CC BY
63
СибАК
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45), 2015 г
ДИАГНОСТИКА ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ И ГОРОДСКИХ ВОДОПРОВОДОВ
Гевлич Сергей Олегович
канд. техн. наук, технический директор ООО «Экспертиза»,
РФ, г. Волгоград E-mail: [email protected]
Гевлич Дмитрий Сергеевич
канд. техн. наук, директор ООО «Экспертиза»,
РФ, г. Волгоград E-mail: promexpertiza@mail. ru
Васильев Константин Александрович
эксперт ООО «Экспертиза» РФ, г. Волгоград E-mail: promexpertiza@mail. ru
Макарова Надежда Васильевна
эксперт ООО «Экспертиза» РФ, г. Волгоград E-mail: promexpertiza@mail. ru
Мирзонов Максим Владимирович
эксперт ООО «Экспертиза» РФ, г. Волгоград E-mail: promexpertiza@mail. ru
114
Технические науки — от теории к практике № 9 (45), 2015 г________________________
www.sibacinfo
DIAGNOSIS OF HEAT NETWORKS AND URBAN WATER SUPPLY
Sergey Gevlich
candidate of Technical Sciences, Technical Director LLC “Expertiza”,
Russia, Volgograd
Dmitry Gevlich
candidate of Technical Sciences, Director LLC “Expertiza”,
Russia, Volgograd
Constantin Vasilev
expert LLC “Expertiza ”, Russia, Volgograd
Nadejda Makarova
expert LLC “Expertiza ”, Russia, Volgograd
Maksim Mirzonov
expert LLC “Expertiza ”, Russia, Volgograd
АННОТАЦИЯ
В работе представлена методика расчета остаточного ресурса трубопроводов для систем теплоснабжения и водоснабжения при подземной прокладке. Показано, что доминирующим повреждающим механизмом является язвенная коррозия. Приведены примеры расчета труб, имеющих язвенные повреждения. Предлагаемый метод дает более консервативные результаты, чем стандартные решения по коррозионным картам.
ABSTRACT
Presents the method of calculating the residual life of pipelines for heating systems and water supply in the underground. It is shown that dominant damaging mechanism is ulcer corrosion. Examples of calculation of pipe with ulcer damage. The proposed method gives more conservative results than standard solutions for corrosive cards.
Ключевые слова: коррозия; остаточный ресурс; диагностика.
Keywords: ^^osion; residual resource; diagnostics.
115
Технические науки — от теории к практике ____________________№ 9 (45), 2015 г.
Проблемой мегаполисов и большинства городских поселений является устойчивое функционирование систем жизнеобеспечения. Среди этих систем тепло- и водоснабжение — объекты, подконтрольные Ростехнадзору. Для них проводится экспертиза промышленной безопасности, цель которой определить как техническое состояние трубопровода в целом, так и оценка остаточного ресурса. Последняя величина важна для коммунальных служб для формирования своевременного ремонтного обслуживания, что в городских условиях всегда представляет заметные трудности и неудобства.
С точки зрения наиболее вероятных ДПМ, ситуация с металлическими трубами кажется очевидной — это коррозия. Коррозия приводит к утонению стенки трубопровода до отбраковочной величины Sot6. Следовательно, ресурсом будет временной промежуток, в течение которого стенка трубы (оболочки, работающей под давлением) утонится до отбраковочной.
Критерием предельного состояния при таком ДПМ является условие прочности [3]:
€■
СибАК
www.sibac.info
[S] > СТд;
где ад — действующее напряжение в стенке сосуда;
а
2-ф-Рд • S_ D + S ''
(1)
(2)
[а] — допускаемое напряжение, рассчитываемое из условия минимума отношений min {а0,2/1,5; ав/2,5}
Обозначения в формуле:
Ф — коэффициент прочности сварного шва;
Рд — допускаемое давление;
D — диаметр сосуда;
S — толщина стенки.
Следовательно, условие (1) должно выполняться до тех пор, пока фактическая толщина стенки сосуда 8ф будет не меньше значения Sot6, рассчитанного из формулы (2). Предположим, что замеры толщины стенки при диагностировании проводятся через время Т после начала эксплуатации и получены значения толщины Sot6.
Скорость коррозии Wk = DS/Т, (где DS = 8ф - Sot6) с размерностью мм/год.
116
((Г СибАК
iexmmecKue науки— от теории к практике
№ 9 (45). 2015г.__________________________________________www.sibac.info
Полученная величина wK позволяет оценить остаточный ресурс следующим образом: t =DS / wк
Это, по сути, кинетическое уравнение для оценки ресурса в условиях общей коррозии.
В [3] подробно описан этот подход и для случаев повторного диагностирования. Этим критерием часто пользуются при экспертизе различных оболочек работающих под давлением, не только сосудов. Однако при всей очевидности этот подход неоднозначен. К примеру, сравнение толщин проводится по отношению к номинальной толщине, указанной в паспорте объекта. Но исполнительная толщина стенки всегда отличается на величину прокатного допуска. И это отличие может быть существенным. Следовательно, все значимые утонения стенки в пределах минусового допуска не являются достоверными коррозионными утонениями. А измеренный «прирост» толщины является лишь возможным плюсовым допуском данного листового проката. При первой диагностике чаще всего невозможно определить величину t расчетным путем. Остаточный ресурс по критерию (1) может быть рассчитан более или менее корректно, когда известна фактическая скорость коррозии, т.е. после повторной диагностики через какое-то время. Несмотря на это, в практике считают величину t и в первое обследование, делая при этом оценочный прогноз, а не расчет. Следовательно, даже в таком простом относительно случае, чаще всего имеет место оценочная величина ресурса, а не точная цифра.
Подобный подход должен быть изменен в тех случаях, когда имеет место язвенная коррозия. «Болезнь» та же — коррозия, но «симптом» несколько иной, а именно локальный унос металла. Формула (2) применима для оболочек, нагруженных внутренним давлением, с постоянной по диаметру толщиной стенки [2]. Если же имеется локальный унос металла в виде язвы одиночной или группы язв, то симметричность эпюры напряжений нарушается, возникает локальное перенапряжение.
Для наглядности на рис. 1. показана фотография поверхности трубы с типичными язвами в поле общего коррозионного износа тепловой трубы. На рис. 3 показано типичное разрушение тепловой трубы, вызванное совместным влиянием коррозионного утонения стенки и язвенной коррозии.
Для разработки методики кинетической оценки влияния язвенной коррозии воспользуемся рекомендациями работы [4]. Для простоты рассмотрим влияние одиночной язвы.
Язва имеет следующие геометрические параметры: а — глубина; с — ширина, d — длина.
117
СибАК
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45), 2015 г.
Основные уравнения (алгоритм расчета):
1. Номинальное напряжение - напряжение в стенке от рабочего давления
а,
P(D + s)
2fs
(см. аналог 2)
2. Максимальное напряжение в вершине дефекта
® мах аа^нетто (3)
где: анетто = sHs / (s - a) — напряжение в нетто-сечении (сечение, где находится язва);
аа— коэффициент концентрации напряжений.
3. Определение коэффициента концентрации напряжений. Для одиночных язв выражение для коэффициента концентрации имеет вид:
а = 1 + 3,57 a а d
(1,12 - 0,9a / с)
1 — a / s(1 -1,5a / с)
где: a, d, c, — параметры язвы, s — толщина стенки
4. Условие допустимости дефекта. Дефект (язва) считается неопасным, если выполняется следующее условие:
Стмах < [а] , (5)
где [а] — допускаемое напряжение, полученное либо расчетным методом, либо взятое из ГОСТа [2].
Методика оценки остаточного ресурса оболочек, работающих под давлением или под наливом, с учетом язвенной коррозии представляет набор стандартных процедур, применяемых при неразрушающем контроле сосудов давления. Проводятся визуальный осмотр, визуально-измерительный контроль, ультразвуковая толщинометрия, УЗД и другие измерения, предусмотренные соответствующими программами. Упор делается на определение наличия и геометрии язв. Далее, проводится обычный прочностной поверочный расчет по фактически измеренным толщинам. В случае положительного решения остаточный ресурс рассчитывается по формулам,
118
((Г СибАК
iexmmecKue науки— от теории к практике
№ 9 (45). 2015г._________________________________________________www.sibac.info
приведенным в [3] для случая равномерной коррозии. Перенапряжение в результате наличия одиночных или групповых язв оценивается по приведенным выше формулам. Критическим или отбраковочным дефектом признается такой, при котором условие (5) становится равенством. Такие участки подлежат ремонту. Если же условие (5) выполняется, то ресурс рассчитывается исходя из геометрии критического дефекта, которая будет достигнута за время tocm учитывая следующее допущение: скорость коррозии одинакова для общего коррозионного износа и для язвенной коррозии.
Рисунок 1. Язвенная коррозия на наружной поверхности тепловой
трубы
Рисунок 2. Внутренняя поверхность труб для подачи воды
119
СибАК
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45), 2015 г
Рисунок 3. Разрушение тепловой трубы в результате совместного действия общей и язвенной коррозии
Кинетическое уравнение для определения остаточного ресурса будет иметь вид: t = Ладс/ wK , где Ладс — приращение геометрических размеров язвы от фактически измеренных до критических, обеспечивающих перевод неравенства (5) в равенство, wк — скорость коррозии.
Для иллюстрации приведем выдержки из заключений экспертизы серии водяных труб, которые были обследованы в 2009—2010 гг. в Волгограде [1]. Общий вид (изнутри) подающей трубы городского водопровода (аналогично выглядит подающая труба тепловой сети) показан на рис. 2. Измерения проводились в местах удаления продуктов коррозии.
В таблицах 1—3 приведены расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) труб с выявленными язвами
Таблица 1.
Расчет трубы 0 1020 х 12
№ п/п Наименование параметра Значение
1 2 3
1 Рабочее давление в трубе Рмах, МПа 0,8
2 Номинальный диаметр трубы D , м 1,02
3 Номинальная толщина стенки s, м 0,012
4 Фактическая толщина стенки с учетом статистического разброса sij), м 0,00853
120
Технические науки — от теории к практике № 9 (45), 2015 г________________________
www.sibacinfo
5 Глубина язвы амах, м 0,0025
6 Длина язвы с, м 0,05
7 Ширина язвы d, м 0,04
8 Номинальные (рабочие напряжения в стенке) Стн, МПа 60,29
9 Напряжения нетто Стиетто, МПа 85,28
10 Коэффициент концентрации напряжений, as 1,33
11 Максимальное напряжение в вершине дефекта, Стмах, МПа 113,53
12 Условие допустимости дефекта (4) выполняется
Таблица 2.
Расчет трубы 0 1020 х 12
№ п/п Наименование параметра Значение
1 2 3
1 Рабочее давление в трубе Рмах, МПа 0,8
2 Номинальный диаметр трубы D , м 1,02
3 Номинальная толщина стенки s, м 0,012
4 Фактическая толщина стенки с учетом статистического разброса sф, м 0,01064
5 Глубина язвы амах, м 0,0030
6 Длина язвы с, м 0,045
7 Ширина язвы d, м 0,04
8 Номинальные (рабочие напряжения в стенке) Стн, МПа 48,43
9 Напряжения нетто Стнетто, МПа 67,45
10 Коэффициент концентрации напряжений, as 1,38
11 Максимальное напряжение в вершине дефекта, sмах, МПа 93,10
12 Условие допустимости дефекта (4) выполняется
Таблица 3.
Расчет трубы 0 820 х 10
№ п/п Наименование параметра Значение
1 2 3
1 Рабочее давление в трубе Рмах, МПа 0,8
2 Номинальный диаметр трубы D , м 0,82
3 Номинальная толщина стенки s, м 0,010
4 Фактическая толщина стенки с учетом статистического разброса sф, м 0,00904
5 Глубина язвы амах, м 0,0025
6 Длина язвы с, м 0,055
121
СибАК
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45), 2015 г.
7 Ширина язвы d, м 0,04
8 Номинальные (рабочие напряжения в стенке) Сти, МПа 45,85
9 Напряжения нетто Стнетто, МПа 63,38
10 Коэффициент концентрации напряжений, as 1,32
11 Максимальное напряжение в вершине дефекта, Стмах, МПа 83, 94
12 Условие допустимости дефекта (4) выполняется
Т аким образом, существующие язвы пока не являются опасными дефектами, которые могут привести к потере герметичности трубы или служить местом, инициирующим масштабное разрушение.
Оценка остаточного ресурса по [3] с учетом расчетной скорости коррозии приведена в таблице 4.
Таблица 4.
Расчет остаточного ресурса
№ точек по протоколу УЗТ* t лет Sn(t) мм бфакт мм ботб мм икорр. мм/год Dh мм Тостат. лет.
1 16 12 8,76 4,00 0,20 1020 23,51
3 16 12 7,95 4,00 0,25 1020 15,60
9 16 12 8,3 4,00 0,23 1020 18,59
22 16 10 8,76 4,00 0,08 820 61,42
27 16 10 8,81 4,00 0,07 820 64,67
29 16 10 8,56 4,00 0,09 820 50,67
30 16 12 9,23 4,00 0,17 1020 30,21
32 16 12 9,75 4,00 0,14 1020 40,89
* УЗТ — ультразвуковая толщинометрия
Учет наличия язв на трубе 0 820х10 показал, что условие (5) перестает выполняться уже через 20 лет (против 50—60 лет по обычному расчету см. таблицу), а для трубы 0 1020х12 условие (5) перестанет выполняться уже через 9 лет. Для этих оценок в качестве отбраковочных размеров использованы параметры язвы, обеспечивающие превращение неравенства (5) в равенство, при условии икорр = const во всех направлениях и во времени. Сказанное означает, что в данном примере расчет велся при икорр = 0,22 мм/год по направлениям глубины, длины и ширины язвы.
Дефекты становятся опасными, если при сохранении скорости коррозии (примерно 0,2 мм/год изнутри) и сохранении подобия самой геометрии язвы, эксплуатация будет продолжаться в пределах 10 лет.
122
((Г СибАК
iexmmecKue науки— от теории к практике
№ 9 (45). 2015г.____________________________________________www.sibac.info
Таким образом, в отличие от существующей практики оценки ресурса объектов, эксплуатирующихся в условиях коррозионных утонений стенки, по величине отбраковочной толщины стенки, в разработанной методике прочностной расчет ведется по величине «критического» дефекта (другой «симптом»), а кинетическое уравнение представляет собой временную линейную связь скорости роста существующего дефекта до критического размера.
Получаемые значения остаточного ресурса более консервативные, следовательно, более предпочтительные для целей оценок промышленной безопасности.
Список литературы:
1. Васильев Е.Г., Гевлич С.О. О техническом состоянии труб тепловых сетей и сетей ГВС. // Технадзор., Екатеринбург., — 2013. — № 12. — с. 74—76.
2. ГОСТ 14289. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
3. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. РД 03-421-01. М.: ГУП Промышленная безопасность., 2004. — 241 с.
4. Мурзаханов Г.Х., Быстрова Н.А.. Методы оценки остаточного ресурса трубопроводов. М.: СертиНК., 2008. — 104 с.
123
