенциальной опасности дефектов формы труб и разработка метода контроля повреждений металла трубопроводов;

- выбор критериев оценки потенциальной опасности дефектов утонение стенки труб и участков трубопроводов с объемными дефектами в сварных соединениях;

- разработка моделей приведения несплошностей металла к дефектам утонение стенки труб и оценка их потенциальной опасности;

- разработка методик и оборудования для лабораторных и стендовых коррозионных испытаний образцов, труб и запорной арматуры;

- разработка технологических методов повышения безопасной эксплуатации трубопроводов;

- разработка системы балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов ОНГКМ на интенсивность их отказов.

Методы исследований: Поставленные задачи решены с использованием: положений теории прочности и коррозионной стойкости металлов и сплавов; теории надежности и экспертных оценок; положений теории подобия и математического моделирования физических объектов и процессов; методов статистического анализа результатов ВТД, наружного контроля и экспериментальных исследований элементов трубопроводов; металлографических исследований. Окончательная оценка предлагаемых научно-технических решений проводилась по результатам стендовых и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы:

- предложена методика идентификации дефектов трубопроводов, позволяющая установить характерные признаки дефектов, отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, и повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов;

- установлено, что в процессе эксплуатации стальных труб в течение 25 лет в сероводородсодержащей среде: основной металл сохраняет исходную феррито-перлитную структуру; в области металлургических дефектов количество эксплуатационных дефектов (водородных расслоений) увеличивается по экспоненциальному закону; в области технологических дефектов кольцевых сварных соединений возникают трещины; ударная вязкость KCU-40 металла труб снижается на 26-33 % по сравнению с исходной.

- разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки трубы на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. Получена зависимость разрушающего давления в водородных расслоениях металла стенки трубы от площади повреждения. Разработаны модели приведения внутренних дефектов к дефектам утонение стенки трубы;

- предложены зависимости значений изменения скорости распространения акустических волн в металле труб от значений величины накопленной поврежденности в процессе развития малоцикловой усталости металла, на основе которых разработана методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопровода с дефектами формы;

- уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами и введен коэффициент ослабления прочности сварного шва kС в интервале значений 1,5…2,0 при определении разрушающего давления. Предложена методика оценки потенциальной опасности объемных дефектов кольцевых сварных соединений, позволяющая обосновать возможность безопасной эксплуатации участков трубопроводов, содержащих дефектные сварные стыки;

-предложена математическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке на трубе напряженной муфты, позволяющая определить оптимальное обжимающее давление сварной муфты;

- предложена математическая модель технического состояния и проведено ранжирование потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие определить сроки ее плановой замены и повысить безопасность эксплуатации трубопроводов;

- разработана система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и определена зависимость связи значений факторов и интенсивности отказов трубопроводов, позволяющие обосновать объемы и сроки проведения ремонта дефектных участков трубопроводов для обеспечения необходимого уровня их безопасной эксплуатации.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработаны и внедрены в УЭСП ООО «Газпром добыча Оренбург» методика и стенд для проведения испытаний дефектных участков трубопроводов, позволяющие определить потенциальную опасность дефектов, необходимость и сроки проведения ремонта, а также заменить общее испытание трубопровода при продлении его срока безопасной эксплуатации;

- разработана методика оценки поврежденности металла дефектных участков трубопроводов при циклических деформациях с прогнозированием их остаточного ресурса, используемая при проведении экспертизы промышленной безопасности трубопроводов;

- предложены технологические методы повышения безопасности эксплуатации дефектных участков трубопроводов путем применения: входного контроля трубных изделий; импортозамещаемой отечественной запорной арматуры; эффективных ингибиторов коррозии; технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами.

Основные положения разработанных методик включены в: СТО Газпром 2-5.1-148-2007 «Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением»; СТО 0-13-28-2006 «Методика оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса трубопроводов, имеющих коррозионные поражения и несплошности в сварных швах и основном металле, выявленные при внутритрубной дефектоскопии», СТО 0-03-22-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».

Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил: в 2005 г. - 18 миллионов рублей, в 2007 г. - более 7 миллионов рублей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

-методика идентификации дефектов трубопроводов, выявленных внутритрубной дефектоскопией;

-методика оценки акустическими волнами величины накопленной поврежденности металла труб с дефектами формы при малоцикловом нагружении;

-экспоненциальная зависимость увеличения количества водородных расслоений в области металлургических дефектов металла труб в процессе эксплуатации трубопроводов;

-модели приведения внутренних дефектов металла труб к дефектам утонение стенки;

-методика оценки потенциальной опасности дефектов металла труб и сварных соединений и прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов;

-методика натурных испытаний труб и запорной арматуры;

-модель технического состояния запорной арматуры;

-модель напряженно - деформированного состояния металла ремонтируе-мых участков трубопроводов муфтой, обжимаемой упругой камерой;

-система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и зависимость, устанавливающая соответствие между балльной оценкой участков трубопроводов ОНГКМ и интенсивностью их отказов.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на конференциях и семинарах: «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (Всероссийская НТК, г. Оренбург, 1995 г.); «Проблемы диагностирования и оценки остаточного ресурса оборудования и трубопроводов, работающих в сероводород-содержащих средах» (Международный научно-технический семинар ОАО Газпром, г. Оренбург, 1997 г.); III-й Международный конгресс и выставка «Защита – 98» (г. Москва, 1998 г.); «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Всероссийская НТК, г. Орск - 1998, 2000, 2002 г.г.); «Научно-технические решения по повышению эффективности ингибиторов коррозии» (НТС, г. Москва, 2000 г.); «Техническое диагностирование оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Международная НТК, г. Оренбург, 2000 г.); «Диагностика трубопроводов» (3-я Международная конференция, г. Москва, 2001г.); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Российская НТК, г. Оренбург - 2004, 2005 г.г.); «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности»
(7-я Международная выставка и конференция, г. Москва, 2008 г.); «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (МТК ОрГТИ, г. Орск, 2008 г.); «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (МНТК ОАО «Газпром», г. Оренбург - 2002, 2004, 2006, 2007, 2008 г.г.); «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Третья МК ИМЕТ РАН, г. Москва, 2009 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 91 научном труде, в том числе: монографии - 2, статей – 39 (в т.ч. в изданиях Перечня ВАК - 17), патентов на изобретения - 7.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 230 наименований и приложения. Работа изложена на 355 страницах машинописного текста, содержит 191 рисунок и 67 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность вопросов диссертационной работы. Сформулированы цель и основные задачи исследований, связанные с определением эксплуатационных свойств металла труб и повышением безопасности эксплуатации трубопроводов, имеющих участки труб с различными дефектами. Обоснованы научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации и внедрении результатов. Дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ условий эксплуатации и причин отказов трубопроводов, осуществлена систематизация возможных дефектов металла труб, дано описание существующих методов оценки технического состояния и работоспособности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержа­щие нефтегазовые среды.

Теория оценки работоспособности металла труб и разработка научных основ обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов связана с именами ведущих ученых: Абдуллина И.Г., Басиева К.Д., Березина В.Л., Ботвиной Л.Р., Бугая Д.Е., Гареева А.Г., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Зорина Е.Е., Иванцова О.М., Коршака А.А., Ревазова А.М., Чабуркина В.Ф., Черняева К.В., Kiefner J.F., O'Grady T.J., Thomas J. и др. Особенности обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводород­содер­жащие среды, отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Гафарова Н.А., Генделя Г.Л., Иванова С.И., Кушнаренко В.М., Макаренко В.Д., Митрофанова А.В., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др.

Анализ опыта более чем 25-летней эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ позволил установить, что основными причинами отказов являются: сероводородная коррозия (утонение стенки труб) и водородное расслоение металла труб; сероводородное растрескивание деталей и сварных соединений трубопроводов; охрупчивание уплотнительных элементов запорной арматуры.

Оценка дефектности металла трубопроводов проводится различными методами диагностики. Наиболее эффективным методом диагностики трубопроводов на сегодня является ВТД. Для проведения ВТД применяют два основных метода - ультразвуковой и магнитный, последний позволяет контролировать сварные соединения. При проведении ВТД трубопроводов ОНГКМ выявлено более 80 тысяч дефектов различного типа, из которых более половины недопустимы согласно требованиям действующих нормативных документов (НД).

Одним из условий безопасной эксплуатации трубопроводов является наличие методик и НД, регламентирующих нормы оценки дефектности металла труб. В известных методиках и НД рассматриваются дефекты геометрии, дефекты наружной и внутренней поверхностей труб, в то время как основное количество дефектов, превышающих требования НД, это неметаллические включения, расслоения в стенках труб и дефекты сварных швов. В НД дефекты, как правило, делятся на допустимые и недопустимые. В то же время для основной массы дефектов необходима экспертная оценка их потенциальной опасности с целью определения ресурса безопасной эксплуатации дефектных участков трубопроводов. Итоговую оценку нагруженности трубопровода с дефектными участками или степени потенциальной опасности дефекта могут дать расчетно-экспериментальные исследования.

Выявленные дефекты формы труб - вмятины и гофры не уменьшают толщину стенки трубопровода и величину статического разрушающего давления, но создают в металле высокую концентрацию напряжений. Под действием переменных нагрузок в области вмятин и гофр накапливаются повреждения, уменьшается пластичность металла, и могут возникать трещины. Существует немало перспективных приборов определения свойств и дефектности металла труб, основанных на акустических методах неразрушающего контроля. Поэтому представляется актуальной разработка методики неразрушающего контроля металла труб с дефектами формы.