Разработка метода оценки работоспособности нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разработка метода оценки работоспособности нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации газопроводов является важнейшей задачей нефтегазотранспортных предприятий. Решение этой задачи связано, преимущественно, со снижением коррозионной повреждаемости труб, однако, аварийные разрушения трубопроводов связаны не только с коррозией.

Так, для материала, вырезанного из аварийно разрушившихся труб магистрального газопровода ООО «Севергазпром», характерно изменение механических свойств, что доказывают результаты испытаний на статическое растяжение: снижены показатели относительного удлинения после разрыва и увеличено отношение условного предела текучести к пределу прочности.

Следовательно, надежность трубопроводов обусловлена текущим функциональным состоянием металла труб, при этом для обеспечения работоспособности необходимо выполнение как минимум двух условий. Во-первых, необходимо выполнение условия прочности металла в каждой точке трубопровода, проверяемое путем сравнения механических свойств металла с величиной действующих нагрузок с помощью известных теорий прочности. Во-вторых, пластические характеристики металла должны соответствовать нормативу для случая спонтанного непрогнозируемого изменения нагрузки. Последнее условие проверяется только статическими или динамическими испытаниями с разрушением образцов.

Вместе с тем, в достаточной степени методы оценки работоспособности металла нефтегазопроводных труб без их разрушения не разработаны.

Это означает, что разработка неразрушающего метода оценки работоспособности металла нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой, позволяющего локализовать участки трубопроводов с повышенными напряжениями или неприемлемыми механическими свойствами, является весьма актуальной научно-технической задачей.

Работа базируется на результатах научных работ многих ученых и исследователей, среди которых: В.К. Бабич, М.П. Берштейн, В.В. Болотов, П.П. Бородавкин, В.Н. Вигдорович, В.М. Глазов, Д.Б. Гогоберидзе, В.К. Григорович, В.Н. Давиденков, Г.Д. Дель, О.М. Иванцов, А.А. Ильюшин, Д. Коллинз, Д. Коттрел, В.В. Клюев, М.П. Марковец, Б.В. Мотт, Ю.Н. Работнов, А.М. Семин, А.Т. Туманов, М.Н. Щербинин и др.

Цель работы. Разработать метод оценки работоспособности металла действующих нефтегазопроводов путем измерения твердости с малой нагрузкой (ТМН).

Задачи исследования:

Разработать методику измерения ТМН и расчета статистических характеристик распределений ТМН.

Определить зависимость изменения статистических характеристик ТМН от механических напряжений, возникающих в металле при приложении статической нагрузки.

Установить критерии достижения металлом предела текучести по ТМН.

Определить зависимость пластических свойств стали от статистических характеристик распределений ТМН.

Установить зависимость статистических характеристик распределений ТМН от плосконапряженного состояния и циклической нагрузки путем проведения стендовых испытаний.

Оценить экономическую эффективность разработанных решений.

Научная новизна:

- Впервые экспериментально установлено, что в упругой области нагружения образцов стали 17Г1С зависимость дисперсии вариационного ряда ТМН от напряжений описывается моделями общего вида: =КS² - N, где N и К показатели, зависящие от предела прочности образцов:

К=-210^-4 _в²+0,232 _в - 66,99; N=10,27 _в - 6409,5.

- Впервые зафиксировано, что при достижении физического предела текучести, определяемого по началу появления полос скольжения в металле, происходит увеличение дисперсии ТМН на величину более чем 95%.

- Впервые экспериментально установлена зависимость среднего коэффициента асимметрии вариационного ряда ТМН от относительного удлинения после разрыва, определяемого при пошаговом одноосном растяжении металла:

= - 0,07+1,56.

- Стендовыми испытаниями установлено, что действие циклирования внутреннего давления с его подъемом и сбросом может изменять состояние металла аналогично действию высоких статических нагрузок, что определяется по резкому увеличению дисперсии ТМН.

- Результатами полевых и стендовых испытаний доказано, что зависимость дисперсии ТМН от величины двухосных напряжений, возникающих в металле труб от внутреннего давления и изгиба, аналогична зависимостям, полученным в лабораторных условиях при одноосном растяжении.

Основные защищаемые положения:

– методика оценки состояния металла трубопроводов измерением ТМН;

– критерии оценки состояния металла, определяемые по статистическим показателям вариационного ряда ТМН;

– результаты лабораторных испытаний образцов труб на ТМН в условиях деформирования растяжением;

– результаты испытания металла на ТМН, полученные на промышленном стенде и на действующих объектах газотранспортной системы.

Практическая ценность заключается в разработке неразрушающего метода оценки состояния металла нефтегазопроводов в процессе эксплуатации, при этом определяются механические свойства металла, а также адекватность восприятия металлом существующих внешних нагрузок. Метод также позволяет оценить динамику изменения свойств металла во время эксплуатации, что позволяет спрогнозировать ресурс его работоспособности.

Метод внедрен на надземной трубопроводной обвязке газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций КС-14 и КС-15 ООО «Севергазпром». По результатам внедрения получен экономический эффект - 2,67 млн. руб., при использовании метода на двенадцати компрессорных станциях ООО «Севергазпром» ожидаемый экономический эффект за 7 лет составит более 11 млн. руб. с учетом дисконтирования денежных потоков.

По материалам исследований получены положительные решения о выдаче патентов на изобретения РФ по двум заявкам, что свидетельствует о новизне и промышленной применимости полученных в работе результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

на Всероссийской конференции «Большая нефть: реалии, перспективы. Нефть и газ Европейского Северо-Востока» (УГТУ, г. Ухта, 2003 г.);

III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.);

7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2007 г.);

4-й и 6-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (БГИТА, г. Брянск, 2004 и 2006 гг.);

14-й Международной конференции «Современные средства и методы неразрушающего контроля и технической диагностики» (г. Ялта, 2006 г.);

Конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ (г. Ухта, 2005, 2006, 2007 гг.);

Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.);

Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (PITSO-2007) (ООО «ВНИИГАЗ», г. Москва, 2007 г.).

Материалы диссертации включены в учебный процесс кафедры «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» Ухтинского государственного технического университета по дисциплине «Технология металлов и трубопроводостроительных материалов».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 7 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 183 страницы текста, 87 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 136 наименований и приложение.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, охарактеризованы научно-методические пути ее решения.

В первой главе «Анализ состояния средств и методов оценки состояния металла нефтегазопроводов» рассмотрен пример разрушения магистрального газопровода, в котором разрушение связано не с действием коррозионных процессов, а со снижением функциональных свойств металла из-за длительной эксплуатации в условиях высоких нагрузок. Установлено, что для материала, вырезанного из аварийно разрушившихся труб, характерно снижение пластических свойств.

Наиболее точно характеристики материала определяются по результатам механических испытаний, в т.ч. методом релаксации напряжений. Однако основным недостатком, ограничивающим применение данных методов в эксплуатационных условиях, является разрушающий характер испытаний.

Существуют методы оптического микроанализа и электронной микроскопии. Практическими недостатками методов является необходимость использования дорогостоящего оптического оборудования, не приспособленного к работе на действующих трубопроводах, а также техническая сложность операций по подготовке поверхности в полевых условиях металлографическому анализу. Кроме этого, оптический метод позволяет фиксировать лишь критическое состояние металла, связанное с образование первичных деструктивных систем, например, полос скольжения. Электронная микроскопия дает информацию о подготовке материала к разрушению, однако метод еще более сложен и локален.

Разработаны магнитные методы структурного анализа металла трубопроводов. Однако, имеется большое количество факторов, влияющих на магнитные параметры, учет которых необходимо производить при измерениях: макродефекты металла, напряженное состояние, состав стали, неметаллические включения, размер зерен, режим термообработки и др.

Наконец, для оценки механических свойств металла нефтегазопроводов наиболее приемлемы методы определения твердости и микротвердости. Определение макротвердости широко применяют для оценки характеристик механических свойств металла нефтегазопроводов, используя при этом различные регрессионные модели. Однако макротвердость очень косвенно отражает пластические свойства металла, а также его способность противостоять развитию трещин. В этом случае наиболее подходит метод определения микротвердости, который применяют для оценки характеристик механических свойств отдельных структурных составляющих многофазных сплавов, в т.ч. сталей. По микротвердости можно проследить механизмы преобразований в структуре стали, которые ведут к старению или усталости, и в итоге, к разрушению трубопроводов. Однако применительно к наиболее широко используемым трубным сталям такие критерии разработаны недостаточно. К тому, же метод микротвердости, как и методы микроанализа, достаточно сложен и требует доработки стандартного оборудования, которое годится для использования его только на образцах-шлифах. Для исследований на стенде и промышленных объектах стандартное оборудование не подходит.

Это предопределяет необходимость разработки метода оценки работоспособности металла действующих нефтегазопроводов путем измерения твердости с малой нагрузкой, базирующейся на основе результатов лабораторных, стендовых и промышленных испытаний, что и является целью настоящей работы.

Во второй главе «Разработка методики исследования свойств металла по статистическим параметрам твердости» на основе сравнительного анализа установлено, что из трех известных видов измерения твердости, отличающихся по величине нагрузки, прилагаемой к индентору, твердость с малой нагрузкой является наиболее оптимальной для оценки состояния металла нефтегазопроводов в условиях эксплуатации. С одной стороны, метод дает возможность измерять твердость отдельных структурных составляющих стали, с другой - некритичен к условиям измерения, отличающимся от лабораторных: вибрации, некачественной подготовке поверхности, высоким или низким температурам, кривизне поверхности и т.д. Кроме этого, метод измерения ТМН реализуется с помощью портативных ультразвуковых твердомеров, достоинством которых является простота, высокая скорость и точность измерения, обусловленная тем, что величина отпечатка измеряется под нагрузкой, а не после извлечения индентора.

В работах В.И. Кучерявого, Е.Е. Зорина, Н.Г. Макаровой показано, что структурные изменения, происходящие в металле под действием нагрузки, можно оценить по результатам многократных измерений микротвердости. При этом определяют состояние металла в сравнении с исходным состоянием, объединяя статистические показатели в едином показателе поврежденности металла. Вместе с тем, такой подход разработан недостаточно. Во-первых, исходное распределение микротвердости в конкретном месте измерения на трубопроводе установить не возможно, во-вторых, определение микротвердости, как уже упоминалось, достаточно сложно практически. В третьих, самое важное, микротвердость существенно реагирует на приложение внешних сил, что не учитывается. В общем, увеличение интервала, стандартной ошибки, среднеквадратического отклонения, дисперсии свидетельствует об увеличении разброса показаний, что может быть связано со снижением твердости наименее прочных фаз, увеличением твердости прочных участков или совместным действием обоих явлений. Анализ изменения моды, медианы, коэффициента асимметрии и эксцесса рассеяния, может указать какие процессы упрочнения или разупрочнения металла доминируют в металле при его нагружении.

Для испытаний образцов на твердость с малой нагрузкой в условиях статического деформирования растяжением разработана методика, предусматривающая подготовку поверхности образца механическим полированием, пошаговое растяжение образцов с измерением в трех областях образца (в центре и по краям) ТМН в количестве 100 раз, расчет статистических показателей измеренных значений ТМН, анализ результатов испытания, в том числе сравнение полученных данных с механическими характеристиками, полученными при испытании материала до разрушения. По результатам анализа устанавливают критерии функционального состояния металла на основе статистических показателей ТМН.

В третьей главе «Лабораторные испытания образцов в условиях растягивающей нагрузки» для исследования были отобраны образцы трубной стали 17Г1С различных заводов-производителей. Четыре серии образцов вырезались из фрагментов аварийных труб и труб аварийного запаса по следующим признакам: сроку эксплуатации, различным заводам - изготовителям, различным условиям эксплуатации, особенностям термообработки листа.

Испытание образцов показало, что по прочностным свойствам металл соответствует установленным требованиям (таблица). У образца №4 завышены показатели предела прочности и предела текучести на 25-30% по сравнению с аналогичными показателями других образцов. Большая часть испытанных образцов, в частности образцы №2, 3, 4 не соответствуют требованиям ГОСТ 19282-73 по критерию «относительное удлинение». В качестве эталона по механическим свойствам и соответственно с отсутствием какой-либо поврежденности принят образец №1, отобранный из труб резервного запаса, не бывших в эксплуатации, который имеет высокие прочностные показатели при достаточной пластичности.

Механические свойства металла труб по результатам испытаний на растяжение и их регламентируемые значения

Номер образца (срок эксплуатации трубы)	Предел прочности, в, МПа	Усл. предел текучести, 0,2, МПа	0,2/в	Отн. удлинение, , %	Отн. сужение, , %	Модуль упругости, Е, ГПа
1 (не эксплуатировалась)	660	570	0,87	24	57	2,00
	640	540	0,84	23	58	2,15
2 (22 года)	580	390	0,68	22	51	1,56
	580	390	0,68	20	47	1,73
3 (24 года)	630	470	0,75	17	56	2,36
	670	470	0,70	19	62	2,04
4 (26 лет)	860	630	0,73	19	59	2,12
	850	600	0,7	17	56	1,84
Данные ГОСТ 19282-73, не менее	510	345	-	23	-	-
Данные ТУ 1104-138100-357-02-96, не менее	588	441	не более 0,9	20	-	-

механический металл напряжение текучесть

Наиболее поврежден образец №4, который характеризуется самой высокой прочностью и недостаточными пластическими свойствами, что при отсутствии данных об исходных свойствах этот факт трактуется, в том числе, и как упрочнение при длительном воздействии на газопровод деформирующей нагрузки.

На первом этапе испытания определяли ТМН на ненагруженных образцах. По каждому образцу построены полигоны распределения ТМН (рис. 1).

Установлено, что измеренные значения ТМН зависят от свойств материала: с увеличением прочности образцов положение интервалов ТМН на числовой оси твердости смещается в область больших значений.

По форме кривых статистических распределений, характеризуемых эксцессом и асимметрией, прослеживается следующая зависимость от степени пластических свойств образцов. Образцы №1 и 2 имеют положительные эксцессы, принимающие значения 0,45 и 0,57, соответственно, а образцы №3, 4 - отрицательные. Это говорит о том, что достаточная пластичность образцов характеризуется распределением ТМН более островершинным в сравнении с нормальным, а малая пластичность - наоборот - плосковершинным графиком. Эта закономерность объясняется следующим образом. Номинальная пластичность обусловлена равномерной мелкодисперсной структурой материала, при этом разброс ТМН невелик, а преимущественная часть выборки группируется вокруг математического ожидания ТМН, которое, контролирует фактическую прочность данного материала. Уменьшение пластичности может быть связано с появлением в структуре неравномерности, то есть структурных составляющих, отличающихся по механическим свойствам, в том числе и по ТМН. За счет этого на границах зерен образуется существенный градиент свойств, который приводит к появлению внутренних напряжений и при приложении внешней нагрузки - нарушениям сплошности, которые существенно ограничивают пластичность и ускоряют хрупкое разрушение.

В ходе ступенчатого нагружения образцов определено, что средние значения чисел ТМН образцов, рассчитанные по выборкам на каждой ступени нагружения, слабо зависят от приложенного усилия для всех трех размеченных областей измерения ТМН.

Тем не менее, установлен факт подобия кривых, зафиксированных по краям от центра образца (области 1 и 3). Области 1 и 3, симметричные относительно центра образца, находятся в одинаковых условиях нагружения. Следовательно, изменение свойств в данных областях под действием нагрузки будет идентично. Таким образом, измеренные значения носят неслучайный характер. Т.е., изменение среднего значения связано в большей степени с внутренними факторами, например, перестройкой внутренней структуры стали, в меньшей - с внешними, такими как систематическая ошибка измерения, погрешность прибора и т.д.

Так, коэффициенты корреляции между средними значениями ТМН областей 1 и 2 для различных образцов составляют от 0,91 до 0,94, то есть, в данном случае мы наблюдаем практически функциональную связь между показателями.

В тоже время, вычисленные коэффициенты корреляции между значениями ТМН областей 1 и 2, а также 2 и 3 варьируются от минус 0,48 до +0,53.

После расчета статистических показателей вариационного ряда ТМН установлено, что наибольшую корреляционную зависимость с величиной приложенных нагрузок имеет дисперсия S2 выборки ТНМ. На рисунке 3 представлены графики зависимости дисперсии от напряжений в образце.

Обнаружено, что при достижении физического предела текучести происходит увеличение дисперсии ТМН на величину более чем 95%. Истинным пределом текучести данного образца считали напряжение в металле, при котором происходило появление полос скольжения, выявляемых металлографическим методом с помощью микроскопа МПБ-3.

В результате получены физические (истинные) пределы текучести, составляющие: для образца №1 - 430 МПа, №2 - 380 МПа, №3 - 440 МПа, №4 - 480 МПа. Данные величины несколько меньше условного предела текучести металла образцов _0,2, установленного в результате испытания стандартных образцов на растяжение.

Таким образом установлено, что дисперсия выборки твердости при малых нагрузках на начальном этапе нагруженияувеличивается с ростом одноосных растягивающих нагрузок на неповрежденных образцах и уменьшается на поврежденных. При достижении напряжений в металле, соответствующих порогу появления полос скольжения, происходит скачкообразное увеличение дисперсии ТМН.

В области упругих деформаций зависимость изменения средней дисперсии аппроксимирована линейными уравнениями: Для образца №1 =0,8S²-121,7; №2 =S² - 229,8; №3 = - 0,8S² + 577,4; №4 = - 13,8S² + 2489,2.

Общий вид зависимости описывается выражением: =КS² - N, где К и N - коэффициенты, зависящие от прочностных свойств металла.

Если связать коэффициенты К и N с пределом прочности каждого образца (рис. 4), то, общая зависимость одноосных растягивающих напряжений от дисперсии выборки ТМН для исследуемой стали, описывается уравнением:

=S²(-210^-4 _в² + 0,2_в - 67)+ 10,3 _в - 6409,5.

Механизм изменения ТМН металла под действием нагрузки заключается в следующем. При механическом нагружении материала происходят сложные процессы изменения дислокационной структуры. В силу того, что структура поликристаллических конструкционных сталей гетерогенна, разные элементы (участки) трубопровода имеют различные характеристики механических свойств, разную сопротивляемость деформациям. Поэтому, в ходе нагружения конструкция деформируется неоднородно, что приводит к неоднородности распределения дислокационных систем и нарушений. В одном в месте с наибольшей концентрацией дислокаций материал разупрочняется, что приводит к уменьшению ТМН. В другом - может упрочняться за счет блокирования дислокаций различными границами, что, напротив, приводит к увеличению ТМН.

Таким образом, на каждом шаге нагружения возможно чередование процессов упрочнения-разупрочнения, которые можно идентифицировать по величине коэффициента асимметрии вариационного ряда измеренных значений ТМН.

Среднее значение коэффициента асимметрии показывает, какой процесс доминирует при нагружении материала: если разупрочнение, то пластические свойства высокие, если упрочняется, то низкие, т.к. упрочненные структуры не позволят развиваться пластической деформации.

Следовательно, исследуя асимметрию плотности распределения ТМН относительно нормального распределения в ходе нагружения, можно без разрушения установить преимущественный потенциальный механизм разрушения металла и, соответственно, его пластические свойства.

Далее было рассчитано среднее значение коэффициента асимметрии за полное время поэтапного нагружения и получена зависимость от относительного удлинения для исследуемых образцов: = - 0,07+1,56.

В четвертой главе «Промышленное опробование метода ТМН» представлены результаты его применения на различных натурных объектах.

Первый объект - комбинированный узел, сваренный из элементов трубопроводной обвязки газоперекачивающих агрегатов (ГПА) диаметром 720 мм, включая тройниковые соединения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эскиз комбинированного узла (вынесены номера тензорезисторов, в пределах узла - номера точек измерения ТМН)

Узел нагружали внутренним давлением. Напряжения в различных участках узла определялись тензорезисторами. Наибольшие напряжения возникали в местах тройникового соединения в точках 3 и 6. Установлено, что с увеличением давления и напряжений в металле узла, дисперсия ТМН также увеличивается (рис. 6).

При воздействии циклического подъема-сброса давления до 8,8 МПа (500 циклов) в точках 3 и 6, узла, дисперсия ТМН скачкообразно увеличивалась с 100-200 до 1500-2000 и не возвращалась в исходное состояние после снятия нагрузки. Также была выявлена чувствительность дисперсии ТМН к действию перегрузочного давления 15,8 МПа.

Установлено, что после сброса давления дисперсии ТМН в точках 2, 5 и 8 показали изменение состояния металла, несмотря на то, что только в точке 2 расчетные напряжения превысили минимальный условный предел текучести стали 20К, что подтверждает выводы полученные в лабораторных условиях.

Второй объект - действующий надземный длительно эксплуатируемый газопровод Ухта-Войвож. Измерения ТМН выполнялись с шагом 3 м на двух участках длиной 60 м, один из которых находился в проектном положении, и напряжения в нем отсутствовали, второй участок имел разрушенные опоры, визуально различимый прогиб, то есть характеризовался наличием изгибных напряжений. Установлено, что значения ТМН на первом участке более стабильны, чем на участке с изгибом. На основе нивелирования упругой линии трубопровода рассчитаны изгибные напряжения в металле труб и установлена зависимость дисперсии ТМН от напряжений, подтверждающая лабораторные зависимости.

Третий объект - трубная плеть длиной 162 м, составленная из труб диаметром 1420 мм и толщиной стенки 21,6 мм. Плеть располагалась на двух земляных опорах и прогибалась под собственным весом. На верхней образующей плети были отмечены семь точек контроля: пять в месте сжатия металла, две в месте растяжения.

Далее опоры удалялись, плеть занимала прямолинейное положение, и изгибные напряжения снимались. В результате установлено, что напряжения сжатия также вызывают увеличение дисперсии ТМН, аналогичное напряжениям растяжения.

Четвертый объект - действующие надземные трубопроводы обвязки ГПА компрессорных станций КС-14 и КС-15 ООО Севергазпром, сроком эксплуатации более 30 лет.

Анализ показал, что отдельные участки трубопроводов имеют прогибы и уклоны, которые превышают предельные величины, установленные действующими нормативными документами, при этом часть опор трубопроводов неработоспособна и имеется зазор между трубой и контактной поверхностью опоры.

Магнитным методом измерения анизотропии коэрцитивной силы (АКС) установлено, что недопустимые напряжения в металле труб отсутствуют, на отдельных участках зафиксированы напряжения 150-180 МПа. Цель применения метода ТМН на данном объекте - оценить свойства металла в местах с максимальными напряжениями. Установлено, что обследованные точки характеризуются повышенными величинами дисперсии ТМН, величиной более 400, что связано с влиянием механических напряжений. Недопустимых величин напряжений, а также фактов перегрузки металла в ходе эксплуатации не установлено. Сравнение зависимостей дисперсии ТМН и АКС от напряжений показало, что между ними существует корреляционная связь, с коэффициентом корреляции 0,856.

В пятой главе «Расчет эффективности инвестиционного проекта внедрения методики измерения ТМН» проведена оценка инвестиционной привлекательности проекта внедрения разработанного метода на двенадцати компрессорных станциях ООО «Севергазпром» в период с 2008 по 2014 гг. Эффект достигается за счет снижения объема плановой реконструкции трубопроводов, находящихся в непроектном положении. Расчет показал, что чистый дисконтированный доход за время реализации проекта составит более 11 млн. руб., внутренняя норма прибыли - 138% при ставке дисконта 12%; срок окупаемости - на уровне одного года с момента начала реализации проекта.

Основные выводы

1. На основе анализа средств и методов оценки текущего функционального состояния нефтегазопроводов, установлено, что наиболее приемлемым является метод определения микротвердости, который используют для оценки механических свойств отдельных фаз сплавов. Выявлено, что критерии работоспособности металла труб по микротвердости достаточно не разработаны, а стандартное оборудование не подходит для использования на промышленных объектах.

2. Обосновано, что измерение твердости с малой нагрузкой дает возможность измерять твердость отдельных структурных составляющих металла и обладает малой критичностью к условиям измерения, отличающимся от лабораторных, таких как вибрации, некачественная подготовка поверхности, высокие или низкие температуры и т.д.

3. Выявлено, что структурные изменения, происходящие в металле под действием нагрузки, можно оценить по статистическим показателям вариационного ряда, являющегося результатом многократных измерений ТМН в локальных областях металла. Увеличение интервала, стандартной ошибки, среднеквадратического отклонения, дисперсии связано со снижением твердости наименее прочных фаз, увеличением твердости прочных участков или совместным действием этих явлений. Анализ изменения моды, медианы, коэффициента асимметрии и эксцесса рассеяния позволяет характеризовать процессы, доминирующие в металле при нагружении металла - упрочнение или разупрочнение.

4. Разработана методика лабораторных испытаний на твердость с малой нагрузкой образцов в условиях статического деформирования растяжением, предусматривающая пошаговое растяжение образцов с измерением ТМН 100 раз, расчет статистических показателей ТМН, анализ результатов испытания, в том числе сравнение полученных данных с механическими характеристиками, полученными при испытании материала до разрушения.

5. В результате анализа изменения статистических показателей установлено, что наибольшую корреляционную зависимость с величиной приложенных нагрузок имеет дисперсия выборки ТНМ. Установлено, что в упругой области нагружения образцов стали 17Г1С зависимость дисперсии вариационного ряда ТМН от напряжений, описывается моделями общего вида: =КS² - N, где N и К показатели, зависящие от предела прочности образцов.

6. Обнаружено, что при достижении физического предела текучести происходит увеличение дисперсии ТМН на величину более чем 95%. Истинным пределом текучести данного образца считали напряжение в металле, при котором происходило появление полос скольжения, выявляемых металлографическим методом с помощью микроскопа МПБ-3.

7. Установлена зависимость среднего коэффициента асимметрии вариационного ряда ТМН, определяемого при нагружении металла, от относительного удлинения после разрыва, определяемого по результатам механических испытаний.

8. Доказана достоверность полученных в лабораторных условиях выводов опробованием метода ТМН на четырех промышленных объектах. Проведены полномасштабные испытания на промышленных стендах, собранных из соединительных элементов трубопроводов диаметром 720 мм и трубной плети из новых спирально-шовных труб диаметром 1420 мм Волжского трубного завода, на уникальном длительно эксплуатирующемся газопроводе Ухта-Войвож, на обвязке ГПА КС-14, КС-15.

9. Метод измерения ТМН внедрен на действующем объекте - трубопроводной обвязке ГПА КС-14, КС-15 ООО «Севергазпром». В результате установлены напряженные элементы трубопроводов. Проведена оценка их механических свойств, определена предыстория металла по механической перегрузке, разработаны рекомендации по дальнейшей безопасной эксплуатации трубопроводов.

10. Рассчитана экономическая эффективность проекта внедрения метода ТМН на компрессорных станциях ООО «Севергазпром» в период с 2007 по 2013 гг. Прогнозируемый чистый дисконтированный доход составит более 11,0 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Смирнов О.В., Кузьбожев А.С., Агиней Р.В. Исследование вариации твердости трубной стали 17Г1С в ходе статического нагружения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2007. - №12. - С. 38-42.

Смирнов О.В., Кузьбожев А.С., Агиней Р.В. Применение электронной микроскопии в исследованиях деформационного старения материала трубопроводов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2007. - №10. - С. 37-41.

Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Попов В.А., Смирнов О.В. Положительное решение по заявке на изобретение РФ №2007122600, приоритет от 15.07.2007 г. Способ определения пластических свойств металла трубопровода.

Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Смирнов О.В. Обоснование необходимости реконструкции опор надземных технологических трубопроводов компрессорных станций // Ремонт, восстановление, модернизация - 2007. - №2. - С. 34-37.

Агиней Р.В., Кузьбожев А.С., Смирнов О.В., Петров С.В. Методы измерения твердости. Определение механических свойств металла газонефтепроводных труб по твердости: метод. указания - Ухта: УГТУ, 2007. - 52 с.

Смирнов О.В., Князев Н.В., Полубоярцев Е.Л., Петровская М.Н. К проектированию систем сбора и транспорта продукции нефтегазоконденсатных скважин // Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (20-23 апреля 2004 г.): в 2 ч.; ч. 1. / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2005. - С. 75-78.

Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Попов В.А., Смирнов О.В. Положительное решение по заявке на изобретение РФ №2007105648, приоритет от 14.02.2007 г. Способ определения предела текучести материала.

Смирнов О.В., Предеин О.И., Князев Н.В., Коптяева Г.Б. Влияние агрессивной среды на структурные превращения в металле трубопровода // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 8-й международной практической конференции-выставки 11-14 апреля 2006 г.: в 2 ч.; ч. 1. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - С. 278-280.

Смирнов О.В., Кузьбожев А.С., Агиней Р.В. Опыт применения рентгеноструктурного анализа в исследованиях металла трубопроводов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2007. - №11. - С. 41-42.

Кузьбожев А.С., Бирилло И.Н., Агиней Р.В., Смирнов О.В. Обоснование необходимых объемов реконструкции надземных технологических трубопроводов на основе диагностики // Ремонт, восстановление, модернизация - 2007 - №6 -

С. 21-24.

Смирнов О.В., Предеин О.И., Князев Н.В., Коптяева Г.Б., Мальцева Ю.В. Химико-термическая обработка рабочих органов запорной арматуры как один из методов повышения сопротивления коррозионно-механическому разрушению материала // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 8-й международной практической конференции-выставки 11-14 апреля 2006 г.: в 2 ч.; ч. 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - С. 236-238.

Смирнов О.В., Предеин О.И., Полубоярцев Е.Л., Князев Н.В. Влияние неметаллических включений на процесс коррозии металла трубопровода // Материалы научно-технической конференции (18-21 апреля 2006 г.): в 3 ч.; ч. 1. / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2006. - С. 222-224.

Смирнов О.В., Предеин О.И., Полубоярцев Е.Л., Князев Н.В. Механизм образования трещин при коррозионном растрескивании металла // Материалы научно-технической конференции (18-21 апреля 2006 г.): в 3 ч.; ч. 1. / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2006. - С. 225-227.

Смирнов О.В., Коптяева Г.Б., Князев Н.В., Предеин О.И. Влияние термической обработки на свойства низкоуглеродистых микролегированных сталей 10Г2ФБ и 09Г2С // Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (18-21 апреля 2006 г.): в 3 ч.; ч. 2. / под ред. Н.Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2006. - С. 126-129.

Смирнов О.В., Князев Н.В., Предеин О.И., Мальцева Ю.В. К вопросу оценки запаса прочности и надежности материала труб при коррозионном износе // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 5. - Брянск: БГИТА, 2006. - С. 71-74.

Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Смирнов О.В. Расчетное обоснование и способ монтажа опоры для технологических трубопроводов компрессорных станций // Ремонт, восстановление, модернизация - 2007 - №3 - С. 22-26.

Смирнов О.В., Кузьбожев А.С. Оценка изменения механических свойств металла труб длительно эксплуатируемых надземных газопроводов // Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России: Тезисы 7-й Всероссийской научно-технической конференции 29-30 января 2007 г. - М.: РГУНиГ им. И.М. Губкина, 2007. - С. 57.

Кузьбожев А.С., Смирнов О.В. Разработка критериев оценки функционального состояния металла труб по твердости с малой нагрузкой / Целостность и прогноз технического состояния газопроводов: Тезисы докладов Международной научно-технической конференции 10-11 октября 2007 г. - М.: ВНИИГАЗ, 2007. - С. 93.

Воронин В.Н., Алиев Т.Т., Смирнов О.В. и др. Исследование металла тройниковых соединений в ходе циклического нагружения внутренним давлением // Прил. к журн. Наука и техника в газовой промышленности. Сер. Транспорт и подземное хранение газа - 2007 - №3 - С. 65-77.

Смирнов О.В., Кузьбожев А.С., Бирилло И.Н. и др. Исследование металла тройниковых соединений в ходе циклического нагружения внутренним давлением // Прил. к журн. Наука и техника в газовой промышленности. Сер. Транспорт и подземное хранение газа - 2007 - №1 - С. 69-74.

Алиев Т.Т., Пронин А.И., Смирнов О.В. и др. Методы диагностирования надземных технологических трубопроводов компрессорных станций // Прил. к журн. Наука и техника в газовой промышленности. Сер. Транспорт и подземное хранение газа - 2007 - №1 - С. 69-74.

Кузьбожев А.С., Агиней Р.В., Бирилло И.Н., Смирнов О.В. Уточнение необходимости реконструкции трубопроводов компрессорных станций по напряженному состоянию // Ремонт, восстановление, модернизация - 2007 - №11 - С. 34-38.

Воронин В.Н., Смирнов О.В., Кузьбожев А.С., Агиней Р.В. Определение характеристик металла газопроводов на основе статистики твердости с малой нагрузкой / Обзорная информация. Серия «Транспорт и подземное хранение газа». - М.: ИРЦ Газпром, 2008. - 99 с.

Размещено на Allbest.ru

...