Оценка работоспособности околошовных зон кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Оценка работоспособности околошовных зон кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе длительной эксплуатации магистральных газопроводов (МГ) все чаще отмечаются случаи хрупкого разрушения металла труб в околошовной зоне кольцевых сварных соединений. Анализ аварий и инцидентов показывает, что основными факторами, приводящими к разрушению, являются дефекты, такие как очаговая коррозия, трещины по механизму коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), а также деформации от монтажной сборки стыков.

Применяемые в настоящее время автоматизированные сканирующие системы, использующие принцип классической ультразвуковой дефектоскопии, в силу конструктивных особенностей, не способны выявлять дефекты металла труб, расположенные в непосредственной близости к линии сплавления кольцевых сварных швов. Это связано с временной локальной потерей акустического контакта между датчиками и поверхностью трубы при перемещении сканера-дефектоскопа через усиление шва, что приводит к появлению на участках, прилегающих к кольцевому сварному соединению, необследованной зоны, размеры которой могут доходить до 7 - 10 см в зависимости от конструкции сканера и траектории его движения.

Несмотря на то, что нормальные к кольцевому шву продольные растягивающие напряжения, вызываемые внутренним давлением перекачиваемого продукта, почти вдвое ниже радиальных и наличие конструктивно-технологических и эксплуатационных концентраторов напряжений в самих кольцевых швах МГ и их околошовной зоне может быть менее опасным, чем в зоне продольных заводских швов, снижение требований к контролю и дальнейшая эксплуатация газопровода с дефектами в околошовной зоне кольцевых сварных соединений может привести к его разрушению.

Для обоснования требований к процедуре обследования зон кольцевых сварных соединений и снижения вероятности разрушения МГ в процессе эксплуатации, необходимо выполнить оценку работоспособности участков околошовной зоны кольцевых сварных соединений, в зависимости от конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на их эксплуатационную надежность, что является актуальной темой исследования.

Цель работы. Обосновать влияние конструктивно - технологических и эксплуатационных факторов на работоспособность околошовных зон кольцевых (монтажных) сварных соединений для разработки требований к процедуре их обследования при проведении капитального ремонта линейной части МГ. околошовный зона кольцевой ремонт

Основные задачи исследования:

· Оценить степень влияния конструктивно - технологических и монтажных факторов на напряженно-деформированное состояние кольцевых сварных соединений МГ.

· Определить параметры сопротивляемости разрушению металла околошовных зон кольцевых сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой (РДС) плавлением, в зависимости от длительности эксплуатации трубопровода и воздействия коррозионно-активных сред.

· Разработать, на основании проведенных исследований, требования к процедуре обследования околошовных зон кольцевых сварных соединений труб в процессе проведения ремонтных работ на линейной части МГ.

· Разработать технические и технологические требования к сканерам-дефектоскопам, используемым в составе ремонтных колонн при капитальном ремонте МГ.

Научная новизна.

Установлено, что на недоступных для контроля автоматизированными сканерами-дефектоскопами участках околошовной зоны кольцевых соединений МГ, выполненных ручной дуговой сваркой плавлением, под действием конструктивно-технологических и монтажных факторов могут возникнуть зоны с аномально высокой концентрацией рабочих напряжений. Дополнительное воздействие на околошовную зону остаточных сварочных напряжений и внутреннего рабочего давления снижает сопротивляемость сварного соединения хрупкому механическому разрушению и коррозионному растрескиванию под напряжением, что определяет повышенные требования к производству диагностических работ.

Выявлено, что значения теоретического коэффициента концентрации рабочих напряжений Kу, определяемые геометрическими параметрами выполненного ручной дуговой сваркой неповоротного стыкового сварного соединения, достигают уровня 1,23 - 1,78 в зоне перехода от литой части шва к основному металлу. Вариации значений Kу в указанном диапазоне зависят от пространственного положения участка кольцевого шва, в котором тот выполнялся при монтаже.

Экспериментально установлено, что различные участки околошовной зоны кольцевых сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой на трубах из стали типа 17Г1С, имеют различную сопротивляемость разрушению и коррозионную стойкость в условиях циклического нагружения. Наиболее низкий уровень сопротивляемости разрушению зарегистрирован в зоне сплавления шва с основным металлом. При удалении от шва сопротивляемость разрушению растет и на расстоянии 1,1-1,7 толщин стенки трубы от центра шва приближается к уровню трещиностойкости основного металла.

Показано, что при увеличении срока эксплуатации газопровода сопротивляемость разрушению на околошовном участке кольцевых монтажных сварных соединений снижается более значительными темпами по сравнению с основным металлом труб, как на воздухе, так и в коррозионно-активной среде.

На основании проведенных исследований обоснованы требования к процедуре обследования околошовных зон кольцевых сварных соединений трубопроводов и разработаны технические и технологические требования к сканерам-дефектоскопам, используемым в составе ремонтных колонн при капитальном ремонте МГ.

Защищаемые положения.

1. Оценка напряженно-деформированного состояния участков околошовной зоны кольцевых монтажных стыков трубопроводов, выполненных ручной дуговой сваркой плавлением, и возможности формирования в них при длительном нестационарном нагружении условий для хрупкого механического разрушения и реализации механизма коррозионного растрескивания под напряжением.

2. Экспериментальное обоснование существования в околошовной зоне кольцевых монтажных сварных соединений труб магистральных газопроводов из сталей типа 17Г1С, эксплуатируемых в условиях нестационарного нагружения, участков с пониженной сопротивляемостью коррозионно-механическому разрушению и дальнейшего снижения их работоспособности при увеличении срока эксплуатации МГ.

3. Обоснование дополнительных требований к процедуре диагностического обследования околошовной зоны кольцевых сварных монтажных стыков, выполняемой при проведении капитального ремонта МГ.

4. Разработка технико-технологических требований к сканерам-дефектоскопам и системы диагностирования трубопроводов, включающей использование электромагнитно-акустических сканеров-дефектоскопов в составе ремонтных колонн при проведении капитального ремонта МГ.

Практическая значимость.

Основные научные результаты диссертационной работы, предложенные методика и программа испытания существующих и разрабатываемых средств дефектоскопии МГ при проведении ремонтно-восстановительных работ вошли в следующие нормативные документы:

- «Временные типовые технические требования к наружным сканерам-дефектоскопам для автоматизированного неразрушающего контроля трубопроводов при капитальном ремонте»;

- «Типовые требования к испытаниям наружных сканеров-дефектоскопов перед их допуском к применению на объектах ОАО «Газпром»;

- Р Газпром «Организация и проведение технического диагностирования линейной части магистральных газопроводов наружными сканерами-дефектоскопами при капитальном ремонте. Общие требования».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- 3-й Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов», 2006 г.;

- 4-й Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов», 2008 г.;

- 16-ом тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС», 2008г.;

- 18-й Международной деловой встрече «Диагностика-2009», 2009 г.;

- 5-й Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов», 2010 г.;

- 18-ом тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС», 2010 г.;

- 20-й Международной деловой встрече «Диагностика-2011», 2011 г.;

- 19-ом тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов КС», 2011 г.;

- научно-техническом совете ОАО «Оргэнергогаз», 2011;

- расширенном научном семинаре секции Ученого совета НИИ природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ, 2012.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы из 125 наименований. Основное содержание и общие выводы изложены на 152 страницах машинописного текста, содержащих 74 рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность исследования, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены условия эксплуатации магистральных газопроводов большого диаметра и их сварных соединений, формирующие возможность возникновения повышенных нагружений их отдельных участков.

Отмечено, что в процессе длительной эксплуатации все магистральные газопроводы подвержены влиянию множества объективных факторов, таких как коррозионная активность и химический состав грунтов, их сезонные подвижки, нестационарное нагружение трубопровода вследствие изменения режимов транспорта продукта, влияние годового тренда температур.

В этих условиях любой конструктивно-технологический или эксплуатационный концентратор напряжений может стать потенциальным источником хрупкого разрушения стенки трубопровода, что обуславливает необходимость проведения диагностических и ремонтно-восстановительных работ.

В первую очередь это касается сварных монтажных кольцевых соединений, которые со временем переходят в группу потенциально опасных с точки зрения хрупкого разрушения и КРН.

Дан анализ наиболее значимых конструктивно-технологических факторов, появляющихся при монтаже неповоротных стыков МГ ручной дуговой сваркой плавлением и их влияния на сопротивляемость металла сварного соединения механическому и коррозионному разрушению в условиях длительного нестационарного нагружения.

Показано, что контролю технического состояния околошовных зон сварных соединений и особенно зон, прилегающих к кольцевым монтажным стыкам, не уделяется необходимого внимания при проведении диагностических работ механизированным способом в процессе капитального ремонта линейной части МГ. Это объясняется значительно меньшим количеством отказов по причине разрушения труб в очагах, расположенных в околошовных зонах сварных соединений трубопроводов в процессе длительной эксплуатации в сравнении с однотипными разрушениями стенки трубы, например, по причине КРН. Но при сопоставлении площадей поверхности трубы, занимаемых кольцевыми и продольными сварными соединениями вместе с зонами их термического влияния и оставшейся свободной поверхностью, можно увидеть, что вероятность хрупкого механического и коррозионного разрушения в зоне стыковых сварных соединений МГ намного выше, чем в теле трубы. Это подтверждается существующими фундаментальными представлениями о металлургических, конструктивно-технологических и эксплуатационных факторах, стимулирующих коррозионно-механическое разрушение трубных сталей и их сварных соединений.

Выполнен анализ методов и способов неразрушающего контроля состояния металла оболочковых конструкций; показано, что применяемые методы и приборы неразрушающего контроля сплошности диагностируемых объемов металла позволяют регистрировать близкие к критическим и, в значительной степени, докритические размеры различных дефектов. В большинстве случаев - это ручные приборы.

Опыт проведения диагностических работ при капитальном ремонте газопроводов показал, что при производстве работ с применением ручных приборов неразрушающего контроля возникают следующие объективные трудности:

- высокая трудоемкость обследования и, как следствие, нехватка времени на проведение требуемого объема диагностических работ. Данная проблема возникает в условиях увеличения ежегодных объемов ремонта и необходимости сокращения периода отключения конкретных участков газопроводов, что требует увеличения темпов проведения работ и ввода законченных ремонтом объектов МГ;

- ограничение времени для принятия решения по оценке опасности выявленных дефектов и необходимым методам их ремонта, что особенно проявляется при проведении работ в составе совмещенных ремонтных колонн;

- высокая степень зависимости качества диагностирования от качества первичной подготовки поверхности труб;

- ограниченный доступ проводящих обследование специалистов к определенным часовым секторам труб как по причине выкладки очищенного газопровода в траншее на грунт, так и по причине сложности обследования непосредственно в траншее;

- недостаточная вероятность обнаружения наиболее опасных трещиноподобных дефектов, поскольку локальные зоны, подлежащие приборному обследованию, выбираются дефектоскопистом на основании его опыта и субъективности мнения.

Темпы ежегодного наращивания объемов капитального ремонта линейной части магистральных газопроводов не сопровождались адекватным увеличением объемов работ по дефектоскопии, что привело в 2007 году к нарушению общей тенденции снижения динамики отказов. Этот факт имеет объективные причины, т.к. объемы ручной дефектоскопии остаются высокими и наращивание темпов капитального ремонта приводит к снижению качества диагностирования ручными приборами.

Решение данной проблемы может быть достигнуто за счет создания, совершенствования и повсеместного внедрения автоматизированных наружных сканеров-дефектоскопов, способных в автоматическом режиме осуществлять 100% сканирование основного металла труб с максимальным приближением к проблемным участкам кольцевых монтажных стыков, одновременно обрабатывая и выдавая в режиме «реального времени» результаты контроля в виде сканограмм и автоматически формируемых отчетов.

Вопросами работоспособности трубопроводов и их сварных соединений, оценкой сопротивляемости разрушению в условиях воздействия на сварные конструкции коррозионно-активных сред, низких климатических температур, контролем качества и диагностикой сварных узлов в разное время занимались академические институты, университеты и отраслевые организации, например, ИЭС им. Е.О.Патона, МГТУ им Н.Э.Баумана, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, ВНИИСТ, Газпром ВНИИГАЗ. Среди отечественных ученых следует выделить Алешина Н.П., Анучкина М.П., Винокурова В.А., Зорина Е.Е., Иванцова О.М., Куркина С.А., Макарова Э.Л., Стеклова О.И., Харионовского В.В. В настоящее время вопросами эксплуатационной надежности сварных соединений МГ, разработкой методов и средств диагностирования при проведении ремонтных работ, занимается ОАО «Газпром», его дочерние предприятия и привлекаемые субподрядные организации. Опыт капитального ремонта линейной части МГ показал, что для обследования околошовных зон кольцевых монтажных сварных стыков необходима разработка дополнительной процедуры диагностирования и совершенствование существующих сканеров-дефектоскопов.

Во второй главе на примере исследования участков магистрального газопровода Ухта-Торжок (2-я нитка) диаметром 1220 мм с толщиной стенки 12,4 - 12,7 мм из стали 17Г1С после 27 лет эксплуатации рассмотрены основные конструктивно-технологические, монтажные и эксплуатационные факторы определяющие работоспособность неповоротных монтажных кольцевых сварных стыков, выполненных РДС.

В сварном стыковом соединении газопровода вследствие его геометрии формируются участки с повышенной концентрацией напряжений. Распределение рабочих напряжений в направлении поперек стыка описывается теоретическим коэффициентом концентрации напряжений (Kу), зависящим от ширины и высоты усиления шва, радиуса перехода от литой части шва к основному металлу и толщины свариваемого элемента. Он определяется тензометрированием или расчетным путем как отношение фактических напряжений к расчетным.

Рисунок 1 - Распределение напряжений в стыковом сварном соединении

На рисунке 1 приведена эпюра типичного распределения растягивающих напряжений при нагружении одного из кольцевых монтажных стыков газопровода Ухта-Торжок 2-я нитка, изготовленного РДС.



Рисунок 2 - Трещина в зоне термического влияния на участке пересечения кольцевого и продольного швов (а); коррозионные каверны в околошовном участке кольцевого монтажного стыка (б)

В ходе работы было проанализировано 57 монтажных стыковых соединений МГ Ухта-Торжок 2-я нитка, в 35 из которых обнаружены различные дефекты: 2 стыка с трещинами в зоне пересечения продольного и кольцевого швов (рисунок 2,а); 3 случая обнаруженных поверхностных трещин в зоне термического влияния кольцевого шва; большое количество коррозионных каверн различной глубины (рисунок 2,б); 17 стыков со смещением кромок, близким к допустимым значениям и превышающим их.

Значение теоретического коэффициента концентрации напряжений Kу определялось как расчетным путем, так и тензометрированием на контрольных образцах, вырезанных из кольцевого монтажного стыка таким образом, чтобы шов находился поперек образца.

На образец наклеивались тензодатчики, и проводилось последовательно ступенчатое нагружение: 0,5, 0,7 и 0.9 у_Т. По достижению статическим растяжением каждого из трех уровней напряжений в стенке нагружаемого образца с использованием тензостанции снимались показания в реперных точках стыкового монтажного сварного соединения.

Значение Kу по периметру стыков трубы определялось по секторам: 11-13, 14-16 и 17-19 часов, которым были присвоены индексы 1, 2 и 3 соответственно. Расчетное значение Kу определялось после замеров геометрических параметров выделенных участков кольцевого монтажного стыка по аналитической формуле (1), предложенной Трумовым Г.П.

, (1)

где b_ш - ширина усиления; h_ш - высота усиления; с_ш - радиус перехода от шва к основному металлу; д - толщина свариваемого элемента.

В отличие от заводского продольного стыка, где стабильность геометрических параметров шва обеспечивается технологией автоматической сварки в горизонтальном положении, форма облицовочного шва неповоротного стыка, выполняемого РДС, изобилует поверхностными дефектами формы, выходящими на поверхность порами, изменяющейся величиной усиления и неглубокими допустимыми подрезами из-за неполного расплавления кромок разделки кольцевого шва (рисунок 2,б).

Для участков кольцевого монтажного стыка с явно выраженными, но допустимыми поверхностными технологическими дефектами, значение Kу вычислялось по аналитической формуле (2), полученной Кархиным В.А. и Копельманом Л.А. Авторы использовали метод конформного отображения для получения решения, позволяющего более точно, чем известные решения теории упругости, учитывать формы стыковых швов. В результате обобщения полученных решений и предложена формула (2) для расчета коэффициента концентрации напряжений в стыковом соединении с полным проплавлением, позволяющая также учесть дополнительное влияние подрезов.

 , (2)

где С_п - глубина подреза; с_п - радиус при вершине подреза.

К наиболее проблемным с точки зрения обеспечения необходимого качества сварного соединения относятся вертикальные и потолочные участки кольцевого неповоротного стыка. Именно на этих участках и зарегистрирована самая большая концентрация напряжений от геометрической формы шва, лежащая в диапазоне от 1,63 до 1,78, а при наличии допустимого по размерам подреза в зоне сплавления шва с основным металлом достигающая значения 1,93 (рисунок 3).

Рисунок 3 - Значения теоретического коэффициента концентрации напряжений Kу в кольцевом монтажном неповоротном стыке магистрального газопровода Ду 1200 мм с толщиной стенки 12,7 мм из стали 17Г1С в зависимости от пространственного положения участка сварного шва, выполненного ручной дуговой сваркой

Как видно из рисунка 3, значения теоретического коэффициента концентрации напряжений Kу для 7 наиболее типичных стыков из 57 обследованных лежат в диапазоне 1,23 - 1,78 и зависят от пространственного положения участка кольцевого монтажного стыка. Наибольшая концентрация напряжений от формы шва зарегистрирована на участках с индексом № 3 (положение 17-19 часов), т.е. в сварном облицовочном шве, выполняемом сварщиком в потолочном положении.

Кроме концентрации напряжений от геометрии стыка, напряженно-деформированное состояние кольцевого сварного соединения формируют монтажные деформации при сборке стыка под сварку и наличие технологических концентраторов напряжений типа «смещение кромок», вызывающие в стенке трубопровода при нагружении дополнительные изгибающие моменты.

Проведенные для оценки напряженно-деформированного состояния сегментов трубопроводов аналитические исследования с использованием метода конечных элементов показали, что наличие смещения кромок сварного соединения вызывает концентрацию напряжений максимальную в прилегающей к сварному шву кромке, смещенной к оси трубопровода, что объясняется возникновением изгибающего момента. Из-за воздействия изгибающего момента происходит деформирование стенки трубы, что в процессе ее эксплуатации стимулирует процесс накопления рассеянной поврежденности в металле на данных участках стенки трубопровода.

Таким образом, наличие в стыковом монтажном сварном соединении допустимого смещения кромок (3 мм) увеличивает интенсивность растягивающих напряжений, действующих на стык, на 15 - 17% (рисунок 4). Совместное влияние таких факторов, как концентрация напряжений от геометрической формы стыкового шва, наличие технологических дефектов типа допустимых подрезов, может сформировать в сварном соединении поле растягивающих продольных напряжений, в котором фактические напряжения будут в 2,0 - 2,3 раза больше чем расчетные, определяемые внутренним давлением перекачиваемого газа.

Рисунок 4 - Зависимость величины максимальной интенсивности напряжений в районе смещения стыкуемых кромок от внутреннего давления.

Сварное соединение, полученное дуговой сваркой плавлением, в электролите является короткозамкнутой гетерогенной системой, представленной участками этого соединения: литая часть шва, зона сплавления и термического влияния, основной металл.

Наличие высокого уровня рабочих напряжений в зонах сварного соединения сопровождается развитием электрохимической гетерогенности этих участков, т.е. увеличением разности в значениях стационарных потенциалов, отвечающих за интенсивность развития процессов коррозионно-механического разрушения, т.е. питтингообразования (коррозионные каверны) или коррозионного растрескивания под напряжением.

Таким образом, наличие и суммирование всех вышеописанных конструктивно-технологических факторов на участках кольцевого сварного соединения приводит к снижению их работоспособности, созданию условий для развития КРН в околошовной зоне или даже хрупкому разрушению в процессе эксплуатации.

Третья глава посвящена экспериментальной оценке работоспособности околошовных участков кольцевого монтажного стыка в условиях нестационарного (циклического) нагружения и влияния на характеристики сопротивляемости разрушению длительности эксплуатации линейных участков магистральных газопроводов.

Практика эксплуатации трубопроводных систем газового комплекса показала, что пульсация давления и расхода продукта, имеющие место на входе и выходе нагнетательных установок и затем передающиеся на линейную часть, а также возмущения ударного характера, возникающие при включении и выключении нагнетательных установок и срабатывании запорных элементов, являются причиной воздействия на трубопровод динамических нагрузок.

Кольцевые сварные швы линейной части магистральных газопроводов являются участками повышенной жесткости стенки трубы, т.к. присутствующие конструктивные усиления швов увеличивают сечение стенки трубопровода, и сварочные материалы чаще всего выбираются более прочными, чем свариваемый материал. При пульсирующем внутреннем давлении околошовные участки подвергаются дополнительному упругому деформированию, что стимулирует развитие имеющихся в этих зонах концентраторов напряжений.

Воздействие термодеформационного цикла сварки вызывает в околошовных участках структурно-фазовые изменения в свариваемом металле и формирование поля остаточных сварочных напряжений. Совокупность этих факторов также снижает сопротивляемость металла трубопровода коррозионно-механическому разрушению.

Для обоснования требований к дополнительному обследованию околошовных участков кольцевых монтажных стыков были изготовлены 2 группы образцов из сварных катушек труб Ду 1200Ч12,4 мм, сталь 17Г1С в состоянии поставки и после 27 лет эксплуатации в газопроводе Ухта-Торжок 2-я нитка. Образцы вырезались вдоль катушек и представляли собой сегменты труб длиной 450 мм и шириной 105 мм со сварным кольцевым швом в центре рабочей части образца. Рабочая часть образцов имела сечение 75Ч12,4 мм.

С применением электродов УОНИ 13/55 на катушках, вырезанных из труб Ду 1200Ч12,4 мм, сталь 17Г1С (трубы в состоянии поставки) ручной дуговой сваркой изготавливалось неповоротное стыковое сварное соединение.

Перед испытанием образцов усиление шва было снято с обеих сторон, и на различные участки околошовной зоны фрезой 0,2 мм на глубину 2,0 мм и протяженностью 20 мм были нанесены поверхностные концентраторы напряжений. Схема образца приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Сварной образец для циклических испытаний с поверхностными концентраторами напряжений

На образце наносилось по два надреза с каждой стороны шва, симметрично относительно центра этого шва.

Один надрез при испытаниях находился на воздухе, другой в коррозионно-активной среде. В качестве коррозионно-активной среды выбран 3%-ный водный раствор NаСІ с рН = 7, позволяющий имитировать грунтовый электролит. Одновременное испытание на воздухе и в коррозионной среде позволяло с одной стороны, максимально приблизить условия испытаний на воздухе и в коррозионной среде, с другой, уменьшить объем испытаний.

В процессе нагружения образцы доводились до разрушения по одному из поверхностных надрезов, а по-другому проводили долом.

В каждой испытуемой группе было по три типа образцов с надрезами:

- по линии сплавления и на расстоянии 3,0 мм от линии сплавления;

- на расстоянии 7,0 мм от линии сплавления для образцов, вырезанных из катушек газопровода Ухта-Торжок 2-я нитка;

- на расстоянии 15,0 мм от линии сплавления для образцов, вырезанных из катушек в состоянии поставки.

В каждую группу входило по три образца.

Циклические испытания проведены на 100-тонной машине ЦД-100-ПУ (Германия). Перед закреплением в захваты машины концы образцов выпрямлялись на прессе. Испытания были проведены на следующих режимах: максимальное напряжение в цикле (у_мах) - 0,9 у_Т, асимметрия цикла нагружения (R) - 0,5.

Для построения кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР) использовался метод меток, сущность которого заключается в том, что через равное количество циклов нагружения максимальное значение растягивающих напряжений уменьшали на 50% при сохранении асимметрии циклов. При этих значениях напряжений проводилось нагружение 5000 циклов, после чего восстанавливалось максимальное значение растягивающих напряжений. По такой циклограмме образец доводился до разрушения. Данный прием позволяет получать на поверхности усталостного излома метки для подсчета значений текущего коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в вершине развивающейся усталостной трещины от поверхностного концентратора напряжений.

Результаты испытаний образцов-сегментов, вырезанных из труб в состоянии поставки и после 27 лет эксплуатации на газопроводе Ухта-Торжок 2-я нитка, приведены на рисунке 6.

По вариантам І-б, ІІ-б и ІІІ-б проводились испытания образцов, вырезанных только из кольцевого монтажного стыка труб Ду 1200Ч12,4 мм сталь 17Г1С газопровода Ухта-Торжок 2-я нитка после 27 лет эксплуатации.

Из построенных диаграмм видно, что скорости развития усталостных трещин от надрезов по линии сплавления и в 3,0 мм от нее на 50-60% выше, чем от надрезов, выполненных в 7,0 и 15,0 мм соответственно. Характер разрушения образцов І-а, І-б, ІІ-а и ІІ-б вариантов на воздухе и в среде квазихрупкий со значительной долей хрупкой составляющей.

По усталостным изломам образцов ІІІ-б варианта можно говорить о преимущественно вязком разрушении с некоторой квазихрупкой составляющей. Для варианта ІV-а разрушение вязкое.

Как показано выше, испытание проводилось на воздухе и в модельной среде. Скорость развития трещин от поверхностного концентратора напряжений для варианта І-б, в сравнении с вариантом І-а на воздухе увеличилась на 17-25%, в среде на 27-35%. По варианту ІІ-б, соответственно, на 15-27% и на 12-32%. Характер разрушения преимущественно квазихрупкий с явно выраженной хрупкой составляющей.

Для варианта ІІІ-б характерно значительно более хрупкое разрушение, чем для варианта ІV-а. Это можно объяснить дополнительными деформациями стенки трубы при сборке стыка под сварку. Длительная эксплуатация увеличила снижение сопротивляемости металла стенки трубы неконтролируемых участков околошовной зоны кольцевого стыка механическому и коррозионному разрушению.

Полученные данные позволили сформулировать основные принципы разработки нового поколения оборудования ультразвукового контроля газопроводов в процессе проведения капитального ремонта в составе совмещенных ремонтных колонн с ориентацией на максимальное приближение диагностируемых участков поверхности труб к зоне сплавления кольцевых швов.

Рисунок 6 - Кинетические диаграммы усталостного разрушения участков околошовной зоны кольцевого монтажного стыка трубной стали 17Г1С в состоянии поставки на воздухе и в коррозионной среде: Іа вариант - труба в состоянии поставки, надрез по линии сплавления кольцевого шва; Іб вариант - то же, труба после 27 лет эксплуатации; ІІа вариант - труба в состоянии поставки, надрез в 3,0 мм от линии сплавления; ІІб вариант - то же, труба после 27 лет эксплуатации; ІІІб вариант - труба после 27 лет эксплуатации, надрез в 7,0 мм от линии сплавления; ІVа вариант - труба в состоянии поставки, надрез в 15,0 мм от линии сплавления; _, Д - результаты разрушения на воздухе; ?,^ - разрушение в коррозионно-активной среде (3%-ный водный раствор NаСІ с рН = 7)

В четвертой главе рассмотрены основные технические характеристики разработанного с участием автора прибора на базе ультразвукового эхо-импульсного сканирования диагностируемой поверхности.

Основой для выполнения ремонтных работ является информация о местоположении, типах и размерах дефектов труб, которая формируется в процессе выполнения диагностических процедур. Среди всего многообразия дефектов, выявляемых при диагностировании трубопровода перед выполнением ремонтных работ, наиболее опасными являются трещины на внешней поверхности стенки трубы, имеющие природу происхождения по типу КРН и, кроме того, трудно выявляемые на стадии проведения визуального и измерительного контроля.

Анализ методов и средств неразрушающего контроля состояния металла газопроводов показывает, что для обследования тела труб и околошовных зон с целью обнаружения и локализации дефектов типа КРН, трещин и расслоений наиболее эффективно применение акустического (ультразвукового) метода при направлении луча перпендикулярно наиболее эффективному сечению отражателя (дефекта).

Предложенное решение основано на ультразвуковом эхоимпульсном методе контроля с использованием волнового эффекта распространения колебаний в стенке трубы.

Для обеспечения производительности и достоверности результатов контроля используется электромагнитно-акустический способ приема и возбуждения ультразвуковых колебаний в металле. Технология эхо-импульсного метода контроля реализована при направлении прозвучивания по окружности трубы и прямолинейном перемещении электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразователя вдоль оси трубы (рисунок 7). При этом предполагаемая ориентация трещин КРН перпендикулярна направлению распространения ультразвуковых колебаний, что обеспечивает возможность получения эхо-сигнала от подобных дефектов.



Рисунок 7 - Технология эхо-импульсного контроля стенки газопровода

Для решения задачи высокопроизводительного эффективного поиска и определения координат дефектной области при работе в составе совмещенных ремонтных колонн и сложных условиях проведения диагностических работ, ООО «Акустические Контрольные Системы» на основе принципов, разработанных при непосредственном участии автора, осуществила разработку специализированной мобильной сканирующей системы, получившей название А2075 «SoNet». Система рассчитана на транспортировку легковым транспортом, предполагает работу с ней двух операторов и имеет следующие технические параметры:

- диаметр контролируемой трубы - 720-1420 мм;

- максимальная скорость сканирования - 7,5 м/мин;

- шаг регистрации эхосигналов - 5 мм;

- номинальный размер модели дефекта - 2 х 20 мм (пропил);

- тип преобразователя - ЭМА;

- ориентировочная масса сканера - 40 кг;

- время непрерывной автономной работы - более 4 часов.

Выполнение процедуры контроля необходимо проводить при снятой механическим или ручным способом изоляции трубы в рамках как технологии масштабной переизоляции, так и ремонтных работ по результатам внутритрубной дефектоскопии. Образ выявляемых сканирующей системой А2075 «SoNet» дефектов представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 - Представление трещины в металле трубы в зоне термического влияния кольцевого и продольного швов, выявленной ЭМА сканером-дефектоскопом

На основании проведенных исследований разработана методика и программа испытания разработанных и разрабатываемых средств дефектоскопии МГ при проведении ремонтно-восстановительных работ.

Методика и программа реализованы на стенде ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и вошли в следующие документы: «Временные типовые технические требования к наружным сканерам-дефектоскопам для автоматизированного неразрушающего контроля трубопроводов при капитальном ремонте»; «Типовые требования к испытаниям наружных сканеров-дефектоскопов перед их допуском к применению на объектах ОАО «Газпром»; Р Газпром «Организация и проведение технического диагностирования линейной части магистральных газопроводов наружными сканерами-дефектоскопами при капитальном ремонте. Общие требования».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что на недоступных для контроля автоматизированными сканерами-дефектоскопами участках околошовной зоны кольцевых соединений МГ, выполненных ручной дуговой сваркой плавлением, под действием конструктивно-технологических и монтажных факторов могут возникнуть зоны с аномально высокой концентрацией рабочих напряжений. Дополнительное воздействие на околошовную зону остаточных сварочных напряжений и внутреннего рабочего давления снижает сопротивляемость сварного соединения хрупкому механическому разрушению и коррозионному растрескиванию под напряжением, что определяет необходимость введения повышенных требований к производству диагностических работ.

2. Определено, что значения теоретического коэффициента концентрации рабочих напряжений Kу, определяемые геометрическими параметрами выполненного ручной дуговой сваркой неповоротного стыкового сварного соединения, достигают значений 1,23 - 1,78 в зоне перехода от литой части шва к основному металлу. Вариации значений Kу в указанном диапазоне зависят от пространственного положения участка кольцевого шва, в котором тот выполнялся при монтаже.

3. Зарегистрировано, что наличие на неповоротном стыке, выполненном ручной дуговой сваркой, допустимых поверхностных дефектов формы шва, типа подрезов, увеличивает концентрацию напряжений, описываемую теоретическим коэффициентом концентрации напряжений Kу, и на участках шва, выполненных в потолочном положении, значение коэффициента Kу достигает значения Kу = 1,93.

4. Определение интенсивности напряжений в кольцевых монтажных соединениях трубопроводов от дефектов типа «смещение кромок», выполненное с использованием метода конечных элементов, показало, что при допустимом нормами смещении кромок под сварку кольцевого стыка в 3 мм интенсивность напряжений в околошовных зонах увеличивается на 15-17%.

5. Показано, что совокупность концентрации напряжений от геометрической формы стыкового сварного шва, наличия технологических дефектов типа допустимых подрезов в зоне сплавления шва и основного металла трубы, а так же смещение кромок под сварку, могут сформировать в околошовной зоне кольцевых сварных соединений поле растягивающих напряжений, максимальные значения в котором будут в 2,0 - 2,3 раза больше расчетных напряжений, определяемых в стенке трубы внутренним давлением перекачиваемого продукта.

6. Установлено, что различные участки околошовных зон кольцевых сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой на трубах из сталей типа 17Г1С, в условиях циклического нагружения имеют не одинаковую сопротивляемость разрушению как на воздухе, так и в коррозионной среде. Самый низкий уровень трещиностойкости зарегистрирован в зоне сплавления шва с основным металлом и зоне термического влияния, где скорости развития усталостных трещин от надрезов по линии сплавления и в 3,0 мм от нее на 50-60% выше, чем от надрезов, выполненных в 7,0 и 15,0 мм, соответственно.

7. Экспериментально показано, что при удалении от шва сопротивляемость металла околошовной зоны разрушению растет и на расстоянии равном 1,1-1,7 толщин стенки свариваемой трубы от центра шва приближается к трещиностойкости основного металла как на воздухе, так и в модельной коррозионно-активной среде.

8. Продолжительность срока эксплуатации газопровода приводит к увеличению разницы между параметрами работоспособности основного металла труб и зонами околошовного участка монтажного сварного соединения как на воздухе, так и в коррозионно-активной среде. На образцах, вырезанных из кольцевого монтажного стыка труб после 27 лет эксплуатации, скорость подрастания усталостных трещин в зоне сплавления на воздухе увеличилась на 17-25%, в среде на 27-35%, а в зоне термического влияния на 15-25% и на 12-32%, соответственно. Характер разрушения преимущественно квазихрупкий с явно выраженной хрупкой составляющей.

9. Обоснована необходимость введения дополнительной процедуры обследования (диагностирования) околошовных зон на расстоянии до 5 мм от линии сплавления шва с основным металлом при проведении ремонтных работ на линейной части магистральных газопроводов в составе механизированных ремонтных колонн.

10. Разработаны технические и технологические требования к сканерам-дефектоскопам, а также система диагностирования трубопроводов, включающая использование электромагнитно-акустических сканеров-дефекто-скопов при капитальном ремонте магистральных газопроводов в составе механизированных ремонтных колонн.

11. Разработана методика и программа испытания разработанных и разрабатываемых средств дефектоскопии магистральных газопроводов при проведении ремонтно-восстановительных работ, которые вошли в следующие документы: «Временные типовые технические требования к наружным сканерам-дефектоскопам для автоматизированного неразрушающего контроля трубопроводов при капитальном ремонте»; «Типовые требования к испытаниям наружных сканеров-дефектоскопов перед их допуском к применению на объектах ОАО «Газпром»; Р Газпром «Организация и проведение технического диагностирования линейной части магистральных газопроводов наружными сканерами-дефектоскопами при капитальном ремонте. Общие требования».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Остапчук Е.Л., Касьянов А.Н., Иващенко С.В. Особенности диагностики технического состояния газопроводов ООО «Кубаньгазпром» // Транспорт и подземное хранение газа - приложение к журналу «Наука и техника в газовой промышленности» - М.: ИРЦ ГАЗПРОМ.- № 2.- 2006.- С.10-15.

2. Касьянов А.Н., Остапчук Е.Л. Опыт проведения диагностических работ на магистральном газопроводе Ухта - Торжок 2 в процессе его переизоляции // Транспорт и подземное хранение газа - приложение к журналу «Наука и техника в газовой промышленности» - М.: ИРЦ ГАЗПРОМ.- № 4.- 2006.- С.64-68.

3. Касьянов А.Н., Остапчук Е.Л. Опыт технического диагностирования линейной части трубопроводов // Третья международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов». - М.: ООО «Геоинформмарк».- Выпуск 2.-2007.- С. 40-48.

4. Колотовский П.А., Касьянов А.Н. Перспективы применения автоматизированных сканирующих систем при диагностировании технологических трубопроводов КС // Материалы ХХVI тематического семинара «Диагностика оборудования трубопроводов КС».- М.: ИРЦ ГАЗПРОМ.- Т.1.-2008.-С.117-125.

5. Касьянов А.Н., Велиюлин И.И., Колотовский П.А. Организация и технология диагностирования труб в процессе капитального ремонта трубопроводов с использованием сканеров-дефектоскопов // IV международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов».- М.: ИРЦ ГАЗПРОМ.- 2009.- С.329-336.

6. Самокрутов А.А., Велиюлин И.И., Касьянов А.Н., Митрохин М.Ю. Разработка и создание нового поколения средств дефектоскопии для диагностики технического состояния трубопроводов // IV международная конференция «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов».- М.: ИРЦ ГАЗПРОМ.- 2009.- С.337-345.

7. Велиюлин И.И., Касьянов А.Н. Повышение качества проведения диагностических работ при капитальном ремонте линейной части газопроводов // Транспорт и подземное хранение газа - приложение к журналу «Наука и техника в газовой промышленности» - М.: ООО «БЭСТ-принт».- № 3.- 2009.- С.15-18.

8. Булычев Н.И., Велиюлин И.И., Колотовский П.А., Касьянов А.Н. Организация диагностических работ при капитальном ремонте линейной части магистральных газопроводов // Восемнадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2009».- М.: ООО «Газпром экспо».- Т.1- Часть 2.-2009.-С.79-84.

9. Митрохин М.Ю., Касьянов А.Н., Велиюлин И.И., Колотовский П.А. Испытание и опыт практического применения сканеров-дефектоскопов // Восемнадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2009».- М.: ООО «Газпром экспо».- Т.1- Часть 2.-2009.-С.108-114.

10. Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Зверев Е.А., Велиюлин И.И., Касьянов А.Н. Комплекс средств дефектоскопии трубопроводов больших диаметров // С-Пб.: В мире неразрушающего контроля, ежеквартальное журнальное обозрение.- № 1(43).- 2009.- С.18-21.

11. Зорин А.Е., Касьянов А.Н. Циклическая долговечность трубных сталей и их сварных соединений после упругопластического деформирования // Сварочное производство.- № 10.- 2009.- С.29-30.

12. Колотовский П.А., Касьянов А.Н., Шафиков Р.Р., Александров А.В. Современные наружные сканеры-дефектоскопы для диагностирования трубопроводов // Материалы XXVIII тематического семинара «Диагностика оборудования и трубопроводов КС».- М.: ООО «Газпром экспо».- Т.1.- 2010.- С.101-106.

13. Митрохин М.Ю., Велиюлин И.И., Касьянов А.Н., Городниченко В.И., Королев М.И. Средства и технологии диагностирования и отбраковки труб при проведении капитального ремонта линейной части магистральных газопроводов» // Территория нефтегаз.- М.: ООО «БЭСТ-принт».- № 12.- 2010.- С.57-60.

14. Касьянов А.Н., Колотовский П.А., Зорин Е.Е., Чушкин И.Г. Повышение эффективности диагностики магистральных газопроводов при проведении ремонтно-восстановительных работ // Газовая промышленность.- М.: «Газойл пресс».- № 2/656/.-2011.- С.58-60.

15. Велиюлин И.И., Касьянов А.Н., Зорин А.Е. Результаты и пути совершенствования диагностических работ в процессе капитального ремонта ЛЧМГ // Газовая промышленность.- М.: «Газойл пресс».- № 9/664/.-2011.- С.58-60.

Размещено на Allbest.ru

...