Техническое состояние трубопроводов тепловых сетей и критерии для ремонта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое состояние трубопроводов тепловых сетей и критерии для ремонта

Е.В. Самойлов

1. Оценка распределения напряжений на трубопроводе

По данным «Роскоммунэнерго» и опубликованным материалам в России около 23% трубопроводов тепловых сетей отработали нормативный срок или находятся предаварийном состоянии. Несмотря на то, что теплоэнергетические предприятия ежегодно производят замену трубопроводов, повсеместно растет количество так называемых «ветхих» тепловых сетей, требующих замены. Совершенно очевидно, что одномоментная их замена нереальна. Необходима целенаправленная работа, рассчитанная на 4-5 лет[1].

В силу вышеизложенного, возникает задача о выделении из «ветхих» сетей определенного количества участков для первоочередной перекладки. Использующиеся критерии по оценке технического состояния трубопроводов на основании года прокладки, числа происшедших аварий, данных визуального контроля и замеров толщины стенки трубы не могут решить поставленную задачу. Необходима новая, дополнительная информация, применение которой позволит минимизировать количество аварий на оставшихся «ветхих» сетях.

На тип этой информации указано в РД 522 [2], где сказано: «Участки трубопровода, на которых при измерительном контроле выявлены уменьшения первоначальной (расчетной) толщины стенки трубопровода на 20% и более, подлежат замене. Для принятия решения о замене лицо, ответственное за исправное состояние и безопасную эксплуатацию трубопровода, должно выполнить поверочный расчет на прочность того участка трубопровода, где обнаружено утонение стенки». Именно уровень напряжений в конкретных местах обуславливает опасность разрушения - образования течи, или наоборот возможность безаварийной эксплуатации трубопровода. Характер распределения напряжений в процессе эксплуатации трубопровода как по длине, так и по сечению объясняет, в частности, отсутствие аварий на трубах при наличии отдельных локальных мест с толщиной стенки менее 50% от проектной. В ряде случаев такие места выдерживают даже гидравлические испытания.

Для пояснения сказанного, осуществим оценку распределения напряжений на трубопроводе.

В трубах горячего водоснабжения возникают напряжения за счет действия трех нагрузок:

внутреннее давление;

действие веса трубы, изоляции, воды в трубе;

нагрузки от температуры.

Согласно принципу суперпозиции, действие от каждой нагрузки рассматривается отдельно. Затем результаты суммируются.

От действия внутреннего давления на стенках трубы возникают растягивающие напряжения, равномерно распределенные по длине и окружности. Для того, чтобы труба выдержала только внутреннее давление, необходимо иметь толщину стенки t_д (см. рис.1, а) равномерную по сечению.

От действия весовой нагрузки расчет проводится в первую очередь по величине изгибающего момента, эпюра которого приведена на рис.1, б. Видно, что наиболее нагруженными являются элементы трубы в точках скользящих опор и посередине между ними.

Характер распределения напряжений в сечении для точек над скользящими опорами дан на рис.1, б. Характерно то, что по верхней образующей (12 часов) действуют растягивающие напряжения, по нижней (6 часов)- сжимающие. В силу этого допускается неравномерная толщина стенки трубы по сечению:

по верхней образующей - t_из 1;

по нижней образующей -t_из2 , причем t_из2< t_из1, т.к. по низу действуют сжимающие напряжения (расчет по касательным напряжениям);

в середине (3 часа) - напряжений от изгибающего момента нет, ит олщина стенки может быть нулевой (поперечные нагрузки от веса пока не учитываются).

Сложим результаты при оценке воздействия внутреннего давления и весовой нагрузки (рис. 1, с):

по верхней образующей (12 часов) толщина стенки должна быть tд ⁺ t_из1, чтобы выдержать суммарные растягивающие напряжения;

по середине (3 часа) - только t_д;

по нижней образующей (6 часов) - t_д - t_из2 < t_д (компенсация растягивающих напряжений от внутреннего давления сжимающими от веса)!

Проведенная оценка напряжений и толщины стенки трубы от действия рассмотренных двух силовых факторов позволяет сделать следующий вывод:

наличие тонкой стенки трубы не означает наличие аварийной ситуации;

наличие толстой стенки трубы не означает отсутствие аварийной ситуации;

аварийную ситуацию можно определить только из анализа характера распределения напряжений по длине и сечению трубопровода.

Учет напряжений от воздействия температуры усиливает данный вывод. В частности, при нагревании труба удлиняется, чему препятствуют мертвые опоры и углы поворота, это приводит к возникновению сжимающих напряжений, которые «гасят» растягивающие.

2. Как измерить напряжения

Получить характер распределения напряжений по длине участка трубопровода, находящегося в процессе эксплуатации, позволяет акустическая диагностика по методу НПК «Вектор», описанному в статье [3].

При диагностике записывается и анализируется «шум тока воды по трубе», из которого выделяются сигналы эмиссии акустических сигналов локальными местами повышенных напряжений в металле трубы. Используя методы корреляционного анализа, определяется местоположение дефекта. По величине акустического сигнала эмиссии осуществляется оценка напряжений. Результаты диагностики наносятся на схему участка (см. рис. 3).

Для представления уровня напряжений используется четыре градации: аварийное состояние; два уровня дефектного состояния и удовлетворительное.

Аварийное состояние - это когда величина сигнала эмиссии имеет весьма большое значение (см. рис. 2). При шурфовке в 50-60% случаев в этих местах были обнаружены течи интенсивностью более 0,5 м³/ч. В оставшихся случаях указанные сигналы отмечают места значительных перенапряжений трубопровода, при этом коррозионных повреждений металла труб может и не быть. напряжение трубопровод давление аварийноопасность

Для записи акустических сигналов «шума» тока воды по трубе используется прибор «Вектор 2001», который выполняет две функции:

устройство регистрации для целей диагностики;

корреляционный течеискатель.

Различие в этих функциях заключается только в используемых программах обработки сигналов: при поиске течи программа ориентирована на поиск признаков истечения воды; при диагностике - сигналов от перенапряжения. В рассматриваемом случае высоких сигналов эмиссии, зарегистрированных при работах по диагностике, программа «Течь» не обнаруживает из-за малой интенсивности истечения воды.

Случай регистрации высоких напряжений и анализа причин их возникновения рассмотрен в статье Г.П. Малинова (г. Череповец) [4]. Обнаруженное при диагностике перенапряжение трубы было обусловлено разрушением двух скользящих опор - трубопровод провис. После ремонта опор повторная диагностика показала удовлетворительное состояние трубопровода.

В статье Н.М. Бологова (г. Кемерово) [5] приводятся примеры, когда при диагностике указанные перенапряжения были обусловлены не только разрушением скользящих опор, но и обвалами плит перекрытия, обрушением грунта в канал.

Мы рекомендуем незамедлительно вскрывать такие участки, в первую очередь с целью обнаружения течи на ранней стадии. При отсутствии истечения воды, выявлять техническое состояние трубопровода и осуществлять соответствующий ремонт. В указанной статье Н.М. Бологова [5] приводится пример, когда, из-за отсутствия течи, обследование не было осуществлено, а через небольшой период в отмеченном месте образовалась течь; причина - повышенные напряжения из-за разрушения скользящей опоры.

При более низких уровнях сигналов эмиссии используются критерии критических, докритических дефектов и удовлетворительного состояния трубопровода (рис. 2).

В течение трех лет на продиагностированных участках тепловой сети Предприятия № 3 ГУП «Мостеплоэнерго» осуществлялся контроль за местами образования течей, в ходе которого было получено, что указанным дефектным интервалам соответствуют следующие значения параметра «поток отказов» (формулировку параметра см. [6]):

критические дефекты4-5течь/п.км в год;

докритические дефекты1,5-1,7 течь/п.км в год;

удовлетворительное состояние 0,15 течь/п.км в год. Представление результатов диагностики через параметр «потока отказов» позволяет провести оценку опасности образования течей (параметр аварийноопасность) для каждого конкретного участка, сравнить их техническое состояние, дать рекомендации по ремонту. Расчет коэффициента аварийноопасности осуществляется по формуле (1):

где: L - длина интервала:

L_к и L_дк - сумма длин участков с критическими и докритическими дефектами соответственно.

В таблице дан пример расчета указанного коэффициента для участка на рис. 3.

Представление результатов диагностики через показатель аварийноопасности указывает на текущее эксплуатационное состояние трубопровода. Однако он не отражает скорость протекания коррозионных процессов и не дает информацию о времени до наступления аварий.

В РД 10-400-01 [7] приведена зависимость для расчета «времени наработки на отказ»:

где: S_R - расчетная толщина стенки трубы, мм;

S - толщина стенки трубы по сортаменту, мм;

[а] - номинальное допускаемое напряжение, МПа;

R_B - предел прочности, МПа;

x_d - срок службы трубопровода до диагностики, год;

6_ср - среднее значение относительного износа;

S_d - среднеквадратичное отклонение относительного износа;

N - число мест определения изменения толщины.

Для использования этой зависимости необходимо знать год прокладки трубопровода и осуществить замеры толщины стенки.

Практика применения метода диагностики (к настоящему времени только по Москве и Московской области продиагностировано более 6000 участков общей длиной более 4000 п.км) показала, что в 70-80% случаев обнаруженные дефектные интервалы обусловлены коррозионным повреждение металла труб, при этом в местах критических дефектов средняя остаточная толщина стенки трубы составляет 0,4 от исходной, в докритических - 0,6. Использование представления результатов диагностики через утонение стенок трубы позволяет осуществить расчет «времени наработки на отказ» по представленной зависимости. При этом необходимо учитывать следующие особенности, заложенные в формуле (2):

расчет производится только по гидростатическому напряжению (давление опрессовки),указанное ранее распределение напряжений отвеса и температуры не учитывается;

расчет скорости коррозии и величина утонения для оценки условий разрушения производятся по среднему значению относительного износа и по среднеквадратичному отклонению относительного износа, т.е. по усредненным значениям с использованием статистического анализа.

Таким образом, параметр «время наработки на отказ» является качественным и не определяет фактическое время до первой аварии. Он может быть использован только для учета условий протекания коррозионных процессов при сравнении участков, близких по техническому состоянию.

Совокупность параметров «аварийная опасность» и «время наработки на отказ», полученные по результатам диагностики, дают дополнительную, наряду с визуальным и инструментальным (замером толщины) контролем, информацию о техническом состоянии трубопровода с позиции опасности образования течи.

Для определения порогового значения коэффициента аварийноопасности, при превышении, которого следует рассмотреть вопрос о перекладке трубопровода, были проанализированы значения указанного коэффициента для участков, по совокупности данных диагностики, визуального и инструментального контроля, включенные в план перекладок. На рис. 4 представлена диаграмма зависимости порогового значения указанного коэффициента от диаметра трубы:

При К < 0,8 Х_к - трубопровод находится в удовлетворительном состоянии;

При 0,8 Х_к < К < К_к - рабочий ресурс ограничен (1-2 года);

При К > К_к - следует рассмотреть вопрос о перекладке.

Для второго и третьего случаев дополнительно анализируются значения «времени наработки на отказ» и делается заключение об очередности перекладки.

3. Некоторые аспекты практического применения

На практике в 70-80% случаев выводы об условиях дальнейшей эксплуатации трубопровода или необходимости проведения капитального ремонта согласуется с заключением, полученным на основании визуального и инструментального (замер толщины) контроля. Однако имеются моменты, когда указанные результаты как бы противоречат друг другу. Таких ситуаций две.

Первый случай. По результатам диагностики техническое состояние труб допускает дальнейшую эксплуатацию трубопровода. При контрольной шурфовке результаты обследования указывают на наличие сильных коррозионных повреждений, когда остаточная толщина стенки трубы составляет около 50% от проектной и делается заключение о необходимости перекладки.

В выводах по результатам диагностики и заключении по визуальному и инструментальному контролю нет противоречий!

Да, труба сильно изношена, но характер распределения напряжений и их уровень таков, что есть запас прочности. Ответ на вопрос об ориентировочном сроке допустимой эксплуатации дает параметр «время наработки на отказ».

Это тот случай, когда трубы надо менять, но, в силу условий финансирования, нет возможности это сделать. Можно осуществлять дальнейшую эксплуатацию с малой степенью риска образования течи.

При этом для таких участков проведение гидравлических испытаний нежелательно, т.к. при этом будут выявлены одно-два «гнилых» места, а остальные будут переведены из разряда «до-критические» в «критические» - течей при эксплуатации будет больше. Единственный рациональный вид ремонта для таких участков не «искусственное» инициирование и латание течей, а полная замена.

Второй случай. На интервале, указанном по результатам диагностики, как находящимся в критическом состоянии, обследование при контрольной шурфовке указывает на удовлетворительное состояние металла трубы - толщина стенки близка или равна номиналу.

Данный случай обусловлен повышенными напряжениями из-за разрушения конструктивных элементов трубопровода и рассмотрен на примерах использования результатов диагностики в г.г. Череповец и Кемерово.

Сказанное подтверждается и работой Л.В. Родичева, исследовавшего причины образования течей на трубопроводах тепловых сетей г. С.-Петербурга [8]. Он отмечает, что около 25% течей не связано с коррозионным повреждением металла труб, а обусловлены другими причинами, в частности высокими термическими напряжениями локального характера.

Следует отметить, что при монтаже нового трубопровода в ряде случаев возникают повышенные напряжения, которые обуславливают возникновение аварий при гидравлических испытаниях и в первые годы эксплуатации. В ОАО «Тепловые сети Мосэнерго» контроль уровня остаточных напряжений на трубопроводах после монтажа осуществляется с помощью прибора ИКН-1М. В 2003 г. на трех участках, из-за высокого уровня наведенных напряжений, был осуществлен перемонтаж трубопровода.

Представленный в данной статье метод диагностики НПК «Вектор» является альтернативой для обнаружения мест перенаряжения на хороших (включая вновь проложенные и не имеющих значительных коррозионных дефектов) трубопроводах с целью проведения профилактического ремонта и предупреждения аварий.

Представленный выше подход к оценке уровня напряжений и критериев технического состояния трубопровода, с позиции необходимости перекладки, разработан для случаев наличия коррозионного повреждения труб. Если при вскрытии теплотрассы зафиксировано его отсутствие или небольшое утонение (менее 10%), то результаты акустической диагностики подлежат корректировке в сторону уменьшения степени критичности дефектных интервалов.

Выводы

Таким образом, предлагаемый новый метод инженерной диагностики трубопроводов тепловых сетей направлен на получение дополнительной информации об их техническом состоянии. Разработанные и дополненные критерии оценки остаточного ресурса позволяют:

Определить состояние трубопровода на участке: «ветхое» или удовлетворительное.

Для «ветхих» сетей осуществить ранжирование по степени опасности образования течи и более эффективно спланировать работы (очередность) по перекладке с учетом условий финансирования.

Для трубопроводов, находящихся в удовлетворительном состоянии, обнаружить интервалы с повышенными напряжениями, потенциально опасных с позиции образования течи. Осуществить профилактический ремонт трубопровода или конструктивных элементов.

Литература

Э.Б.Хиж, Г.М.Скольник, А.С. Толмасов. «О надежности систем коммунального теплоснабжения, предупреждений и устранении аварий и инцидентов». // «Новости теплоснабжения». № 3, 2003.

«Типовая инструкция по периодическому техническому освидетельствованию трубопроводов тепловых сетей в процессе эксплуатации». РД 153-34.0-20.522-99.

Е.В.Самойлов. «Диагностика как элемент коррозионного мониторинга трубопроводов тепловых сетей». //«Новости теплоснабжения», № 4, 2002.

В. П. Козлов, Г. П. Малинов. «Опыт проведения диагностики тепловых сетей в МУП «Теплоэнергия» г. Череповец». // «Новости теплоснабжения». № 3, 2003.

Х.С. Шакурзьянов, Ю.Д. Власенко, Н.М. Бологов. «Опыт эксплуатации диагностического комплекта «Вектор -2001» в ОАО «Теплоэнерго» г. Кемерова». // «Новости теплоснабжения», № 12, 2003.

Е.Я. Соколов. «Теплофикация и тепловые сети». М., издательство МЭИ, 2001.

«Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей». РД 10-400-01.

Л. В. Родичев. «Статистический анализ процесса коррозионного старения трубопроводов». // «Строительство трубопроводов». № 9, 1994.

Размещено на Allbest.ru