CC BY
124
- © А.А. Ибрагимов, С.Ю. Подорожников,
А.Б. Шабаров, М.В. Медведев, М.Ю. Земенкова, 2014
УДК 622.691.4
А.А. Ибрагимов, С.Ю. Подорожников,
А.Б. Шабаров, М.В. Медведев, М.Ю. Земенкова
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДА В УСЛОВИЯХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ И КОРРОЗИИ
Разработан метод расчета остаточного ресурса трубопровода и комплекс алгоритмов для его программной реализации. Метод позволяет определять прогнозируемый период эксплуатации рассматриваемых участков трубопровода от начального момента ввода в эксплуатацию до окончания ресурса с учетом фактических напряжений и коррозионной активности окружающей среды, а также остаточный ресурс в любой момент времени. Разработанный на основании данных о скорости коррозии и кривых выносливости при асимметричных циклах нагружения, метод позволяет проводить оценку толщины слоев с усталостными и коррозионными повреждениями. Предлагаемым комплекс может быть использован при оперативной оценке надежности трубопроводов. Ключевые слова: надежность, долговечность, ресурс, коррозия, напряжения, трубопровод, метод, алгоритм.
Нефте- и газопроводы, трубопроводы в энергетике и других отраслях находятся в условиях коррозии и переменных напряжений [1, 2, 3 и др.]. Предложенный в работе [3] метод расчета остаточного ресурса трубопровода доведен авторами до алгоритма и компьютерной программы «SPIPE.1.» в среде «Delphi».
Расчет остаточного ресурса с учетом асимметричности цикла напряжений и коррозии, предусматривает проведение следующих предварительных действий:
1. Изучение проектной документации по трубопроводу и на этой основе формирование исходных данных.
2. Выявление опасных участков трубопроводов по фактическому техническому состоянию и по фактической коррозионной активности грунта на различных участках трубопровода.
3. Анализ фактических и прогнозируемых данных о термобарических параметрах перекачиваемой среды, о прогнозируемых параметрах окружающей среды.
4. Анализ дополнительных напряжений в стенке трубы при теплосиловом взаимодействии трубопровода с грунтом.
5. Сбор информации и подготовка файла исходных данных для расчетов с использованием программы.
Алгоритм программы основан на расчетных зависимостях, приведенных в работе [2] и может быть представлен в виде блок-схемы (рис. 1).
По результатам расчета определяется прогнозируемый период эксплуатации (долговечности рассматриваемых участков трубопровода от начального момента ввода в эксплуатацию до исчерпания ресурса с учетом фактических напряжений и коррозионной активности окружающей среды, а также остаточный ресурс в любой момент времени. Кдин
В качестве базовых уравнений приняты соотношения [3], в частности:
^ 2а('+фф5( ''> -АР &')
^" = 2а(+1) ^ + -р(Си)А/, Ц)
2 ^Са эфф АРтах )
где А/1расчетная толщина разрушенного коррозионного и усталостного слоя трубы за период А/"; оаэфф - эффективное напряжение [4]; 5 - несущая толщина стенки; АРтах - амплитуда пульсации давления; Кдин = 1,15-1,45; ¡кор0 - скорость
внутренней и наружной коррозии стенки; Си - параметр Гутмана [5].
Разработанный метод, алгоритм и программа позволяют определять изменение по времени следующих параметров:
— толщины (расчетные) слоев с усталостными повреждениями /Д.;
— толщины (расчетные) слоев с коррозионными повреждениями внутренней и наружной поверхности труб /кор в(/), /кор н(/);
— толщины слоев с усталостными и коррозионными повреждениями 1(1) и расчетную «несущую» толщину стенки
5(/).
>
— характерные напряжения в стенке трубы
(/), *КЦ(/), (/), (/), ^тах(/), ^т1п(/) .
В качестве примера, расчетное исследование было проведено для трубы с диаметром йн = 133,0 мм, при начальной толщине стенки 50 = 6 мм.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета долговечности и остаточного ресурса трубопровода с учетом асимметрии цикла и коррозии
Исходные данные в этом варианте приняты следующими: — давление перекачиваемой среды Р = 3,2 МПа;
— относительная амплитуда изменения давления Кр = 0,15;
— температура стенки трубы в рассматриваемом сечении Тст = 293,0;
— изменение температуры стенки по сравнению с начальной АT = 10К;
— период колебания давления Тр = 10 мин.
Прочностные характеристики рассматриваемой трубной
стали: предел текучести сТ = 265,0 МПа; предел временной
прочности сB = 470,0 МПа; коэффициент чувствительности металла к асимметрии цикла у Т = 0,25; толщина лабораторного образца при испытаниях на выносливость ^ = 5,0 мм; параметры кривой выносливости аг = 60,6 МПа, Ьг = 8,18 МПа; коэффициент чувствительности материала к концентрациям напряжений qv = 0,6; термический коэффициент линейного
расширения /Т = 1,2 • 10-5 К-; модуль упругости E = 2,1 • 105 МПа; коэффициент Пуассона ц, = 0,3; скорость внутренней коррозии без учета влияния напряжениймм/год; скорость внешней коррозии без учета влияния напряжений мм/год; радиус изгиба трубопровода м.
На рис. 2 приведены результаты расчета уменьшения «несущей» толщины стенки трубопровода при учете различных факторов.
Линия 1 соответствует «несущей» толщине 5 при скорости внутренней коррозии мм/год и скорости внешней коррозии мм/год. За период Т = 2000 суток «несущая» толщина стенки уменьшается от 6 мм до 3 мм.
Кривая 2 характеризует уменьшение «несушей» толщины стенки с учетом зависимости скорости коррозии трубы от статических напряжений - под действием внутреннего давления, термических напряжений и напряжений от изгиба трубопровода.
Кривая 3 характеризует уменьшение «несущей» толщины стенки под влиянием статических и динамических напряжений на скорость коррозии. В момент времени Т < 1460 суток амплитуда действующих напряжений са меньше или равна пределу выносливого асимметричного цикла саг. При этом усталостных напряжений не происходит. В период эксплуатации Т>1460 суток са > с аг (рис. 3).
Рис. 2. Изменение по времени «несушей» толщины стенки трубопровода при различных факторах
Рис. 3. Изменение по времени амплитуды действующих кольцевых напряжений 81 (1) и предела выносливости асимметричного цикла 8аг (2) (Юн = 133 мм, 8о = 6 мм)
Из рис. 3 видно, что итоговая расчетная «несущая» толщина стенки трубы (кривая 4) существенно уменьшается за счет совместного (усталостного и коррозийного) разрушения металла.
Долговечность трубопровода в данном модельном примере уменьшается за счет коррозии и усталости до 7^1480 суток.
Таким образом, на основе расчетной модели долговечности трубопровода, учитывающий скорость коррозии и влияние переменных напряжений, разработан алгоритм позволяющий определить остаточный ресурс на различных участках трубопровода с учетом условий эксплуатации.
Разработанный алгоритм, основанный на обобщенных данных о скорости коррозии и кривых выносливости при асимметричных циклах нагружения доведен до компьютерной программы, которая может быть использована при оценке долговечности трубопроводов.
На примере внутрипромыслового трубопровода диаметром 133 мм, изготовленного из стали 17Г2С, выполнено расчетно-теоретическое исследование совместного влияния скорости коррозии и переменных напряжений на остаточный ресурс. Установлено, что совместное влияние этих факторов может приводить существенному сокращению долговечности трубопровода.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Техника и технологические процессы при транспорте энергоресурсов: Учебное пособие в 2-х томах. Под общей редакцией Ю.Д.Земенкова. -Тюмень: Изд. «Вектор Бук». - 2008. - т.1. - 380 с.
2. Сбор и подготовка нефти и газа: Учебник для студентов высших учебных заведений направления «Нефтегазовое дело» /Земенков Ю.Д. — Москва, 2009.
3. Шабаров А.Б., Подорожников С.Ю., Ибрагимов A.A. Метод расчета остаточного ресурса трубопроводов с учетом коррозии и переменных напряжений. - Тюмень: Изд. ТюмГНГУ. - 2012. - 100 с.
4. Овчинников И.Н. Виброиспытания, диагностика и прогнозирование усталостного разрушения. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 2004. -128 с.
5. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. - М.: Металлургия. — 1981. — 271 с.
6. Земенков Ю.Д. Повышение надежности и эффективности технологического режима сети нефтесбора// Земенков Ю.Д., Смирнов А.Н., Шипова-лов А.Н., Подорожников С.Ю. Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2011. № 1. С. 27-31.
7. Шпилевой B.A., Курушина Е.В. Роль и оценка технической и экономической энергоэффективности добычи и транспорта нефти и газа Тюменского региона // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2008, №1. - С. 93-101.
8. Шиповалов А.Н., Земенков Ю.Д., Торопов С.Ю., Дудин С.М., Курушина Е.В., Гульков А.Н., Акулов К.А. Организация эффективного аккумули-
рования энергоресурсов в системах трубопроводного транспорта. Под общей редакцией Ю.Д. Земенкова - СПб.: Недра, 2006 - 208 с.
9. Земенкова М.Ю. Мониторинг надежности нефтегазового объекта с применением методов системного анализа/ Земенкова М.Ю., Сероштанов И.В., Курушина В.А., Торопов С.Ю., Земенков Ю.Д.// Территория нефте-газ, 2013, №10, С.80-86
10. Kurushina V., Zemenkov Y. Innovative cyclical development of the Russian pipeline system // Energy Production and Management in the 21st Century, Vol.2, WIT Press, Southampton, Boston, 2014. — Pp. 881-888.
11. Основы коррозионного разрушения трубопроводов. Тюмень: издательство «Нефтегазовый университет», 2009. - 400 с. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Подорожников Сергей Юрьевич — кандидат технических наук, доцент,
Тюменский государственный нефтегазовый университет,
Шабаров Александр Борисович — доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой,
Тюменский государственный университет
Медведев Михаил Вадимович — заместитель начальника инженерно-технического центра, ООО «Газпром добыча Ноябрьск», Земенкова Мария Юрьевна — кандидат технических наук, доцент, Ибрагимов Асланбек Ахмедович — аспирант, Тюменский государственный нефтегазовый университет.
SETTLEMENT MODEL AND ALGORITHM OF DEFINITION OF A RESIDUAL RESOURCE OF THE PIPE DUCT IN THE CONDITIONS OF PERIODIC CHANGES OF TENSION AND CORROSION
Podorozhnikov Sergey Yurievich - candidate of technical Sciences, associate Professor, Tyumen state oil and gas University,
Shabarov Alexander Borisovich - doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department, Tyumen state University
Medvedev Mikhail Vadimovich - Deputy head of the engineering and technical center, Gazprom dobycha Noyabrsk,
Zemenkova Maria Yurievna - candidate of technical Sciences, associate Professor, Ibragimov Aslanbek Aslakhanov - graduate student, Tyumen state oil and gas University.
Authors developed a method of calculation of a residual resource of the pipe duct and a complex of algorithms for its program realization. The method allows to define the predicted period of operation of considered sites of the pipe duct from the initial moment of commissioning before the resource termination taking into account the actual tension and corrosion activity of environment, and also a residual resource at any moment. Developed on the basis of data on the speed of corrosion and endurance curves at asymmetric cycles of loading, the method allows to calculate an assessment of thickness of layers with fatigue and corrosive damages. The offered complex can be used at an operational assessment of reliability of pipe ducts.
Key words: reliability, durability, resource, corrosion, tension, pipe duct, method, algorithm.
REFERENCES
1. Tehnika i tehnologicheskie processy pri transporte jenergoresursov (Equipment and technological processes during the transportation of energy resources): Uchebnoe posobie v 2-h tomah. Pod obshhej redakciej Ju.D.Zemenkova. Tjumen', Izd. «Vektor Buk», 2008, Vol.1. 380 p.
2. Sbor i podgotovka nefti i gaza (Collection and preparation of oil and gas): Uchebnik dlja studentov vysshih uchebnyh zavedenij napravlenija «Neftegazovoe delo» /Zemenkov Ju.D. Moscow, 2009.
3. Shabarov A.B., Podorozhnikov S.Ju., Ibragimov A.A. Metod rascheta ostatochnogo resursa truboprovodov s uchetom korrozii i peremennyh na-prjazhenij (Method of calculation of residual life of pipelines, taking into account corrosion and AC power). Tjumen', Izd. TjumGNGU. 2012, 100 p.
4. Ovchinnikov I.N. Vibroispytanija, diagnostika i prognozirovanie ustalostnogo raz-rushenija (Fibroepithelial, diagnostics and prediction of fatigue fracture). Moscow, Izd. MGTU im. N.Je. Baumana, 2004, 128 p.
5. Gutman Je.M. Mehanohimija metallov i zashhita ot korrozii (Mechanochemistry of metals and corrosion protection). Moscow, Metallurgija, 1981, 271 p.
6. Zemenkov Ju.D. Povyshenie nadezhnosti i jeffektivnosti tehnologi-cheskogo rez-hima seti neftesbora (Increase of reliability and efficiency of technological network mode oil gatheringf)// Zemenkov Ju.D., Smirnov A.N., Shipova-lov A.N., Podorozhnikov S.Ju. Truboprovodnyj transport: teorija i prak-tika. 2011. No 1. pp. 27-31.
7. Shpilevoj V.A., Kurushina E.V. Rol' i ocenka tehnicheskoj i jekono-micheskoj jener-gojeffektivnosti dobychi i transporta nefti i gaza Tjumenskogo regiona (The role and assessment of technical and economic efficiency of extraction and transportation of oil and gas) // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Neft' i gaz. 2008, No 1, pp. 93-101.
8. Shipovalov A.N., Zemenkov Ju.D., Toropov S.Ju., Dudin S.M., Kuru-shina E.V., Gul'kov A.N., Akulov K.A. Organizacija jeffektivnogo akkumuli-rovanija jenergoresursov v sistemah truboprovodnogo transporta (Organization of effective accumulation of energy in the systems of pipeline transport). Pod obshhej redakciej Ju.D. Zemenkova. SPb, Nedra, 2006, 208 p.
9. Zemenkova M.Ju. Monitoring nadezhnosti neftegazovogo ob#ekta s primeneniem metodov sistemnogo analiza (Monitoring the reliability of oil and gas systems with use of methods of system analysis)/ Zemenkova M.Ju., Seroshtanov I.V., Kurushina V.A., Toropov S.Ju., Zemenkov Ju.D.// Territorija nefte-gaz, 2013, No. 10, pp.80-86.
10. Kurushina V., Zemenkov Y. Innovative cyclical development of the Rus-sian pipeline system // Energy Production and Management in the 21st Century, Vol.2, WIT Press, Southampton, Boston, 2014, pp. 881-888.
11. Osnovy korrozionnogo razrushenija truboprovodov (Basics of corrosion damage of pipelines). Tjumen': izda-tel'stvo «Neftegazovyj universitet», 2009, 400 p.
