Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов регламентацией периодичности диагностики и совершенствованием технологии их ремонта

Система нефтепроводов является одним из важнейших элементов экономики страны, обеспечивающим практически все отрасли промышленности сырьем, топливом, энергией. В то же время она является источником опасности для тех регионов, где проходят нефтепроводы и расположены нефтебазы. Аварии на нефтепроводах приводят к тяжелым последствиям, в том числе и для окружающей среды, населенных пунктов, промышленных и гражданских объектов. Некоторые аварии приводят к катастрофам. Одна из таких катастроф произошла на продуктопроводе ШФЛУ в 1989 году под Ашой и привела к гибели большого количества людей.

С принятием Федерального закона о промышленной безопасности опасных производственных объектов создана «Системы промышленной безопасности», основной целью которой является обеспечение безопасности путем экспертизы технических устройств, сооружений, технологий, проектно-технической документации. Как показала практика, для эффективного использования этой системы в качестве инструмента управления безопасностью нефтепроводов, необходимо решить ряд методических вопросов, которые вытекают из особенностей эксплуатации трубопроводов.

Главной особенностью современных магистральных нефтепроводов является несоответствие между нормативно-проектными требованиями, преду. сматривающими срок эксплуатации 30−35 лет, и фактическим возрастным составом, когда уже более 40% трубопроводов превысил этот срок и существует реальная перспектива и потребность увеличения срока эксплуатации до 100 лет. При таких больших сроках эксплуатации трубопроводов существенными становятся изменения по всем основным аспектам, определяющим безопасность. Во-первых, изменяются нормативные технические требования к трубопроводам и их элементам, требования по безопасности, условия и режимы эксплуатации трубопроводов. Во-вторых, при длительной эксплуатации неизбежно возникают и растут дефекты изоляции и труб, появляются участки со следами временного ремонта, количество таких участков растет. Кроме того всё более заметным становится процесс старения трубопроводов, изменение свойств материалов, в том числе металла труб.

Если при экспертизе безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов исходить только из требования соответствия современным нормативным требованиям, то неизбежно придётся вывести из эксплуатации больше половины нефтепроводов. Такой подход был бы неправильным, так как при экспертизе безопасности не учитывается фактическая безопасность трубопроводов в количественном выражении. Но для учета фактической безопасности в настоящее время недостаточно нормативной базы. Существующий в настоящее время метод бальной оценки риска аварий основан на экспертных данных и не использует механику разрушений как науку, способную количественно описать явления разрушения и прогнозировать долговечность трубопроводов.

Методы ремонта дефектных участков трубопроводов, применяемые ранее (за исключением врезки катушки), до недавнего времени рассматривались главным образом как временные методы восстановления прочности трубопроводов. С интенсивным развитием внутритрубной диагностики и резким увеличением объемов выборочного (локального) ремонта трубопроводов появилась проблема обеспечения полного восстановления дефектных участков трубопроводов не только по критерию прочности, но и по критерию остаточного ресурса с учетом происходящих изменений.

Более интенсивное старение изоляции трубопроводов по сравнению с металлом труб требует периодической замены изоляции. При этом важнейшим направлением обеспечения безопасности является совершенствование технологий капитального ремонта, в том числе для сложных участков с учетом особенностей трубопровода, трассы, грунта, температурных и силовых условий ремонта, изменений свойств металла труб.

Таким образом, для обеспечения безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов требуется проанализировать основные факторы, определяющие безопасность, и их динамику, развивать расчетные методы количественной оценки безопасности с учетом особенностей работы трубопроводов, результатов диагностики и вероятностной природы разрушений, совершенствовать технологии ремонта на основе современных экспериментальных исследований и математических моделей процессов, создать специальную нормативно-методическую базу для экспертизы безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов.

Решение указанных проблем позволяет управлять безопасностью нефтепроводов в течение всего срока эксплуатации, определять наиболее эффективные пути обеспечения их безопасности, не требуя в то же время излишних ремонтных работ. Учитывая большуюсуммарную протяженность нефтепроводов, а также их роль в экономике страны, работы в данном направлении имеют важное народнохозяйственное значение. Исходя из этого была выбрана цель перед настоящей работой — обеспечение безопасности нефтепроводных систем при длительной эксплуатации совершенствованием системы диагностирования, расчетных методик и технологий ремонта и поставлены следующие задачи'.

1. Анализ основных факторов, оказывающих влияние на безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, изучение динамики этих факторов.

2. Разработка методики количественной оценки механических свойств и остаточного ресурса металла и сварных соединений труб после длительной эксплуатации нефтепроводов, критериев возможности дальнейшей безопасной эксплуатации данных труб и деталей трубопроводов.

3. Исследование закономерностей распределения механических напряжений в окрестности трещиноподобных концентраторов напряжений, определяющих безопасность трубопровода.

4. Разработка расчетной методики количественной оценки безопасности магистральных нефтепроводов с учетом разброса исходных параметров и вероятностной природы разрушения, оценка влияния неопределенности исходных параметров на надежность как фактор безопасности.

5. Определение функциональной взаимосвязи между параметрами безопасности нефтепроводов и периодичностью технической диагностики с учетом реальных условий эксплуатации и погрешностей измерений средствами контроля.

6. Разработка теоретических и технических решений, обеспечивающих безопасность нефтепроводов методами выборочного (локального) ремонта.

7. Разработка математической модели, позволяющей определять безопасные технологические параметры при капитальном ремонте трубопроводов без остановки перекачки продукта.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ИПТЭР, ВНИИСТ, ГИПРОТРУБОПРОВОД, УралНИТИ), академических институтов (ИМАШ им. A.A. Благонравова, ИМЕТ им. A.A. Байкова, ИЭС им. Е.О. Патона), лабораторий и кафедр высших учебных заведений (УГНТУ, РГУНГ им. И. М. Губкина, ЮУрГУ), Центра технической диагностики «Диаскан», специалистов АК «Транснефть» и Управлений магистральными нефтепроводами, лаборатории НИЛ ИМ (Н. Новгород), других научных центров, работы ведущих ученых: В. Л. Березина, П. П. Бородавкина, О.М. Иванцо-ва, P.C. Зайнуллина, А. Г. Гумерова, P.C. Гумерова, K.M. Ямалеева, Х.А. Азме-това, H.A. Махутова, Е. М. Морозова, Ю. И. Пашкова, О. И. Стеклова, К. В. Черняева, И. Г. Абдуллина, А. Г. Мазеля, М. Ф. Фокина, и других. Кроме того в работе использованы и обобщены данные о фактическом техническом состоянии магистральных нефтепроводов, результаты обследования аварий, диагностических обследований, испытаний ремонтных конструкций и технологий ремонта. При исследованиях применены современные теоретические и экспериментальные методы, численное моделирование процессов деформирования и разрушения, положения механики разрушения, эксперименты с натурными образцами труб и ремонтных конструкций.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

1. Установлены основные факторы, определяющие безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов, изучена их динамика. Полученные результаты позволили построить расчетную модель оценки безопасности трубопроводов, основанную на синтезе современных представлений механики разрушения и вероятностной природы процессов накопления повреждаемости и разрушения трубопроводов.

2. На основе комплексного анализа механизмов «старения» металла и сварных соединений труб уточнена динамика данного процесса при увеличении срока эксплуатации трубопровода выше нормативного. Разработана экспериментально-расчетная методика оценки остаточного ресурса металла и сварных соединений труб магистральных нефтепроводов, основанная на циклических испытаниях С-образных образцов, позволяющая исследовать локальные участки металла труб (сварные соединения, дефекты) в условиях малоциклового нагружения.

3. Определены закономерности распределения напряжений в окрестности трещиноподобных концентраторов при различных геометрических и механических характеристиках трубы и дефектов. Для оценки степени опасности таких концентраторов разработаны подходы, основанные на методах и критериях механики разрушения.

4. Разработана расчетная модель оценки безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов с учетом вероятностной природы накопления повреждаемости, разброса исходных данных и погрешности диагностической информации, позволяющая управлять безопасностью нефтепроводов путем регламентации методов и периодичности диагностики, методов и объемов ремонтных работ.

5. С использованием разработанной расчетной модели установлена функциональная взаимосвязь между расчетной безопасностью нефтепровода и периодичностью технической диагностики с учетом полноты диагностики и погрешностей измерений.

6. Определены основные принципы выбора методов выборочного (локального) ремонта дефектных участков нефтепроводов, обеспечивающие безопасность трубопроводов.

7. Разработана расчетная модель, позволяющая определить безопасные технологические параметры при капитальном ремонте трубопроводов с учетом особенностей трассы, свойств металла и сварных соединений труб, длительности эксплуатации, технологии ремонта, взаимодействия с разрыхленным грунтом, остаточных напряжений после ремонта.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Результаты анализа основных факторов, оказывающих влияние на безопасность длительно эксплуатируемых нефтепроводов, позволяют выявлять перспективные направления диагностики и ремонта трубопроводов. Одним из таких направлений, не получивших достаточного развития в настоящее время, является совершенствование внутритрубной диагностики для обследования состояния изоляции, осевых напряжений вдоль трубопровода, механических свойств металла труб. Результаты анализа также позволяют совершенствовать нормативную базу экспертизы промышленной безопасности трубопроводов.

2. На основе анализа механизмов «старения» металла труб при длительной эксплуатации разработана экспериментально-расчетная методика оценки остаточного ресурса металла и сварных соединений труб после длительной эксплуатации нефтепроводов, позволяющая определять безопасные параметры эксплуатации.

3. Исследования У-образных концентраторов напряжений, какими являются, в частности, угловые сварные швы, позволили выработать основные принципы конструирования надежных ремонтных конструкций (заплат и муфт) для восстановления работоспособности дефектных участков трубопроводов.

4. Разработаны методы и расчетные программы, позволяющие оценить безопасность участков трубопроводов по результатам диагностики, определить допустимые режимы дальнейшей эксплуатации, назначить периодичность диагностики с учетом использованных методов и технических характеристик средств контроля.

5. Усовершенствованы технологии выборочного (локального) ремонта дефектных участков нефтепроводов без остановки перекачки, основанные на применении сварки (наплавка и приварка усилительных элементов). Разработаны многосекционные ремонтные муфты для установки на участки с протяженными дефектами. Определено соответствие между параметрами дефектов и методами ремонта, обеспечивающими безопасность при выполнении ремонтных работ и послеремонтной эксплуатации трубопроводов.

6. На основе разработанной математической модели капитального ремонта трубопровода уточнены безопасные технологические параметры ремонта, обоснована практическая возможность и безопасность двух эффективных технологий ремонта магистральных нефтепроводов с заменой изоляции: ремонт с подъемом трубопровода, включая все диаметры до 1220 мм, который может применяться на переходах через небольшие рекиремонт по поточной технологии без применения трубоукладчиков и других подъемных механизмов.

На защиту выносятся:

1. Результаты комплексного анализа основных факторов и источников снижения надежности нефтепроводов, установленные новые закономерности развития дефектов, уточненная динамика механических свойств металла и сварных соединений труб, особенности нагружения трубопроводов в процессе испытаний, эксплуатации и ремонта, механизмы разрушения трубопроводов, позволяющие построить расчетную модель накопления повреждаемости длительно эксплуатируемых нефтепроводов и оценить их безопасность.

2. Расчетно-экспериментальная методика количественного определения остаточного ресурса металла и сварных соединений труб после длительной эксплуатации, основанная на испытаниях С-образных образцов в циклическом режиме, позволяющая определять возможность дальнейшей эксплуатации труб и безопасные режимы эксплуатации нефтепроводов.

3. Результаты исследований напряженно-деформированного состояния труб с трегцинообразными концентраторами напряжений, методы оценки прочности элементов конструкций с такими концентраторами, основанные на положениях механики разрушения.

4. Методика количественной оценки безопасности участков магистральных нефтепроводов и их конструктивных элементов с учетом основных особенностей их эксплуатации и вероятностной природы разрушения при неполной и недостоверной исходной информации, позволяющая регламентировать периодичность технической диагностики исходя из требуемой безопасности и технических характеристик диагностической аппаратуры.

5. Установленная взаимосвязь между требуемой безопасностью участка трубопровода, техническими характеристиками диагностической аппаратуры, периодичностью диагностики, вытекающая из вероятностного характера разрушений трубопроводов.

6. Усовершенствованные технологии выборочного (локального) ремонта магистральных нефтепроводов и соответствующие конструктивно-технологические параметры ремонта, обеспечивающие безопасность отремонтированных участков трубопроводов в процессе послеремонтной длительной эксплуатации.

7. Математическая модель капитального ремонта трубопроводов с учетом особенностей технологии и факторов сложности (температурно-силового воздействия, рельефа местности, свойств грунта, профиля трассы, параметров трубопровода, свойств металла труб и сварных соединений, имеющихся дефектов, режима эксплуатации), позволяющая определять безопасные технологические параметры ремонта и послеремонтной эксплуатации трубопроводов.

Результаты исследований реализованы в нормативных документах, регламентирующих методы оценки и обеспечения безопасности нефтепроводов.

Основные исследования по диссертационной работе выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения.

13 природных и техногенных аварий и катастроф" (ГНТП «Безопасность»), принятая распоряжением Совета Министров СССР, № 1111p от 12.07.90 г., по направлению «Безопасность сложных технических систем», и Межгосударственной научно-технической программой «Высоконадежный трубопроводный транспорт», утвержденной Правительствами Российской Федерации и Украины (1993 г.).

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору P.C. Зайнул-лину за многолетнюю совместную творческую работу в области прочности и сварки, д.т.н., академику АН РБ А. Г. Гумерову и д.т.н, профессору P.C. Гуме-рову за доброжелательное отношение и помощь в работе, д.т.н. Х. А. Азметову за консультации в области капитального ремонта трубопроводов, коллегам в ЧГТУ (Челябинск) и ИПТЭР (Уфа) за сотрудничество в решении научных проблем и выполнении трудоёмких и опасных экспериментов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проанализированы общие характеристики системы магистральных нефтепроводов в зависимости от длительности эксплуатации трубопроводов, основные причины и факторы опасности и их динамика. Выяснено, что на участках, эксплуатируемых более 33 лет, до 40% труб содержат дефекты. Из них 65−90% составляют коррозионные дефекты и расслоения металла, более половины которых примыкают к сварным швам и представляют наибольшую опасность.

Разработана методика разложения нагрузок, действующих на магистральный нефтепровод в течение всего времени эксплуатации, что позволяет конкретизировать подход при оценке остаточного ресурса и безопасности каждого трубопровода с учетом особенностей эксплуатации и основных механизмов разрушения.

Результаты анализа позволяют выявить перспективные направления развития диагностики и ремонта трубопроводов, а также совершенствовать нормативную базу в системе промышленной безопасности.

2. На основе анализа механизмов «старения» металла и сварных соединений труб установлено, что снижение допустимого давления магистральных нефтепроводов от деградации свойств металла происходит в среднем со скоростью до 0,5% в год относительно текущего значения. Процесс старения более интенсивно происходит в концентраторах напряжений, какими являются сварные соединения и дефекты. Для более точной оценки остаточного ресурса металла и сварных соединений труб разработана и внедрена в практику экспериментально-расчетная методика, основанная на циклических испытаниях Сообразных образцов, позволяющая корректировать режимы эксплуатации нефтепроводов и тем самым поддерживать их безопасность на заданном уровне. Методика также позволяет определить возможность повторного использования демонтированных труб после длительной эксплуатации.

3. Одной из причин внезапных разрушений магистральных нефтепроводов являются развитие трещин в сварных элементах с У-образными концентраторами напряжений (угловые швы, геометрические усиления, разнотолщин-ность). Методом комплексных потенциалов в общем виде решена задача о напряженном состоянии в таких элементах. Разработаны подходы, позволяющий применить методы механики разрушения при расчетах прочности элементов с такими концентраторами напряжений. Теоретически и экспериментально установлено, что У-образные концентраторы напряжений с острыми вершинами по своей опасности для трубопроводов эквивалентны трещинам. Поэтому не рекомендуются к применению ремонтные конструкции (заплаты и муфты), имеющие протяженные угловые сварные швы, ориентированные вдоль оси трубопровода.

4. Разработана методика оценки безопасности магистральных нефтепроводов с обнаруженными дефектами и другими концентраторами напряжений при неполной и недостоверной исходной информации, основанная на математическом моделировании разрушения с учетом его вероятностной природы. Методика позволяет оценивать качество диагностической информации и его влияние на расчетную безопасность трубопровода, определять перспективные направления развития средств контроля.

5. На основе разработанной методики установлена взаимосвязь между «характеристиками диагностической информации, параметрами прогноза по безопасности, составом имеющихся дефектов. Полученная взаимосвязь позволяет управлять безопасностью трубопроводов путём определения необходимого объема ремонтных работ и регламентацией периодичности диагностики.

6. Экспериментально исследовано влияние дефектов различных типов на прочность и остаточный ресурс нефтепроводов. Установлено, что дефекты типа «расслоение металла» являются опасными только в сочетании с другими опасными дефектами (например, примыкание «расслоения металла» к сварному шву с дефектами, выход «расслоения металла» на поверхность трубы). Размеры «расслоения металла» не всегда являются определяющими параметрами при оценке фактической опасности дефекта в условиях эксплуатации нефтепроводов. Это позволило за счет правильной оценки обнаруженных дефектов значительно снизить объем ремонтных работ, не снижая при этом безопасность трубопроводов.

7. Проанализированы и усовершенствованы технологии выборочного (локального) ремонта дефектных участков нефтепроводов за счет повышения прочности сварных швов и оптимизации размеров ремонтных конструкций. Разработана технология установки многосекционной сварной муфты для ремонта участков магистральных нефтепроводов с протяженными дефектами. Данные технологии внедрены в производство и позволяют полностью восстановить работоспособность дефектных участков нефтепроводов на длительный срок эксплуатации при наименьших затратах времени и материальных ресурсов.

8. Разработан математический аппарат для расчетной оценки безопасности технологических параметров при капитальном ремонте магистральных нефтепроводов с заменой изоляции, позволяющий учитывать все основные источники и факторы опасности, в том числе особенности взаимодействия с грунтом в исходном и разрыхленном состояниях. Данный математический аппарат позволяет совершенствовать известные технологии ремонта и обосновать техническую возможность применения новых технологий для ремонта сложных участков трубопроводов, включая переходы и овраги.

9. С использованием разработанного математического аппарата проведен анализ безопасности двух новых технологий капитального ремонта магистральных нефтепроводов больших диаметров (до 1220 мм): поточный механизированный ремонт без использования подъемных механизмов и ремонт с подъемом трубопровода. Исследованы зависимости ремонтных напряжений от основных технологических параметров ремонта, характеристик трубопроводов и современных ремонтных машин. Показана эффективность и безопасность таких технологий ремонта, которые нашли широкое применение, в частности, на нефтепроводах «Дружба».

10. Изучены закономерности формирования остаточных напряжений в трубопроводе после выполнения ремонтных работ. Установлено, что осадочные напряжения появляются на границах отремонтированного участка трубопровода протяженностью до 50 м и могут превысить 100 МПа. При соблюдении предложенных практических рекомендации эти напряжения могут быть снижены до трёх раз.

11. Результаты настоящей работы позволяют решить народнохозяйственную проблему обеспечения безопасности нефтепроводов при длительной эксплуатации. Они нашли отражение в отраслевых нормативных документах по диагностике, оценке безопасности, ремонту трубопроводов, и использованы, в частности, в следующих работах:

— определение безопасных режимов эксплуатации трубопроводов при длительной эксплуатации;

— выборочный и капитальный ремонт трубопроводов;

— оценка возможности повторного использования демонтированных труб и деталей трубопроводов;

— экспертиза аварийных ситуаций на трубопроводах;

— экспертиза безопасности трубопроводов и их элементов.