СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДА
METHOD OF DETERMINING THE RESIDUAL LIFE OF THE PIPELINES

Изобретение относится к диагностике трубопроводов и может быть использовано при оценке остаточного ресурса трубопроводов в процессе эксплуатации.
Известен способ определения остаточного ресурса металла труб магистрального трубопровода, предназначенных для повторного использования (патент РФ №2226681, кл. G01N 3/00, от 19.08.2002 г.). Такой способ включает в себя контроль неразрушающими методами, изготовление образцов, проведение механических испытаний и определение остаточного ресурса. При этом трубы распределяют в партию одной марки стали, одного диаметра и толщины стенки, отбирают от партии трубы с максимальными диаметрами, выбирают из них неразрушающими методами контроля трубу с максимальными средними значениями твердости и коэрцитивной силы для изготовления образцов и проведения механических испытаний двух равных групп образцов, одну из которых предварительно подвергают термообработке, а остаточный ресурс достижения нормативных значений механических свойств металла труб определяют расчетным путем.
Основным недостатком данного способа является косвенный характер определения остаточного ресурса и связанные с ним значительные погрешности.
Известен способ определения остаточного ресурса трубопроводов (патент РФ №2413195, кл. G01N 3/00, от 20.07.2009 г.), относящийся к обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводов длительной эксплуатации в нефтяной и газовой промышленности. Из контролируемого участка вырезают образцы, свидетельствующие о ресурсе трубопровода. Образцы вырезают из наименее подверженных износу участков трубопровода, причем половину образцов подвергают отжигу, а вторую половину оставляют в исходном состоянии. Обе части образцов - исходный (отожженный) и неотожженный - подвергают испытаниям (статическим и усталостным) и проводят сравнительный анализ, а по результатам испытаний определяют по формуле остаточный ресурс.
Недостатками данного способа является большая трудоемкость и разрушающий метод определения остаточного ресурса трубопроводов.
Известен способ диагностики технического состояния магистрального трубопровода (патент РФ №2423644, кл. F17D 5/06, от 23.09.2009 г.). Способ относится к трубопроводному транспорту и может быть использован для прогнозирования появления опасного состояния магистрального трубопровода, например при переходах магистрального трубопровода через дороги или в местах пересечений нескольких трубопроводов. Способ диагностики технического состояния магистрального трубопровода заключается в контроле с помощью датчика линейных деформаций величины напряженно-деформированного состояния трубопровода, а с помощью датчика акустической эмиссии - уровня акустической эмиссии от развивающихся дефектов трубопровода. Величину напряженно-деформированного состояния трубопровода и уровень акустической эмиссии от развивающихся дефектов трубопровода измеряют одновременно с последующим определением величины коэффициента корреляции между измеренными величинами и при превышении коэффициентом корреляции заданного порогового значения диагностируют угрозу опасного состояния магистрального трубопровода.
Недостатком данного способа является низкая точность прогнозирования остаточного ресурса магистрального трубопровода.
Цель изобретения - снижение трудоемкости и повышение точности определения времени до разрушения трубопровода.
Цель достигают тем, что в трубопроводе выявляют зону с потенциально пониженным ресурсом, в этой зоне определяют место установки датчика давления и четырех розеток экстензометров, на основе показаний которых непрерывно производится расчет остаточного ресурса сечения трубопровода.
Исходными данными для определения остаточного ресурса являются относительные деформации, получаемые с экстензометров, и величины давления внутри трубопровода, получаемые с датчика давления.
Расчет остаточного ресурса трубопровода производится следующим образом.
Для каждой из четырех розеток экстензометров, установленных в исследуемом сечении, решается система уравнений:
0
где ε - относительная деформация, измеренная экстензометром, направленным вдоль оси трубы;
90
ε - относительная деформация, измеренная экстензометром, направленным по касательной к диаметру трубы;
45
ε - относительная деформация, измеренная экстензометром в направлении 45° к оси трубы;
t
ε - относительная деформация трубы в окружном направлении;
z
ε - относительная деформация трубы в осевом направлении;
r
ε - относительная деформация трубы в радиальном направлении;
γ - относительная деформация кручения трубы.
0
90
45
z
t
z1,2,3,4
t1,2,3,4
1,2,3,4,
В данной системе известными являются величины ε, ε и ε, которые измеряются экстензометрами. Решив данную систему, вычисляются величины относительных деформаций ε, ε и γ на наружной поверхности трубы (при радиусе R) для четырех точек данной поверхности. Таким образом, в результате рассчитываются 12 величин относительных деформаций, а именно ε, ε и γ где индексы 1-4 обозначают номер точки, в которой получено значение деформации. Причем введем обозначения таким образом, что точки 1 и 3 противоположны друг другу, соответственно точки 2 и 4 также противоположны друг другу.
Далее находится распределение деформаций по наружной и внутренней поверхностям трубы из следующих уравнений:
где μ - коэффициент Пуассона;
Е - модуль Юнга, МПа;
р - избыточное давление в трубе, МПа;
r - внутренний радиус трубы, мм;
R - наружный радиус трубы, мм;
ϕ - угловая координата, рад;
э
ε(R,ϕ) - эквивалентная относительная деформация для наружной поверхности трубы;
э
ε(r,ϕ) - эквивалентная относительная деформация для внутренней поверхности трубы.
За положительное направление угловой координаты принято направление от точки 2 к точке 1 по кратчайшему пути. При этом ϕ=0 в точке 2.
Затем вычисляется эквивалентная относительная деформация для наружной и внутренней поверхностей трубы:
max,j
min,j
Для вычисления по приведенным выше функциям (12) и (13) необходимо определить n точек наружной и внутренней поверхности сечения исследуемого трубопровода. Для каждой из этих точек по результатам предыдущих циклов расчета находятся локальные максимумы и минимумы эквивалентной относительной деформации ε и ε, где j=1…n. Затем вычисляются характеристики локального цикла нагружения в каждой из точек:
max
где ε - локальный максимум по времени эквивалентной относительной деформации;
min
ε - локальный минимум по времени эквивалентной относительной деформации.
эц
Затем находится эквивалентная относительная деформация цикла ε для каждой точки:
-1
где σ - предел выносливости при симметричном цикле, МПа;
0
σ - предел выносливости при пульсирующем цикле, МПа.
эц
Число циклов N для каждой точки внутренней и наружной поверхности, которое может выдержать участок трубопровода при данном типе нагружения, определяется из уравнения Морроу-Мэнсона:
Здесь:
ƒ
- ε - усталостная вязкость (значение амплитуды пластической деформации, при котором разрушение (отказ) произойдет в ходе одного полуцикла нагружения при условии отсутствия упругих деформаций)
-ψ - относительное сужение материала при разрыве;
ƒ
- σ - усталостная прочность (значение амплитуды напряжений, при котором разрушение (отказ) произойдет в ходе одного полуцикла нагружения при условии отсутствия пластических деформаций)
- b - экспонента усталостной прочности (экспонента Басквина)
- с - экспонента усталостной вязкости
Далее вычисляем накопленные повреждения в каждой точке:
где  - величина накопленных повреждений, определяемая в ходе текущего цикла расчета;
- величина накопленных повреждений, определенная в ходе предыдущего цикла расчета.
Из вычисленных величин накопленных повреждений для каждой из отдельных точек внутренней и наружной поверхностей трубопровода в данном сечении находится максимум:
Величина израсходованного ресурса в часах для исследуемого трубопровода в данном сечении определяется согласно выражению:
службы.норм
где T - нормативный срок службы трубопровода, ч.
Величина остаточного ресурса определяется согласно выражению:
Пример осуществления изобретения.
у
Дан участок трубопровода длиной 4,5 м круглого сечения, диаметром Д=100 мм (R=57 мм, r=50 мм). Характеристики материала трубы (сталь 20):
Е=212000 МПа;
μ=0,33;
-1
σ=193 МПа;
0
σ=320 МПа;
ψ=0,5;
в
σ=412МПа.
В среднем сечении трубопровода установлены четыре розетки экстензометров и один датчик давления. В начальный момент времени все относительные деформации равны нулю.
8
В среднем участке исследуемого трубопровода приложена нагрузка, изменяющаяся циклически от 0 до 9450 Н, которая создает изгибное усилие, что соответствует прогибу трубопровода в средней части на 0-25 мм соответственно. При этом рассматривается 2⋅10 циклов нагружения трубопровода.
При этом величины относительной деформации, зарегистрированные розеткой экстензометров при максимальном прогибе, соответствуют:
Величина давления в трубопроводе равнялась 0,5 МПа.
0
45
90
Для розеток №1 и №2 после подстановки величин ε, ε и ε из (1)-(3) получаем:
и ее решение:
z
-4
ε=7,0⋅10;
t
-6
ε=-3,5⋅10;
-7
γ=-6,23⋅10.
Для розеток №3 и №4 система уравнений будет выглядеть следующим образом:
и ее решение:
z
-4
ε=-7,0⋅10;
t
-6
ε=3,5⋅10;
-7
γ=3,77⋅10.
z
t
В результате решения приведенных выше систем уравнений получена совокупность относительных деформаций ε, ε и γ из 12 величин:
Подстановкой этих значений в (4)-(11) получаем следующую систему уравнений:
.
Далее находятся эквивалентные относительные деформации для наружной и внутренней поверхностей трубы согласно (12)-(13):
;
min,j
max,j
э
э
На наружной и внутренней поверхности сечения исследуемого трубопровода выбираем 8 точек (n=8), отстоящие друг от друга на 45 градусов (или π/4). Поскольку рассматривается первый цикл расчета, то для всех точек ε=0, a ε равняется значению функции ε(R, ϕ) для наружной поверхности и ε(r, ϕ) для внутренней поверхности. Эти значения равны:
Таким образом, при подстановке этих значений в (14)-(15), получаем следующие результаты:
Для уравнения Морроу-Мэнсона коэффициенты согласно (18)-(21) равны:
эц
Количество циклов N для каждой рассматриваемой точки трубопровода, рассчитанное по (17), составляет:
Накопленные повреждения, согласно (22), в каждой точке составляют:
Как видно из этих данных, максимальная величина накопленных повреждений наблюдается в точке №6 и составляет для одного полуцикла нагружения:
.
цп
8
Величина израсходованного ресурса в часах по (24), учитывая, что нормативный срок службы составляет 25 лет (ГОСТ 27751-2014), то есть 25⋅8760=219 000 ч, а количество полуциклов нагружения N равно 4⋅10:
ост
Величина остаточного ресурса Т согласно (25) составляет:
219000 ч - 152950 ч = 66050 ч или 7,5 года.
Таким образом, предложенный способ позволяет полнее использовать ресурс трубопровода без риска его отказа.