CC BY
65
УДК 622.691.4.01: 532.5
Разработка технологии стресс-теста газопроводов для их реабилитации
после капитального ремонта
особенности технологии стресс-теста участка газопровода после капитального ремонта в отличие от аналогичных испытаний нового газопровода заключаются в следующем:
- участок газопровода смонтирован из труб с различным качеством ремонта: ремонт в заводских условиях, ремонт в полевых условиях, замена труб на новые. Кроме того, имеются трубы с дефектами (как правило, глубиной до 20% от толщины стенки), не отбракованные по результатам дефектоскопии, что сохраняет вероятность дальнейшего роста плоскостных аномалий;
- указанные трубы обладают различными деформационными свойствами и уровнем остаточных напряжений.
Поэтому необходимо предъявлять дополнительные требования к технологии испытаний, заключающиеся в том, чтобы обеспечить нагружение газопровода повышенным давлением с упругопластическим деформированием труб и гарантированным запасом их пластичности.
Для практической реализации указанных требований необходимо:
- определить фактические разрушающие нагрузки и соответствующие этим нагрузкам минимальное (РтЫ) и максимальное (Ртах) испытательные давления, создающие в стенках труб напряжения от 0,85 о0 2 до 1,1о0 2, где о02 — технический предел текучести стали;
- после заполнения испытательного участка водой до минимального давления, обеспечить приращение объема воды в строгом количестве, необходимом для упругопластического деформирования участка газопровода при его нагружении от Рт ы до Ртах.
Соблюдение указанных требований при испытаниях реально позволит выявить дефекты труб (различных категорий ремонта), выполнить стресс-тест и исключить при этом всякую возможность разрушения трубопровода по причине отклонения параметров испытаний от установленных допусков.
Автором предлагается способ, по которому испытания и реабилитация газопровода проводятся в следующей последовательности:
1. Трубопровод разделяется на два участка — контрольный и основной (рис. 1). Контрольный участок отделяется от основного участка, привариваются заглушки или концевые камеры. Участки объединяются между собой посредством байпаса с отсечным краном. Первоначально контрольный участок испы-тывается на прочность водой, с доведением его до разрыва. В процессе испытания фиксируются скорость подъема давления, приращение объема воды на контрольном участке трубопровода и соответствующее приращение давления, а также величина давления, при котором произошло разрушение трубопровода.
2. Производятся ремонт контрольного участка в местах разрыва труб и повторное испытание на прочность. С учетом давления разрыва труб контрольного участка рассчитываются минимальное и максимальное испытательные давления, а также
М.В. ЧУЧКАЛОВ, к.т.н,
помощник генерального директора
ООО «Газпром трансгаз Уфа»
E-mail: [email protected]
Сегодня вопросам обеспечения качества отремонтированных газопроводов, продления срока их безопасной эксплуатации на объектах ОАО «Газпром» придается особое значение. В настоящей статье приводятся основные положения разработанной автором технологии испытаний отремонтированных газопроводов методом стресс-теста, обеспечивающей гарантированный запас пластичности деформируемых труб с различными механическими свойствами и уровнем остаточных напряжений.
Ключевые слова: технология, стресс-тест, газопроводы, реабилитация, капитальный ремонт.
Today the quality of repaired gas pipelines, extend their safe operation at facilities at JSC Gazprom shall be given special priority. Here are the key points the author test of repaired gas technology by the stress test, which provides a guaranteed supply of plasticity of deformable pipes with different mechanical properties and residual stress level.
Keywords: technology, stress test, gas pipelines, rehabilitation, repair.
Источник йоды
Наполнительный насос
ОпрессоЬочныи агрегат
ПИЛ
с
-с^з-
БазоВый участок(1)
)
т1
очм—ю
Испытательный
J■^nf ГГ|ПК{ |
Рис. 1. Схема испытаний при ремонте участка газопровода
Рис. 2. Совмещенный график деформирования трубопровода от нагрузок при испытании методом стресс-теста:
°0 2 — технический предел текучести стали; Овр — предел прочности стали; v — объём воды; %упр - упругая составляющая деформации; %пл — пластическая составляющая деформации; % — суммарная деформация (%упр+%пл)
параметры нагружения основного участка.
3. Основной участок газопровода испытывается на прочность методом стресс-теста. Контроль герметичности осуществляется по изменению дифференциального давления между основным и контрольным участками.
Для реализации предлагаемой автором технологии испытаний газопроводов дополнительно к существующим методикам определения пара-метров испытаний [1-3] необходимо разработать:
1. Методику определения протяженности контрольного участка газопровода.
2. Методику оценки параметров, характеризующих механические свойства труб с различным качеством ремонта, а также параметров их нагружения при стресс-тесте.
рый необходимо закачать в основной участок для повышения давления в нем от Р . до Р
ттм тах
Соотношение объема воды и давления, необходимого для упру-гопластического деформирования труб, схематично показано на рис. 2:
- график 1 — деформирование металла труб в координатах «относительная деформация (¡;) — напряжение (о)»;
- график 2 — нагружение участка трубопровода давлением воды в координатах «давление (Р) — объём воды О7)».
Так как реальное соотношение масштабов графика 1 и графика 2 составляет величину 1/104 (Д£=С-До, где С=0,044-Ю"4 1/МПа; АУ=А-АР, где А=0,041 1/МПа; А/С=1,05-10"4), то для объяснения целесообразности фиксации приращения объема воды АТ^при подъеме давления от РтЫ до Ртах графики на рис. 2 представлены без учёта масштаба.
Из графиков 1 и 2 видно, что при стресс-тесте в данном примере выполнено три подъёма давления до достижения Рта = Рио%а0>2. Для деформирования труб в упругопла-стичной области при каждом подъеме давления потребовалось добавить объёмы воды ДТр АУ2, ДV3.
Для того, чтобы поднять испытательное давление и гарантировано не превысить максимальное давле-110%ст02, необходимо с высокой точностью осуществить прирост объема закачанной воды в количестве АУ2 и АУ3.
Поэтому минимальная протяженность контрольного участка должна соответствовать приросту объёма воды АУ2, который обеспечит подъем давления до Ртах с гарантированной точностью.
ние Р = Р
тах
контрольного
Определение протяженности участка газопровода
При нагружении давлением контрольного участка газопровода суммарный объем воды и воздуха в трубопроводе равен объёму полости трубопровода, то есть сумма приращений объемов последнего, воды и воздуха равна нулю. Уравнение испытаний записывается как:
Обоснование протяженности контрольного участка газопровода
Геометрический объем полости контрольного участка принимается равным объему воды, кото-
^^Н20(Р^,т) + Vвозд(P,N,z) V(P,T)\ 0 , (1)
где дУщ0р % т) — приращение объёма воды от изменения давления (Р), температуры (Т) и массы (т);
транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 1 2013
возд(Р Иг) — приращение объёма воздуха от изменения давления (Р), температуры (Т), массы (т) и сжимаемости (г); dV|pPT) — приращение объёма трубопровода (металла) от изменения давления (Р) и температуры (Т).
Для контрольного участка газопровода суммарное увеличение объема воды вследствие ее охлаждения и повышения испытательного давления в трубопроводе от РтЫ до Ртах складывается из следующих составляющих:
1. Изменение относительного объема воды в зависимости от температуры:
А¥н2О (Т) _ Ущо
V
тр
V,
■АТ■ДТ,
(2)
тр
где — геометрический объем полости трубопровода, м3; АТ — коэффициент объёмного расширения воды; АТ — разность температур закачиваемой воды и грунта на глубине у стенки трубопровода, °С.
2. Изменение относительного объёма воды в зависимости от повышения давления:
^и2а (Р)
V,
тр
VH2O
V
тр
■АР■АР
(3)
где Ар — коэффициент объемного сжатия воды; АР — разность испытательных давлений, МПа.
3. Изменение относительного объема воздуха в зависимости от повышения давления:
¿Козд (Р) V
вазд
АР
V
тр
V Р
тр тах
(4)
где Увозд — объём воздуха в трубопроводе (определяется с учётом профиля трассы), м3.
4. Изменение относительного объёма трубопровода в зависимости от повышения давления:
АУ(Р) (1 2) • Л АР • К
У
тр
8-Е
(5)
Рцо%оо 2 величина коэффициента КТ определяется нелинейной зависимостью £=£(о) в диапазоне изменения напряжений от о0 2 до 1,1о0 2 и для трубных сталей принимается равной 1,04.
Таким образом, протяженность контрольного участка, обеспечивающая увеличение объема закачки воды при подъеме давления от Р85%о02 до Рц0%о0 2, будет определяться формулой:
4 V
тр
1 =—¿а (А (Т) + о (Р) +
пБ2 2 2
+ Арозд (Р)+АVmр(Р)).
(6)
Определение параметров нагруженности труб в полевых условиях при испытании газопровода повышенным давлением
При испытании контрольного участка газопровода необходимо зафиксировать давление разрушения, вызывающее критические растягивающие усилия в дефектных сечениях труб. Минимальное значение давления разрушения будет зафиксировано в наиболее ослабленном сечении трубы, максимальное давление разрушения — в наименее ослабленном сечении трубы.
Давление разрушения в ослабленном дефектном сечении трубы с наработкой t=T определяется по формуле:
(Р/ )т = ( О/) т • К/
(7)
где Pf — давление разрушения трубы, МПа; Of — напряжение течения металла трубы, МПа; 8 — толщина стенки трубы, мм; R — внутренний радиус трубы, мм; Kf — коэффициент ослабления сечения трубы.
Физический смысл К{ состоит в том, что он определяет потерю металла на дефектной поверхности трубы по отношению к первоначальной площади данной поверхности (как для новой трубы, так и для отремонтированной). При известном давлении разрушения трубы использование этого коэффициента позволяет оценивать механические свойства труб без измерения размеров дефекта.
Расчетное давление разрушения новой трубы или отремонтированной на заводе определяется по формуле:
(Р/ Узав -
[(овру зав V ^ 0,2'зав ]• (Рисп У
0,2 ■'зав 1 V-1 исп'зав
2 • 0,95 • (о02)
(8)
0,2 зав
где д — коэффициент Пуассона, 0,3; Е — модуль упругости, 2,1.105 МПа; D — внутренний диаметр трубопровода, мм; 8 — толщина стенки трубопровода, мм; КТ — коэффициент, учитывающий изменение объема трубопровода при его деформировании в начале пластичесКОй зоны (от Рю0%о0,2 до Р110%о0,2).
Для принятых условий стресс-теста от Р85%о0 2 до
где (вер)зае — предел прочности металла новой трубы, МПа; (о0 2)зае — предел текучести металла новой трубы, МПа; (Рисп)зае — заводское испытательное давление, вызывающее в стенке трубы кольцевые напряжения, равные 95% предела текучести, МПа.
Величины параметров с индексом «зав» соответствуют значениям, указанным в сертификатах на трубы заводов-изготовителей или ремонтных заводов.
Напряжения течения, возникающие в сечениях труб под действием растягивающих сил, характеризуют пластическую нестабильность металла и определяются формулами: для новых труб:
зав
, ч - ^ вр / зав
(°Дав =
0,2' зав
(9)
в ослабленных сечениях труб с наработкой t=T:
(Р/)Т • [(<3врУзав + (ао,2)зав]
(Ру)т = ■
2 (Рг)
(10)
зав
2
Расчётный коэффициент ослабления сечения новой трубы определяется исходя из условия ее испытания до давления разрушения, вызывающего критическое растягивающее усилие. Совместное решение (7), (8) и (9) дает выражение для определена Кзав-
( )зав ~
(Р/ ) зав Я _ (Рисп )з
(О/)зав 5 0,95 • (О0,2)зав 5
Я
■—■ (11)
Расчётный коэффициент ослабления сечения трубы с наработкой ¿=Т определяется из соотношения:
(а /)т • (Р/)г • (К/)зае
(К/)т /> т^ г
(12)
(а /) зав ■ (Рг) зав
Минимальные давления, вызывающие начало текучести металла трубы, определяются по формулам:
- для новых труб:
(Р)зав = 1,05 (Раа)зав , (13)
- в ослабленном сечениях труб с наработкой 1=Т:
) _ (а/) г • (Кг)г • СРг)
(Ги Т _ , ч ,т„ ч
(14)
(а /) зав ■ (К /) зав
Минимальные растягивающие напряжения, вызывающие начало текучести металла труб, определяются по формулам:
- для бездефектных новых или отремонтированных труб:
(°1ав = (Оо,2) , (15)
- в ослабленных сечениях труб с наработкой 1=Т:
)зав • (Р1 )т • (кГ)зав .
) Т =
(16)
(Р/ ) зав • (К/) Т
Максимальные растягивающие напряжения о,, вызывающие пластическую деформацию труб с наработкой ¿=Т, определяются по формуле:
°/ _ (°вр %ав '
(К /)
/ ' зав
(К /)
(17)
/' т
Деформирование металла труб под действием растягивающих сил описывается уравнением:
^ _ ^ упр + ^ пл ^ 0,2 ^ 0,2 ^ 0,2
(18)
где % — суммарная относительная деформация труб, %; %упр — упругая составляющая относительной деформации труб, %; %пл — пластическая составляющая относительной деформации труб, %; %02 — упругая составляющая относительной деформации труб, соответствующая растягивающим напряжениям, равным 95% предела текучести металла.
Упругая составляющая относительной деформации бездефектных труб определяется по формуле:
0,95 (о^) 102 -3 ,10.
(Ъупр)зав = -- = 0,452-10 3-(ог)зае ■ (19)
Е
Пластическая составляющая относительной деформации бездефектных труб определяется по формуле:
(% ) = % — 0,452 . 10-3 . (о)
^пл'зав ^>зав > ^
/зав '
(20)
где %зав — суммарная относительная деформация бездефектных труб (принимается в соответствии с сертификатом завода), %; (0/)зав — напряжение течения (определяется по формуле (9), МПа.
Пластическая составляющая относительной деформации в ослабленных сечениях труб с наработкой ¿=Т определяется из соотношения:
(% гш)зав _% зав - 0,452 -10-3- (Р/-)
(%ш)т %Т - 0,452 -10-3 - (СГ)Т
зав
(21)
где (% )Т — пластическая составляющая относительной деформации в ослабленных сечениях труб с наработкой ¿=Т, %; (%пл)зав — пластическая составляющая относительной деформации бездефектных труб с наработкой Ь=0 (определяется по формуле (20), %.
Разделив числитель и знаменатель правой части уравнения (21) на %зав и заменив %т/%зав=(К, )Т, получаем формулу для определения (%пл)Т:
пл )т = (% пл
3 (ог)Т
к)т - 0,452-10-3 •—^
^зав
1-0,452-10
(о г)
/ ' зав
% з
(22)
Упругая составляющая относительной деформации ослабленного сечения труб с наработкой ¿=Т определяется по формуле:
упр) т ~
(су)Т ■ (1 -Ц2) 102 Е
(23)
Суммарная относительная деформация ослабленного сечения трубы с наработкой ¿=Т определяется по формуле:
%т = %зав + 0,5 . ((%пл)т + (%пл)Т) .
Определение меры дефекта труб
( 24)
По мере ослабления сечения труб (увеличения размеров дефекта) уровень напряжений обусловлен действующими нагрузками, вызывающими деформацию металла.
В условиях предложенной автором модели, деформирование труб осуществляется до предельного
состояния, соответствующего давлению разрыва в ослабленном сечении трубы.
Параметрами, определяющими изменение нагрузок от начала разрушения до разрыва, служат соответствующие составляющие напряжения (ог)Т и (с^Т, а суммарную относительную деформацию характеризует величина £Т.
На основании изложенного, в качестве меры дефекта принимается комплексный параметр — показатель деформирования труб (о^)Т, характеризующий фактическую среднюю удельную нагрузку, вызывающую изменение относительной деформации в металле ослабленного сечения трубы на 1% при её нагружении в упругопластической области.
Фактическое значение показателя деформирования труб определяется по формуле:
_ -/ - 0,5 •((°/)Т + (—У)т (25) (-Г)т _-г--
г Т
Определение испытательного давления
В процессе испытаний на прочность основного участка газопровода осуществляется первый подъем давления до величины, равной контрольному давлению (выявляются пропущенные при дефектоскопии дефекты). Величина контрольного давления определяется по формуле:
dp _ _ 2-S-E
л _ Vmax _ s* 2 ч r-,2
Эх (1 -ц ) - п - D
дт
(30)
ртр = 0,85 • (Р)т-
(26)
Минимальное давление испытаний на прочность определяется по формуле:
(Рисп) тЫ.Т = 0,95 . (Р)т , (27)
Максимальное давление испытаний на прочность определяется по формуле:
(Рисп) тах.Т = 1,1 . (Р)т • (28)
Величина максимального давления, вычисленного по формуле (28), не должна превышать предельного значения:
(Р ) (К,--, (29)
исптахТ — ^ ^ ^Т.тт _
D н
где (К})Тт1п — минимальное значение коэффициента ослабления сечения на испытываемом участке газопровода; Dн — наружный диаметр трубы.
Определение скорости подъема давления
Скорость подъема давления влияет на время раскрытия дефектов в металле труб в процессе испытаний, поэтому величина фактической скорости подъема давления не должна превышать максимально допустимую.
Максимально допустимая скорость подъема давления от минимального до максимального испытательных давлений будет определяться формулой:
где Vmax — максимально допустимая скорость подъема давления в упругопластической зоне деформирования труб, МПа/час (кгс/см2/мин); др — разность максимального и минимального испытательных давлений, МПа.
При лабораторных механических испытаний образцов металла труб скорость активного захвата при растяжении рекомендуется ограничивать величинами [4]: для новых труб =2 мм/мин; для труб, подверженных стресс-коррозии, — 0,016 мм/мин.
Например, максимально допустимые величины скорости подъёма давления при стресс-тесте участка газопровода из труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 15,7 мм составляют для новых труб — 23,6 кгс/см2/мин; для труб, подверженных стресс-коррозии, — 2,0 кгс/см2/мин.
В результате разработанная методика дает возможность получить комплекс параметров, характеризующих механические свойства труб до и после ремонта, позволяет определить основные параметры испытаний для реабилитации участка газопровода с последующей оценкой остаточного срока службы.
Основные выводы
В результате проведенной работы:
- разработана новая технология стресс-теста для испытаний участков газопроводов после капитального ремонта, позволяющая определить фактические разрушающие нагрузки и соответствующие им параметры испытаний; исключить возможность разрушения труб по причине отклонений параметров испытаний от установленных допусков;
- разработана методика определения параметров нагруженности труб при испытании газопровода повышенным давлением после капитального ремонта.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Vereinigung der Technischen Uberwachungs -Vereine; Vd TÜV - Merkblatt Rohrleitungen 1060. Richtlinien für Duchfuhrung des Strebtest, 1977. Maxmilian Vertal, Herford.
2. ВН 39-1.9-004-98. Инструкция по проведению гидравлических испытаний трубопроводов повышенным давлением (методом стресс-теста). Введ. с 01.12.1998 г. — М., 1998. — 19 с.
3. СТО Газпром 2-3.5-354-2009. Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях. Введ. с 11.06.2009 г. — М.: ООО «Газпром экспо», 2009. — 94 с.
4. Сергеева Т.К. Вольский Э.Л., Мазепа А.Г., Волгина Н.И. Испытания трубных сталей методом стресс-теста // Газовая промышленность. — 1998. — № 7. — С. 57-59.
