CC BY
1DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -62-65
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЕЙСТВУЮЩЕГО НАДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА
Антонов А.А., Корнилова З.Г., Яковлев Ю.А., Корнилова В.В.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
В данной статье рассматривается оценка остаточной работоспособности надземного трубопровода с учетом выявленных дефектов в сварных соединениях. Для анализа технического состояния трубопровода были использованы методы неразрушающего контроля. Результаты расчетов показали, что надземный трубопровод практически исчерпал свой эксплуатационный ресурс и его дальнейшая эксплуатация невозможна без проведения соответствующих ремонтных работ.
Введение. Надземная прокладка трубопроводной магистрали предоставляет удобство при проведении осмотров, ремонтов или замене конкретных участков, исключая необходимость земляных работ. Кроме того, прокладка магистрали не требует копания траншей, что снижает ее стоимость, в среднем на 20-30%, по сравнению с подземными трубопроводами. Не менее важным аспектом является возможность визуального контроля состояния трубопровода. Открытая конструкция позволяет быстрее выявить возникающие дефекты и оперативно реагировать на них. Это способствует повышению надежности системы в целом и снижает вероятность возникновения серьезных инцидентов.
Надземные магистрали не оказывают воздействия на естественный тепловой режим вечномерзлых грунтов, что крайне важно для прокладки трубопроводов в северных областях нашей страны. Поскольку трубы в надземном исполнении не соприкасаются с грунтом, они подвержены меньшей коррозии, чем подземные трубопроводы.
Учитывая все эти преимущества, надземные трубопроводы становятся оптимальным решением для многих регионов, особенно в условиях суровых климатических условий северных широт.
В данной работе проведена оценка остаточного ресурса действующего надземного трубопровода с учетом дефектности сварных соединений. Трубопровод, проработавший более 25 лет, состоит из труб диаметрами 159 мм, толщиной 8 мм и 219 мм, толщиной 6 мм. Протяженность трубопровода составляет 2700 м. Рабочее давление - 1,2 Мпа, температура 200 °С, согласно [1] при рабочем давлении от 0,07 до 1,6 МПа, и температуре эксплуатации от 155 до 250 °С трубопровод относится к IV-ой категории. Длина паропровода из труб 0 219 мм -800 м, 0 159 мм - 170 м.
Магистральные трубопроводы на Крайнем Севере эксплуатируются в условиях сильных перепадов температур от -60 до 40 °С. Внутреннее давление транспортируемого топлива сравнительно небольшое (1,2 МПа) и основной вклад в напряженное состояние трубопровода вносят нагрузки, обусловленные температурным перепадом. Результаты натурных исследований сварных соединений магистрального трубопровода диаметром 630 мм показали, что наибольшие напряжения возникают в местах поворота (как в плане, так и профиле) трубопровода [2]. Это согласуется и с данными работы [3].
Материалы и методы исследования. Для оценки технического состояния трубопровода были использованы основные распространенные методы неразрушающего контроля, такие как визуально-измерительный контроль, толщинометрия, определение твердости, радиографическое просвечивание.
Визуально-измерительный контроль сварных соединений осуществлялся посредством внешнего осмотра как невооруженным глазом, так и с применением лупы. Основное внимание уделялось выявлению дефектов швов, таких как трещины, подрезы, поры, свищи, прожоги, наплывы и непровары в нижней части швов.
Контроль размеров сварных швов проводился с использованием измерительных инструментов с точностью ±0,1 мм. Для измерений применялись штангенциркуль и УШС-3. Кроме того, осуществлялся внешний осмотр трассы трубопровода на предмет смещения газопроводов, наличия вибраций, сплющивания, недопустимых прогибов и повреждений опор.
Для оценки коррозионного износа труб и зон сварных соединений проводились измерения толщины стенок с помощью ультразвукового толщиномера Булат-1М с погрешностью ±0,1 мм.
Рентгенографический контроль сварных стыков трубопровода выполнялся с использованием аппарата АРИНА-1, чувствительность контроля 0,3, после предварительной очистки сварного соединения от неровностей, шлака, брызг металла, окалины и других загрязнений. Контроль проводился через две стенки с размерами пленок 300*70 мм и углом экспозиции 120°.
Результаты и обсуждение. По результатам визуально-измерительного контроля выявлены следующие недопустимые дефекты: поры размерами от 1 до 2,5 мм; подрезы глубиной от 1 мм до 2,5 мм; свищи диаметром до 3 мм; механические повреждения глубиной до 2 мм.
Внешние геометрические размеры сварных швов трубопровода диаметрами в основном отвечают нормативным требованиям.
С другой стороны, практически все сварные швы трубопровода диаметром 159 мм выполнены с недопустимым смещением кромок шва от 1,5 до 3,5 мм, что превышает максимально допустимые смещения по нормативу [1]. На сварных швах трубопровода диаметрам 219 мм недопустимые смещения кромок шва отсутствуют.
Из [4, 5] получим выражения для определения опасной величины смещения кромок:
т-ЯЦ -8 101
(1)
если 0 < А/5 < 0,8333;
если А/5 > 0,8333.
Лоп=5
[0,405 -kH-p-DBH 9 \
m-R%-S 1
[0,675 -kH-p-DBH 3
(2)
Однако опыт освидетельствования качества сварных швов и результаты проведенных испытаний показывают, что этот диапазон целесообразно ограничить пределами 0 < А/5 < 0,5, т. е. считать, что предельно опасной является величина смещения, достигающая половины толщины стенки:
Апр = 8- 0,5 (3)
В этом случае окончательное выражение для определения величины смещения кромок [А] запишется:
т-Щ-8 \ ) (4)
( ( т- кн ■ 8 \
[А] = min]8 ■ l^——-2----1,11); 0,5 ■S
1 J l \0,405 ■ кн ■ р ■ DBH l
<0,405 -кн-р- Д
где: - нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла, которое принимается минимальному значению предела текучести, МПа; т - коэффициент условий работы трубопровода; кн коэффициент надежности по назначению трубопровода, р - нормативное (рабочее) давление, МПа; Бви - внутренний диаметр трубопровода, мм; А - величина смещения кромок, мм; 5-толщина сварного соединения, мм.
Определим допустимую величину смещения кромок сварных стыков паропровода из условия обеспечения напряженно-деформированного состояния существующим требованиям. По формуле (4) получим:
[Л] = тт{7,2; 4} (5)
Таким образом, при смещении кромок кольцевых сварных стыков паропровода до 4 мм напряженно-деформированное состояние не превышает установленных требований. Обнаруженные сварные стыки со смещением кромок до 4 мм, при условии отсутствия других дефектов, могут быть допущены к дальнейшей эксплуатации без проведения ремонтных мероприятий, при этом их эксплуатационная надежность будет обеспечена.
Результаты измерений фактической толщины стенки труб диаметрами 219 и 159 мм приведены на рис. 1.
Трубы, детали трубопроводов подлежат отбраковке, если за срок, обеспечивающий остаточный ресурс до очередного технического освидетельствования (ревизии), выполняемого предприятием-владельцем, фактическая толщина стенки из-за коррозионного и эрозионного износов уменьшится и станет равной или выйдет за пределы отбраковочных значений в соответствии с требованиями.
Толщина линейной части трубопровода варьируется: трубы 0 219 - от 5,6 до 6,0 мм; трубы 0 159 мм - от 4,7 до 5,4 мм. Наименьшая допустимая толщина стенки для марки стали Ст3, мм: для труб 0 219, 159 мм - 3,5 мм по [6].
Оценка остаточного ресурса основных несущих элементов трубопровода, повреждающим фактором для которого является общая коррозия, производится по формуле:
К(5ф — Ботб)
Т =
1 ост
А,
(6)
ф
где: Тост - остаточный ресурс элемента, годы; Sф - фактическая толщина элемента, мм; Sотб -отбраковочная толщина элемента, мм; К - коэффициент, зависящий от категории и срока службы трубопровода без замены; Аф - фактическая скорость коррозионного и эрозионного износа, мм.
номер измерения
Рис. 1. Результаты измерений толщины стенок труб диаметрами 159 и 219 мм
Для трубопроводов IV-ой категории - К = 1,00. С учетом продолжительности эксплуатации паропровода, равной примерно 25 лет, средняя скорость коррозии стенки труб составляет 0,1 мм/год. Исходя из этого, расчетный остаточный ресурс труб паропровода по толщине: для труб 0219 мм - 21 год, 0159 мм - 12 лет. Но по [7], в тех случаях, когда расчетный остаточный ресурс трубопровода превышает десять лет, остаточной ресурс принимается равным десяти годам.
Радиографический контроль, в объеме 3% от общего числа однотипных стыков трубопровода, показал 100% негодность сварных соединений, по [1]. Следовательно, остаточный ресурс сварных соединений стыков трубопровода полностью исчерпан.
В сварных соединениях трубопроводов непровары корня шва, изначально имевшие значения недопуст.имые по глубине и длине, за период эксплуатации под влиянием концентраторов напряжений и двуосного напряженного состояния за счет эксплуатационных нагрузок и непредусмотренных природно-климатических воздействий, достигли глубины от 1,5 до 3,0 мм по результатам радиографического контроля.
Выводы. Трубопровод практически полностью исчерпал свой ресурс, и его дальнейшая эксплуатация допускается только после 100% контроля сварных швов рентгенографическим методом и последующим устранением всех обнаруженных дефектов сварных соединений стыков труб, а также проведения повторного полного технического обследования.
При должном проведении ремонтно-восстановительных работ трубопровод будет пригоден к эксплуатации в течение 10 лет.
Литература
1. ПБ 10-573-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов горячей воды и пара. 128 с.
2. Аммосов А.П., Голиков Н.И. Оценка остаточного ресурса сварных соединений действующего надземного трубопровода // Сварочное производство.1999. № 11. С. 20-22.
3. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях. Л.: Недра, 1990. 180 с.
4. Методы оценки работоспособности труб технологических газопроводов / А. Я. Яковлев [и др.]. М.: Изд. ООО «ЛитНефтеГаз», 2008. 272 с.
5. Антонов А.А., Яковлев Ю.А., Корнилова З.Г. Определение допустимого смещения кромок сварных соединений паропровода // Труды VIII Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата: Том 1. Якутск: Цумори Пресс, 2018. С. 513-517.
6. ОСТ 108.031.09-85 «Котлы стационарные паровые и водогрейные и трубопроводы пара и горячей воды. Нормы расчета на прочность».
7. Методика оценки остаточного ресурса трубопроводов пара и горячей воды III и IV категорий. АООТ «ВНИКТИ нефтехимоборудование». Волгоград, 1997. 23 с.
