Совершенствование методов повышения безопасности трубопроводов сероводородсодержащих месторождений

Функция 0,6·Nдоп +0,4 не позволяет строго установить границу интервала, но применима к любому значению Nдоп, то есть устанавливаемый предельный фактический коэффициент запаса всегда будет больше единицы.

Все дефекты, выявленные в результате внутритрубной дефектоскопии, подразделяются на три категории в зависимости от природы происхождения и запаса прочности: опасные; потенциально опасные; неопасные.

Опасные дефекты - требуется ремонт в кратчайшие сроки. Для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, опасными (недопустимо снижающими безопасность) являются дефекты с остаточной толщиной стенки трубы менее 40% от толщины стенки и с запасом прочности относительно разрушающего давления менее, чем для потенциально опасных дефектов.

Потенциально опасные дефекты – дефекты, не входящие в категорию опасных, однако размеры которых превышают требования действующих НД. Для участков трубопроводов с такими дефектами требуется наружное обследование и ремонт в плановом порядке.

Неопасные дефекты - не снижается безопасность эксплуатации трубопроводов и не требуется наружное обследование и ремонт. К ним относятся утонения стенки труб, допустимые требованиями НД, а также внутренние металлургические дефекты.

Оценку потенциальной опасности дефектов утонение стенки трубы проводили гидроиспытаниями сероводородсодержащей средой NACE. Испытывали в течение 720 часов при давлении РНраб трубы диаметром от 57 до 377 мм из стали 20, применяемые для строительства трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазоконденсатные среды. Затем, перед проведением испытаний до разрушения, на трубе создавали утонения - лыски и надрезы, затем по центру искусственных дефектов труб наклеивали тензодатчики. Значение отношения давления текучести металла в области лыски к давлению в области надреза (Рл/Рн) представляет собой коэффициент концентрации напряжений К в остаточном слое металла надреза. Среднее значение К, равное 1,385, условно определяет потенциальную опасность дефектов типа локальных механических или коррозионных повреждений, расположенных по линии вдоль оси трубопровода, например, группы точечных коррозионных язв, по отношению к общей коррозии, имеющей тот же линейный размер вдоль оси трубопровода.

Гидроиспытания натурных образцов труб сероводородсодержащей средой позволили уточнить потенциальную опасность нетрещиноподобных дефектов и сопоставить величины разрушающих давлений с расчетными значениями. Проведенные коррозионно-механические испытания труб позволили обосновать применение модифицированной методики института Баттелля (стандарт B31G) для определения потенциальной опасности нетрещино-подобных дефектов трубопроводов, транспортирующих сероводород-содержащие нефтегазовые среды.

Окружные напряжения Sp (МПа), которые могут вызвать разрушение участка трубопровода, имеющего дефект, находят по формуле

, (2)

где S'- напряжение текучести, соответствующее появлению пластического течения и разрушению в вершине дефекта (на основании проведенных экспериментальных исследований для трубопроводов, контактирующих с наводороживающими средами, предлагается S' принимать равным пределу текучести материала - ); А - площадь участка трубы с утонением стенки (площадь дефекта или повреждения) в продольном (осевом) сечении дефектного участка трубы (А = L.h - для протяженных механических повреждений, а также для всех повреждений трубопроводов, транспортирующих коррозионные среды), мм2; Ао - исходная площадь продольного сечения поврежденного участка трубы (Ао = L·t), мм2; L - длина повреждения стенки трубы в осевом направлении, мм; h - глубина поверхностного повреждения стенки трубы, мм; t - номинальная, определенная по сертификатным данным или толщинометрией на бездефектном участке, толщина стенки трубы, мм. Коэффициент «М» Фолиаса в работах Kiefner J.F., O'Grady T.J., Thomas J. определяется:

для ;

для . (3)

где D – номинальный наружный диаметр трубы на дефектном участке, мм.

Расчетное разрушающее давление дефектного участка трубопровода определяют по известной формуле

. (4)

Допустимое рабочее давление поврежденного участка трубопровода с учётом (3) и (4) нами предлагается рассчитывать по формуле

, (5)

где Nдоп – проектный коэффициент запаса прочности.

При расчете трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, проектный коэффициент запаса прочности определяют по формуле

; , (6)

где - допускаемое номинальное напряжение с учетом транспортировки трубопроводом сероводородсодержащих сред, МПа; nк - коэффициент снижения допускаемых напряжений, равный 0,4; 0,5 или 0,6 в зависимости от состояния металла и категории участка трубопровода.

В случае нескольких дефектов, если расстояние между ними не превышает длину наименьшего из дефектов, их рассматривают как один дефект, а за глубину принимают глубину наибольшего из них.

Экспресс оценку прочности дефектных участков трубопровода проводят на ЭBM, при этом строят графики допустимых размеров дефектов трубопровода, позволяющие принимать оперативные решения о мерах по дальнейшей эксплуатации трубопровода, а также осуществляют классификацию дефектов данного трубопровода в зависимости от области их расположения на графиках (рисунок 11).

Прямая I представляет собой припуск на коррозию и ограничи­вает зону 1 проектных условий эксплуатации трубопровода. График II ограничивает размеры дефектов с проектным коэффициентом запаса прочности N1=Nдоп относительно разрушающего давления. График III получают при N1=0,8Nдоп+0,2. График IV получают при коэффициенте запаса прочности N1, ограничивающем предельные размеры потенциально опасных дефектов (горизонтальный участок графика соответствует глубине дефекта, равной 60% от толщины стенки трубы). График V строят при размерах дефектов, способных вызвать разрушение трубопровода при рабочем давлении (N1=1).

Рисунок 11 - Пример графического представления областей параметров дефектов с различной степенью потенциальной опасности

Горизонтальные участки графиков II, III, ограничивающие предельную глубину дефектов в областях 2 и 3, получают переносом точки А с графика IV (в месте, соответствующем 60% от толщины стенки трубы) на графики II, III.

В зависимости от области расположения параметров дефектов по данным ВТД на поле графиков (рисунок 11) определяют условия дальнейшей эксплуатации или необходимость ремонта дефектных участков трубопровода: область 1 - припуск на коррозию, проектные условия эксплуатации трубопровода; область 2 - допустимое состояние эксплуатации трубопровода, содержащего допусти-мые дефекты в условиях, обеспечивающих эффективную электрохимическую и ингибиторную защиту; область 3 - участок трубопровода содержит потен-циально опасные дефекты и подлежит ремонту (если дефект находится ниже тонкой линии графика III, делящего область 3 на две области, ремонт прово-дится в плановом порядке; если дефект находится выше тонкой линии графика III - ремонт проводится в течение года); область 4 - участок трубопровода содержит опасные дефекты и подлежит ремонту в кратчайшие сроки (внеплановый ремонт).

В случаях необходимости эксплуатации трубопровода с потенциально опасными или опасными дефектами, расположенными в 3-ей или 4-ой областях, проводят расчет и, согласно результатам расчёта, снижают давление в дефектном участке трубопровода.

Определяющими для расчета кольцевых сварных соединений с дефектами, приводящими к утонению стенки трубы, являются осевые напряжения от внутреннего давления и изгиба. Результаты малоцикловых гидроиспытаний труб с кольцевыми сварными швами, имеющими непровары до 45% толщины стенки труб, бывших в эксплуатации с коррозионными средами более 25 лет, позволили установить, что зарождение трещин и дальнейшее разрушение труб происходит не по сварным соединениям, а по основному металлу вдоль образующей трубы по цепочке язвенной коррозии глубиной до 20% толщины стенки труб. Это объясняется как напряженным состоянием металла труб, так и тем, что трубопроводы ОНГКМ смонтированы из труб, изготовленных из “мягких” сталей типа стали 20 с твердостью меньше 20 HRС. Металл сварных соединений этих трубопроводов с послесварочной термообработкой по своим физико-механическим свойствам близок к основному металлу и имеет твердость ниже 20 HRС.

С учётом результатов проведённых натурных испытаний труб с кольцевыми сварными швами, имеющими дефекты, предлагается уточнить выражение для расчёта значения коэффициента Фолиаса, приняв его более интенсивно изменяющимся:

, (7)

где L - длина дефекта (повреждения) кольцевого сварного шва, мм;

Расчетное разрушающее давление Рраз от осевых напряжений определяется по формуле

, (8)

где: kс – коэффициент ослабления прочности сварного шва, значение принимается в интервале 1,5…2,0 в зависимости от точности определения размеров дефекта; zb - напряжения в металле труб от изгиба, которые зависят от значения нагрузки или определяются радиусом кривизны трубы на основании данных приборного обследования положения трубопровода. Напряжения от изгиба трубы определяют по формуле

. (9)

Радиус кривизны оси трубопровода определяется на основании замеров в местах наибольшего изгиба трубы. Замеряют с точностью 0,1 мм прогиб трубы hи изогнутого участка трубопровода на длине Lи (рекомендуемая база 5 диаметров трубы). Вычисляют радиус R кривизны трубы по формуле

. (10)

Допустимое рабочее давление РД в участках трубопроводов с нетрещиноподобными дефектами в кольцевых сварных швах предлагается рассчитывать по формуле

(11)

Все нетрещиноподобные дефекты сварных кольцевых соединений труб, аналогично дефектам утонение стенки трубы, подразделяются на три категории в зависимости от природы происхождения и запаса прочности: опасные, потенциально опасные, неопасные. Оценка потенциальной опасности проводится по формулам (7…11) с учетом формулы (2).

Остаточный ресурс безопасной эксплуатации трубопроводов определяется значением интервала развития размеров дефектов из области 2 в область 3 до линии графика III (N1=0,8Nдоп+0,2) на рисунке 11. На основании расчета максимально допустимой глубины дефекта hIII Li, соответствующей графику III (рисунок 11), и установленной ВТД глубины hLi дефектов, остаточный ресурс ост трубопровода определяется по формуле

ост= min{ (hIII Li –hLi)/ аmax }. (12)

На основании анализа результатов ВТД ряда трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, установлены зависимости изменения максимальной скорости коррозии металла труб аmax от времени развития дефектов (рисунок 12) при доверительной вероятности 0,95.

Рисунок 12 - Изменение скорости коррозии металла труб от времени развития дефектов

Уточнение максимальных скоростей коррозии металла труб позволило более точно определить остаточный ресурс дефектных участков трубопроводов, обосновать объемы и сроки проведения ремонта при обеспечении необходимого уровня безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

В пятой главе рассматриваются методы оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов с дефектами несплошности металла стенки труб.

Одним из основных видов повреждений трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды, являются расслоения, которые возникают под воздействием давления водорода, скапливающегося в дефектах структуры сталей. Согласно литературным данным величина давления, развиваемого молизованным водородом внутри расслоений, составляет по одним источникам 15…20 МПа, по другим - от 102…104 МПа до 105…107 МПа. Существенное различие в теоретических и практических оценках величин давления водорода в расслоениях металла труб обусловливает актуальность уточнения реальных давлений. Для определения величины реальных давлений водорода в расслоениях стенки труб разработана методика, позволившая по результатам гидроиспытаний натурных темплетов с расслоениями в основном металле труб диаметром 720х18 мм и диаметром 377х14 мм с учётом расчетных данных: оценить значение давления, которое создается в полости расслоения; выявить факторы, от которых зависит значение этого давления; установить, что сварной шов является не «слабым звеном», а силовым элементом, тормозящим развитие расслоений в стенке трубопровода. Полученная зависимость величины разрушающего давления внутри расслоения стенки труб от площади этого расслоения приведена на рисунке 13. Данная зависимость позволяет определить предельные площади расслоений для трубопроводов с различными рабочими давлениями.

.

Рисунок 13 - Зависимость критических (разрушающих) давлений в расслоениях от размеров (площади в плане) этих расслоений

Расчетное значение Ркрит в полости развитых расслоений с вздутием предлагается находить по формуле

, МПа, (13)

где tнар – глубина залегания расслоения от наружной поверхности стенки трубы, мм; ос, ок – осевые и окружные напряжения, достигающие величины Т в момент разрушения стенки трубы в области водородного расслоения (ВР);

Rос ; Rок - средние радиусы кривизны в осевом и окружном направлении ВР:

Rос = 0,5, (14)

где h – высота вздутия расслоения на длине Lос вдоль оси трубы.

Rок=, (15)

где Lок – длина вздутия по номинальному диаметру D поверхности трубы, на которой проводились измерения ВР, мм.

Экспериментальные значения критического давления Ркрит в расслоении без вздутия согласуются с расчетными значениями, определенными по формуле предельного состояния с развитием пластических деформаций для плоской панели с жесткозакрепленными кромками.

Вышеизложенный подход к оценке потенциальной опасности дефектов утонение стенки достаточно прост и нагляден и применен для несплошностей металла стенки труб: неметаллические включения и их скопления, металлургические расслоения, закаты, плёны, эксплуатационные водородные «расслоения», которые могут иметь трехмерную структуру. При оценке потенциальной опасности несплошностей металла труб, и соответственно, безопасности эксплуатации данных дефектных участков трубопроводов, в качестве расчетного размера используется величина проекции прямоугольной зоны несплошностей на плоскость, перпендикулярную поверхности вдоль оси трубопровода. Согласно результатам гидроиспытаний труб с расслоениями длиной более 0,2 диаметра трубы оценка высоты дефектного слоя металла в стенке трубы высотой прямоугольного слоя, поврежденного расслоением, ведет к значительному занижению (более чем 1,5 раза) расчетного разрушающего давления по отношению к фактическому разрушающему давлению. Несмотря на то, что окружные напряжения от внутреннего давления в два раза выше, чем осевые напряжения, на разрушение будут влиять как перепад глубины дефектного слоя по окружности трубы, так и перепад в сечении по образующей трубы. Если перепад глубины несплошности в сечении вдоль оси трубы существенно больше перепада глубин по окружности, то разрушение стенки трубы может произойти в окружном направлении под действием осевых напряжений. С целью учета обоих механизмов разрушения и уточнения коэффициента запаса вводится процедура приведения расчетной глубины несплошности. Модель приведения и определения толщины дефектного слоя металла стенки трубы с несплошностями (металлургическими расслоениями, закатами и плотными неметаллическими включениями, с размерами в плане свыше 0,2 диаметра трубы) приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Протяженная несплошность (L>0,2D) и модель приведения ее к дефекту утонение стенки трубы

Согласно результатам натурных испытаний, при расчете разрушающего давления в трубе от окружных напряжений толщина приведенного дефектного слоя принимается равной наибольшему перепаду расположения несплошности по окружности трубы hок и половине перепада расположения несплошности вдоль трубы hос:

hпр= hок+0,5·hос (16)

Если протяженный металлургический закат (L>0,2D) выходит на наружную поверхность трубы на длине Lв.ос вдоль оси трубы (транспортируемый продукт не проникает в расслоение стенки трубы), то разрушающее давление зависит только от толщины приведенного дефектного слоя. Металл со стороны внутренней поверхности трубы несет часть нагрузки от давления совместно с наружным слоем металла tост, что оценивается работой в долях (1 - (Lв.ос/L). Толщина приведенного дефектного слоя металла стенки трубы hпр :

hпр= hок+hос-0,5hос (1 - Lв.ос/L). (17)

При протяженном металлургическом закате (L>0,2D), выходящем на внутреннюю поверхность трубы на длине Lв.ос вдоль оси трубы (транспортируемый продукт проникает в расслоение стенки трубы), разрушающее давление определяют глубина и длина по окружности дефектного слоя металла трубы. Напряжения по продольному сечению стенки трубы с расслоением распределяются неравномерно. Находящийся со стороны внутренней поверхности трубы металл стенки трубы до расслоения – внутренний слой металла несет часть нагрузки от давления совместно с остаточным наружным слоем металла tост - металл стенки трубы от расслоения до наружной поверхности трубы. Расчетами МКЭ объемной модели участка трубы с расслоением получена зависимость коэффициента Кf (отношение напряжений во внутреннем слое металла к напряжениям во внешнем слое металла расслоения) от длины расслоения по окружности трубы L (рисунок 15). Чем меньше длина расслоения по окружности, тем больше приходится нагрузки на внутренний слой металла стенки. При достижении длины заката по окружности значения, равного диаметру трубы, во внутреннем слое металла возникают значительные изгибающие моменты. Работа внутреннего слоя металла стенки трубы согласно рисунку 15 (пунктирная линия) оценивается (1- L/D). Толщина приведенного дефектного слоя металла стенки трубы c закатом, выходящим на внутреннюю поверхность трубы:

hпр= hок+hос-0,5hос (1 - Lв.ос/L) (1- L/D), при 0,2D

hпр= hок+hос, при LD. (18)

Рисунок 15 – Зависимость концентрации напряжений в металле стенки трубы с расслоением от длины расслоения