Повышение безопасности эксплуатации трубопроводов с проблемными участками

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Обеспечение технической безопасности производственных объектов, свя­занных с транспортировкой и добычей углеводородного сырья, является одной из основных задач газотранспортных предприятий. Это объясняется тем, что средства, выделяемые на ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций, возникающих на линейной части трубопроводов, значительно превосходят за­траты на обеспечение надежности производственных объектов.

Теория оценки работоспособности металла труб связана с именами веду­щих ученых: Азметова Х.А., Гумерова А.Г., Гумерова Р.С., Зайнуллина Р.С., Иван­цова О.М., Макарова Г.И., Смирнова М.А., Султанова М.Х., Чабуркина В.Д., Черняева К.В., Ямалеева К.М. и др. Особенности экс­плуатации и обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов, транспор­тирующих сероводородсодержащие среды, отражены в работах ученых: Анто­нова В.Г., Гафарова Н.А., Генделя Г.Л., Иванова С.И., Кушнаренко В.М., Мака­ренко В.Д., Митрофанова А.В., Перунова Б.В., Стеклова О.И. и др.

С началом применения современных средств диагностирования на линейной части трубопроводов была решена проблема обеспечения безопасной эксплуа­тации трубопроводов за счет своевременного выявления, оценки степени опас­ности основных видов дефектов и их ремонта.

В то же время, несмотря на то что техническое состояние металла труб ли­нейной части находится под контролем, а на диагностирование тратятся значи­тельные средства, остаются проблемные участки трубопроводов, для оценки технического состояния которых необходима комплексная оценка, а требова­ния к их безопасной эксплуатации не отражены в действующих нормативных документах.

В частности, для переходов через естественные и искусственные преграды существуют нормативные документы, на основании которых проводятся диаг­ностические обследования и выдаются рекомендации по обслуживанию и ре­монту отдельных конструкций – опор воздушных переходов, кожухов, запор­ной арматуры, русловой части трубопроводов и т.д. При этом комплексная оценка всего перехода не проводится, и не учитывается возможное совокупное влияние факторов, которое может при­вести к нарушению целостности трубопровода.

При проведении экспертизы промышленной безопасности возникают проблемы, связанные с тем, что отдельные участки трубопроводов, сооруженные более 30 лет назад, не соответствуют нормативным документам РД 558-97 (раздел I п.4.3.12, раздел II п. 2.2.10), СП 34-116-97 (п. 15.43, п. 15.44),
СП 105-34-96 (п. 6.6), ВСН 006-89 (п. 2.11.21), а именно имеют смещение продольных швов смежных труб менее 100 мм. Анализ ре­зультатов внутритрубной дефектоскопии показал, что общее количество участков, не соответствующих требованиям нормативных документов на ли­нейной части трубопроводов, составляет более 1000 шт. На практике это означает многолетний ремонт линейной части трубопровода с периодической остановкой и вытеснением продукта.

Серьезной проблемой при обеспечении безопасной эксплуатации трубопроводов являются несанкционированные и заглушенные врезки. Статистика показывает, что при обнаружении они имеют предаварийное состояние всех элементов, так как смонтированы неквалифицированно, с применением «подручных» средств и материалов. В то же время внеплановая остановка трубопровода и замена участка с врезкой всегда связаны с проблемой нарушения договорных поставок продукции. Поэтому необходим метод ликвидации врезок без нарушения режима транспорта продукции по трубопроводу.

Изменение состояния металла трубопроводов при длительной эксплуатации определяет необходимость оценки дефектности металла и работоспособности труб. Для вновь сооружаемых и реконструируемых трубопроводов существующие нормы дефектности металла обеспечиваются строгим соблюдением установленной технологии, в то время как для трубопроводов, отработавших боле 20 лет, вопрос о замене выявленных дефектных участков, с которыми они проработали продолжительный период, остается актуальным.

Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводов с проблемными участками, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды, путем совершенствования конструктивных элементов трубопроводов и технологии ингибиторной защиты.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Определение изменения свойств металла труб при длительной эксплуатации на Оренбургском газоконденсатном месторождении (ОНГКМ);

2. Оценка конструктивной прочности участков трубопроводов с приварными патрубками и с нерегламентированным смещением продольных швов;

3. Разработка способов повышения безопасной эксплуатации участков трубопроводов с несанкционированными врезками;

4. Оценка интенсивности отказов и очередности ремонта проблемных участков трубопроводов.

Поставленные задачи решены с использованием информационных технологий, теорий оценки надежности и эффективности, вероятности, математической статистики. При проведении исследований использовано современное измерительное оборудование, оригинальные и стандартные методики.

1. Установлено, что водородные расслоения сталей при длительной (более 25 лет) эксплуатации труб, транспортирующих сероводородсодержащие среды, образуются не только в областях расположения сульфидных включений, но и вблизи частиц корунда Al₂O₃, расположенных преимущественно в центральной части стенки металла труб. Исследованиями тонкой структуры сталей труб выявлена деградация структуры перлита – дробление цементитных частиц и увеличение плотности дислокаций. Критический размер включений в стали, выше которого они становятся заведомо опасными, для условий статических испытаний – более 20 мкм.

2. Определены напряженно-деформированное состояние (НДС) и конструктивная прочность предложенных защитных конструкций. В области защитной конструкции с усиливающей накладкой напряжения не превышают средние напряжения в металле трубы. Все испытуемые трубы выдержали программу циклического нагружения давлением и разрушились при давлении, превышающем рабочее более чем в 2,73 раза.

3. Предложен алгоритм определения интенсивности отказов проблемных участков трубопроводов на основе балльной оценки факторов влияния на их техническое состояние с учетом особенностей эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

- результаты исследования изменения структурно-физического состояния металла участков трубопроводов при длительной эксплуатации в условиях воздействия сероводородсодержащих сред;

- результаты оценки конструктивной прочности и напряженно-деформированного состояния участков трубопроводов со смещением продольных швов менее 100 мм, вырезанных из действующих трубопроводов, и защитных конструкций для ликвидации несанкционированных и заглушенных врезок;

- результаты приемочных стендовых испытаний трубной отечественной продукции;

- алгоритм оценки технического состояния проблемных участков трубопроводов и приведения их в соответствие с требованиями нормативных документов.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработаны технологии ингибирования и введена в действие «Временная технологическая карта ингибиторной защиты газопроводов неочищенного газа» с целью максимального ограничения воздействия среды на изменение структурно-физического состояния металла элементов трубопроводов при длительной эксплуатации и обеспечения необходимого уровня безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

2. Предложена методика оценки интенсивности отказов и очередности ремонта проблемных участков трубопроводов. Для автоматизированного определения интенсивности отказов потенциально опасных участков трубопроводов разработан программный модуль «Intensivnost TP» (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2011619298 от 05.12.2011 года «Программа для автоматизированного расчета интенсивности отказов проблемных участков трубопроводов и комплексной оценки их технического состояния»).

3. Результаты исследований участков трубопроводов со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм вошли в СТО Газпром 0-03-22-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата».

4. Разработаны защитные конструкции для ликвидации несанкционированных и заглушенных врезок на трубопроводах до плановой остановки и проведения ремонтных работ. Защитные конструкции применяются в ООО «Газпром добыча Оренбург».

5. Предложена технология сварки штуцерных соединений без термообработки на газопроводах, транспортирующих сероводородсодержащий газ.

Основные положения и результаты работы докладывались на V международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбургский государственный университет, Оренбург, 2008 г.),

Разработанная дополнительная классификация категорий переходов трубопроводов через искусственные и естественные преграды при оценке интенсивности отказов участков трубопроводов и результаты исследования возможности эксплуатации участки трубопроводов со смещением продольных швов менее 100 мм вошли в СТО 0-03-22-2008, разработанный ООО «ВНИИгаз», АНО «Технопарк ОГУ», ООО «Газпром добыча Оренбург». Программный модуль «Intensivnost ТР» апробирован и используется при продлении срока эксплуатации трубопроводов ООО «Газпром добыча Оренбург».

Автор выражает благодарность профессору ОГУ, д.т.н. Кушнаренко В.М. за помощь в проведении исследований и обсуждении результатов работы.

Анализ особенностей эксплуатации трубопроводов показал, что линейная часть трубопроводов при проведении диагностических работ и ремонте потенциально опасных дефектных участков обеспечивает безаварийный транспорт углеводородов. В то же время существуют проблемные участки (рисунок 1), которые могут оказывать негативное влияние на техническое состояние трубопроводов. Для повышения безопасности эксплуатации линейной части трубопроводов необходимо эти участки контролировать в процессе эксплуатации или устранять при проведении плановых ремонтных работ.

Рисунок 1 – Проблемные участки трубопроводов ОНГКМ

Исследование тонкой структуры металлургических расслоений электронно-микроскопическим методом показало, что в отдельных локальных участках перлита наблюдается разная степень деградации структуры (рисунок 2). В большинстве перлитных колоний произошли заметные изменения. Пластины цементита раздроблены и развернуты, их толщина неодинакова по длине пластины, а концы приобрели округлую форму. На темнопольном изображении, полученном в рефлексе цементита, хорошо видна морфология цементитных пластин. В ферритной составляющей перлита заметно повышена плотность дислокаций. Бóльшая часть цементитных пластин разделилась на более мелкие фрагменты, которые имеют неправильную, часто эллипсовидную форму. Такое изменение формы пластин связано с оттоком углерода в ферритную составляющую. Другим следствием перераспределения углерода является появление контраста внутри цементитных пластин и, фактически, их растворение.

а, б – светло- и темнопольное изображения в рефлексе цементита;

в – светлопольное изображение; г, е – светлопольные изображения;

д – темнопольное изображение в рефлексе цементита

На снижение механических свойств металла трубы наиболее существенное влияние оказывают включения корунда Al₂O₃ и шпинели с окислами кальция, имеющие более низкий коэффициент расширения, чем сталь. Предел прочности и относительное удлинение стали с увеличением содержания включений в ней уменьшаются потому, что включения служат концентраторами напряжений и деформаций в матрице, что вызывает локальное разрушение при более низкой средней деформации. Неметаллические включения, особенно типа корунда Al₂O₃, способствуют охрупчиванию сталей, поскольку образование трещины вблизи включения снижает работу ее зарождения.

Более крупные включения опаснее для стали, чем мелкие. Критический размер включений в стали, выше которого они становятся заведомо опасными, для условий статических испытаний – более 20 мкм.

При длительной эксплуатации в условиях действия знакопеременных циклических и постоянных нагрузок вблизи включений неизбежно возникает локальное поле напряжений, величина которых зависит от вида нагружения, размера, формы и взаимного влияния включений и металла. Например, при циклическом нагружении напряжения вблизи включений достигают величины предела текучести стали. Процесс накопления этих напряжений приводит к зарождению усталостных трещин вблизи включений. Термоструктурные напряжения способствуют образованию полостей на границах включений с матрицей, являющихся готовыми очагами разрушения.

Для оценки структурной и химической неоднородности металла в области водородных расслоений проведены исследования металла из образцов труб
 20 х 18 мм, изготовленных из стали 20 импортной поставки.

Рассмотрение нетравленого шлифа вблизи дефекта (на расстоянии 0,1…2,0 мм) показало, что в центральном слое листа присутствует большое количество строчечных неметаллических включений длиной 5…10 мкм. Частицы располагаются в виде строчек и объединены в группы. Водородные расслоения расположены параллельно слоям феррита (перлита), следовательно, плоскости прокатки (рисунок 3).

В местах сочленения двух близкорасположенных расслоений имеет место характерный изгиб полос слоистой феррито-перлитной структуры. Водородные расслоения зародились на несплошностях до формирования феррито-перлитной структуры, то есть при горячей деформации прокаткой.

Рисунок 3 – Структура водородного расслоения металла трубы

Внутри расслоения обнаружены кислород, сера, углерод, хром, титан, медь, кальций, алюминий, находящиеся в виде сложных оксисульфидов алюминия, кальция, кремния, то есть шлаковых включений типа шпинелей. Линии никеля и меди присутствуют в спектре, так как они содержатся в стали в небольших количествах. Наличие в спектре линии хрома объясняется внедрением в полость расслоения окиси хрома, использовавшейся при полировке шлифа.

Наиболее крупные частицы кубической формы (рисунок 4) представляют собой карбиды титана и исследованы методом микрорентгеноспектрального анализа. Установлено, что они содержат большое количество кремния и кислорода, то есть представляют собой крупные (50…70 мкм) частицы силикатов. Полость расслоений содержит многочисленные шлаковые включения, частицы карбидов титана, а также крупные частицы силикатов.

Element	Wt%	At%
CK	06.92	23.14
SK	00.55	00.69
TiK	79.99	67.05
CrK	02.01	01.55
FeK	10.52	07.56
Matrix	Correction	ZAF

а – изображение дефекта в образце; б – вид спектра;

в – химический состав частицы карбида титана
Рисунок 4 – Карбид титана в полости дефекта металла трубы  720 х 18 мм
Расслоение в центральном по толщине слое в исследуемой стали из трубы поставки по TU-28 FR 73 возникло еще при горячей деформации прокаткой на границах «матрица – частицы корунда», «матрица – частицы шпинелей». В дальнейшем при эксплуатации трубопровода в условиях воздействия наводороживающей среды первичное расслоение (сочетающееся с неоднородностью структуры) явилось причиной развития водородных расслоений макротрещин в центральном слое стенки трубы.

Таким образом, исследования позволили установить, что наличие микропор является фактором, резко ограничивающим работоспособность материала трубы. Негативные последствия, обусловленные их присутствием, многократно усугубляются условиями эксплуатации в водородсодержащей атмосфере. Деградация перлитной структуры стальных труб при длительной эксплуатации, выражающаяся в дроблении цементитных частиц и в повышении плотности дислокаций феррито-перлитной структуры, также способствует повышению степени насыщения стали 20 водородом при контакте с сероводородсодержащей средой.

С целью максимального ограничения воздействия среды на изменение структурно-физического состояния металла элементов трубопроводов при длительной эксплуатации разработаны технологии ингибирования и введена в действие «Временная технологическая карта ингибиторной защиты газопроводов неочищенного газа». Основными способами доставки пленкообразующего ингибитора к защищаемой поверхности являются: гидродинамический способ, при котором ввод ингибитора производится непосредствен­но в газожидкостной поток; поршневой способ, при котором пленка наносится периодически путем проталкивания по газопроводу жидкой пробки раствора ингибитора, заключенной между двух порш­ней, либо перемещаемой одним поршнем; аэрозольный способ ингибирования.

При проведении ремонтных работ возникает необходимость сварки новых труб с находящимися в эксплуатации деталями трубопроводов (тройниками, переходами, отводами, вельдолетами, штуцерами, фланцами и т.д.). С целью определения размеров зоны термического влияния сварных соединений, подлежащей удалению при стыковке деталей трубопроводов, проведены коррозионно-механические испытания и разработаны рекомендации по механической об­работке торцов деталей из стали 20.

Анализ результатов испытаний образцов на растяжение по ГОСТ 1497 и ударный изгиб по ГОСТ 6996 не выявил значимого отличия в механических свойствах металла испытываемых сварных соединений, при этом их механические характеристики находятся на высоком уровне. Твердость литого металла шва и зоны термического влияния исследуемых сварных соединений не превышает 165 НВ (рисунок 5).

При определении сопротивления сварных соединений сероводородному растрескиванию (СР) испытания проводили по методике NACE ТМ 0177. Базовое время для испытания образцов составляло 720 часов при концентрации H₂S в жидкой фазе более 2,4 мг/л. Испытывали образцы при одинаковых нагрузках, создающих напряжения s = 0,8 s_0,2 . После 720 часов выдержки образцов в растворе NACE их дорывали на воздухе. Результаты испытаний (рисунок 5) свидетельствуют о высоких коррозионно-механических свойствах исследуемых сварных соединений.

Рисунок 5 – Механические свойства сварных соединений

до и после испытаний на СР
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что коррозионно-механические характеристики сварных соединений, полученных из бывшего в эксплуатации металла с удалением зоны термического влияния (ЗТВ) «старого» шва на 1 мм от зоны сплавления, практически не отличаются от характеристик сварных соединений, полученных с удалением ЗТВ от «старого» шва на 20 мм.

При этом для обеспечения надёжности таких сварных соединений необходимо ограничить содержание серы в основном и наплавленном металлах до 0,010 % в случае удаления ЗТВ бывшего в эксплуатации сварного соединения на глубину не менее 1 мм, и до 0,015 % при удалении ЗТВ на глубину 5 мм, и обеспечить получение качественных сварных соединений, соответствующих требованиям ВСН 006-89.

Для предотвращения аварийных ситуаций, связанных с несанкционированными врезками в трубопроводы, и сокращения потерь транспортируемого продукта во время внеплановых остановок при их ликвидации предлагается устанавливать на обнаруженные врезки защитные конструкции. В качестве основных способов монтажа защитных конструкций приняты две конструкции: усиление сварного шва патрубка и основного металла трубы приваркой усиливающей накладки; усиление сварного шва патрубка приваркой бандажа (рисунок 6). Вторая конструкция применяется в случае приварки штуцера несанкционированной врезки возле продольного или кольцевого сварного шва на расстоянии менее 300 мм от них.

Д
Заглушка

Заглушка
ля определения несущей способности предложенных защитных конструкций и оценки их прочностных свойств проведены теоретические исследования и натурные испытания.

Заглушка

Труба

Несанкционированная врезка

0…3 допускаемый

зазор

Кран перекрыть,

рукоятку

демонтировать

65 min

65 min

Кран перекрыть,

рукоятку

демонтировать

Усиливающая накладка

150

Рисунок 6 – Защитные конструкции для ликвидации врезок

Оценку прочностных свойств защитных конструкций проводили с помощью программного комплекса МКЭ APM «WinMachine». Исходные данные подготавливали для модели напряженно-деформированного состояния представленных защитных конструкций.

Так как конструкция симметрична, то для упрощения решаемой задачи моделировалась только четверть конструкции. Остальная часть конструкции заменялась наложением граничных условий. Модель разбивалась на конечные элементы – тетраэдры с длиной ребра от 3 до 10 мм (рисунок 7, а).

В результате расчета получили карту распределения напряжений в конечных элементах для случая, когда давление в трубе составляет 5,2 МПа, а внутри защитной конструкции давление отсутствует. Максимальные напряжения обнаружены в зоне 1 (рисунок 7, б), а минимальные – в зоне 2 области приварки защитной конструкции. Полученные данные использовались при наклейке тензодатчиков при проведении натурных испытаний защитных конструкций.

а – разбиение модели на конечные элементы;

б – области максимальных и минимальных напряжений
Рисунок 7 – НДС металла в области защитной конструкции
Проведенные гидравлические испытания труб Ду 350 и Ду 700 с защитными конструкциями для ликвидации врезок позволили оценить предельные характеристики прочности труб и установить величины напряжений в характерных точках. Результаты теоретических расчетов подтверждены данными тензометрирования, полученными при гидравлических испытаниях натурных защитных конструкций (таблица 1).
Таблица 1– Сопоставление значений напряжений, полученных при расчете
методом конечных элементов (МКЭ) и в процессе натурных
испытаний

№ кон­троль­ной точки	Напряжения, полученные при испытаниях труб, МПа		Напряжения, полученные при расчете МКЭ, МПа
	σ1	σ2	σ1	σ2
1	375	240	407	220
8	342	207	340	285
9	175	109	134	36
10	74	34	143	77
11	68	29	69	57
12	605	258	452	235

Все испытуемые трубы выдержали программу циклического нагружения давлением и разрушились при давлениях 17,5…20,5 МПа, что превышает проектное давление 6,4 МПа более чем в 2,73 раза.

Таким образом, расчеты прочностных свойств защитных конструкций с помощью программного комплекса МКЭ APM «WinMachine» и натурные гидравлические испытания труб Ду 350 и Ду 700 с защитными конструкциями позволили оценить предельные характеристики прочности труб и установить, что разрушения защитных конструкций происходят при величине максимальных напряжений на 29,8 % выше средних напряжений металла трубы. Предложенные защитные конструкции могут быть использованы для исключения возможности аварий на участках с врезками.

С целью определения несущей способности, прочности и сопротивления малоцикловой усталости участков труб со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм проведены гидравлические испытания. Объектом испытаний являлись натурные образцы труб газопроводов неочищенного газа

В ходе проведения гидравлических испытаний осуществляли измерение напряженно-деформированного состояния смежных труб без смещения продольных швов. В процессе всей программы испытаний труб пластическое течение металла не было обнаружено. В металле труб со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм увеличиваются напряжения в дефектном сварном соединении в области пересечения кольцевого и продольных сварных швов до 22 %. При наличии дефекта в основном металле труб у пересечения сварных швов труб со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм сварные швы играют роль бандажа. При повышении давления и достижении напряжениями предела текучести металла в области дефекта, концентрации напряжений уменьшаются за счет их перераспределения. Испытанные участки труб со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм не создают повышенного напряженного состояния в основном металле труб, но при наличии дефекта в окружном шве приводят к значительной концентрации напряжений.

Участки трубопроводов со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм допускаются к подконтрольной эксплуатации при отсутствии дефектов в области пересечения сварных соединений.

С целью определения несущей способности сварных соединений отводных патрубков на трубопроводах, монтаж которых проведен без термообработки, и оценки их прочностных свойств проведены натурные гидравлические испытания. Объектом испытаний являлись трубы Ду 700, Ду 350 и Ду 300 с отводными патрубками. Всего испытано пять труб, к которым было приварено 15 патрубков (8 – новых и 7 – отработавших более 10 лет на трубопроводах ОГКМ). Твердость труб и патрубков до проведения испытаний не превышала значений 22 HRC и соответствовала требованиям NACE MR0175-97.

При разрушении тела трубы по образующей отверстия патрубков сдерживают дальнейшее распространение трещины.

Рисунок 8 – Разрушение труб с приварными патрубками

Результаты испытаний труб с приварными патрубками показали возможность их применения на трубопроводах, транспортирующих сероводородсодержащий газ, по разработанной технологии сварки без проведения термообработки.

Для замены дефектных участков и проведения реконструкции трубопроводов ОНГКМ необходимы трубы и детали трубопроводов, стойкие к воздействию сероводородсодержащих сред. С целью импортозамещения и возможности использования трубной продукции отечественного производства при проведении ремонтных работ в ООО «Газпром добыча Оренбург» при содействии ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и АНО «Технопарк ОГУ» разработан проект и оборудована технологическая площадка для приемочных стендовых испытаний труб и деталей трубопроводов в условиях, близких к эксплуатационным.

На стенде проведены приемочные испытания с целью определения возможности применения электросварных прямошовных труб  700 х 19 х 22 производства ОАО «Выксунский металлургический завод», а также узла трубного, состоящего из штампосварного тройника и перехода, отвода гнутого, отвода крутоизогнутого штампосварного и штампосварных днищ, изготовленных на ОАО «Трубодеталь».

При испытании трубной продукции в течение 6 месяцев применяется минерализованная водометанольная сероводородсодержащая смесь Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения, содержащая до 4,99 % об. H₂S и 1,86 % об. СО₂, имеющая парциальное давление сероводорода до 4,0 кгс/см².

Положительные результаты приемочных испытаний изделий позволили создать технические условия на серийное производство труб и деталей трубопровода, произведенных на заводах Объединенной металлургической компании, и вместе с результатами приемочных испытаний передать их на согласование в Комиссию ОАО «Газпром» с последующим внесением в реестр.

В четвертой главе рассмотрена методика оценки интенсивности отказов и очередности ремонта проблемных участков трубопроводов.

Для оценки локальной частоты отказов проблемных участков трубопровода вводится система классификации и группировки факторов влияния в соответствии с общими причинами отказов, выявляемыми при анализе статистических данных по отказам. Из статистических данных по отказам трубопроводов с проблемными участками определяются группы факторов влияния с указанием относительного «вклада» каждой группы в суммарную статистику отказов с помощью весового коэффициента.

В пределах каждой группы Гр_i имеется различное количество (J_i) факторов влияния, каждый фактор имеет буквенно-цифровое обозначение F_ij, где i – номер группы, j – номер фактора в группе. Относительный вклад фактора F_ij внутри своей группы в изменение интенсивности отказов на рассматриваемом участке трубопровода учитывается с помощью весового коэффициента (доли фактора в группе) q_ij.

Затем на каждом проблемном участке трассы определяется интегральный коэффициент к_вл, показывающий во сколько раз интенсивность отказов

Значение для трубопроводов ОНГКМ принимается = 0,0013 км в год.

Расчет коэффициента к_вл производится с использованием балльной оценочной системы, при которой каждому фактору F_ij ставится в соответствие определенное, назначаемое на основании расчета или экспертной оценки, количество баллов В_ij (по 10-балльной шкале), отражающее интенсивность его влияния. При рассмотрении конкретного n-ого участка трассы последовательно оценивается степень влияния каждого из факторов.

Полученные для всех факторов влияния балльные оценки {B_ij, i =1,…,I, j=1,…,J} подставляются в следующие формулы для определения к_вл:

где (3)

При оценке значений группы факторов Гр_i и факторов влияния в каждой группе применительно к соединительным трубопроводам ОНГКМ, транспортирующим сероводородсодержащие среды, проведена коллективная экспертная оценка по разработанным анкетам. Оценки относительной важности групп и факторов влияния определялись в анкетах по 10-балльной шкале, при этом более важным, по мнению эксперта, факторам, присваивались более высокие баллы.

По полученным исходным данным, согласно формулам (1) – (4), находим интенсивности отказов на каждом проблемном участке трубопроводов.

Расчет интенсивности отказов проводится с применением программного обеспечения, разработанного специально для решения поставленной задачи. Программа «Intensivnost ТР» написана на Object Pascal, Borland Delphi 5.0 и представляет собой модуль, который в дальнейшем может быть интегрирован в Базу данных для оценки технического состояния линейной части трубопроводов ОНГКМ.

Интерфейс программы разрабатывался преднамеренно максимально простым с целью проведения расчетов инженерами, имеющими основные навыки работы с компьютером (рисунок 9).

Рисунок 9 – Интерфейс программного модуля «Intensivnost ТР»

Программа позволяет в диалоговом режиме вводить, изменять исходные данные, а после получения результатов корректировать данные с последующим расчетом и построением графика. При корректировке данных и новом построении графиков интенсивности отказов участков трубопроводов предыдущие значения сохраняются с целью возможности сравнения полученных результатов.

Рисунок 10 – Изменение интенсивности отказов проблемных участков трубопроводов

1. Установлено, что водородные расслоения сталей при длительной (более 25 лет) эксплуатации труб в сероводородсодержащей среде образуются не только в областях расположения сульфидных включений, но и вблизи частиц корунда Al₂O₃, расположенных преимущественно в центральной части стенки металла труб. Исследованиями тонкой структуры сталей труб выявлена деградация структуры перлита – дробление цементитных частиц и увеличение плотности дислокаций. Увеличение площади межфазных границ «феррит – цементит» и повышение плотности дефектов кристаллического строения в свою очередь способствуют насыщению сталей водородом и последующему сероводородному растрескиванию металла труб.

2. Результаты теоретической оценки НДС в области защитных конструкций, проведенной с помощью программного комплекса МКЭ APM «WinMachine», и натурных гидравлических испытаний труб Ду 350 и Ду 700 с защитными конструкциями позволили оценить предельные прочностные характеристики труб и установить, что разрушения защитных конструкций происходят при величине максимальных напряжений на 29,8 % выше средних напряжений металла трубы. Предложенные защитные конструкции используются на трубопроводах ОНГКМ для исключения возможности аварий на участках с технологическими и несанкционированными врезками.

3. Установлено, что в металле труб со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм увеличиваются напряжения в дефектном сварном соединении в области пересечения кольцевого и продольных сварных швов до 22 %. При наличии дефекта в основном металле труб у пересечения сварных швов труб со смещением продольных швов смежных труб менее 100 мм сварные швы играют роль бандажа. При повышении давления и достижении напряжениями предела текучести металла в области дефекта концентрации напряжений уменьшаются за счет их перераспределения. Результаты натурных испытаний труб со смещением продольных стыков менее 100 мм позволили внести соответствующие рекомендации в СТО Газпром 0-03-22-2008.

4. Разработанная методика и оборудование для натурных испытаний труб позволили провести приемочные испытания отечественной трубной продукции и рекомендовать сероводородстойкие трубы и детали российских производителей для замены дефектных участков с целью повышения безопасной эксплуатации трубопроводов ОНГКМ.

5. Разработанная классификация категорий переходов трубопроводов через искусственные и естественные преграды при оценке интенсивности отказов проблемных участков трубопроводов вошла в СТО 0-03-22-2008 «Стандарт организации по технической и безопасной эксплуатации газопроводов неочищенного сероводородсодержащего газа и конденсатопроводов нестабильного конденсата». Общий экономический эффект от результатов исследований, вошедших в СТО 0-03-22-2008, составил в 2010 году более 19 миллионов рублей.

2. Чирков Ю.А., Агишев В.Н., Кушнаренко В.М., Бауэр А.А., Щепинов Д.Н. Работоспособность кольцевых стыков трубопроводов со смещением продольных швов смежных труб // НТЖ «Нефтепромысловое дело». – М., 2009. – № 9. –

3. Ишмеев М.Р., Чирков Ю.А., Кушнаренко В.М., Бауэр А.А. Оценка интенсивности отказов трубопроводной арматуры // НТЖ «Нефтепромысловое дело». – М., 2009. – № 12. – С. 42-44.

4. Чирков Ю.А., Ишмеев М.Р., Кушнаренко В.М., Бауэр А.А. Уточнение эквивалентных малоцикловых нагружений трубопроводов // НТЖ «Нефтепромысловое дело». – М., 2009. – № 12. – С. 55-57.

5. Кузнецов Р.Ю., Щепинов Д.Н., Бауэр А.А., Чирков Ю.А., Кушнаренко В.М. Оценка напряженного состояния металла участка трубопровода с несанкционированной врезкой // НТЖ «Нефтепромысловое дело». – М., 2011. –

6. Щепинов Д.Н., Бауэр А.А., Кушнаренко В.М., Чирков Ю.А. Защитные конструкции для предотвращения аварий трубопроводов в местах несанкционированных врезок // НТЖ «Территория НЕФТЕГАЗ». – М., 2010. – № 11. – С. 70-74.

7. Чирков Ю.А., Кушнаренко Е.В., Бауэр А.А., Щепинов Д.Н. Повреждения трубопроводов ОНГКМ и определение интенсивности их отказов // НТЖ «Территория НЕФТЕГАЗ». – М., 2008. – № 12. – С. 46-49.

8. Кушнаренко В.М., Чирков Ю.А., Кушнаренко Е.В., Щепинов Д.Н., Бауэр А.А. Основные факторы, влияющие на безопасную эксплуатацию трубопроводов // Матер. Юбилейн. Междунар. научн. конф. – Оренбург: ИПК «Газпром печать», 2008. – С. 68-71.

9. Чирков Ю.А., Бауэр А.А., Щепинов Д.Н., Кушнаренко Е.В. Методика оценки вероятности разрушения трубопроводов // Прочность и разрушение материалов и конструкций. Матер. V Междунар. научн. конф. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. – С. 93-101.

10. Кушнаренко В.М., Чирков Ю.А., Швец А.В., Бауэр А.А., Ягодкин В.А. Техническое состояние и перспективы дальнейшей эксплуатации соединительных трубопроводов ОНГКМ // Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред. Матер. VII Междунар. научн.-техн. конф. – Оренбург, 2008. - С. 98-109.

11. Кушнаренко В.М., Бауэр А.А., Щепинов Д.Н. Определение интенсивности отказов переходов через естественные и искусственные преграды // Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения. Матер. V научн.-техн. конф. / ООО «ВолгоУралНИПИгаз». – Оренбург, 2011. - С. 78-79.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 20.12.2011 г. Бумага писчая.

Заказ № 312. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.