Развитие подходов к оценке показателей конструктивной надежности участков магистральных газопроводов

УДК 622.691.4.053

В.М. Силкин, Е.Н. Овсянников, В.М. Ковех, И.Ю. Морин

Развитие подходов к оценке показателей конструктивной надежности участков магистральных газопроводов

На настоящий момент в систему нормативной документации ОАО «Г азпром» включен ряд нормативных документов, регламентирующих вопросы оценки работоспособности кольцевых сварных соединений и порядок определения допустимых размеров дефектов при строительстве и эксплуатации объектов транспорта газа на основе детерминистического подхода.

С учетом основных тенденций в развитии подходов к оценке технического состояния и, как следствие, необходимостью гармонизации подходов к оценке работоспособности сварных соединений с методологией, реализованной в рамках Системы управления техническим состоянием и целостностью ГТС, возрастает актуальность задач, связанных с развитием методов оценки надежности сварных соединений. Получение приближенных оценок показателей надежности возможно на основе статистических подходов, использующих данные об отказах сварных соединений вне связи с анализом механизмов разрушения. Более перспективным представляется подход, основанный на моделях так называемой «физической» теории надежности [1, 2]. Основные подходы к оценке показателей надежности применительно к объектам транспорта газа на основе моделей «физической» теории надежности реализованы в СТО Газпром 2-2.3-253-2009 «Методика оценки технического состояния и целостности газопроводов». Принципиальной особенностью подхода является использование прочностных и иных расчетных критериев в исходном виде без введения дополнительных упрощений или ограничений на форму представления критерия, например связанное с требованием обеспечения гладкости граничных кривых или выпуклости границ. Это означает, что оценка показателей надежности, таких как вероятность отказа, может быть выполнена по отношению к любому расчетному критерию, приведенному в нормативных или справочных документах [3, 4]. Соответствующие расчеты могут быть выполнены для любого состояния, характеризуемого выбранной структурой и численными значениями коэффициентов запаса. Таким образом, оценка может быть получена для произвольно выбранного расчетного или предельного состояния.

В рамках данной работы для расчета кольцевых сварных соединений были применены расчетные методы и критерии, реализованные в СТО Газпром 2-2.4-715-2012 «Методика оценки работоспособности кольцевых сварных соединений магистральных газопроводов».

Оценка вероятностей отказа выполнена на основе подходов, реализованных в СТО Газпром 2-2.3-253-2009. На первом шаге подлежит определению перечень характеристических параметров и соответствующих им характеристик вероятностных распределений. При необходимости должна быть учтена взаимная корреляция значений параметров. Области возможных значений каждого из характеристических параметров разбивают на интервалы, каждому из которых ставят в соответствие вероятность реализации. Понятием «расчетное состояние» определяются совокупность численных значений характеристических параметров и вероятность его реализации, оцениваемая на основе вероятностей реализации соответствующих значений характеристических параметров. При разбиении должна быть обеспечена полнота пространства состояний как для отдельного параметра, так и для совокупности всех

Ключевые слова:

кольцевые сварные соединения магистральных газопроводов, вероятность отказа, детерминистический расчет, показатели надежности.

Keywords:

ring welded joints of trunk gas pipelines, failure probability, deterministic calculation, reliability parameters.

№ 1 (17) / 2014

50

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

характеристических параметров, включенных в перечень.

Для каждого расчетного состояния на основе детерминистического расчета должны быть оценены критические размеры дефектов при заданных сочетаниях характеристических параметров. По результатам последовательного выполнения расчетов при всех расчетных состояниях формируются два набора состояний, соответствующих выполнению и нарушению принятого расчетного критерия. Сумма вероятностей реализации расчетных состояний, при которых было зафиксировано нарушение условий прочности, соответствует вероятности отказа сварного соединения при заданных типе и размерах дефектов.

На рис. 1 показаны типичные статистические распределения физико-механических характеристик металла сварного шва. В качестве одного из характеристических параметров принято значение ударной вязкости по Шарпи (KCV). Выбор обусловлен тем, что показатели трещиностойкости металла существенно влияют на прочность сварных соединений с дефектами и при этом характеризуются существенным статистическим разбросом. В то время как у пределов прочности и текучести металла шва разброс не очень большой.

При получении характеристик трещиностойкости металла (в самом простом случае -испытание на ударный изгиб) обычно наблюдается значительный разброс. В общем случае вероятностно могут быть заданы все входные параметры, в том числе и пределы прочности и текучести, а также нагрузки. Прочность кольцевых сварных соединений в значительной сте-

пени зависит от величины продольных растягивающих нагрузок, которые в свою очередь зависят от внутреннего давления, температурного перепада, радиуса изгиба трубопровода и остаточных сварочных напряжений. В рассмотренном ниже примере принят во внимание только статистический разброс характеристик трещиностойкости металла сварного шва, оцениваемый на основе данных об ударной вязкости по Шарпи.

Для оценки погрешностей методов неразрушающего контроля последовательно должны быть проведены операции, включающие выполнение контроля сварного соединения с оформлением результатов контроля в протоколе, металлографические исследования проконтролированных сварных соединений, сопоставление результатов неразрушающего контроля с результатами прямых измерений размеров дефектов в ходе металлографических исследований.

Для рассмотренного в работе метода неразрушающего контроля получены плотность и соответствующая ей функция распределения погрешностей определения высоты дефекта (рис. 2).

На рис. 3 отражено влияние расчетных параметров характеристик трещиностойкости и погрешности определения метода неразрушающего контроля на размеры допустимых дефектов сварного соединения.

На рис. 4 показаны фактические распределения значений ударной вязкости по Шарпи и погрешностей определения высоты дефекта, соответствующих одному из рассмотренных типов приборов ультразвукового контроля.

Напряжение, МПа

а

Рис. 1. Свойства металла шва:

а - статистические распределения пределов текучести (с0,2) и прочности (cB); б - статистическое распределение ударной вязкости по Шарпи, KCV

№ 1 (17) / 2014

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

51

а

Погрешность определения высоты дефекта, 5, мм Погрешность определения высоты дефекта, 5, мм

б

в

Рис. 2. Погрешность метода неразрушающего контроля: а - металлографические исследования сварных соединений; б - плотность распределения погрешностей определения высоты дефекта; в - функция распределения погрешностей

определения высоты дефекта

*

Длина дефекта, мм

Длина дефекта, мм

аб Рис. 3. Зависимость норм оценки дефектов: а - от ударной вязкости по Шарпи, KCV металла шва; б - от погрешности измерения высоты дефекта

В рамках рассмотренного выше алгоритма выполнено разбиение диапазонов возможных значений ударной вязкости и погрешностей определения высоты дефекта на диапазоны с вычислением вероятностей реализации значений из соответствующих интервалов.

В табл. 1 и 2 приведены парциальные вероятности реализации значений ударной вязкости и погрешности определения высоты дефекта, соответствующие интервалам разбиения. В табл. 3 отражены вероятности реализации расчетных состояний, сформированные на основе данных из табл. 1 и 2.

№ 1 (17) / 2014

52

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

1 2 3 4 5

8 9 10

123 4 5 6 7 8 9 10

Погрешность определения высоты дефекта, 5, мм

Диапазон Вероятность

KCV0-KCV1 P,

KCV-KCV2 P2

Pn

Диапазон Вероятность

So-S. Л

S-S2 P2

Pm

IP, = 1 {N = 10} IP, = 1 {M = 10}

а б

Рис. 4. Распределение значений ударной вязкости по Шарпи, KCV металла шва,

Таблица 1

Диапазоны разбиения ударной вязкости по Шарпи, KCV сварного шва

Интервал, KCV, Дж/см2 Расчетное значение, KCV, Дж/см2 Вероятность реализации

15-30 15 3,75  10-5

30-50 30 ОО 00 р

50-75 50 0,019

75-100 75 0,059

100-150 100 0,232

150-200 150 0,257

200-250 200 0,194

250-300 250 0,132

300-350 300 0,077

350 + 350 0,029

Таблица 2

Диапазоны разбиения погрешности определения высоты дефекта метода неразрушающего контроля

Интервал, мм Расчетное значение, мм Вероятность реализации

-2,5-(-2,0) -2,5 2,84  10-5

-2,0-(-1,5) -2,0 2,67  10-3

-1,5-(-1,0) -1,5 0,041

-1,0-(-0,5) -1 0,181

-0,5-0,0 -0,5 0,313

0,0-0,5 0,0 0,268

0,5-1,0 0,5 0,135

1,0 ,, 1,5 1,0 0,045

1,5-2,0 1,5 0,011

2 + 2 2,49  10-3

№ 1 (17) / 2014

Nb 1 (17) / 2014

Таблица 3

Набор расчетных состояний

Параметр Погрешность метода неразрушающего контроля, мм

-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0

Расчетное значение, KCV, Дж/см2 15 1,07- 10-9 1,00- ю-7 1,54- 10-6 6,79 • 10-6 1,17- 10-5 1,01 • ю-5 5,06 • 10-6 1,69- 10-6 4,13 • 10-7 9,36 • 10-8

30 5,34 • 10-8 5,02 • 10-6 7,71 • 10-5 0,00034 0,00059 0,00050 0,00025 0,000085 2,07 • 10-5 4,69 • 10-6

50 5,4 • 10-7 5,07 • 10-5 0,00078 0,0034 0,0059 0,0051 0,0026 0,00086 0,00021 4,74 • 10-5

75 1,54- 10-6 0,00014 0,0022 0,0098 0,0169 0,014 0,0073 0,0024 0,00059 0,00013

100 5,74 • 10-6 0,00054 0,0083 0,037 0,063 0,054 0,027 0,0091 0,0022 0,00050

150 6,45 • 10-6 0,00061 0,0093 0,041 0,071 0,061 0,031 0,010 0,0025 0,00057

200 5,09 • 10-6 0,00048 0,0073 0,033 0,056 0,048 0,024 0,0081 0,00209 0,00045

250 3,47 • 10-6 0,00033 0,0050 0,022 0,038 0,033 0,016 0,0055 0,0013 0,00030

300 2,19- 10-6 0,00021 0,0031 0,014 0,024 0,021 0,0104 0,0035 0,00084 0,00019

350 8,38 • 10-7 0,00008 0,0019 0,005 0,009 0,007 0,004 0,0013 0,0003 0,00007

Таблица 4

Результаты расчета

Параметр Погрешность метода неразрушающего контроля, мм

-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0

Расчетное значение, KCV, Дж/см2 15 1,07- 10-9 1,00- ю-7 1,54- 10-6 6,79 • 10-6 1,17- 10-5 1,01 • ю-5 5,06 • 10-6 1,69- 10-6 4,13 • 10-7 9,36 • 10-8

30 5,34 • 10-8 5,02 • 10-6 7,71 • 10-5 0,00034 0,00059 0,00050 0,00025 0,000085 2,07 • 10-5 4,69 • 10-6

50 5,4 • 10-7 5,07 • 10-5 0,00078 0,0034 0,0059 0,0051 0,0026 0,00086 0,00021 4,74 • 10-5

75 1,54- 10-6 0,00014 0,0022 0,0098 0,0169 0,014 0,0073 0,0024 0,00059 0,00013

100 5,74 • 10-6 0,00054 0,0083 0,037 0,063 0,054 0,027 0,0091 0,0022 0,00050

150 6,45 • 10-6 0,00061 0,0093 0,041 0,071 0,061 0,031 0,010 0,0025 0,00057

200 5,09 • 10-6 0,00048 0,0073 0,033 0,056 0,048 0,024 0,0081 0,00209 0,00045

250 3,47 • 10-6 0,00033 0,0050 0,022 0,038 0,033 0,016 0,0055 0,0013 0,00030

300 2,19- 10-6 0,00021 0,0031 0,014 0,024 0,021 0,0104 0,0035 0,00084 0,00019

350 8,38 • 10-7 0,00008 0,0019 0,005 0,009 0,007 0,004 0,0013 0,0003 0,00007

СЛ

СО

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

54

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

а 2

4=

10

20 30

40

50

60

70

4

1

Длина дефекта, мм

Длина дефекта, мм

Значение 5, мм: 1—I отказ (превышение размера

+1,0 0,0 -1,0 1—1 дефектаЗ х 15 мм)

а б

Рис. 5. Выявление расчетных ситуаций, ассоциируемых с отказом: а - KCV = 15 Дж/см2; б - KCV = 50 Дж/см2

На рис. 5 приведены результаты расчетов для отдельных расчетных состояний. Из приведенных графиков видно, каким расчетным состояниям соответствует нарушение условия прочности.

Результаты расчетов для всех расчетных состояний приведены в табл. 4. Цветом выделены совокупности параметров, соответствующих расчетным состояниям, при которых имело место нарушение условия прочности. Общая вероятность отказа (порядка 1  10-3) получена суммированием вероятностей реализации расчетных состояний, ассоциируемых с нарушением условия прочности.

На основе анализа особенностей реализации предложенного подхода может быть сделан ряд выводов качественного характера.

Предложенный алгоритм оценки вероятностей отказа может быть реализован применительно к большинству расчетных критериев, используемых для оценки несущей способности газопровода с дефектами различных типов.

Алгоритм позволяет учесть естественный статистический разброс значений механических свойств основного металла и металла сварных соединений, величин нагрузок и воздействий. При этом за счет выбора номенклатуры учитываемых показателей может быть обеспечена адаптация расчетной модели выбранному типу критерия прочности.

На основе предложенного подхода применительно к оценке показателей надежности могут быть учтены характеристики диагностиче-

ских средств, применяемых для определения типа, размеров и координат дефектов сварных соединений.

Все выполняемые расчеты могут быть алгоритмизированы и выполнены как с помощью универсальных, так специально разработанных программных средств.

В дополнение к прямым расчетным оценкам вероятностей отказов предложенный подход может быть применен для сравнительного комплексного анализа технологий сварки, выбора материалов с позиций обеспечения надежности при учете статистического разброса физико-механических свойств конструкционных материалов и технических характеристик диагностических средств.

Список литературы

1. Барлоу Р. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность / Р. Барлоу,

Ф. Прошан. - М.: Наука, 1984.

2. Диллан Б. Инженерные методы обеспечения надежности систем: пер. с англ. / Б. Диллан,

Ч. Сингх. - М.: Мир, 1984.

3. Байхельт Ф. Надежность и техническое обслуживание / Ф. Байхельт, П. Франкен. - М.: Радио и связь, 1988.

4. Гнеденко Б.В. Математические методы в теории надежности / Б.В. Гнеденко,

Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев. - М.: Наука, 1965.

№ 1 (17) / 2014