Совершенствование методов повышения безопасности трубопроводов сероводородсодержащих месторождений

При наличии дефекта с признаками водородного расслоения необходимо учитывать вероятность его вскрытия со стороны внутренней поверхности трубы с повреждением слоя металла трещиной до 1/3 длины расслоения. Но даже при этом, согласно результатам гидроиспытаний дефектных участков труб с водородными расслоениями, внутренний слой металла несет часть нагрузки от давления совместно с бездефектным слоем металла tост. Чем меньше длина расслоения по окружности, тем больше приходится нагрузки (до 70%) на внутренний слой металла стенки (рисунок 15). При достижении длины расслоения по окружности до половины диаметра трубы возникают значительные изгибающие моменты на внутреннем слое металла и его восприятие нагрузки от давления значительно снижается. Толщина приведенного дефектного слоя металла стенки трубы с водородным расслоением:

hпр= h+(t-tост-h)(0,3+1,4·L/D), при 0,2D

hпр= t - tост, при LD/2. (19)

Величину допустимого рабочего давления в дефектных участках трубопровода и оценку потенциальной опасности дефектов - несплошности металла трубы, приведенных к дефектам утонение стенки, определяют по формулам (2…5). Согласно результатам расчетов на прочность протяженность L расслоений глубиной hок по окружности трубы с толщиной стенки t ограничивается:

hок

0,2t

Прогнозирование развития изолированных расслоений или области взаимодействующих расслоений осуществляется на ос­нове опытных данных периодического УЗК за изменением размеров расслоений в процессе эксплуатации трубопровода. При сохранении условий эксплуатации трубопровода ОНГКМ увеличение линейных размеров устойчиво развивающихся расслоений достигает 3...5 мм в год.

Для получения графического представления параметров дефектов трубопроводов, оценки их потенциальной опасности и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов разработана компьютерная программа «СТО».

В шестой главе рассматриваются технологические методы повышения безопасности эксплуатации трубопроводов. Приведены разработанные методики и оборудование для проведения входного контроля труб, деталей трубопроводов и арматуры, гидроиспытаний изделий коррозионной средой и оценки эффективности ингибиторов, модель технического состояния запорной арматуры, технология ремонта трубопроводов муфтами; система балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов на интенсивность их отказов.

Входной контроль является основным методом определения качественных характеристик материалов и изделий при реконструкции и замене опасных дефектных участков трубопроводов ОНГКМ. С учетом литературных данных и многолетнего опыта проведения контроля разработана методика входного контроля изделий, которая определяет порядок, объем и виды контроля, применяемые при входном контроле арматуры, труб, соединительных деталей и материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия сероводородсодержащих сред. Анализ результатов входного контроля изделий и выявленных замечаний позволил установить основные причины отбраковки: отклонения геометрических параметров от требований НД; дефекты поверхности; повышенная твердость материала и несоответствие сертификату изделия. Отбраковка при входном контроле изделий, не соответствующих требованиям НД, позволяет повысить безопасность эксплуатации строящихся и реконструируемых участков трубопроводов ОНГКМ, а информирование представителей предприятий-изготовителей изделий о выявленных замечаниях позволило устранить большинство из них при поставке труб и деталей трубопроводов.

При эксплуатации старых и строительстве новых трубопроводов, оценке их остаточного ресурса работы необходимо определение эффективности противокоррозионных мер и определение эксплуатационных свойств новых и бывших в эксплуатации основного металла и сварных соединений трубопроводов. Основное требование к методикам испытаний состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств и характеристик металла трубопроводов. Для коррозионных испытаний материалов при постоянной нагрузке разработана установка простой конструкции с малыми габаритами и массой с дифференциальным рычажным нагружателем (рисунок 16, а). Каждый узел нагружения установки обеспечивает поддержание постоянной нагрузки до 50 кН (с погрешностью значения в течение длительного времени не более ±1,5%) для четырех последовательно соединенных образцов, помещенных в ячейки с коррозионной средой. Создан также стенд (рисунок 16, б) для исследования коррозионно-механических свойств сталей труб, отработки технологии сварки и оценки эффективности ингибиторов коррозии в опытно-промышленных условиях. В 16-и камерах, имеющих качательное или вращательное движение, моделируются различные режимы течения сред и могут применяться как реальные промысловые жидкие среды, так и специальные модельные. Стенд позволяет испытывать одновременно 32 сборки образцов в ингибированных или неингибированных коррозионных средах при давлении до 5,0 МПа и температуре +5оС …+50оС.

Рисунок 16 – Оборудование для коррозионно-механических испытаний: а) установка с дифференциальными рычажными нагружателями;
б) стенд для испытаний материалов в опытно-промышленных условиях

Безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ обеспечивается при соответствующем уровне ингибиторной защиты и соблюдении регламентированных параметров эксплуатации. На созданных установках и стенде апробирована методика определения и оценки свойств ингибиторов коррозии для различных рабочих сред в лабораторных и опытно-промышленных условиях. Установлены наиболее эффективные ингибиторы коррозии, применение которых позволит свести к минимуму процессы коррозии внутренней поверхности труб и исключить наводороживание, а также водородное и сероводородное растрескивание металла труб, а, следовательно, повысить безопасную эксплуатацию трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды.

Если замена дефектного участка трубопровода нецелесообразна, то на трубе устанавливается специальная муфта. Разработано и запатентовано нажимное устройство, обеспечивающее равномерное прилегание накладываемой муфты по всему периметру трубы и создающее регулируемые разгружающие напряжения в стенке ремонтируемого участка трубопровода. Это достигается тем, что в корпус устройства, состоящего из двух частей, соединенных между собой, установлена упругая камера со штуцером для заполнения жидкостью под давлением (рисунок 17). При проведении ремонта на трубу 5 предва­рительно устанавливают полуцилиндры муфты 6, затем на них устанавливают части корпуса устройства 1 с упругой камерой 3. Части корпуса устройства центрируют и стя­гивают с помощью шпилек 2, далее в упругую камеру через штуцер 4 подают жидкость от ручного насоса до расчетного давления, которое фиксируют по показанию манометра. После достижения необходимого давления в упругой камере 3 полуцилиндры муфты 6 сваривают между собой продольными швами 5 по всей длине устройства. Далее снимают давление в упругой камере 3, ослабляют шпильки 2 и устройство сдвигают вдоль полуцилиндров муфты на следующий учас­ток, где описанную операцию повторяют.

Необходимый уровень результирующих кольцевых напряжений в дефектной стенке трубы после установки муфты определяется исходя из условия равнопрочности получаемой конструкции по формуле

. (20)

Разработана модель НДС ремонтируемой трубы запатентованным способом, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при постановке напряженной муфты, и предложена формула для определения оптимального обжимающего давления муфты:

,(21)

где Pраб - рабочее давление в трубопроводе, МПа; Рост - остаточное давление в ремонтируемом трубопроводе, МПа; t1 - эквивалентная остаточная толщина стенки трубы, мм; t2 - толщина муфты, мм; R н - наружный радиус трубы, мм; R в - внутренний радиус трубы, мм; E - модуль упругости материала трубопровода, МПа; L' - длина распространения зоны «краевого эффекта», мм; а - длина участка приложения обжимающей нагрузки на муфту вдоль оси трубопровода, мм; f - коэффициент трения при скольжении муфты по трубопроводу; св – средние относительные деформации трубопровода от тепловой усадки сварного шва муфты; рез - результирующие кольцевые напряжения в стенке трубопровода после установки муфты, МПа. Сравнение данных, полученных расчетным и экспериментальным методами, подтвердило приемлемость разработанной методики расчета для определения НДС при создании разгружающих напряжений в стенке ремонтируемой трубы. Эффективное разгружение стенки трубопровода достигается при давлении обжатия более 2,0 МПа. Ремонт трубопроводов предлагаемым способом, выполняемым без остановки перекачки транспортируемого продукта, позволяет сократить стоимость работ на 30% по сравнению с отечественными и зарубежными методами ремонта трубопроводов.

Безопасность эксплуатации трубопроводов ОНГКМ определяется также техническим состоянием запорной арматуры, большая часть которой выходит из строя после 25-летней эксплуатации. Для оценки технического состояния запорной арматуры создана база данных и предложена модель вероятности отказа запорной арматуры от срока ее эксплуатации, разработана программа «Armatura» и проведено ранжирование по степени потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие идентифицировать техническое состояние запорной арматуры трубопроводов и запланировать её своевременную замену.

Рисунок 17 – Ремонт дефектных участков трубопроводов напряженными муфтами: а) схема устройства; б) расчетная схема установки муфты;

в) расчетная схема равновесия элементов трубы и муфты.

Рисунок 18 – Медианная и квантильные кривые изменения количества отказов трубопроводов ОНГКМ по годам

Выше отмечено, что при проведении ВТД фиксируется множество дефектных участков. Для определения первоочередности ремонта дефектных участков трубопроводов разработана система балльной оценки факторов, определяющих техническое состояние трубопроводов ОНГКМ, и установлена зависимость связи значений факторов и интенсивности отказов трубопроводов. На основе анализа статистики отказов трубопроводов ОНГКМ и результатов экспертной оценки значений группы факторов Грi применительно к соединительным трубопроводам ОНГКМ выделено девять групп факторов влияния с указанием относительного «вклада» каждой группы в суммарную статистику отказов с помощью весового коэффициента. Значения групп факторов и количество факторов влияния в группе определяется индивидуально для каждого трубопровода на основании анализа опыта эксплуатации и результатов экспертной оценки. Величина балльной оценки непостоянная и определяется при каждом расчете суммированием действия группы факторов с учетом значений их составляющих.

Среднее значение балльной оценки n=3,5 получено из минимальных (nmin=2,3) и максимальных (nmax=4,8) значений для трубопроводов ОНГКМ (рисунок 18). Для оценки соответствия между балльной оценкой технического состояния участка трубопровода Fn и реальной интенсивностью отказов предложено соотношение:

, (22)

где - средняя интенсивность отказов трубопроводов ОНГКМ;

К - коэффициент приведения балльной оценки к интенсивности отказов, определяется по формуле

, (23)

где и - максимальная и минимальная интенсивности отказов трубопроводов ОНГКМ;

Fnmin и Fnmax – максимальная и минимальная балльные оценки технического состояния участков трубопроводов ОНГКМ.

Таким образом, для трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, при расчете значения интегрального коэффициента квл, устанавливающего, во сколько раз локальная интенсивность отказов на участке n отличается от среднестатистической для данной трассы , средняя балльная оценка принимается постоянной и равной 3,5 и вводится коэффициент пересчета балльной оценки к интенсивности отказов. Используя разработанную систему балльной оценки и результаты периодической ВТД, можно снижать интенсивность отказов участков трубопроводов до уровня ниже среднего значения при оптимальном объеме ремонтных работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ опыта более чем 25-летней эксплуатации трубопроводов ОНГКМ позволил установить, что основными причинами отказов являются: сероводородная коррозия (утонение стенки) и водородное расслоение металла труб; сероводородное растрескивание деталей и сварных соединений трубопроводов; охрупчивание уплотнительных элементов запорной арматуры. До 72% от общего количества запорной арматуры выходит из строя вследствие негерметичности затвора.
2. Предложена обоснованная результатами исследований и подтвержденная данными применения в практике оценки реальных производственных объектов методика идентификации дефектов трубопроводов, позволяющая установить характерные признаки дефектов и отличить эксплуатационные дефекты от металлургических и технологических, а также повысить объективность оценки потенциальной опасности дефектов и безопасность эксплуатации трубопроводов.
3. Установлено, что в процессе эксплуатации стальных труб в течение 25 лет в сероводородсодержащей среде: основной металл сохраняет исходную феррито - перлитную структуру; количество эксплуатационных дефектов - водородных расслоений - увеличивается в области металлургических дефектов 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.
4. Разработана, основанная на зависимости изменения скорости распространения акустических волн в металле от значения величины накопленной поврежденности в процессе развития малоцикловой усталости металла, методика оценки потенциальной опасности дефектных участков труб с дефектами формы и определения с применением уточненной формулы Коффина-Менсона остаточного ресурса, позволяющая обосновать сроки проведения ремонта для повышения безопасности эксплуатации трубопроводов.
5. Разработана методика и установлены критерии оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса участков трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, с дефектами утонение стенки на основе градации коэффициентов запаса относительно разрушающего давления дефектных труб. На основании результатов испытаний труб и расчетов доказана правомочность применения данного подхода к оценке потенциальной опасности дефектов - несплошности металла стенки трубы по разработанным моделям их приведения к дефектам утонение стенки.
6. Уточнено значение коэффициента Фолиаса для труб с дефектными кольцевыми швами и введен коэффициент ослабления прочности сварного шва kс = 1,52,0 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.
7. Созданы методика и оборудование для проведения натурных испытаний труб, учитывающие условия циклического нагружения трубопроводов и позволяющие оценить степень потенциальной опасности дефектов трубопроводов, а также определять сопротивление сталей сероводородной коррозии в лабораторных и опытно-промышленных условиях и создать замкнутый цикл аттестации и промышленной апробации сварочно-монтажных и ингибиторных технологий.
8. Предложена вероятностная модель технического состояния запорной арматуры, разработана программа и проведено ранжирование по степени потенциальной опасности запорной арматуры, позволяющие идентифицировать техническое состояние запорной арматуры трубопроводов и спланировать ее замену. Разработана компьютерная программа для получения графического представления параметров дефектов трубопроводов, оценки их потенциальной опасности и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов.
9. Создана математическая модель напряженно-деформированного состояния ремонтируемой трубы, учитывающая «краевой эффект», силы трения и деформации сварных швов, возникающие при установке на трубу напряженной муфты, позволяющая определить необходимое значение обжимающего давления муфты на трубу.
10. Предложены технологические методы повышения безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ на основе: входного контроля трубных изделий; применения импортозамещаемой запорной арматуры; использования апробированных эффективных ингибиторов коррозии; разработки технологии ремонта трубопроводов напряженными муфтами; внедрения системы балльной оценки факторов влияния технического состояния трубопроводов на интенсивность их отказов.
11. Основные положения разработанных методик включены в стандарты 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 реализации основных положений методики оценки потенциальной опасности и остаточного ресурса дефектных участков трубопроводов и обоснования объемов проведения ремонта при обеспечении безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды, в 2005 году составил 18 миллионов рублей, в 2007 году - более 7 миллионов рублей.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

- в изданиях Перечня ВАК РФ: