CC BY
31
Ерофеев В. В. Erofeyev V. V.
доктор технических
наук, профессор, профессор кафедры «Технология нефтяного аппаратостроения», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Игнатьев А. Г. Ignatiev Л. G.
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Прикладная механика», ФГБОУ ВО «ЮжноУральский государственный аграрный университет»,
г. Челябинск, Российская Федерация
у
Альмухаметов А. А. Л1ти^атгО Л. Л.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Вычислительная техника и инженерная кибернетика»,
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Шарафиев Р. Г. Sharafiyev Я. G.
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология нефтяного аппаратостроения», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
е
с
Ерофеев С. В. Erofeyev S. V.
кандидат технических наук, директор ООО «Промстандарт», г. Челябинск, Российская Федерация
УДК 622.692.052.7
ИНФОРМАЦИОННО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ
Одной из ключевых задач, стоящих перед нефтегазовой отраслью, является предотвращение аварийных ситуаций, имеющих место в процессе эксплуатации нефтегазопроводов. В этой связи приоритетным направлением становится разработка диагностических комплексов, позволяющих на базе данных технического освидетельствования трубопроводов в наиболее нагруженных и поврежденных участках прогнозировать их остаточный рабочий ресурс и устанавливать на этой основе межремонтные сроки. Как правило, достижение поставленной задачи обеспечивается путем мониторинга технического состояния наиболее опасных участков трубопровода и на основе оценки их рабочего ресурса на базе различных расчетно-экспериментальных подходов. В настоящей работе предлагается информационно-
диагностический комплекс, позволяющий исключить сложную процедуру мониторинга, в том числе статистическую обработку накопленных данных по оценке технического состояния трубопроводов, и периодическую экспериментальную проверку и испытания вырезаемых образцов из наиболее опасных и поврежденных участков труб, необходимые для оценки механических свойств металла трубопроводов. Для этих целей предлагается использовать метод голографической интерферометрии, положенный в основу информационно-диагностического комплекса, с помощью которого можно определить напряженное состояние и нагруженность в стенке трубопровода и необходимые параметры и механические свойства металла труб с учетом их старения в процессе эксплуатации для оценки ресурса пластичности металла труб. В работе рассмотрена методика прогнозирования остаточного рабочего ресурса трубопроводов, положенная в основу предлагаемого информационно-диагностического комплекса.
Ключевые слова: нефтегазопроводы, остаточный рабочий ресурс, информационно-диагностический комплекс, параметры технического состояния, механические свойства металла труб.
INFORMATION AND DIAGNOSTIC SYSTEM FOR EVALUATION OF TECHNICAL CONDITION PARAMETERS OIL AND GAS PIPELINES
One of the key challenges facing the oil and gas industry, is the prevention of accidents that occur in the operation of oil and gas. In this regard, priority is the development of diagnostic systems that allow on the basis of technical inspection of pipelines of data in the most loaded and damaged areas to predict their residual service life and to establish on this basis, the turnaround time. As a rule, the achievement of the objectives achieved by monitoring the technical condition of the most dangerous areas of labor-laying, and evaluation of their working life on the basis of different computational and experimental approaches. In this paper we propose information and diagnostic system that allows you to exclude a complex monitoring procedure, including statistical analysis of historical data to assess the technical condition of the pipelines, and the periodic experimental verification and test specimens are cut from the most dangerous and damaged sections of pipe needed to assess the mechanical properties of metal pipelines. For these purposes are encouraged to use the method of hol-ographic interferometry, which is the basis of information-diagnostic system with which you can define the state of stress and loading in the wall of the pipeline and the necessary parameters and mechanical properties of metal pipes with regard to their age during the operation to assess a resource of plasticity metal pipes. The paper considers the method of forecasting the residual working life of pipelines, laid the basis for the proposed information-diagnostic complex.
Key words: oil and gas pipelines, remaining service life, information-diagnostic system, parameters of technical condition, mechanical properties of metal pipes.
В настоящей работе предложены результаты по разработке информационно-диагностического комплекса для оценки параметров технического состояния нефтегазопроводов, необходимых для прогнозирования их остаточного рабочего ресурса, базирующегося на использовании метода голографической интерферометрии. Сущность предлагаемого подхода прогнозирования заключается в следующем. Для оценки эксплуатационного ресурса трубопроводов [0, 7 ] необходима информация о накоплении локальной повреждаемости металла трубопровода в его наиболее нагруженном
участке (как правило, вблизи концентраторов напряжений) W.(7) (кривая 1, рисунок 1) и снижении запаса пластичности материала детали Wр(7) (кривая 2, рисунок 1) [1].
Фактически определение эксплуатационного ресурса металлоконструкции 7р0 сводится к решению двух самостоятельных задач:
1 — оценка локальной повреждаемости металла в наиболее нагруженном участке трубопровода в процессе его эксплуатации W.(7);
2 — определение остаточного запаса пластичности металла трубопровода в процессе эксплуатации W (7).
Пп
о /
1 — кривая накопления локальной повреждаемости металла в наиболее нагруженном и ослабленном участке; 2 — зависимость остаточной пластичности металла от времени их эксплуатации
Рисунок 1. Схема определения эксплуатационного ресурса трубопровода [0, у
В работе предлагается подход, позволяющий отказаться от решения более сложной первой задачи. Для этого, используя нелинейный закон суммирования повреждений [2] и распространяя его на двухстадийный процесс накопления локальных повреждений в металлоконструкциях рассматриваемых объектов (1 стадия — стадия эксплуатации, 2 стадия — процесс испытаний), установлена взаимосвязь между рассматриваемыми параметрами W.(t) и Wр(t), соответствующими одному и тому же периоду времени tр:
1- а2
ПР(0)
наличии концентраторов, обеспечивающих в процессе испытания образцов разную величину показателя жесткости П2 и вида напряженного состояния V в окрестности вершины концентратора. Последнее необходимо для построения диаграмм пластичности материала в виде Wр = Wр(П,vs), характеризующих запас пластичности металла при различных условиях нагружения.
В работе предлагается подход, позволяющий по информации, снимаемой на стадии технической диагностики, не прибегая к испытаниям образцов, непосредственно оценить запас пластичности металла для различных условий нагружения. Базируясь на допущении о возможности описания диаграмм пластичности экспоненциальными зависимостями, было получено соотношение, позволяющее по параметрам аппроксимированной кривой деформирования материала т (показатель упрочнения материала), Е и от (модуль упругости и предел текучести) и параметрам П и V определяющим схему и характер нагружения, оценить запас пластичности металла:
2 т.
П„ =
П, , Е 2ге I атг
\-rnf
где А Щ—.Уа
\
= 1п т{ Е
1__
/ Юл сгт,
1 + л - агссов!
(т).
(3)
(4)
(1)
где а а2 — некоторые параметры закона нелинейного суммирования повреждений, отвечающие этапу эксплуатации и испытаний [2]:
«1,2 = «о ехР(1 + 0,23 8П12). (2)
Здесь а0 — постоянная материала, определяемая из кривой деформирования материала; П12 — показатель жесткости напряженного состояния в наиболее нагруженном участке конструкции, отвечающий данным стадиям нагружения.
Основные практические сложности, возникающие в процессе оценки технического состояния деталей на базе использования критерия Wр, связаны с экспериментальным определением данной величины, что сопряжено с испытанием целого ряда образцов заданной конфигурации при различных схемах нагру-жения (изгибе, кручении, растяжении и т.д.) и
Величина V для оболочковых конструкций типа трубопроводов характеризует геометрическую форму оболочки и характер нагружения ее в процессе эксплуатации, а величина П определяет жесткость напряженного состояния в наиболее нагруженном участке трубопровода:
1 »7.-1-1
п,
' " (5)
где щ
/3
=2иг-1, о,, о„
-1г, „2. главные нормальные
напряжения в стенке трубопровода.
Используя соотношения (3) и (4) по информации, снимаемой на стадиях технической диагностики трубопроводов (т о П ), строится кривая изменения запаса пластичности материала труб в наиболее нагруженном участке (кривая 2 на рисунке 1). Затем, используя соотношения (1) и (2) в предположении, что = у2 = V ,, Пх = П2 = П ,, и следовательно а1. = а = а кривая (2) перестраивается в кривую (1) и находится их точка
пересечения (методом экстраполяции), т.е. значение 7 отвечающее рабочему ресурсу металлоконструкции.
Дефекты и конструктивные несовершенства нефтегазопроводов (смещения кромок, разнотолщинность и т.п.) способствуют повышению уровня напряженности в стенке конструкции и, как следствие, прогрессивному развитию процессов коррозии металла (так называемый механохимический эффект), что, в свою очередь, приводит к снижению рабочего ресурса конструкции. В связи с этим при прогнозировании рабочего ресурса трубопроводов необходимо вводить корректировку на механохимический эффект с учетом соотношения [3-6]
(6)
где 7 — рабочий ресурс, определенный по предлагаемой методике без учета механохи-мического эффекта; Кук — коэффициент усиления коррозии от действия напряжений,
К^ = (Кстт{ +1) ехр (К^щ*), (7)
К — механохимический параметр, определяемый экспериментально (для углеродистых сталей Кст = 5.. .6; для низколегированных сталей К = 6.7); К — константа
ст у 7 и
материала,
7 (8)
Аук
К„
RT
1 + |^](л/ЗПрГ"
этой характеристики с диаметром отпечатка при известном усилии вдавливания инден-тора, способ определения модуля упрочнения (Е ) материала — на использовании установленной взаимосвязи между этой характеристикой и деформированным состоянием поверхности вокруг отпечатка. Получены корреляционные выражения для определения указанных характеристик:
Ст; = CJ.
/ J Л
"О Fy
ту
3,3
Е.
тб
\9/8
Г Л1-43
F
\ У/
In
V тб у
}тб
0,82 ,
Wc
0rf6
W.п
Od
(10)
(11)
где индексы «у» и «б» указывают на параметры, относящиеся к «условному» и «базовому» материалам: а = 1 МПа; d = 0,29 мм;
0Fy
мм; о, = 325 МПа;
тб 5
V — модульный объем стали; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; Л. — константа деформационного упрочнения материала,
4=- ^
(9)
Основными показателями механических свойств материала конструкций, необходимыми для оценки рабочего ресурса, являются предел текучести (а ), модуль упругости (Е) и показатель упрочнения материала (т.).
Данные характеристики на стадии технической диагностики могут быть определены с использованием методик, базирующихся на упругопластическом контактном взаимодействии шарового индентора с поверхностью трубопровода [7], позволяющих определить предел текучести материала (а ) и косвенную характеристику пластических свойств — модуль упрочнения (Е ).
Способ определения предела текучести материала основан на корреляционной связи
Е = 1 Н; = 1,0-10"
у ' 0аб 5
Е = 1104 МПа.
тб
Модуль упрочнения Е является основой для определения искомой характеристики т. на базе известного соотношения, полученного для конструктивных материалов:
т1 = 2,857 ^т-. (12)
Ь
Для определения значений П. и V. необходимо знать величины главных нормальных напряжений а и а2. в стенке конструкции в наиболее нагруженном участке на стадии диагностики. Для этой цели используется методика измерений, основанная на методе голографической интерферометрии [7]. Принцип измерения основан на использовании закономерностей взаимосвязи между деформированным состоянием поверхности вокруг отпечатка в результате вдавливания индентора и напряжениями в стенке трубопровода. Результатом измерения являются величины компонент главных напряжений в точке поверхности, совпадающей с центром отпечатка.
Основные разрешающие уравнения методики:
aTi 2
а„ 3 —— = — In
СТт ; 2
V 2 Wod
f
v1 2 Wod
AfVr
(13)
где оси х и у направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений (рисунок 2); ат. — предел текучести материала; Ж0с1 — величина нормального перемещения в контрольной точке
Рисунок 2. Распределение нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка
(точки А и В на расстоянии гтах от центра отпечатка) для материала конструкции при отсутствии напряжений, определяемая по диаграмме вдавливания для материала W(d); DW — разность между полученной при измерении напряжений величиной нормального перемещения в контрольной точке и базовым перемещением W0d.
Общая характеристика метода:
1) метод позволяет проводить дискретные (поточечные) измерения напряжений;
2) получаемый объем информации: величины компонент напряжений в точке на поверхности трубы, их знаки, направления главных осей;
3) чувствительность метода: 0,05.. .0,15 от предела текучести материала в зависимости от диаметра индентора и диаметра отпечатка;
4) база усреднения получаемых экспериментальных данных: по поверхности — диаметр отпечатка, по глубине — 1/4 диаметра отпечатка;
5) рекомендуемый диапазон диаметров отпечатков: 0,9.1,5 мм в зависимости от диаметра индентора;
6) тип индентора: шар диаметром 5.15 мм;
7) характер нагружения детали: статический, динамический;
8) погрешность измерения в рекомендуемом диапазоне диаметров отпечатков: не более 10 %;
9) по классификационному признаку «степень воздействия на исследуемый объект» метод относится к условно неразрушающим методам;
10) производительность измерений — до 5 мин на измерение напряжений в одной точке поверхности детали;
11) ограничения по применению:
1 — лазер; 2 — коллиматор; 3 — делитель (полупрозрачное зеркало); 4 — объект; 5 — зеркало; 6 — объектив; 7 — цифровой фотодетектор (видеокамера)
Рисунок 3. Оптическая система блока интерферометра на базе ЭСИ
— в металлоконструкциях без резких изменений геометрии поверхности,
— проведение измерений только на наружной поверхности конструкции,
— проведение измерений на подготовленной поверхности конструкции (зачистка и т.п.),
— твердость поверхности не выше 60 HRC,
— отсутствие наружных и внутренних дефектов в поверхностном слое.
Представленные характеристики метода позволяют рекомендовать его для неразруша-ющего диагностирования напряжений в металлоконструкциях в режиме экспресс-измерений [8-10].
Для проведения практических измерений нагруженности металлоконструкций разработана измерительная оптико-электронная установка на базе метода электронной спекл-интерферометрии. Принципиальная схема измерительного оборудования показана на рисунке 3.
Выводы
Предложен информационно-диагностический комплекс, позволяющий исключить сложную процедуру мониторинга, в том числе статистическую обработку накопленных данных по оценке технического состояния трубопроводов, и периодическую экспериментальную проверку и испытания вырезаемых образцов из наиболее опасных и поврежденных участков труб, необходимые для оценки механических свойств металла трубопроводов. Для этих целей предлагается использовать метод голографической интер- 63
ферометрии, положенный в основу информационно-диагностического комплекса, с помощью которого можно определить напряженное состояние и нагруженность в стенке трубопровода и необходимые параметры и механические свойства металла труб с учетом их старения в процессе эксплуатации для оценки ресурса пластичности металла труб. Рассмотрена методика прогнозирования остаточного рабочего ресурса трубопро-
Список литературы
1. Ерофеев В.В., Шахматов М.В., Айме-тов Ф.Г. и др. Прогнозирование остаточного эксплуатационного ресурса труб при статическом нагружении в коррозионных средах // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1993. № 2. С. 20-24.
2. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлур-гия,1984. 144 с.
3. Зайнуллин Р.С. Механика катастроф. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. Уфа: МНТЦ «БЭСТ», 1997. 426 с.
4. Зайнуллин Р.С. Оценка эффективности применения высокопрочных сталей для производства элементов нефтегазового оборудования // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. Вып. 1 (99). С. 120-127.
5. Латыпов А.М., Мухаметзянов А.Н., Харисов Р.А., Зайнуллин Р.С. Совершенствование методов расчета долговечности элементов оборудования и трубопроводов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. Вып. 3 (97). С. 90-95.
6. Харисов Р.А., Кантемиров И.Ф., Сазонов К.А., Зайнуллин Р.С. Основы расчетов на прочность и устойчивость с учетом прибавки на компенсацию коррозионно-механического износа базовых элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2011. Вып. 4 (86). С. 47-53.
7. Игнатьев А.Г. Определение механических свойств металлических покрытий при восстановлении деталей // Достижения науки
водов, положенная в основу предлагаемого информационно-диагностического комплекса.
Представлены результаты по разработке информационно-диагностического комплекса для оценки параметров технического состояния нефтегазопроводов, необходимых для прогнозирования их остаточного рабочего ресурса, базирующегося на использовании метода голографической интерферометрии.
— агропромышленному производству: матер. XLVIII Междунар. науч.-техн. конф., Ч. 4. Челябинск: ЧГАУ, 2009.
8. Игнатьев А.Г. и др. Метод и технические средства контроля напряженного состояния металлоконструкций // Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами. Челябинск: ЦНТИ,
2004.
9. Шарафиев Р.Г., Шарафиев Р.Г., Кускильдин P.A. Промышленная безопасность: опыт, проблемы и перспективы эксплуатации нефтегазопроводов. Челябинск,
2005. 448 с.
10. Крюков Н.И. и др. Газопроводы и газовые сети: надежность, диагностика, перспективы. Челябинск-Уфа, 2008. 375 с.
References
1. Erofeev V.V., Shakhmatov M.V., Aime-tov F.G. i dr. Prognozirovanie ostatochnogo ekspluatatsionnogo resursa trub pri staticheskom nagruzhenii v korrozionnykh sredakh // Transport i khranenie nefti i nefteproduktov. 1993. № 2. S. 20-24.
2. Bogatov A.A., Mizhiritskii O.I., Smir-nov S.V. Resurs plastichnosti metallov pri obrabotke davleniem. M.: Metallurgiya,1984. 144 s.
3. Zainullin R.S. Mekhanika katastrof. Obespechenie rabotosposobnosti oborudovaniya v usloviyakh mekhanokhimicheskoi povrezh-daemosti. Ufa: MNTTs «BEST», 1997. 426 s.
4. Zainullin R.S. Otsenka effektivnosti primeneniya vysoko-prochnykh stalei dlya proizvodstva elementov neftegazovogo oborudovaniya // Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov. 2015. Vyp. 1 (99). S. 120-127.
5. Latypov A.M., Mukhametzyanov A.N., Kharisov R.A., Zainullin R.S. Sovershen-stvovanie metodov rascheta dolgovechnosti elementov oborudovaniya i truboprovodov // Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov. 2014. Vyp. 3 (97). S. 90-95.
6. Kharisov R.A., Kantemirov I.F., Sazo-nov K.A., Zainullin R.S. Osnovy raschetov na prochnost' i ustoichivost' s uchetom pribavki na kompensatsiyu korrozionno-mekhanicheskogo iznosa bazovykh elementov neftegazovogo oborudovaniya i truboprovodov // Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov. 2011. Vyp. 4 (86). S. 47-53.
7. Ignat'ev A.G. Opredelenie mekhani-cheskikh svoistv metallicheskikh pokrytii pri
vosstanovlenii detalei // Dostizheniya nauki — agropromyshlennomu proizvodstvu: mater. XLVIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf., Ch. 4. Chelyabinsk: ChGAU, 2009.
8. Ignat'ev A.G. i dr. Metod i tekhnicheskie sredstva kontrolya napryazhennogo sostoyaniya metallokonstruktsii // Kontrol' tekhnologii, izdelii i okruzhayushchei sredy fizicheskimi metodami. Chelyabinsk: TsNTI, 2004.
9. Sharafiev R.G., Sharafiev R.G., Kuskil'din P. A. Promyshlennaya bezopasnost': opyt, problemy i perspektivy ekspluatatsii neftegazoprovodov. Chelyabinsk, 2005. 448 s.
10. Kryukov N.I. i dr. Gazoprovody i gazovye seti: nadezhnost', diagnostika, perspektivy. Chelyabinsk-Ufa, 2008. 375 s.
