CC BY
200
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 620.17, 620.18
А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ
МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Ключевые слова: неразрушающий контроль, магистральные трубопроводы, металлография, мультифрактальная параметризация.
В статье рассматриваются проблемы обеспечения безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов нефти и газа. Теоретически обосновываются предпосылки возникновения потенциально опасных участков. Предлагаются перспективные пути совершенствования методов неразрушающего контроля магистральных трубопроводов на основе мультифрактальной параметризации.
Keywords: nondestructive control, trunk pipeline, metallography, multifractal parametrization.
In this article we consider problems of providing safe exploitation of oil or gas trunk pipeline. Theoretically prove Conditions of appearing of potentially dangerous areas. Propose perspective ways of improvement of methods of trunk pipelines nondestructive control, based on multifractal parametrization.
В последнее время все больше внимание уделяется вопросам повышения уровня безопасной эксплуатации опасных производственных объектов, в том числе магистральных трубопроводов нефти и газа.
Известно, что основной проблемой магистрального трубопроводного транспорта, как видно из основных причин возникновения аварий и результатов многочисленных исследований является коррозия в различных ее проявлениях. И если часть из мест коррозионных повреждений носит предсказуемый характер и их появление обусловлено дефектами изоляционного покрытия, то другая часть имеет менее предсказуемый характер и чаще всего обусловлена нарушениями технологии укладки на этапе строительства. Такие «проблемные» места больше подвержены коррозии и склонны к коррозионному растрескиванию.
Анализ условий эксплуатации магистральных трубопроводов показал, что наряду со статическими, труба испытывает и циклические нагрузки с широким спектром частот -это и всевозможные биения, вследствие изменения режимов перекачки и высокочастотные колебания, обусловленные работой компрессорных станций и низкочастотные колебания при изменении температуры стенки трубы. Все это может стать причиной возникновения малоцикловой коррозионной усталости.
Отметим также, что при анализе принятой в настоящее время технологии изготовления сварных прямошовных труб большого диаметра, которые составляют до 75-80% от объема используемых труб при строительстве магистральных трубопроводов, был выявлен факт, что на отдельных этапах технологического процесса может формироваться значи-
тельная остаточная неоднородность физико-механических и электрохимических свойств металла по периметру трубы. Очевидно, что при одновременном проявлении всех или части перечисленных факторов на «проблемных» участках вероятность аварий на трубопроводах возрастает.
В настоящее время методы диагностики магистральных трубопроводов направлены на выявление факта наличия дефектов. Методы, позволяющие предопределить дефекты как следствие постепенной деградации металла находятся на стадии развития.
Закономерно, что вышеотмеченные процессы приводят к деградации механических свойств металла труб. Причем замечен факт [1,2], что при данном процессе, а также в общем случае длительной эксплуатации магистральных нефтепроводов практически не происходит изменений механических характеристик материала таких как твердость, временное сопротивление, предел текучести, изменяется только показатель ударной вязкости в сторону снижения. При этом критическая температура хрупкости смещается в область более высоких температур [3].
На практике данные по фактическим характеристикам материала линейной части магистральных нефтепроводов, как правило, отсутствуют. Поэтому при расчете прочности остаточного ресурса безопасной эксплуатации используются механические характеристики трубы по сертификату, а при его отсутствии - нормативные значения прочности и пластичности в соответствии требованиям ТУ на изготовление труб [4-7].
Снижение пластичности и трещиностойкости материала из-за деформационного старения в [4, 5] учитывается введением эмпирических поправочных коэффициентов к расчетным механическим характеристикам материала, зависящих от времени эксплуатации трубопровода:
Кэ = 1 + 0,025 Сэкв Т,
где Кэ - коэффициент, учитывающий снижение пластичности и трещиностойкости материала из-за "старения";
Сэкв = С + Мп/6 - эквивалент углерода, выраженный в процентах содержания элементов в стали;
Т - время эксплуатации трубопровода в годах.
В [6] для оценки долговечности магистральных нефтепроводов значения параметров циклической трещиностойкости металла кольцевого сварного шва трубы принимаются по таблице на основе экспериментальных данных.
Традиционные методы определения ударной вязкости и температуры хрупкого разрушения предполагают проведение исследований на вырезках образцов, что трудновыполнимо для действующих магистральных трубопроводов. В условиях эксплуатации более приемлемыми являются неразрушающие методы определения фактических характеристик материала трубопровода.
В качестве такого метода для поиска характеристик, чувствительных к изменению критической температуры хрупкости, был использован метод мультифрактального анализа [8], параметры которой ранее неоднократно показывали свою взаимосвязь как со структурой, так и с механическими свойствами металла [9]. Так в указанной работе для проверки чувствительности мультифрактальных параметров изображений структуры металла к его механическим свойствам из темплета стали 09Г2С были подготовлены комплекты стандартных образцов для испытания на растяжение и ударную вязкость. Для провоцирования изменения механических свойств и структуры, образцы для механических испытаний и
металлографии были подвергнуты пяти различным вариантам термической обработки. После чего на полученных образцах были проведены механические испытания и металлографические исследования. На изображениях металлографических структур была проведена мультифрактальная параметризация.
Сопоставив результаты механических испытаний с данными мультифрактального анализа практически во всех случаях наблюдаются устойчивые взаимные корреляции значений этих характеристик (примеры на рис.1, 2).
2,1 2,6 3,1 3,6
Г200
210 -
сч 180 - Й 150 -> О ^ 120 - ♦ 1
♦ 5 ♦ 2
90 - 1 1 1
2,1 2,2 р200 2,3 2,4
Рис. 1 - Зависимость параметра одно- Рис. 2 - Зависимость параметра однородности от значений предела прочно- родности от значений ударной вязкости
сти при увеличении х250 при увеличении х250
Позднее продолжили апробацию метода на фотографиях металлографических структур [2], характеризующих состояние металла с различными значениями критической температуры хрупкости. По результатам анализа был построен график зависимости муль-тифрактального параметра однородности Б200 от скорости охлаждения (рис. 3). Сопоставляя полученный график с графиком зависимости критической температуры хрупкости (ДТ50) от скорости охлаждения (рис. 4), четко прослеживается взаимосвязь мультифрак-тального параметра однородности с критической температурой хрупкости, что также в свою очередь указывает на чувствительность данного параметра к изменениям в структуре и свойствах металла.
Рис. 3 - Зависимость параметра однородности Е200 от скорости охлаждения иохл стали 09Г2МФБ
Рис. 4 - ДТ50 в зависимости от иохл стали 09Г2МФБ после выдержки 500 ч при 450 0С. (по Горицкому)
Представленные материалы исследования дают основание для косвенной оценки трещиностойкости по мультифрактальным параметрам изображения структуры металла.
Для ответственных конструкций, таких как оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок, нормируемый уровень ударной вязкости при определении критической температуры хрупкости устанавливают в зависимости от условного предела текучести при 200С [6] (табл. 1). Для оценки ресурса безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов предлагается использовать подобный подход.
Таблица 1
О0,2, МПа при 200С, < 304 402 549 687
КСУ, Дж/см2 29 39 49 59
Установление количественной взаимосвязи параметров трещиностойкости, КСУ, СТо,2 со значениями мультифрактальных параметров, опираясь на результаты вышеприведенных исследований и анализа, позволит дополнить систему оценки__________безопасной экс-
плуатации магистральных трубопроводов с использованием мультифрактальной параметризации в качестве дополнительного метода неразрушающего контроля.
Литература
1. Горицкий, В.М. Диагностика металлов / В.М. Горицкий // М.: Металлургиздат. - 2004. - 408с
2. Горицкий, В.М. Склонность к хрупкому разрушению сварных соединений стали 09Г2МФБ, подверженных длительному воздействию повышенных температур / В.М.Горицкий [и др.] / Проблемы прочности. - 1990 - №9 - С.35-40.
3. Курочкин, В.В. Эксплуатационная долговечность нефтепроводов / В.В. Курочкин, Н.А. Малю-шин, О.А. Степанов, А.А. Мороз - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр» - 2001. - с.38-59.
4. Методика определения остаточного ресурса трубопроводов с дефектами, определяемыми внут-ритрубными инспекционными снарядами». ОАО «Транснефть» - М. - 1997г.
5. Методика определения опасности повреждений стенки труб магистральных нефтепроводов по данным обследования внутритрубными дефектоскопами. ОАО «Транснефть» - М. - 1997г.
6. Методика оценки прочности и срока службы кольцевых сварных швов с дефектами магистральных нефтепроводов, ОАО «Транснефть» - М. - 2002 г.
7. Методика оценки работоспособности и проведения аттестации эксплуатирующихся магистральных нефтепроводов. РД 153-39.4 Р-119-02. ОАО «Транснефть» - М. - 2002г.
8. Встовский, Г.В. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов / Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, И.Ж. Бунин - Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика». - 2001. - 116 с.
9. Анваров, А.Д. Использование мультифрактальной параметризации для исследования связи структуры и механических свойств элементов оборудования из сталей перлитного класса / А.Д. Анваров, А.С. Маминов, В.А. Булкин, Г.В. Встовский / Деформация и разрушение материалов. - 2007 - №5 - С.38-42.
10. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
© А. С. Сильвестров - асп. каф. машин и аппаратов химических производств КГТУ; А. Д. Анваров - докторант той же кафедры, anvarov_a@mail.ru; В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.
