СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТРУБОПРОВОДА
METHOD TO RECOVER BEARING CAPACITY OF PIPELINE

Изобретение относится к транспорту газа, нефти, нефтепродуктов по магистральным газопроводам, нефтепроводам и нефтепродуктопроводам, может быть использовано при гидравлических испытаниях повышенным давлением трубопроводов, включающих как линейные участки магистральных трубопроводов, так и системы технологических трубопроводов-обвязок компрессорных или насосных станций магистральных трубопроводов.
При испытании новых трубопроводов выявляются заводские дефекты и дефекты монтажа, а в процессе эксплуатации может происходить изменение свойств металла труб и развитие микродефектов вплоть до образования трещин критических размеров, что увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций на трубопроводах.
Для предотвращения аварийных разрушений трубопроводов в процессе эксплуатации осуществляют их обследование, производят комплексную оценку технического состояния труб, ремонт, реабилитацию и восстановление несущей способности трубопроводов.
Известен способ восстановления несущей способности трубопровода, основанный на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в испытываемый трубопровод с давлением, равным давлению в источнике, с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры и давления воды [Инструкция VD TÜV 1051 «Гидроиспытания трубопроводов подземной прокладки методом изменения давления», с.2-8, изд. «Союз технического надзора Германии», 10.38346, 4300, г.Эссен 1, 1980].
Указанный способ обеспечивает нагружение повышенным давлением трубопровода от давления, равного давлению в источнике, до давления, соответствующего напряжению растяжения, равному 95% от гарантированного минимального предела текучести в направлении по окружности трубы.
Недостатком такого способа является то, что указанный способ не определяет механических свойств металла труб и не учитывает напряженно-деформированное состояние трубопровода при его нагружении давлением в упругопластической зоне деформирования труб до давления, вызывающего начало пластической деформации каждой трубы испытываемого трубопровода, что не позволяет определить параметры для восстановления его несущей способности.
Также известен способ восстановления несущей способности трубопровода, осуществляемый при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, основанный на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в трубопровод с давлением, равным давлению в источнике, с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры, давления воды, заключающийся в том, что участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля, рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода, в полость участка трубопровода нагнетают воду и производят его испытание повышенным давлением, реабилитацию труб с трещиноподобными дефектами и восстановление несущей способности трубопровода [патент RU 2324160 от 29.03.2007 г.].
Недостатком такого способа является то, что способ не предусматривает ступенчатый подъем давления с последующим сбросом давления, осуществляемым с заданной скоростью для создания напряжения сжатия, препятствующего дальнейшему росту трещин в дефектных зонах металла труб, а также не учитывает изменение давления при распространении ударной волны вдоль участка трубопровода.
Наиболее близким к предлагаемому способу восстановления несущей способности трубопровода, осуществляемому при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, по технической сущности и достигаемому результату является способ восстановления несущей способности трубопровода, основанный на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в участок трубопровода с давлением, равным давлению в источнике, с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры, давления воды, заключающийся в том, что участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля, рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода, в полость участка трубопровода нагнетают воду и нагружают ударным давлением в упругопластической зоне деформирования труб методом «стресс-теста», включающим ступенчатый подъем давления, осуществляемый с заданной скоростью и через заданные интервалы давления до величины давления, вызывающего в металле труб напряжения растяжения в окружном направлении до 110% от нормативного предела текучести, и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления, причем при сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин [патент RU 2467299 от 12.05.2011 г.].
Недостатком такого способа является то, что способ не определяет величину скорости подъема давления и величину скорости сброса давления, а также предельную величину остаточной деформации, обеспечивающей запас пластичности металла труб при «стресс-тесте» в условиях действия кольцевых напряжений до 110% предела текучести металла труб, что не дает возможности зафиксировать начальный момент образования в вершинах трещин пластических зон, препятствующих дальнейшему росту трещин, и осуществить восстановление несущей способности трубопровода с гарантированным запасом пластичности труб.
В основу изобретения положена задача повышения эффективности строительства и/или капитальных ремонтов трубопроводов за счет:
- восстановления несущей способности трубопровода и оптимального использования имеющихся труб с незначительными трещиноподобными дефектами путем их нагружения ударным давлением воды в упругопластической зоне деформирования с последующим сбросом давления с заданной скоростью, превышающей заданную скорость подъема давления, что позволяет создать в вершинах трещин пластические зоны металла труб, препятствующие дальнейшему росту трещин;
- определения предельной величины остаточной деформации, обеспечивающей запас пластичности труб в течение срока эксплуатации при рабочем давлении;
- определения срока безопасной эксплуатации трубопровода с учетом его напряженно-деформированного состояния.
Поставленные задачи достигаются тем, что в способе восстановления несущей способности трубопровода, осуществляемом при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, основанном на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в участок трубопровода с давлением, равным давлению в источнике, с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры, давления воды, заключающемся в том, что участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля, рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода, в полость участка трубопровода нагнетают воду и нагружают ударным давлением в упругопластической зоне деформирования труб методом «стресс-теста», включающим ступенчатый подъем давления, осуществляемый с заданной скоростью и через заданные интервалы давления до величины давления, вызывающего в металле труб напряжения растяжения в окружном направлении до 110% от нормативного предела текучести, и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления, причем при сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин, согласно изобретению первоначально, перед проведением испытаний на удар методом «стресс-теста» отремонтированного участка трубопровода, из фрагментов отбракованных при дефектоскопии труб выведенного из работы для ремонта участка трубопровода изготавливают цилиндрические образцы с трещиноподобными дефектами заданных размеров по глубине и площади выработанного металла, образцы металла труб испытывают в лабораторных условиях на удар и на растяжение-сжатие по схеме «стресс-теста», включающей моделирование условий деформирования металла труб под действием внутреннего давления в направлении действия главного напряжения, по результатам лабораторных испытании образцов определяют механические свойства металла труб участка трубопровода и предельные параметры для деформирования металла труб при испытаний на удар методом «стресс-теста», включающие максимальное и минимальное испытательные давления, скорость движения активного захвата разрывной машины при растяжении и скорость движения активного захвата разрывной машины при сжатии образцов металла труб, величину остаточной пластической деформации, обеспечивающих запас пластичности металла труб в условиях действия кольцевых напряжений, равных 110% от предела текучести, а испытание на удар методом «стресс-теста» и восстановление несущей способности участка трубопровода осуществляют с параметрами, предварительно полученными по результатам лабораторных испытаний образов труб.
При испытании участка трубопровода на удар методом «стресс-теста» в упругопластической зоне деформирования труб под действием внутренних давлений, вызывающих кольцевые напряжения в стенках труб от 85% до 110% предела текучести металла, для восстановления несущей способности участка трубопровода после заполнения его водой, согласно изобретению осуществляют подъем давления со скоростью, пропорциональной заданной величине скорости движения активного захвата разрывной машины, измеренной при испытании на растяжение образов металла труб в течение времени до достижения заданной предельной величины остаточной пластической деформации, и последующий сброс давления со скоростью, пропорциональной скорости движения активного захвата разрывной машины, измеренной при сжатии образцов металла труб в момент образования в вершинах трещин пластических зон, препятствующих дальнейшему развитию трещин, причем напряженно-деформированное состояние отремонтированного участка трубопровода и срок безопасной эксплуатации вплоть до исчерпания его несущей способности определяют по формулам:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mi>r</mi></mrow><mrow><mn>10</mn><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mi>ω</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mi>g</mi><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>α</mi><mo>−</mo><mi>β</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>c</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
вн
i
3
2
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mn>1,05</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mn>1,38</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>λ</mi><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где ε - деформация трубы с номером i=1…n в окружном направлении; µ -коэффициент Пуассона; r - внутренний радиус трубы, мм; E - модуль упругости металла трубы, МПа; S - толщина стенки трубы, мм; a - глубина трещины, мм; ρ - плотность воды, кг/м; ω - средняя линейная скорость воды в участке трубопровода, м/с; c - скорость распространения ударной волны, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с; α, β - аппроксимирующие коэффициенты:
,
; λ - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопровода; D - внутренний диаметр трубы, мм; x - продольная координата участка трубопровода, м; L - общая протяженность участка трубопровода, м.
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mn>100</mn><mi>%</mi><mi>σ</mi><mn>02</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>m</mi></msup></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
1
раб
100%σ02
где t - срок безопасной эксплуатации участка трубопровода, годы; t - время работы участка трубопровода от начала эксплуатации до вывода в ремонт, годы; P - рабочее давление в трубопроводе, МПа; P - давление испытания, соответствующее окружному напряжению, равному 100% предела текучести металла труб (определяется по результатам испытаний на растяжение образцов металла труб), МПа; S - номинальная толщина стенки трубопровода, мм; а - глубина трещины, мм; m - эмпирический коэффициент.
Условия эксплуатации трубопроводов, имеющих длительную наработку и трещиноподобные дефекты, связанные с коррозией, утонением стенки труб, напряженно-деформированным состоянием, изменением механических свойств металла труб под воздействием эксплуатационных нагрузок, не дают возможность с заданной периодичностью и в нужных объемах контролировать изменение во времени механических свойств металла труб и их геометрии, поэтому принятая в изобретении физическая модель нагружения трубопровода при его гидравлическом испытании на удар методом «стресс-теста» основана на том, что при изменении объема закачиваемой в трубопровод воды пропорционально приращению давления в стенках труб при прохождении ударной волны вдоль трубопровода первоначально моделируются условия деформирования металла труб под действием внутреннего давления с учетом результатов механических испытаний образцов труб.
Поэтому при испытании участка трубопровода на удар методом «стресс-теста» в упругопластической зоне деформирования труб для восстановления несущей способности участка трубопровода согласно изобретению после заполнения участка трубопровода водой осуществляют подъем давления со скоростью, пропорциональной заданной величине скорости движения активного захвата разрывной машины при испытании на растяжение образцов металла труб в течение времени до достижения заданной предельной величины остаточной пластической деформации, и последующий сброс давления со скоростью, пропорциональной скорости движения активного захвата разрывной машины, измеренной при сжатии образцов металла труб в момент образования в вершинах трещин пластических зон, препятствующих дальнейшему развитию трещин.
На фигуре 1 представлена схема двухосного напряженно-деформированного состояния трубопровода наружным диаметром D, внутренним радиусом r с толщиной стенки S' под действием внутреннего давления P.
iк
in
iк
in
i
На фигуре 1 приняты следующие условные обозначения: σ - кольцевые напряжения; σ - продольные напряжения; ε - относительная деформация в окружном направлении; ε - относительная деформация в осевом направлении; а - глубина трещины; в - длина трещины; x - длина трубы с номером i, L - общая протяженность участка трубопровода.
in
in
iк
Для трубопровода подземной прокладки (ε=0; σ=µ·σ) связь между деформацией и напряжением представили в виде:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>E</mi></mfrac><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
iк
iк
где µ - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости металла трубы, МПа; ε - относительная деформация в окружном направлении; σ - кольцевые напряжения, МПа.
iк
Для определения σ, возникающих в стенках труб, имеющих трещины глубиной а (мм) под действием внутреннего давления, применили известную котельную формулу в виде:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
где P - давление в трубе с номером i=1…n, МПа; r - внутренний радиус трубы, мм; S - толщина стенки трубы, мм; a - глубина трещины, мм. Деформация каждой трубы с номером i=1…n зависит от давления в момент времени прохождения ударной волны вдоль участка трубопровода, ограниченного заглушками, и имеет максимальное значение в начале процесса заполнения участка трубопровода водой, то есть в момент гидравлического удара с максимальной величиной ударного давления.
С учетом формул 3, 4 и формулы изменения ударного давления вдоль участка трубопровода (патент RU 2467299 от 12.05.2011 г., формула 2) напряженно-деформированное состояние участка трубопровода при его испытании на удар методом «стресс-теста» представили в виде выражения:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>i</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mi>r</mi></mrow><mrow><mn>10</mn><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mi>ω</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mi>g</mi><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup></mrow></mfrac><mo>×</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>α</mi><mo>−</mo><mi>β</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>c</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
iк
вн
i
3
2
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mn>1,05</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mn>1,38</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>λ</mi><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow></msub><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где ε - деформация трубы с номером i=1…n в окружном направлении; µ -коэффициент Пуассона; r - внутренний радиус трубы, мм; Е - модуль упругости металла трубы, МПа; S - толщина стенки трубы, мм; а - глубина трещины, мм; ρ - плотность воды, кг/м; ω - средняя линейная скорость воды в участке трубопровода, м/с; c - скорость распространения ударной волны, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с; α, β - аппроксимирующие коэффициенты:
,
; λ - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопровода; D - внутренний диаметр трубы, мм; x - продольная координата участка трубопровода, м; L - общая протяженность участка трубопровода, м.
Поскольку метод гидравлических испытаний на удар связан с напорной средой, а «стресс-тест» осуществляется в упругопластической зоне деформирования труб под действием внутренних давлений, вызывающих кольцевые напряжения до 110% предела текучести металла, то именно закономерности изменения параметров напорной среды и определяют уровень напряжений и деформаций в трубах.
Поэтому при восстановлении несущей способности участка трубопровода, имеющего новые трубы, а также отремонтированные трубы и трубы с незначительными трещиноподобными дефектами, для предотвращения дальнейшего развития трещин, согласно изобретению после заполнения участка трубопровода водой осуществляют подъем давления со скоростью, пропорциональной заданной величине скорости активного захвата разрывной машины, измеренной при испытании на растяжение образцов металла труб в течение времени до достижения заданной величины остаточной пластической деформации, и последующий сброс давления со скоростью, пропорциональной скорости движения активного захвата разрывной машины, измеренной при сжатии образцов металла труб в момент образования в вершинах трещин пластических зон, препятствующих дальнейшему развитию трещин.
iк
С учетом результатов испытаний образцов труб экспериментальным путем определили, что скорость деформации труб в окружном направлении (υ) зависит от интенсивности напряжений и изменяется по степенному закону:
<mrow><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>r</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>A</mi><mn>2</mn></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>;</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>S</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>m</mi></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
iк
i
i
i
где υ - скорость окружной деформации трубы с номером i=1…n, мм/год; r - внутренний радиус трубы, мм; t - время эксплуатации трубопровода, годы; S - толщина стенки трубы, мм; а - глубина трещины, мм; P(x; L) - давление в трубе с номером i=1…n, МПа; x - продольная координата, м; L - общая протяженность участка трубопровода, м; A, m - эмпирические коэффициенты, характеризующие закон изменения скорости деформации металла труб.
0
Интегрируя (6) при начальных условиях r=r, a=0, t=0, получили:
<mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>r</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow></msup><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>m</mi><mfrac><mi>A</mi><mn>2</mn></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mi>S</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>m</mi></msup><mi>t</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При r→∞ получили время разрушения в виде формулы:
<mrow><mi>t</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi><mfrac><mi>A</mi><mn>2</mn></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mi>S</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>m</mi></msup></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При совместном решении (7) и (8) получили соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi></mrow><mi>S</mi></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
к
T
к
T
Потеря несущей способности участка трубопровода наступит в момент времени t при условии, когда напряжения в стенке трубы достигнут предела текучести металла: σ=σ, где σ - кольцевые напряжения, МПа; σ - предел текучести металла труб, МПа.
С учетом соотношений (9) и (4) получили формулу для определения срока безопасной эксплуатации отремонтированного трубопровода до исчерпания его несущей способности в виде соотношения:
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mn>100</mn><mi>%</mi><mi>σ</mi><mn>02</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><mo>−</mo><mi>a</mi></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>m</mi></msup></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
1
раб
100%σ02
где t - срок безопасной эксплуатации трубопровода после ремонта, годы; t - время эксплуатации трубопровода до ремонта, годы; P - рабочее давление в участке трубопровода, МПа; P - давление, соответствующее напряжению, равному 100% предела текучести металла труб, МПа; S - толщина стенки трубопровода, мм; а - глубина трещины, мм; m - эмпирический коэффициент.
В предлагаемом способе восстановления несущей способности трубопровода:
- определение величины скорости подъема давления, величины скорости сброса давления и величины предельной остаточной деформации путем испытания на растяжение-сжатие образцов труб с трещиноподобными дефектами по схеме «стресс-теста», в отличие от прототипа, позволяет при испытании участка трубопровода предотвратить дальнейшее развитие трещин, обеспечить запас пластичности и выравнивание деформационных свойств труб;
- расчет по заданному алгоритму напряженно-деформированного состояния отремонтированного трубопровода и условий исчерпания несущей способности участка трубопровода, в отличие от прототипа, позволяет определить срок его безопасной эксплуатации.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа восстановления несущей способности трубопровода со ссылкой на фигуры 2 и 3.
На фигуре 2 представлена схема предлагаемого способа восстановления несущей способности трубопровода, где 1 - участок трубопровода; 2 - камера испытаний; 3 - заглушка; 4 - опрессовочный агрегат; 5 - расходомер; 6 - преобразователи давления и температуры; 7 - измерительная лаборатория; 8 - источник воды; 9 - всасывающий трубопровод; 10 - нагнетательный трубопровод; 11 - кабельные линии передачи данных от преобразователей и расходомера в измерительную лабораторию; 12 - кабель управления опрессовочным агрегатом; 13 - продувочный трубопровод; 14 - сливной трубопровод.
max
min
T
вр
упр
пл
упр
пл
На фигуре 3 в качестве примера реализации заявленных технических решений представлены графики A и B, характеризующие соотношение объема воды и давления, необходимого для упругопластического деформирования труб. График А - деформирование металла труб в координатах «относительная деформация - напряжение»; график В - нагружение участка трубопровода давлением воды в координатах «давление в участке трубопровода - объем воды», где P - максимальное испытательное давление; P - минимальное испытательное давление; σ - предел текучести металла труб; σ - временное сопротивление металла труб; V - объем воды; ε - упругая составляющая относительной деформации металла труб; ε - пластическая составляющая относительной деформации металла труб; ε=(ε+ε) - суммарная относительная деформация металла труб.
1
Предлагаемый способ восстановления несущей способности трубопровода осуществили последовательным выполнением следующих операций (см. фиг.2). Для гидравлических испытаний на удар методом «стресс-теста» после капитального ремонта выделили участок трубопровода протяженностью 4400 метров наружным диаметром 1420 мм. Рабочее давление составляло 7,35 МПа. Трубопровод был смонтирован из труб стали 10Г2ФБ (К60) с толщиной стенки 16 мм. Время эксплуатации трубопровода t=27 лет.
В соответствии с результатами механических испытаний образцов труб определили параметры статистического распределения Гаусса по механическим свойствам труб участка трубопровода (таблица 1).
Таблица 1
Параметры статистического распределения Гаусса труб участка трубопровода по механическим свойствам (марка 10Г2ФБ (К60), труба Харцизского трубопрокатного завода диаметром 1420 мм толщиной 16 мм)
Среднее значение (математическое ожидание)
Относительное удлинение, %
Параметры распределения
Предел текучести σ<sub>т</sub>, МПа
Временное сопротивление σ<sub>вр</sub>, МПа
Стандартное отклонение предела текучести/ предела прочности (Kσ<sub>т</sub>/Kσ<sub>вр</sub>), МПа
Смещение центра распределения (энтропия*) (Kσ<sub>т</sub>)/Н(Kσ<sub>вр</sub>), МПа
460,85
617,4
20
19,85/29,4
6,38/6,95
* - энтропия распределения Гаусса  <maths num="15"><math display="block"><mrow><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>K</mi><mi>σ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mrow><mi>log</mi></mrow><mn>2</mn></msub><msqrt><mrow><mi>π</mi><mi>e</mi><msubsup><mi>K</mi><mi>σ</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow></math><img file="00000013.tif" he="8" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(e=2,72).
Предельная величина деформации трубы при растяжении из условия сохранения допустимого запаса пластичности: ε=0,245%.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,24</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow>
Эмпирический коэффициент: m∈{4,8}. Измеренная скорость движения активного захвата разрывной машины до достижения предельной величины деформации образца трубы при растяжении:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,32</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow>
Измеренная скорость движения активного захвата разрывной машины при сжатии образца трубы до момента образования в вершине трещины пластической зоны:
Соответствующее значение скорости подъема давления при растяжении металла в окружном направлении рассчитали по формуле:
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>−</mo></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>S</mi><mi>E</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mi>π</mi><msubsup><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><msub><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>−</mo></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>11</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
вн
где
- скорость подъема давления, МПа/мин; S - толщина стенки трубы, мм; E - модуль упругости металла трубы, МПа; µ - коэффициент Пуассона; D - внутренний диаметр трубы, мм;
- измеренная скорость движения активного захвата разрывной машины при растяжении образца трубы, мм/мин.
Скорость подъема давления составила:
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>_</mo></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>0,016</mn><mo>⋅</mo><mn>2,1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup><mo>⋅</mo><mn>0,24</mn></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,09</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><mn>1,93</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,29</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow>
Скорость сброса давления составила:
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>+</mo></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>0,016</mn><mo>⋅</mo><mn>2,1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup><mo>⋅</mo><mn>0,32</mn></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,09</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><mn>1,93</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,38</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow>
Минимальное испытательное давление для бездефектных труб, вызывающее кольцевые напряжения, равные 85% предела текучести металла труб:
<mrow><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,85</mn><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>t</mi></msub><mi>S</mi></mrow><mrow><mn>0,5</mn><mi>D</mi><mo>−</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,85</mn><mfrac><mrow><mn>460,85</mn><mo>⋅</mo><mn>16</mn></mrow><mrow><mn>710</mn><mo>−</mo><mn>16</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>9,0</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
Максимальное испытательное давление для бездефектных труб, вызывающее кольцевые напряжения, равные 110% предела текучести металла труб:
<mrow><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,1</mn><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>t</mi></msub><mi>S</mi></mrow><mrow><mn>0,5</mn><mi>D</mi><mo>−</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,1</mn><mfrac><mrow><mn>460,85</mn><mo>⋅</mo><mn>16</mn></mrow><mrow><mn>710</mn><mo>−</mo><mn>16</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>11,7</mn></mrow>
3
3
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>p</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>7064</mn><mo>⋅</mo><mn>0,29</mn></mrow><mrow><mn>2,7</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>780</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Производительность перекачивающей установки для подъема давления на 2,7 МПа от минимального давления 9,0 МПа до максимального давления 11,7 МПа в участке трубопровода объемом 7064 м составит:
где V - геометрический объем участка трубопровода, м;
- скорость подъема давления, МПа/мин; ΔP - разность максимального и минимального испытательных давлений, МПа.
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>V</mi><mi>q</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>7064</mn></mrow><mrow><mn>780</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>9,06</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>,</mo></mrow>
3
3
Определили время подъема испытательного давления от минимального до максимального в упругопластической зоне деформирования труб:
мин, где V - геометрический объем участка трубопровода, м; q - производительность перекачивающей установки м/мин. Особенность предлагаемой технологии восстановления несущей способности трубопровода заключается в том, что после предремонтной дефектоскопии и отбраковки труб наряду с новыми и отремонтированными в заводских условиях трубами используются трубы, имеющие трещиноподобные дефекты глубиной до 15% от толщины стенки труб. С учетом размеров таких дефектов по формуле (5) рассчитали величины максимальных деформаций и по формуле (3) величины кольцевых напряжений, соответствующих давлениям при испытании на удар методом «стресс-теста» участка трубопровода. Результаты расчета деформаций и напряжений выборочно для труб, имеющих трещиноподобные дефекты, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Деформации и напряжения в трубах участка трубопровода под испытательным давлением
Параметр
Номер трубы
1
2
3
4
5
Глубина дефекта, мм
2,2
1,2
1,5
1,8
2,4
Кольцевое напряжение, МПа
432,6
425,8
126,4
440,1
471,9
Отношение кольцевого напряжения к пределу текучести
0,940
0,923
0,928
3,955
1,02
Удлинение при растяжении, %
0,210
0,184
0,190
0,200
0,232
Отношение удлинения к допустимому по условиям запаса
0,857
0,751
0,775
0,816
0,946
Механические свойства труб, приведенные в таблице 2, подтверждают, что отобранные для восстановления трубы отвечают требованиям, предъявляемым к испытаниям на удар методом «стресс-теста», так как:
- величины деформаций при растяжении под действием испытательного давления не превышают допустимой величины остаточной деформации, гарантирующей запас пластичности труб после испытаний;
- кольцевые напряжения не превышают максимальных значений при «стресс-тесте», равных 110% от предела текучести металла труб.
Участок трубопровода 1 ограничили камерой испытаний 2 и с противоположной стороны от камеры испытаний 2 установили заглушку 3. Полость участка трубопровода 1, нагнетательный трубопровод 10 и всасывающий трубопровод 9 опрессовочного агрегата 4 соединили с источником воды 8. Для удаления воздуха из полости участка трубопровода 1 при его заполнении водой смонтировали продувочный трубопровод 13, а для слива воды в источник 8 смонтировали сливной трубопровод 14. На камере испытаний 2 установили преобразователи давления и температуры 6, а на всасывающем трубопроводе 9 опрессовочного агрегата 4 смонтировали расходомер 5. Преобразователи давления и температуры 6 кабельной линией 11 и расходомер 5 кабельной линией 11 соединили с измерительной лабораторией 7. Управление опрессовочным агрегатом 4 осуществили по кабелю 12 из измерительной лаборатории 7.
На первом этапе участок трубопровода 1 заполнили водой из источника 8 и через продувочный трубопровод 13 удалили воздух. Удаление воздуха завершили после выхода воды путем закрытия вентиля на продувочном трубопроводе 13 и в участок трубопровода 1 опрессовочным агрегатом 4 из источника 8 нагнетали воду до величины давления на входе в участок трубопровода 1, равной 9,0 МПа, характеризующей начальный этап деформирования труб в упругопластической области, при этом подъем давления осуществляли со скоростью 0,29 МПа/мин и в течение подъема давления непрерывно измеряли и контролировали температуру, давление, расход воды.
«Стресс-тест» труб участка трубопровода 1 осуществили последовательным выполнением следующих процедур:
- путем сброса давления со скоростью 0,38 МПа/мин от давления 9,0 МПа до рабочего проектного давления 7,35 МПа создали напряжение сжатия с деформированием труб;
- путем подъема давления от рабочего проектного 7,35 МПа до максимального испытательного давления, равного 11,7 МПа, создали в стенках труб напряжения растяжения с деформированием труб в упругопластической зоне. При этом для сохранения гарантированного запаса пластичности труб скорость подъема давления установили 0,29 МПа/мин, пропорциональной допустимой скорости деформирования труб 0,24 мм/мин с соответствующей относительной деформацией, равной 0,154%;
- чередование циклов «растяжение-сжатие» путем сброса давления до величины 2,0 МПа с последующим подъемом давления до максимального испытательного давления, равного 11,7 МПа, и выдержкой в течение времени до выравнивания давления и температуры воды в участке трубопровода 1. Гидравлические испытания на удар методом «стресс-теста» и восстановление несущей способности участка трубопровода завершили при достижении допустимой величины относительной деформации 0,245%, после чего давление сбросили до 8,92 МПа.
100%σт
Т
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>27</mn><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>7,35</mn></mrow><mrow><mn>10,64</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn>16</mn><mo>−</mo><mn>2,4</mn></mrow><mrow><mn>16</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>5</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mn>25</mn><mtext> </mtext><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow>
По формуле (4) определили давление P=10,64 МПа, соответствующее кольцевому напряжению, равному 100% σ и по формуле (10) рассчитали срок безопасной эксплуатации отремонтированного участка трубопровода:
Таким образом, способ восстановления несущей способности трубопровода, осуществляемый при его нагружении повышенным давлением, позволяет достичь заявленной цели: повышает эффективность капитального ремонта трубопроводов за счет использования имеющихся труб в течение прогнозируемого срока безопасной эксплуатации.
В описании изобретения использованы следующие термины и даны их определения.
Несущая способность - свойство трубопровода воспринимать нагрузки, создающие напряжения от воздействия внутреннего давления и температуры, не превышающие минимальное временное сопротивление металла труб, при сохранении допустимого запаса пластичности труб и с учетом двухосного напряженно-деформированного состояния трубопровода.
Реабилитация трубопровода - частичное или полное восстановление несущей способности трубопровода, обеспечивающей транспорт продукта (газа, нефти и нефтепродуктов) с установленным проектным давлением и производительностью.
Предельное состояние трубопровода - состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за невосстановимого выхода параметров за установленные нормативами пределы или неустранимого нарушения требования безопасности.
Погружение повышенным давлением - испытание трубопровода на удар путем «стресс-теста» труб нагрузками, превышающими предел текучести, с деформированием труб и сохранением допустимой величины остаточной деформации.
Минимальное давление - испытательное давление, вызывающее кольцевые напряжения, равные 85% предела текучести металла труб, и соответствующее началу испытания повышенным давлением.
Максимальное давление - испытательное давление, вызывающее кольцевые напряжения, равные 110% от предела текучести металла труб, и соответствующее окончанию испытания повышенным давлением.