СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
METHOD OF TESTING PIPES FOR DURABILITY

Изобретение относится к области гидравлических испытаний, в частности к способам проведения циклических испытаний натурных образцов труб внутренним давлением и изгибом с целью получения фактических данных по их прочности и долговечности. Испытания предназначены для получения экспериментальных данных о следующих процессах, протекающих при эксплуатации действующих трубопроводов и влияющих на долговечность входящих в их состав труб:
- величины гидравлического давления жидкости, амплитуды и частоты его изменения;
- величин изгибающих напряжений в цикле, амплитуды и частоты их изменения;
- величин ненормативных радиусов изгиба труб, в том числе приводящих к образованию гофра.
Известен способ гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода, осуществляемый при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях [патент на изобретение RU 2467299 С1, опубл. 20.11.2012, МПК G01M 7/08], 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. Первоначально при заполнении водой из участка трубопровода удаляют воздух. Участок трубопровода нагружают ударным давлением, включающим ступенчатый подъем давления, осуществляемый с заданной скоростью и через заданные интервалы давления до заданной величины давления, и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления. При сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин, и после достижения заданной величины остаточной деформации металла труб гидравлические испытания участка трубопровода на удар и его реабилитацию завершают.
Недостатками известного способа являются отсутствие возможности статических и циклических испытаний труб приложением изгибающего момента и отсутствие возможности проведения их испытаний циклическим давлением.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ испытания композитно-муфтовой ремонтной конструкции для труб магистральных трубопроводов [патент на изобретение RU 2531126 С2, опубл. 20.10.2014, МПК G01M 99/00], заключающийся в том, что трубу герметизируют путем приварки к ее торцам двух заглушек с эллиптическими днищами, одна из которых содержит два штуцера: один - для подачи воды, другой - для дренажа воздуха, создают внутреннее давление в трубе с установленной на ней ремонтной конструкцией и испытывают в четыре этапа. На первом этапе испытания ремонтной конструкции проводят нагружение, воспроизводящее максимальную нагруженность нефтепровода при его пуске в эксплуатацию после выполнения ремонта муфтами. На втором этапе испытания трубы моделируют работу нефтепровода в период от ее установки до полного набора прочности композитного материала. На третьем этапе испытания моделируют испытания на прочность новой трубы на заводе-изготовителе труб. На четвертом этапе испытания проводят до разрушения или разгерметизации ремонтной конструкции при моделировании максимально возможной циклической нагруженности нефтепроводов при эксплуатации: циклическое нагружение внутренним давлением с максимальной величиной, соответствующей наибольшему избыточному давлению, и дополнительное нагружение циклическим изгибающим моментом, совпадающим по фазе с циклическим внутренним давлением и вызывающим изгибные напряжения в стенке трубопровода от 0,5 до 0,6 предела текучести материала трубы.
Наиболее близкий аналог позволяет проводить испытания на долговечность до разрушения или разгерметизации заглушенной трубы с композитно-муфтовой ремонтной конструкцией при моделировании максимально возможной циклической нагруженности нефтепроводов в нормативном режиме эксплуатации, однако не раскрывает способа испытания труб на долговечность при сверхнормативных режимах эксплуатации нефтепровода.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является проведение оценки циклической долговечности конструкции трубопровода и способности трубопровода сохранять работоспособность при его нагружении нормативным рабочим давлением и сверхнормативным изгибом в течение определенного времени.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является обеспечение возможности проведения испытаний, имитирующих сверхнормативные режимы эксплуатации нефтепровода.
min
max
max
норм
min
max
изг
н
изг
н
н
изг
изг
р
изг
р
Указанный технический результат достигается, а задача решается за счет того, что в способе испытаний труб на долговечность на испытательном стенде проводят монтаж натурного образца трубы с приваркой к торцам испытываемой трубы заглушек, причем одна из заглушек снабжена дренажным и сливным штуцерами, проводят испытания натурного образца трубы на долговечность нагружением циклическим внутренним давлением в диапазоне от минимального давления P до максимального давления P, причем Pсоответствует наибольшему избыточному давлению при эксплуатации трубопровода в нормативном режиме Р, а значение P не превышает 0,1 P, и циклическим изгибом натурного образца трубы приложением к нему изгибающего момента с измерением сверхнормативного радиуса изгиба ρнатурного образца в диапазоне 40 D≤ρ≤1000 D, где D - наружный диаметр испытываемой трубы; при этом нагружение внутренним давлением производится с заданной частотой ω, а частота ω нагружения натурного образца циклическим изгибом находится в диапазоне 0,003 ω≤ω≤ω; испытания на долговечность натурного образца трубы проводят до разрушения или разгерметизации натурного образца; по результатам проведения испытаний натурного образца трубы регистрируют параметры, определяющие его долговечность: количество циклов нагружения N, значение максимального и минимального давления и/или изгибающего момента до разрушения или разгерметизации натурного образца трубы.
тт
н
изг
н
н
изг
н
Отличием заявленного способа от наиболее близких аналогов является возможность проведения наряду с нормативными испытаниями (радиус изгиба р натурного образца в диапазоне 1000 D<ρ<∞, где D - наружный диаметр испытываемой трубы) испытания, имитирующие сверхнормативные режимы эксплуатации нефтепроводов (40 D≤ρ≤1000 D): работу участков нефтепроводов, изогнутых при строительно-монтажных работах; работу участков нефтепроводов с учетом фактора циклической сезонности температурного режима; работу участков нефтепроводов, изогнутых до потери устойчивости (образования гофр) при землетрясениях, сезонных подвижках грунтов.
Заявленный способ позволяет проводить испытания внутренним гидравлическим давлением и изгибом электросварных прямошовных труб и трубных секций с наружными диаметрами от 159 до 1220 мм включительно. Испытываемые трубы предварительно очищают от внешнего антикоррозионного изоляционного покрытия. При испытаниях на долговечность новых труб на них могут быть нанесены дефекты, инициирующие образование усталостных трещин. Стендовым испытаниям на долговечность могут подвергаться бывшие в эксплуатации трубы без дефектов, с дефектами или с искусственными имитаторами дефектов. Испытания на долговечность труб, бывших в эксплуатации, предназначены для оценки их технического состояния, уточнения остаточного ресурса, накопления представительной статистики данных для расчетов режимов эксплуатации трубопроводов.
Заявленный способ испытаний труб на долговечность осуществляют следующим образом.
Для позиционирования будущего места разрушения на испытываемой трубе проводят маркировку ее торцов и измерение геометрических размеров: длины, наружного диаметра и толщины стенки. Затем проводят монтаж натурного образца трубы: приваривают к торцам испытываемой трубы заглушки, каждая из которых состоит из проставка и эллиптического днища, причем одна из заглушек имеет дренажный и сливной штуцеры, а эллиптическое днище приварено к проставку с подваркой корня шва изнутри. При этом толщина стенки проставков должна в 1,2-1,3 раза превышать толщину стенки испытываемой трубы, а толщина днища должна быть не менее толщины стенки проставка.
Кроме того, натурный образец может вместо трубы содержать трубную секцию, представляющую собой по меньшей мере две трубы со сварным соединением их торцов, при этом длина трубной секции не превышает 25 м.
Проводят ультразвуковой и рентгеновский контроль заводских и монтажных сварных швов натурного образца трубы.
Устанавливают натурный образец трубы на испытательный стенд, присоединяют шланги дренажной и напорной линий стенда к запорной арматуре, установленной на дренажном и сливном штуцерах натурного образца трубы соответственно.
Заполняют натурный образец трубы водой через напорную линию до тех пор, пока из натурного образца трубы не будет полностью вытеснен воздух, после чего закрывают запорную арматуру, установленную на дренажном штуцере, и регистрируют температуру воды внутри натурного образца.
опр
опр
Проводят опрессовку натурного образца трубы: закрывают запорную арматуру на сливном штуцере, присоединяют к ней шланг напорной линии испытательного стенда и открывают его, после чего проводят выдержку натурного образца трубы при давлении Р в течение заданного интервала времени. При отсутствии падения давления Р в процессе выдержки и утечек воды делают вывод о герметичности натурного образца трубы и соединений шлангов и затем снижают давление в натурном образце трубы до нуля. В случае если в процессе выдержки происходит снижение давления, давление сбрасывают до нуля, обнаруживают место утечки, устраняют ее и повторяют опрессовку.
min
max
max
норм
min
max
изг
н
изг
н
н
Проводят испытания на долговечность натурного образца трубы нагружением циклическим внутренним давлением и циклическим изгибом. Нагружение циклическим внутренним давлением производят в диапазоне от минимального давления P до максимального давления P. Причем Pсоответствует наибольшему избыточному давлению при эксплуатации трубопровода в нормативном режиме Р, а значение P не превышает 0,1 P. Циклический изгиб натурного образца проводят приложением к нему изгибающего момента до достижения сверхнормативного радиуса изгиба ρнатурного образца в диапазоне 40 D≤ρ≤1000 D, где D - наружный диаметр испытываемой трубы.
р
Цикличность нагружения внутренним давлением производится с заданной частотой ω, что моделирует изменение давления перекачки нефти и нефтепродуктов по трубопроводу в процессе эксплуатации. Цикличность нагружения давлением соответствует наибольшей приведенной годовой цикличности нагружения, определенной по числу технологических переключений насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций за год (не более 360 циклов в год).
изг
р
изг
р
Нагружение натурного образца циклическим изгибом производится с частотой ω, которая находится в диапазоне 0,003 ω≤ω≤ω. Изгиб может возникать в реальном трубопроводе в следующих ситуациях:
- при укладке трубопровода (1 цикл по изгибу за все время эксплуатации трубопровода, то есть трубопровод имеет постоянный изгиб в процессе эксплуатации);
изг
р
- при упругом изгибе от воздействия внутреннего давления на трубу с частотой ω=ω;
изг
р
- при сезонных колебаниях температуры нефти и подвижках грунтов: могут возникать большие по амплитуде (сверхнормативные) изгибы трубопровода, повторяющиеся с частотой ω=0,003ω (1 цикл в год);
- изогнутого до образования гофра при строительно-монтажных работах (СМР) или просадке грунтов: могут возникать большие однократные сверхнормативные изгибы с образованием гофра (1 цикл по изгибу за все время эксплуатации трубопровода).
max
min
Испытания на долговечность натурного образца трубы проводят до разрушения или разгерметизации натурного образца. Нагружение давлением внутри одного цикла синусоидальное с максимальным давлением P и минимальным давлением P.
Частота циклов по давлению определяется с одной стороны недопущением возникновения гидроудара, с другой - производительностью гидравлической насосной системы (л/мин) испытательного стенда по созданию давления и изгиба.
По результатам проведения испытаний натурного образца трубы регистрируют параметры, определяющие его долговечность: количество циклов нагружения N, значение максимального и минимального давления и/или изгибающего момента до разрушения или разгерметизации натурного образца трубы.
min
max
max
норм
изг
н
изг
р
Для воспроизведения испытаний на сезонную цикличность температурного режима работы трубопровода, включая температурные воздействия и воздействия грунтов, к трубопроводу прикладывают нагрузки, не превышающие нормативные. Испытания на долговечность труб проводят циклическим внутренним давлением от минимального P≤0,1P до максимального P, соответствующего нормативному рабочему давлению Р с циклическим изменением радиуса изгиба ρ от ∞ (отсутствие изгиба) до минимально допустимого радиуса 1000 D. При этом частота по изгибающему моменту связана с частотой изменения по давлению соотношением: ω=0,003ω. Испытание на долговечность натурного образца трубы проводится до его разрушения или разгерметизации.
н
изг
н
min
max
max
норм
р
изг
н
изг
н
изг
р
Для имитации работы участков трубопровода, изогнутого при строительно-монтажных работах (СМР), проводят испытание натурного образца с изгибом 40 D≤ρ≤1000D и дополнительным воздействием давления. В результате получают радиус изгиба трубопровода меньший, чем минимально допустимый. Испытания на долговечность проводят циклическим внутренним давлением от минимального P≤0,1P до максимального P, соответствующего нормативному рабочему давлению Р с частотой циклов ω, при циклическом изменении радиуса изгиба испытываемой трубы ρ в диапазоне 40 D≤ρ≤1000D с частотой циклов ω=ω.
min
max
max
норм
р
изг
н
изг
р
Для имитации работы трубопровода с учетом фактора циклической сезонности температурного режима проводят испытания, при которых результирующий радиус изгиба трубопровода меньше, чем минимально допустимый и нагрузки на трубопровод превышают нормативные. Испытания на долговечность проводят циклическим внутренним давлением от минимального P<0,1P до максимального P, соответствующего нормативному рабочему давлению Р, с частотой циклов ω при циклическом изменении радиуса изгиба испытываемой трубы ρ от ∞ (отсутствие изгиба) до 500 D с частотой циклов ω=0,003ω.
min
max
max
норм
р
изг
Для имитации работы нефтепровода, изогнутого при СМР, или эксплуатации нефтепровода до образования гофры испытания на долговечность проводят циклическим внутренним давлением от минимального P≤0,1P до максимального P, соответствующего нормативному рабочему давлению Р, с частотой циклов ω при постоянном радиусе изгиба испытываемой трубы ρ, соответствующем образованию гофра на трубе.