Визначення залишкового ресурсу роботи кільцевих зварних з’єднань газопроводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.692.4

ІФНТУНГ, 76019, м. Івано - Франківськ, вул. Карпатська, 15 тел. (03422) 4-24-64,

Визначення залишкового ресурсу роботи кільцевих зварних з'єднань газопроводів

Є.І. Крижанівський, О.С. Тараєвський

e-mail: pector@nung.com.ua

Аннотация

напруження газопровід зварний руйнування

Представлены результаты экспериментальных исследований и проанализированы влияния неравномерности газопотребление и концентраций напряжений на состояние газопровода, его механических свойств сварных соединений. Разработана методика, дает возможность получить достоверный прогноз остаточного ресурса роботы сварных соединений газопровода и установить оптимальный режим роботы КС. Рассмотрены некоторые аспекты механизма разрушения трубопроводов при действии циклических напряжений и их концентрации в сварном соединении газопроводов.

Annotation

The results of experimental investigations are presented, the impact of irregularity of gas consumption, the stress concentration on the gas pipeline state and its mechanical properties of annular couplings are analyzed. The procedure was developed, which enables to get a reliable prediction of the residual resource of work of welding annular couplings in gas pipelines and thus to establish an optimal working system of annular couplings. A few aspects of reasons for pipelines destruction under the impact of cyclic stresses and their concentration in annular couplings of a gas pipelines were examined.

Існуюча газотранспортна мережа України розвивається й експлуатується понад 40 років. Більшість газопроводів експлуатувалися понад 20 років, у тому числі більш 55% уже виробили свій ресурс [4].

Така тривала експлуатація газотранспортних об'єктів не могла не призвести до їх значного морального і фізичного старіння, тобто невідповідність технічного рівня устаткування сучасним вимогам, наприклад, показникам експлуатаційної надійності, екологічної безпеки. Під фізичним старінням розуміється зниження технічного стану газоперекачувального устаткування і лінійної частини газопроводів, зменшення гідравлічної ефективності газопроводів. Очевидно, що фактори морального і фізичного старіння обумовлюють погіршення технологічних показників транспорту газу: знижується продуктивність газопроводів і надійність газопостачання споживачам, збільшується енергоємність транспорту газу. У кінцевому результаті погіршуються основні техніко-економічні показники газопроводів -- зростає собівартість транспортованого газу, знижуються фондовіддача і прибуток [4]. Для подолання цих негативних тенденцій необхідно проводити реконструкцію і капітальний ремонт газопроводів.

Крім того газотранспортна мережа, що формувалася протягом декількох десятиліть, по своїй структурі, величині і напрямку газопотоків не у всіх випадках відповідає вимогам сучасного потоко розподілення. Іноді буває необхідним реверсування потоків, спорудження газопроводів-перемичок для поліпшення маневрених властивостей єдиних систем газопостачання (ЄСГ), розширення деяких ділянок газопроводів для збільшення газо потоків. Іншими словами, потрібно коректування структури газопроводів ЄСГ в інтересах забезпечення сучасного розподілу потоків, маневреності і надійності газотранспортної мережі.

Поступовий розвиток мережі газопроводів на основі можливостей, що по номенклатурі труб і устаткування компресорних станцій (КС) привело до багато ниткової структури газопроводів, що складаються іноді з ниток малих діаметрів 500--800 мм, і багато цеховій структурі КС із багато агрегатними цехами, побудованими на базі агрегатів малої одиничної потужності (4--6 МВт). З погляду експлуатації багато цехова структура КС із великим числом газоперекачувальних агрегатів (ГПА) в цехах небажана, оскільки збільшується число обслуговуючого персоналу і ростуть експлуатаційні витрати. Підтримка технічного стану численного парку ГПА малої потужності викликає великих труднощів у проведенні ремонтно-профілактичних робіт і збільшує потреба в запчастинах. З цього погляду реконструкція газопроводів, що забезпечує укрупнення одиничної потужності ГПА і компресорних цехів при їхній заміні, може розглядатися як засіб зниження експлуатаційних витрат у транспорті газу і підвищення його надійності обладнання.

Рисунок 1 - Коливання напружень, що виникають у трубі на протязі доби

Ще однією причиною реконструкції газопроводів є необхідність підвищення загальної безпеки транспорту газу. Сюди відноситься винос газопроводів із зон житлової забудови, зон проходження залізничних і шосейних доріг, підвищення безпеки перетинань газопроводів між собою і з транспортними комунікаціями.

З позицій системного підходу, як об'єкт реконструкції повинна розглядатися вся газотранспортна мережа ЄСГ як єдине ціле. Тільки при такому підході можна обґрунтувати мінімально необхідні обсяги реконструкції газопроводів галузі, що забезпечують виконання планових постачань газу споживачам ЄСГ при мінімальних сумарних витратах необхідних ресурсів (капіталовкладення, труби, ГПА й ін.). Необхідно підкреслити, що питання про реконструкцію всієї мережі газопроводів ЄСГ як єдиної газотранспортної системи повинно зважуватися в рамках реконструкції ЄСГ у цілому, як системи, що включає не тільки газотранспортні підприємства, але й об'єкти видобутку і підземного збереження газу. При цьому реконструкцію газопроводів можна розглядати не тільки як питаня видобутку і зберігання газу, але і як розвиток ЄСГ за рахунок будівництва нових об'єктів, зокрема нових газопроводів. Ув'язування всіх цих проблем є предметом генеральної схеми розвитку газової промисловості на перспективний період. Звідси випливає, що проблема реконструкції газопроводів є складовою частиною розробки генеральної схеми розвитку нафтогазової галузі.

У загальному випадку структуру діагностики технічного стану лінійної частини газопроводу можна представити в такий спосіб:

ѕ розробка класифікації стану;

ѕ обґрунтування обраних критеріїв технічного стану і їхня оцінка;

ѕ вибір способу математичного опису параметрів лінійної частини, як об'єкт діагностування;

ѕ обґрунтування методу виявлення несправності.

Досвід експлуатації газопроводу показує, що місце і момент часу прояву несправності не завжди збігаються з місцем і моментом її виникнення.

Труднощі точного визначення параметрів для діагностування полягає в тому, що кожному режиму роботи ділянки трубопроводу відповідають свої параметри. Це зумовлюється динамічністю перепадів напружень, що виникають у трубі (рис.1) до і після відбору газу із магістрального газопроводу [3].

Тому особливо важливе значення в процесі діагностування технічного стану трубопроводу має розробка ефективних методів обробки результатів досліджень.

Рисунок 2 - Криві втоми. ЗЗ сталі 17Г1С на повітрі. 1 - циліндричні гладкі зразки, нова труба; 2 - циліндричні гладкі зразки, стара труба; 3 - зразки з концентратором у ЗШ, нова труба; 4 - зразки з концентратором у ЗШ, стара труба; 5 - зразки з концентратором у ЗТВ, нова труба; 6 - зразки з концентратором у ЗТВ, стара труба.

Запропонований метод прогнозування залишкового ресурсу роботи трубопроводу ґрунтується на спостереженні в процесі експлуатації, а також на визначенні механічних параметрів труб під час експлуатації газопроводу, відхилення яких можуть значно порушити встановлені норми безпеки систем транспортування газу. Визначення механічних параметрів проводимо експериментальним шляхом [2]. Даний експеримент проведений на зразках виготовлених із нових труб (криві 1,3,5, рис.2), а також на зразках виготовлених із труб, що експлуатувалися на протязі 20 років (криві 2,4,6, рис.2). Отримані результати дають можливість, встановити границю втоми, як для циліндричних зразків із гладкою робочою частиною, яка охоплює всі зони зварного з'єднання ЗЗ (криві 5,6, рис.2), так і для зразків із концентратором у певній зоні ЗЗ, зокрема у зоні зварного шва (криві 4,5, рис.2) та у зоні термічного впливу (криві 1,2, рис.2).

Отримані криві втоми та їх характер для кожного типу зразка можна математично обробити з метою збільшення періодичності виміру діагностованого параметра. Отже, потрібно побудувати криву, яка найбільш точно описує експериментальну криву.

Маючи криві втоми, проведемо розрахунок для визначення залишкового ресурсу роботи труби (криві 3,4, рис.2). Підбір формул для опису вище наведених кривих проводимо за допомогою побудови усереднених кривих, що описуються нижче наведеним рівнянням.

(1)

де _-1 - границя втоми, МПа;

А - коефіцієнт, для кривих 1,2 рис.3, відповідно рівний 255,73 та 222,48;

N - кількість циклів, млн;

- коефіцієнт степеня, для кривих 1,2 рис.3, рівний 0,1554

Рисунок 3 - Опис втомних характеристик, за допомогою побудови степеневих кривих для: 1 - нової труби, зразки із концентратором у ЗШ; 2 - стара труба, зразки із концентратором у ЗШ.

Опис кривих за допомогою степеневого рівняння (1), зумовлене тим, що середньо квадратичне відхилення становить =0,05, яке є найменшим у порівнянні із підбором формул для опису кривих за допомогою лінійного, логарифмічного та експоненціального рівняння. Проводимо розрахунок допустимих відхилень за допомогою нижче наведених формул[1]:

; , (2)

де u₁, u₂ - мінімальне та максимальне відхилення;

- середньо квадратичне відхилення;

k - коефіцієнт, що визначається за формулою:

(3)

, (4)

де Р - ймовірність попадання функції у межі u1..u2, приймаємо рівним 0,9.

За допомогою функції Лапласа знаходимо k=1,645. Тоді знаходимо коефіцієнт k за допомогою формули (3), який буде рівний 412,3 для 12 млн. циклів. Знаходимо для цього ж числа циклів навантаження допустимі відхилення за формулами (2). Будемо мати, що u₁= 153,2 МПа а u₂= 194,4 МПа. Із отриманих результатів випливає, що 90 % значень _-1 для 12 млн. циклів із ймовірністю 0,98 знаходяться в межах від 153,2 МПа до 194,4 МПа.

Аналогічним чином визначені допустимі відхилення для різних значень кількості циклів навантаження. Результати наведені у таблиці 1.

Таблиця 1 - Допустимі відхилення прогнозування (нова труба, концентратор у ЗШ).

Як видно із рис.2 досліджувана нами крива знаходиться в межах допустимих відхилень. Абсолютне відхилення буде рівне , відносне дорівнює . Допустиме відхилення при 10⁵ млн циклів знайдемо за формулою . Значення залишкового ресурсу роботи труби визначається за формулами:

; (5)

Підставивши числові значення у формули (5) будемо мати, що залишковий ресурс роботи труби, на ділянці зварного з'єднання, буде знаходитись у межах 20 - 1080 млн циклів при навантаженні рівному 150 МПа для нової труби.

На основі викладеної раніше методики, розроблено алгоритм та програму, які дозволяють розраховувати:

- середньо квадратичні відхилення;

- допустимі відхилення прогнозування;

- абсолютні, відносні та допустимі відхилення;

- залишковий ресурс роботи трубопроводу.

Результати програми по визначенню залишкового ресурсу роботи трубопроводу наведені у таблиці 2.

Таблиця 2 - Залишковий ресурс роботи трубопроводу із сталі 17Г1С

Висновок

Аналізуючи отримані результати залишкового ресурсу роботи трубопроводу, що експлуатується 20 років, слід зазначити, що у кільцевому ЗЗ становить 11% а з концентратором у зонах ЗШ та ЗТВ відповідно 26% і 8%. Тому найбільш небезпечною зоною у кільцевому зварному шві є зона термічного впливу. Це зумовлено тим, що неповне зняття залишкових напружень розтягу, які виникають під час зварювання найбільш ймовірні. Таким чином отримані результати є важливими для прогнозування ресурсу роботи магістральних газопроводів та раціонального вибору режиму роботи КС.

Література

1. Обслуживание газотранспортных систем: Учеб.пособие / В.Я. Грудз, Д.Ф. Тымкив, Е.И. Яковлев. - К.: УМК ВО, 1991. - 160с

2. Крижанівський Є.І., Тараєвський О.С., Петрина Д.Ю. Вплив наводнення на корозійно - механічні властивості зварних швів газопроводів.

3. Крижанівський Є.І., Тараєвський О.С. Вплив нерівномірності газоспоживання на напружений стан трубопроводу //Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2004. - №3(12). - С.31-34.

4. Галиуллин З.Т, Леонтьев Е.В Интенсификация магистрального транспорта газа.- М.:Недра, 1991,272с.

Размещено на Allbest.ru