CC BY
99
УДК 622.691: 622.692.4
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГАЗОПРОВОДОВ, ОСЛАБЛЕННЫХ СТРЕСС-КОРРОЗИЕЙ
М.В. ЧУЧКАЛОВ, д.т.н., нач. технического отдела
ООО «Газпром трансгаз Уфа» (Россия, 450054, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Р.
Зорге, д. 59). E-mail: mchuchkalov@ufa-tr.gazprom.ru
P.M. АСКАРОВ, д.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа
C.B. КИТАЕВ, д.т.н., проф. кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО
Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062,
Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: Svkltaev@mail.ru
Р.И. НИГМАТУЛЛИН, д.ф-м.н., проф., академик РАН, г.н.с.
P.P. МУЛЮКОВ, д.ф-м.н., директор
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Р.Ф. ГАНИЕВ, д.т.н., профессор, академик РАН, научный руководитель
Институт машиноведения имени A.A. Благонравова РАН
A.C. ЛОПАТИН, д.т.н., проф., завкафедрой термодинамики и тепловых двигателей Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина (Россия, 119991, Москва, Ленинский пр. 65). E-mail: lopatin@gubkln.ru
Статья посвящена вопросам оценки остаточного ресурса подверженных стресс-коррозии магистральных газопроводов после их капитального ремонта и восстановления гидравлическими испытаниями повышенным давлением (методом стресс-теста). В результате проведенных исследований авторами установлена закономерность изменения скорости деформации труб со стресс-коррозией при нагружении повышенным давлением. Предложена формула для оценки остаточного ресурса газопроводов после капитального ремонта и восстановления методом стресс-теста.
Ключевые слова: остаточный ресурс, газопровод, стресс-коррозия.
Задача о ползучести тонкостенной трубы под действием внутреннего давления имеет элементарное решение. Вместе с тем для описания процесса КРН в работе [1] рекомендов ано применять уравнения коррозионной стойкости для длительно действующих квазистационарных напряжений
: /у"
(1)
da га „ \т nt> „ \т
I Рис. 1. Ррухмерное напряженно-деформированное состояние
трубопровода
где о - максимальное напряжение, МПа; о1И - пороговое напряжение, ниже которого КРН не возникает, МПа;Д, тс1-коэффициенты, описывающие эмпирическую зависимость циклического и (или) квазистатического процесса КРН;
На рис. 1 показано двухмерное напряженно-дефор-мированное состояние трубопровода, где О - наружный диаметр трубы; г - внутренний радиус трубы; 8-толщина стенки трубы; а - глубина трещины; Ь-длина трещины; Р-внутреннее давление; о- г- - кольцевые напряжение и деформация при растяжении трубы в кольцевом направлении; о/пр, е,- — продольные напряжение и деформация; х,- - длина трубы с номером /=1,2,3...;/.- общая длина трубопровода.
Скорость роста трещин КРН при квазистатическом нагружении определяется скоростью роста максимальной из наблюдаемых микротрещин, а ее величину, согласно нормативному документу [1], рекомендовано определять по формуле
Ня нь
(2)
где С^С^т -константы, определяемые экспериментально.
При циклическом нагружении и отсутствии коррозионного воздействия применяются известные кинетические уравнения роста трещиноподобных дефектов Пэриса:
da d N
С.
(AK a-Kth)"
а (к -2
-| _ 14 та ха
К-
1С
dfe d N
■■с,
(A Kb-Kth)m' -| _ I ^тахЬ I
Кю J
(3)
dt
где N - число циклов; Са, Сь - коэффициенты уравнений Пэриса; та, ть - показатели степеней уравнений Пэриса; АКа, ЛКЬ- размахи коэффициентов интенсивности
3 . 2016
29
4 тах а, Ктах Ь "
максимальные КИН; К1И -
напряжений (КИН); К( пороговое значение КИН; К1С - критическое значение КИН.
Поскольку метод гидравлических испытаний на удар [2-8] связан с напорной средой, а стресс-тест осуществляется в упругопластической зоне деформирования под действием внутренних давлений, вызывающих кольцевые напряжения до 110% предела текучести трубной стали, то именно закономерности изменения параметров напорной среды и определяют уровень напряжений и деформаций.
Поэтому при стресс-тестировании участка, состоящего из новых труб, а также отремонтированных труб и труб с незначительными трещиноподобными дефектами, для предотвращения их дальнейшего развития, в том числе КРН, после заполнения водой предлагается осуществлять подъем давления со скоростью, пропорциональной заданной величине скорости активного захвата разрывной машины, измеренной при испытании на растяжение образцов металла труб в течение времени до достижения заданной величины остаточной пластической деформации. Последующий сброс давления следует выполнять со скоростью, пропорциональной скорости движения активного захвата разрывной машины, измеренной при сжатии образцов металла труб в момент образования в вершинах трещин пластических зон, препятствующих дальнейшему развитию трещин [9, 10].
С учетом результатов испытаний образцов труб было определено, что скорость деформации труб в окружном направлении зависит от интенсивности напряжений и меняется по степенному закону:
1
ей
Р (х; 1_) -5
2(5-8)
(4)
1-
= 2т-
2
Р-5
.2(5-8).
Г.
(5)
При гн ^ ж получаем время разрушения в виде формулы
1
о А
2т — 2
Р-5
2(5-8).
(6)
5
Рис. 2. Зависимость показателя степени (т) от величины утонения стенки трубы
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 т
Потеря несущей способности участка трубопровода наступит в момент времени ¡2 при условии, когда напряжения в стенке трубы достигнут предела текучести металла: ак1! = ог где окц - кольцевые напряжения, МПа; оТ - предел
кц т н ~ кц текучести металла труб, МПа.
Рг
С учетом соотношения (7) и уравнения <51кц = 1 н полу-
5 — а
чаем формулу для определения остаточного ресурса
отремонтированного участка до исчерпания его несущей способности:
и = и
5-8
100%ст0
(8)
где V кц - скорость окружной деформации трубы с номером / = 1 ... п, мм/год; гн- наружный радиус трубы, мм; ?- время эксплуатации трубопровода, годы; Р(х; Ц) - давление в трубе с номером = 1 . п, МПа; х - продольная координата, м; А, т - эмпирические коэффициенты, характеризующие закон изменения скорости деформации металла труб.
Интегрируя (4) при начальных условиях гн = г0; а = 0, ? = 0, получаем
I- -.2т
А
При совместном решении (5) и (6) получаем соотношение 5-а 1 (7)
где 12 - срок безопасной эксплуатации участка после ремонта, годы; - время эксплуатации трубопровода до ремонта, годы; Рраб - рабочее давление в участке, МПа; Р1оо%ао2 - давление, соответствующее напряжению, равному 100 % предела текучести металла труб, МПа; т -эмпирический коэффициент.
По результатам лабораторных испытаний образцов металла труб марки 10Г2ФБ (К60) DN1400x16, оТ = 461 МПа, овр = 617 МПа, е = 20% был определен диапазон изменения показателя степени т в уравнении (8). Испытанию подверглись образцы с размерами дефектов (а/8 от 8% до 43%). Зависимость показателя степени т от величины утонения стенки приведена на рис. 2.
Выводы
В статье приведена закономерность изменения скорости деформации труб со стресс-коррозией (или КРН) при испытаниях повышенным давлением. Предложена формула для оценки остаточного ресурса таких газопроводов после реабилитации.
н
н
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 СТО Газпром 2-3.5-252-2008. Методика продления срока безопасной эксплуатации магистральных газопроводов ОАО «Газпром». - Введ. с 15.04.2009. М.: ООО «Газпром экспо», 2009. 98 с.
2 Чучкалов, М.В. Разработка методов выявления, торможения и предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением на магистральных газопроводах: дис. ... д-ра техн. наук: 25.00.19 / Чучкалов Михаил Владимирович. Уфа, 2015. 364 с.
3 Пат. 130703 Российская Федерация, МПК G 01 М 3/08. Устройство для испытаний трубопровода методом стресс-теста / Чучкалов М.В.; заявитель и патентообладатель Чучкалов М.В. - № 2012150856/28; заявл. 28.11.2012; опубл. 27.07.2013. Бюл. № 21.
30
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
4 Чучкалов, М.В. Разработка технологии стресс-теста газопроводов для их реабилитации после капитального ремонта / М.В. Чучкалов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2013. № 1. С. 18-22.
5 Чучкалов, М.В. Физико-математическая модель «стресс-теста» трубопровода / М.В. Чучкалов, В.Г. Дубинский // Экспозиция Нефть Газ. 2013. № 3 (28). С. 87-89.
6 Чучкалов, М.В. Исследование гидродинамики испытаний газопроводов методом «стресс-теста» / М.В. Чучкалов, В.Г. Дубинский // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2013. № 3. С. 13-19.
7 СТО Газпром трансгаз Уфа 3.3-1-0877-2014. Технология поэтапного метода ремонта линейной части магистральных газопроводов. Уфа: ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Уфа», 2014. 45 с.
8 Чучкалов, М.В. Оценка влияния «стресс-теста» на механические свойства и сопротивление растрескиванию трубной стали контролируемой прокатки / М.В. Чучкалов, В.Г. Дубинский // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. Вып. 1 (95). С. 93-101.
9 Чучкалов М.В. К вопросу определения скорости деформации труб с дефектами КРН при стресс-тестовом нагру-жении / Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. Уфа, 2013. С. 377-379.
10 Чучкалов М.В. Определение скорости нагружения при стресс-испытаниях участка газопровода с разными механическими свойствами труб Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Матер. Междунар. научн.-практ. конф. Уфа, 2013. С. 380-384.
ASSESSMENT OF RESIDUAL RESOURCE OF GAS PIPELINES, WEAKENED BY STRESS CORROSION
CHUCHKALOV M.V., Dr. Sci. (Tech.), Head of Technical Department
Gazprom Transgas Ufa (59, R. Zorghe St., 450054, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
E-mail: mchuchkalov@ufa-tr.gazprom.ru
ASKAROV R.M., Dr. Sci. (Tech.), Associate Prof., Department of Transport and Storage of Oil and Gas KITAEV S.V., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU). (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: svkitaev@mail.ru
NIGMATULLIN R.I., Dr. Sci. (Ph.-m.), Prof., Academician RAS, Senior Researcher MULYUKOV R.R., Dr. Sci. (Ph.-m.), Director
Institute for Metals Superplasticity Problems RAS (39, Stepan Khalturin St., 450001, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia)
GANIEV R.F., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Academician RAS, Scientific Director
Institute for Machine Science named after A.A. Blagonravov RAS (4, Maly Kharitonyevsky Per., 101990, Moscow, Russia)
LOPATIN A.S., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Thermodynamics and Heat Engines
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (65, korp.1, Leninskiy Pr., 119991, Moscow, Russia).
E-mail: lopatin@gubkin.ru
ABSTRACT
Article is devoted to residual resource evaluation of main gas pipelines prone to stress corrosion after their major overhaul and restoration by hydraulic tests of boost pressure (by the «stress test»). As a result of research the authors have identified deformation speed change pattern of the pipes with stress-corrosion at elevated pressure loading. A formula for residual resource assessment of gas pipelines is proposed after major overhaul and restoration by the method of stress test.
Keywords: residual resource, gas pipeline, stress corrosion. REFERENCES
1. STO Gazprom 2-3.5-252-2008. Metodika prodleniya sroka bezopasnoy ekspluatatsii magistral'nykh gazoprovodov OAO «Gazprom» [STO Gazprom 2-3.5-252-2008. Method of extending the safe operation of the main gas pipelines of JSC «Gazprom»]. Moscow, OOO «Gazprom ekspo» Publ., 2009. 98 p.
2. Chuchkalov, M.V. Razrabotka metodov vyyavleniya, tormozheniya ipredotvrashcheniya korrozionnogo rastreskivaniya podnapryazheniyem na magistral'nykhgazoprovodakh. Diss. dokt. tekh. nauk [The development of detection methods, inhibition and prevention of stress corrosion cracking on gas pipelines. Dr. tech. sci. diss.]. Ufa, 2015. 364 p.
3. Chuchkalov M.V. Ustroystvo dlya ispytaniy truboprovoda metodom stress-testa [A device for testing the pipeline by stress test]. Patent RF, no. 2012150856/28, 2013.
4. Chuchkalov M.V. Developing gas pipeline stress test technology for their rehabilitation after major repairs. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2013, no. 1, pp. 18-22 (In Russian).
5. Chuchkalov M.V., Dubinskiy V.G. Physical and mathematical model of the «stress test» of the pipeline. Ekspozitsiya Neft Gaz, 2013, no. 3 (28), pp. 87-89 (In Russian).
6. Chuchkalov M.V., Dubinskiy V.G. Research of test hydrodynamics of gas pipelines by the «stress test». Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2013, no. 3, pp. 13-19 (In Russian).
7. STO Gazprom transgaz Ufa 3.3-1-0877-2014. Tekhnologiya poetapnogo metoda remonta lineynoy chastimagistral'nykh gazoprovodov [STO Gazprom Transgaz Ufa 3.3-1-0877-2014. Technology of repair phased method of the linear part of main gas pipelines]. Ufa, ITTS OOO «Gazprom transgaz Ufa» Publ., 2014. 45 p.
8. Chuchkalov M.V., Dubinskiy V.G. Assessment of «stress tests» influence on the mechanical properties and resistance to cracking of tube steel of controlled rolling. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov, 2014, no. 1 (95), pp. 93-101 (In Russian).
9. Chuchkalov, M.V. K voprosu opredeleniya skorosti deformatsii trub s defektami KRN pri stress-testovom nagruzhenii [On the determination of the rate of deformation of pipes with SCC defects at stress test loading]. Trudy Mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. "Problemy i metody obespecheniya nadezhnosti i bezopasnosti sistem transporta nefti, nefteproduktov i gaza" [Proc. Intern. nauchn.-Pract. Conf. "Problems and methods to ensure the reliability and security of oil transportation systems, oil products and gas"]. Ufa, 2013, pp. 377-379.
10. Chuchkalov, M.V. Opredeleniye skorosti nagruzheniya pri stress-ispytaniyakh uchastka gazoprovoda s raznymi mekhanicheskimi svoystvami trub [Determination of the loading rate at the pipeline site stress tests with different mechanical properties of pipes]. Trudy Mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. "Problemy i metody obespecheniya nadezhnosti i bezopasnosti sistem transporta nefti, nefteproduktov i gaza" [Proc. Intern. nauchn.-Pract. Conf. "Problems and methods to ensure the reliability and security of oil transportation systems, oil products and gas"]. Ufa, 2013, pp. 380-384.
3 • 2016
31
