К вопросу о применении технологии испытания газопроводов методом «Стресс-теста» для торможения дефектов КРН (обзор зарубежного опыта)

УДК 622.691.4.01: 532.5

К вопросу о применении технологии

испытания газопроводов методом

«стресс-теста» для торможения дефектов крн

в

процессе развития газотранспортной системы, с увеличением диаметров магистральных газопроводов от 720 до 1420 мм и повышением рабочих давлений от 5,5 до 10,0 МПа, повышаются и требования к испытаниям, при этом вопросы обеспечения безопасности газопроводов становятся все более актуальными.

В процессе эксплуатации трубопроводы испытывают температурные воздействия и подвергаются коррозионному и эрозионному износу.

Процесс образования трещин, как очагов разрушения, связывают с движением дислокаций вследствие деформаций металла и взаимодействия полей напряжений, окружающих дислокации. Зародыш трещины возникает в некотором микро- и субмикроскопическом объеме скопления дислокаций, в котором упругая энергия деформации достигла некоторой предельной величины, равной скрытой теплоте плавления. Такая насыщенность энергии и вызывает разрушение металла [1].

Следовательно, для раскрытия микротрещин и выявления дефектов в трубах, необходимо довести материал трубы до предела текучести, но так, чтобы не перейти в область неконтролируемой пластической деформации, что недостижимо даже при заводских испытаниях, так как максимальное «заводское» испытательное давление соответствует окружному напряжению растяжения, равному 0,95 ат [2].

Мировой опыт и результаты исследований влияния испытаний трубопроводов методом «стресс-теста» подтверждают эффективность данного способа для торможения развития трещиноподобных дефектов.

Стресс-испытание представляет собой особую форму гидроиспытания. Являясь настоящим испытанием на прочность и испытанием под нагрузкой, оно должно дойти до фактического предела текучести при растяжении на самом слабом элементе трубопровода. Например, в Германии за последние 15 лет стресс-испытания оправдали себя при восстановительных испытаниях дефектных трубопроводов различного возраста. Данные трубопроводы, признанные экспертами частично потерянными, после проведения на них стресс-испытаний снова приобрели проектные эксплуатационные свойства [2].

В результате теоретических соображений и предварительных испытаний была принята рекомендация увеличить испытательную нагрузку в направлении периметра до 110% фактически возникающих пределов текучести при растяжении. Этот способ испытаний довольно быстро нашел практическое применение. Во избежание недопустимых высоких деформаций фиксируют объем закачанной воды при соответствующем данному объему приросту давления в трубах (рис. 1). Аналогичный график с учетом эффекта тренинга приведен

М.В. ЧуЧкАЛОВ, к.т.н.,

помощник генерального директора

ООО «Газпром трансгаз уфа»

E-mail: mchuchkalov@ufa-tr.gazprom.ru

В статье приведён обзор опубликованных результатов исследований применения технологии испытания газопроводов методом «стресс-теста» для торможения дефектов КРН.

Мировой опыт показывает, что наряду с качественным ремонтом данный метод способствует обеспечению целостности трубопровода в течение длительного срока безопасной эксплуатации. Вместе с тем отмечается, что в достаточной степени не исследованы особенности «стресс-теста» при капитальном ремонте в отличие от аналогичных испытаний нового трубопровода.

ключевые слова: технология, испытание, газопровод, «стресс-тест», стресс-коррозия.

The article is a summary of the published results of research of test method of gas pipelines of «stress test» for braking defects of stress corrosion.

The world experience shows that along with high-quality repair, this method promotes the integrity of the pipeline for the long-term safe operation. It is noted, however, that is not sufficiently explored especially «stress test» when major repairs in contrast with similar tests of a new pipeline.

Keywords: technology, testing, gas pipeline, stress test, stress-corrosion, overview.

ТРУБОПРОВОДНОЕ ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ

на рис. 2. Для определения максимального испытательного давления при помощи приемочных актов дополнительно используются функции распределения произведения «предел текучести при растяжении I толщина стенки» (величин ат х s).

Причём вводится так называемый понижающий фактор (от 0,92 до 0,98), что исключает попадание самой слабой трубы в зону предела текучести в размере 0,2% остаточного удлинения.

Гесслер [3] подвергал трубы статистической оценке и в результате теоретических исследований он рассчитал максимальные допустимые отклонения объема. Эти величины были включены в модифицированной форме в рекомендации [4] в качестве фактора безопасности.

При естественном нормальном распределении дефектов количество выявленных дефектов возрастает сверхпропорционально размеру напряжения в окружном направлении сечения трубы (рис. 3). Чем выше прочность и соотношение предела текучести при растяжении к прочности при растяжении, тем больше будет количество более мелких дефектов, обнаруживаемых при стресс-испытании [2].

Уменьшение напряжения

При «стресс-тесте» внутренние и дополнительные напряжения накладываются на прилагаемые испытательные напряжения. При неравномерно распределенных внутренних напряжениях увеличение нагрузки, выходящее за предел пропорциональности, как правило, приведет только к относительно малым пластическим деформациям. Внутренние напряжения, действующие в окружном направлении, уменьшаются примерно до остаточной величины в размере около 15-20% предела текучести при растяжении.

Отклонения от формы

Как показывает опыт, имеют место отклонения от формы по причине самого производства труб. Если ограничить факторы, увеличивающие напряжения при овальности и сравнимых деформациях, величиной 2, то потребуются испытательные окружные напряжения около 85% фактического предела текучести при растяжении и выше. В результате такой нагрузки эллипсовидные овальности уменьшаются до величин, ниже 2% [5].

На рис. 4 приведены различные кривые Вёлера по Веллингеру. Можно сказать следующее: чем меньше локальные размеры деформации, тем нормативное напряжение должно быть ближе к фактическому пределу текучести при растяжении и тем больше должна быть пластическая деформация в этих зонах, чтобы вызвать отклонения от первоначальной формы.

Поведение оставшихся дефектов и пиков напряжений в условиях эксплуатационной нагрузки

Во многих трудах и результатах исследований [1-4] говорится о том, что высокие нагрузки улучшают поведение оставшихся дефектов в отношении цикличных нагрузок. В частности, на их вершинах

Рис. 1. Диаграмма «давление-объём»

Рис. 2. Квантифицированное стресс-испытание с эффектом тренинга

Количество разрывов

Рис. 3. Распределение изломов на газопроводе с коррозией растрескивания из-за внутренних напряжений

и краях, а также на пиках напряжений под влиянием высоких нагрузок будет начинаться течение, которое при снятии нагрузки приводит к отрицательным предварительным напряжениям.

Практика показывает, что развитие трещин замедляется до остановки трещинообразования тем больше, чем выше предварительная нагрузка и чем больше расстояние от предварительной нагрузки.

Рис. 4. Диаграмма Вёлера для круглых и эллиптических труб по Веллингеру

При обобщении литературных данных оказалось, что в будущем желательно проводить испытания ближе к требованиям практики. Так, например, следовало бы выбрать двукратное медленное приложение предварительной нагрузки достаточной продолжительностью, то есть, не только продолжительностью в несколько секунд. К сожалению, испытания с пульсирующим внутренним давлением ранее не проводились. На практике проведения таких гидроиспытаний многие из этих дефектов могли бы быть выявлены уже при более низких давлениях и, следовательно, соотнесены к более низкому испытательному давлению.

Обобщая многие труды и результаты исследований, Дэшант сделал вывод о том, что для трубопроводов с разрывами и утечками в результате коррозии растрескивания из-за внутренних напряжений или с прочими скоплениями трещин кроме стресс-испытания еще не найдено другого приемлемого метода для восстановления трубопроводов [1,2].

Кроме того, «стресс-тест» позволяет выявить такие дефекты, которые никакими иными способами выявить не удавалось. Например, разрыв, который зарождается в длинной царапине, уже не может быть остановлен в пределах остаточной толщины стенки.

Результаты исследований и мировой опыт применения испытаний трубопроводов методом «стресс-теста» показывают, что наряду с качественным ремонтом данный метод способствует обеспечению целостности трубопровода в течение длительного срока безопасной эксплуатации, а именно:

• предотвращает дальнейшее развитие трещин;

• выравнивает деформационные свойств труб;

• снижает напряжения (от сварки, укладки и пр.);

• способствует восстановлению несущей способности трубопровода;

• обеспечивает запас прочности по отношению к рабочему давлению не ниже 1,55.

Вместе с тем следует отметить, что современное состояние исследований в области испытаний трубопроводов повышенным давлением пока не позволяет в полной мере использовать результаты данных исследований для широкого применения стресс-испытаний с целью реабилитации трубопроводов, включая использование труб повторного применения с дефектами КРН после их восстановления, по следующим причинам:

1. Нормативные методические указания по проведению стресс-испытаний, действующие в ЕС [4] и РФ (ВН 39-1.9-004-98), разработаны применительно к новым, строящимся трубопроводам, и не учитывают специфику состояния трубопроводов после капитального ремонта.

В частности, контроль нагружения трубопровода внутренним давлением воды осуществляется без учета гидродинамических скачков давления и расхода воды, что в значительной степени влияет на распределение кольцевых напряжений при растяжении и остаточных напряжений при сжатии как по периметру труб, так и вдоль продольной координаты.

2. В достаточной степени не исследованы особенности «стресс-теста» трубопровода при капитальном ремонте в отличие от аналогичных испытаний нового трубопровода:

• трубопровод смонтирован из труб с различным качеством ремонта;

• трубы обладают различными деформационными свойствами и уровнем остаточных напряжений.

Данное обстоятельство приводит к тому, что необходимо предъявлять дополнительные требования к технологии испытаний.

список литературы

1. Dechant K.E. Stresstests an Rohrleitungen zur Erhöhung der Sicherheit und Lebensdauer. TO 13 (1972) Nr. 3, S. 79-85.

2. Dechant K.E. Stresstest - Prüfziel und bisherige Erfahrungen. 3R international 15 (1976) Nr. 1, S. 26-30.

3. Gaessler H. Die Belastbarkeit von Stahlrohren bei der Festigkeitsprüfung von Rohrleitungen nach dem «Stresstestvervahren». 3R international 15 (1976) Nr. 7, S. 367-374.

4. Vereinigung der Technischen Uberwachungs -Vereine; Vd TÜV - Merkblatt Rohrleitungen 1060. Richtlinien für Duchfuhrung des Strebtest, 1977. Maxmilian Vertal, Herford.

5. Delbeck W., Engel A., Knocinski Z. und Müller D. Auswirkung des Stresstests auf spannungsriükorros ionsgeschüdigte Leitungsbauteile. GAS-Erdgas 134 (1993) Nr. 5, S. 263-271.