Обоснование выбора комплекта технологического оборудования для проведения капитального ремонта магистрального трубопровода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная сеть магистральных трубопроводов характеризуется значительной протяженностью, большими диаметрами, значительным возрастом и высоким давлением перекачки.

Возрастной состав и повышенные требования к экологической безопасности объектов трубопроводного транспорта обусловливают необходимость обеспечения надежной, безотказной работы и предупреждения аварий трубопроводной системы.

Аварии на магистральных трубопроводах кроме экономического ущерба от их простоя, потерь, затрат на ликвидацию аварии создают значительную угрозу для окружающей среды. В этих условиях большое значение приобретают вопросы обеспечения надежности магистральных трубопроводов, т.е. способности их объектов выполнять заданные функции в период эксплуатации. И здесь особое внимание должно уделяться надежности линейной части.

Подземные трубопроводы подвергаются интенсивному воздействию как внешних факторов, так и воздействию перекачиваемой жидкости, в результате чего в материале труб происходят различные физические и физико-химические процессы, основными из которых являются коррозия, старение и износ.

Обеспечение надежной и безотказной работы крупных транспортных систем, к которым относятся магистральные трубопроводы, представляет задачу государственной важности, при решении которой значительное место отводится вопросам капитального ремонта линейной части трубопроводов.

1. Современные способы выявления микротрещин в трубопроводе

1.1 Развитие технологии методов выявления микротрещин в магистральном трубопроводе

капитальный ремонт трубопровод магистральный

Среди всех существующих методов сплошного контроля состояния труб наиболее предпочтительным является неразрушающий метод диагностики. Основой неразрушающего метода контроля является внутритрубная дефектоскопия. Осуществление такого контроля состояния труб, уложенных глубоко в грунт, является довольно сложной научной и технической проблемой.

Первые попытки решения проблемы были предприняты в 1956 году за рубежом, а первые попытки разработки внутритрубных дефектоскопов для контроля состояния трубопроводов были сделаны в СССР в 1966 году в Институте физики металлов УрО АН СССР. Первые успехи в создании внутритрубных дефектоскопов были достигнуты фирмой AMF Tuboscope (Houston, Texas) созданием аппаратов «Лайналог» разных типов.

В этих аппаратах трубопровод намагничивается в направлении ее оси мощным электромагнитом, цилиндрический сплошной сердечник которого несет на себе обмотку, для питания электромагнита необходимо иметь дополнительную энергетическую секцию, целиком заполненную серебрянно-цинковыми аккумуляторами.

Такая двух- или трехсекционная система дефектоскопов «Лайналог» наряду с положительными сторонами имеет ряд отрицательных: сложность системы, ее огромный вес и дороговизна.

Основной прорыв в эффективном решении проблемы контроля качества трубопровода был выполнен коллективом лаборатории электромагнетизма ИФМ УрО РАН и ЗАО НПО «СПЕКТР». Под руководством лауреата Ленинской и Государственной премий д.т.н. П.А. Халилеева сотрудниками указанных коллективов был выполнен огромный объем работ, проведена масса научных исследований с использованием современных физических методов, найдены новые научные и технические решения по разработке конструкции и компоновке основных узлов дефектоскопа, созданию системы измерительных датчиков и обработки полезной информации.

Впервые в международной практике были определены оптимальные параметры намагничивающей системы на базе мощных постоянных магнитов при оптимальном намагничивании трубы с целью выявления встречающихся повреждений производственно-технологического характера и различных дефектов, вызванных коррозионными процессами и условиями эксплуатации линейной части трубопровода. Разработаны датчики для регистрации полей дефектов, проведен анализ сигналов и корреляция их с обнаруженными и известными из практики дефектами и повреждениями стенки трубопровода. Разработаны узлы и создан новый тип дефектоскопа на базе постоянных магнитов. Проведены полевые испытания данного дефектоскопа на действующих трубопроводах, которые дали положительный результат.

При этом следует отметить, что, если для обслуживания внутритрубного дефектоскопа типа «Лайналог» необходима бригада сотрудников до 9 человек, то для обслуживания дефектоскопа магнитного типа необходимо в 2-3 раза меньше, в зависимости от выполняемого объема и типа работы, при том же конечном результате. Разработанными средствами внутритрубной дефектоскопии были обследованы участки магистральных трубопроводов: «Тюментрансгаза», «Пермтрансгаза», «Волготрансгаза», «Мострансгаза», «Севергазпрома», «Лентрансгаза», «Сургутгазпрома», «Волгоградтрансгаза», «Татартрансгаза», «Уралтрансгаза». Всего по предприятиям ОАО Газпрома обследовано к 2009 году с использованием очистных средств и инспекционных снарядов магнитного типа собственной разработки и изготовления, в которых реализованы современные достижения системотехники, регистрации и обработки данных - 9265,5 км трубопровода и выявлено 16295 дефектных труб, что составляет 17,5% всех обследованных труб.

Однако развитие техники не стоит на месте. Так, по мере прохождения снаряда дефектоскопа по трассе трубопровода выходили из строя те или иные элементы всей поисковой системы, например, отказывали каналы регистрации дефектов, выходили из строя одометры, что затрудняло привязку местонахождения дефектов, записанных регистрирующей аппаратурой на пленке, к действительному их местонахождению на трубопровод и т.д.

Трудности дефектоскопии подземных трубопроводов и требования к надежности результатов, можно проиллюстрировать примером. Для проверки достоверности сигнала внутритрубного дефектоскопа о наличии опасного дефекта необходима шурфовка грунта, то есть полное вскрытие трубопровода и очистка трубы от изоляции. В основном выполнение этих работ допустимо только после снижения давления в МТ. Нередко трубопровод проходит в таком месте, что всю работу приходится начинать с прокладки подъездных путей для прохода экскаватора и другой техники к точке на трассе, где заподозрен опасный дефект. Но если внутритрубный дефектоскоп выдал ложный сигнал, то это не только неприятное событие, а еще и дорого обойдется предприятию.

Таким образом, основные требования к внутритрубной дефектоскопии - это гарантия отсутствия ложных сигналов и безошибочная аттестация размеров, формы и степени опасности дефектов по результатам дефектограмм, а также точная привязка местоположения дефекта.

1.2 Анализ появления микротрещин в трубопроводе

Основными источниками повреждений трубопроводов, сосудов и аппаратов, находящихся в эксплуатации на объектах нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности, являются зоны концентрации механических напряжений.

Явное описание поверхности трещины при выполнении условия разрушения приводит к некоторым особенностям и ограничениям при использовании тех или иных критериев разрушения.

Одной из характерных особенностей методов с явным определением поверхности трещины является то, что при выполнении условия разрушения необходимо «скорректировать» значение параметра поврежденности в этой точке (рисунок 1.1).

а б

Рисунок 1.1. Корректировка значения параметра поврежденности:

а - поврежденность достигла критического значения; б - поврежденность превысила критическое значение

Это необходимо для того, чтобы избежать повторного срабатывания критерия разрушения в этом месте на следующем шаге по времени и имеет под собой реальное физическое обоснование: при возникновении трещины поврежденность, как правило, локализуется в достаточно узкой области, которая и становится плоскостью трещины. Если принять область (рисунок 1.1) за характерный объем, а в качестве условия разрушения взять наличие микротрещины определенной длины, то видно, что после разделения материал на берегах трещины имеет остаточное значение параметра поврежденности, меньше критического (рисунок 1.2, а-в).



а б в

Рисунок 1.2. Процесс образования микротрещины: а - рост поврежденности, например, образование микротрещин; б - локализация поврежденности в магистральную трещину; в-поврежденность достигла критического значения

В НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова ведется разработка промышленного образца локатора микротрещин, основанного на эффектах нелинейной акустики. Результаты теоретических работ академических институтов и совместные испытания макета локатора в НИИИС и ИПФ РАН подтверждают возможность обнаружения реальных трещин (микротрещин, колоний трещин) на фоне других типов дефектов на расстояниях до 2 метров и более. Работы по возбуждению высокочастотной ультразвуковой волны в трубах из нержавеющей стали малого диаметра (до 8 мм), подтверждают возможность обнаружения дефектов на расстоянии до двух метров как при локации на «отражение», так и при локации на «просвет». Используя существующие методы возбуждения низкочастотных изгибных колебаний в стержнях, можно осуществлять модуляцию трещин. Полученные в результате данные можно использовать для разработки технических средств по обнаружению трещин в трубах парогенераторов, импульсных трубках системы контроля технологических параметров трубопроводов первого и второго контуров ядерных энергетических установок. Использование непрерывных ультразвуковых волн диапазона сотен килогерц, определение изменения их параметров (амплитуды, фазы) при низкочастотной вибрации, после механического удара, показывают возможность создания аппаратуры интегральной диагностики трещин и изменения структуры металла в многоэлементных, сложных металлоконструкциях ядерных энергетических установок.

Элементы машин, механизмов, конструкции и трубопроводы испытывают во времени целый ряд труднопредсказуемых изменений, приводящих к варьированию их напряженного состояния вследствие изменения нагрузок, колебаний температуры в течение суток, года (лето - зима). Особенно опасны локальные колебания температуры весной, когда открытые части металлоконструкции (например, трубопроводы) интенсивно прогреваются, в то время как закрытые мерзлым грунтом части жестко закреплены. Оттаивание грунта в условиях многолетней мерзлоты приводит к его непредсказуемым деформациям как вертикальным, так и горизонтальным и, соответственно, к деформациям протяженных металлоконструкций, к появлению значительных напряжений. Действия этих напряжений совместно с внутренними и рабочими напряжениями создают предпосылки для разрушения труб и возникновения аварий. Учесть эти факторы расчетными методами не всегда удается как в случае разрушения Московского аквапарка и конструкций аэропорта в Париже. Все это подчеркивает важность контроля напряженного состояния участков трубопроводов, например, в местах перехода через водные преграды, дороги, в местах образования промывов и провисания трубопровода, в местах выпучивания труб в геодинамических зонах и на участках неодинакового промерзания грунта, обусловленного неоднородностью его теплопроводности, изменения ледовой и снеговой нагрузки.

Другим, практически не изученным фактором, который может сказаться на надежности металлоконструкций, является медленно изменяющиеся напряжения на фоне статически действующей нагрузки. Хотя эти напряжения много меньше предела текучести, роль их велика в механизме возникновения усталостных трещин, а в конечном итоге в поломке элемента конструкции. Динамические напряжения, действующие на фоне статических, согласно современным представлениям, являются одним из факторов, приводящих к стресс-коррозионному разрушению металла МТ.

Разрушение детали под действием циклических нагрузок начинается с образования в зоне повышенных напряжений микротрещин, которые, постепенно развиваясь, проникают вглубь металла и ослабляют несущее сечение до уровня, при котором происходит разрушение.

Требует также своего изучения и влияние зон пластичности, возникающих как при изготовлении, так и эксплуатации металлоконструкций и трубопроводов, на их надежность в условиях напряженного состояния, обусловленного действием суммарных сил (внешними сжимающими или растягивающими напряжениями, внутренними напряжениями).

Элементы конструкции предназначены для того, чтобы выдерживать заданную нагрузку. Эти нагрузки рассчитываются на этапе конструирования. Для этого необходимо знать источники механических напряжений, иметь эквивалентный математический аппарат для вычисления. Однако оценки напряжений с помощью расчетов в ряде случаев сильно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, выбора методики расчета и изменяющихся в процессе эксплуатации конструкции условий. Реальные условия эксплуатации металлоконструкций чрезвычайно разнообразны, и учесть их расчетами в полной мере невозможно, что доказывает разброс значений коэффициента запаса прочности в различных теориях.

Поэтому разработка новых методов является актуальной, позволяющей косвенно осуществлять оперативное определение напряжений приборными (в идеале дистанционно) средствами, таким образом, становится понятным, почему уделяется столь большое внимание во всем мире разработке неразрушающих методов и средств измерения напряжений.

1.3 Факторы, влияющие на надежность магистрального трубопровода

Надежность трубопроводов во многом определяет непрерывность функционирования большинства отраслей народного хозяйства. К сожалению, как показывают статистические данные, на трубопроводах нередко имеют место механические отказы. Отказы происходят, в основном, из-за коррозионного износа и старения трубопроводов, несовершенства проектных решений, заводского брака труб, брака строительно-монтажных и ремонтных работ, по вине производственного персонала и по другим причинам. Отказы на трубопроводах, связанные с разрывом стенок труб, происходят относительно редко, но могут наносить огромный ущерб, связанный с загрязнением окружающей среды, возможными взрывами и пожарами, человеческими жертвами, нарушением снабжения нефтью, газом и нефтепродуктами потребителей. Поэтому сохранение работоспособности линейной части МТ является одной из основных проблем трубопроводного транспорта. В этом плане большое значение имеет своевременное и качественное проведение профилактических мероприятий, направленных на сохранение, восстановление и повышение несущей способности линейной части трубопроводов.

В настоящее время для обеспечения надежной работы трубопровода, имеющего участки с уменьшенной несущей способностью, применяют ряд методов: перекачку продукта производят при давлении ниже проектного, на отдельных участках или по всей длине трубопровода прокладывают лупинги, производят ремонт стенок трубопровода путем заплавки коррозионных язв, приваркой усиливающих накладных элементов. Если коррозионный износ превышает предельную величину, то трубы или их участки вырезают и заменяют на новые. Иногда трубопровод полностью демонтируют, производят тщательную отбраковку с целью выявления качественных труб и повторного их использования. Эти методы требуют больших затрат, связанных с остановкой перекачки, опорожнением трубопровода, выходом перекачиваемого продукта на землю и значительной его потерей. Возросшие требования к охране окружающей среды и к методам безопасного ведения ремонтных работ делают эту проблему особенно актуальной. Известным и широко апробированным методом повышения надежности МТ является гидравлическое испытание повышенным давлением. Линейная часть и лупинги должны подвергаться циклическому гидравлическому испытанию на прочность и проверке на герметичность. При этом, количество циклов должно быть не менее трех, а величины испытательного давления в каждом цикле должны изменяться от давления, вызывающего в металле трубы напряжение 0,9-0,75 предела текучести. Участок МТ, выдержавший испытательное давление, считается пригодным к дальнейшей эксплуатации. Однако сроки последующей эксплуатации или переиспытаний назначаются, в основном, экспертным путем без учета фактического состояния металла и реальных условий эксплуатации.

Испытания трубопроводов следует рассматривать как метод активной диагностики и обеспечения фактического запаса прочности, равного 1,1…1,5. При определенных условиях эти запасы прочности могут обеспечивать безопасность трубопроводов. Однако действующие в настоящее время нормативные документы (НД) не дают ответа на основной вопрос количественного установления безопасного срока службы МТ, испытанных при конкретно заданных режимах.

Недостаточное совершенство НД по нормированию остаточного ресурса трубопровода объясняется тем, что они базируются, в основном, на критериях статической прочности бездефектного металла. Между тем, при эксплуатации в металле труб происходят необратимые повреждения, снижающие ресурс трубопроводов. Процессы накопления повреждений в металле усиливаются в зонах концентрации напряжений (дефектах).

Следует отметить, что в ряде случаев диагностическая информация, необходимая для количественной оценки остаточного ресурса МТ, является недостаточной или необъективной. В этом случае целесообразно использовать априорную информацию. В последнее время в литературе появилось достаточно большое количество научно-технических работ, посвященных оценке остаточного ресурса трубопровода. Это, очевидно, объясняется возрастным составом МТ и повышением требований к экологической безопасности объектов трубопроводного транспорта.

Анализ причин и характера разрушения трубопровода показал, что при их проектировании предъявляются преимущественно традиционные требования к прочности, ресурсу и надежности. Основными материалами труб остаются низкоуглеродистые и низколегированные стали. При этом в качестве основных расчетных (аттестационных) характеристик механических свойств металла труб принимаются пределы текучести, и прочности, ударная вязкость, относительное удлинение, отношение предела текучести и прочности.

В общем случае оценка остаточного ресурса трубопроводов может включать комплекс трудоемких работ по анализу технической документации, функциональной диагностике, экспертному обследованию, анализу механизмов повреждения и выявлению определяющих параметров технического состояния, уточнению параметров технического состояния, напряженно-деформированного состояния и характеристик металла, выбору критериев повреждаемости и др. Этот комплекс работ соответствует требованиям методических указаний по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подведомственных Госгортехнадзору России. Анализ надежности МТ показал, что основными причинами их отказов являются малоцикловая усталость, коррозионный износ, коррозионное растрескивание и деформационное старение металла. Необходимо подчеркнуть, что при анализе механизмов коррозионного износа следует учитывать усиление коррозионных процессов от действия механических напряжений (механохимическая коррозия).

Указанные факторы разрушений предопределяют разработку методов расчета остаточного ресурса по критериям малоцикловой усталости, коррозионного износа, коррозионного растрескивания и старения. Так как, деформационное старение в расчетах остаточного ресурса должно учитываться оценкой степени снижения вязкопластических характеристик. Еще в период 1961-1966 гг. в США были проведены испытания 24 тыс. км магистральных трубопроводов повышенным давлением, вызвавшим напряжения в теле труб, близкие к действительному пределу текучести металла. Оценка этого результата за 6-15 лет последующей эксплуатации позволила сделать вывод, что лучше подвергнуть трубопровод высокому давлению при испытании, в результате чего дефектные места либо разрушатся, либо несколько упрочнятся, чем подвергать трубопровод опасности аварии при эксплуатации.

Развитие на Севере нефтяной и газовой промышленности, транспортных трубопроводов, изготовление землеройных механизмов для работы в зонах с низкими температурами, а также химическая промышленность, нуждаются в хладостойкой листовой стали. Использование таких сталей делает конструкции надежней, расход материала уменьшается, а следовательно экономятся и денежные средства. На Томской железной дороге установили, что в январе - феврале месяце по сравнению с июлем - сентябрем выход рельс из строя по трещинам возрастал в 7-15 раз. Так как температуры от -30 до -50 градусов встречаются на большей территории России, то проблема использования и изготовления подходящих сталей очень актуальна и важна. Для большинства металлов способность к пластической деформации в значительной степени зависит от температуры. С понижением температуры эта способность для большинства металлов и сплавов уменьшается. При критических температурах резко возрастает сопротивление сдвигу, металл переходит в хрупкое состояние и разрушается без признаков пластической деформации. Сопротивление такому разрушению называется хрупкой прочностью, а свойство металлов хрупко разрушаться со снижением температуры называется хладноломкостью. Обратное понятие хладноломкости - хладностойкость. Результаты исследований показали, что металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (железо, хром, вольфрам), а также некоторые металлы с гексагональной решеткой (титан, цинк, кадмий) при снижении температуры быстро охрупчиваются. У металлов с более плотно упакованной решеткой гранецентрированного куба (медь, никель, алюминий, магний, свинец) с понижением температуры вязкость сохраняется, а иногда даже повышается. Подобные закономерности имеют и многокомпонентные сплавы, имеющие соответствующие кристаллические решетки. Явление охрупчивания с точки зрения природы кристаллических решеток объясняется отсутствием плоскостей скольжения у металлов с объемноцентрированной кубической и гексагональной решеткой.

Трещины образуются в местах встречи или пересечения полос двух систем скольжения. При этом возможность хрупкого разрушения тем больше, чем сильнее препятствия, тормозящие свободное передвижение групп дислокаций. Если скорость распространения микротрещин превысит скорость пластической деформации, то наступит хрупкое разрушение. Пути сдвигов примерно равны диаметру зерна, поэтому измельчение зерна способствует увеличению интервала пластического состояния. Поэтому углеродистые и легированные перлитные и мартенситные стали после закалки с отпуском при наличии очень мелкого зерна имеют более низкие критические температуры хрупкости.

Известны два типа хрупкого разрушения: транскристаллитное и интеркристаллитное. Чистые металлы обычно разрушаются по зерну. Межзеренному разрушению благоприятствует наличие включений по границам зерен. Сплавы разрушаются по зерну и между зернами; сплавы с гексагональной решеткой, преимущественно только по зерну; сплавы с гранецентрированной кубической решеткой, только между зернами. С увеличением общего периметра границ зерен межзеренное вещество распределяется в форме более тонких прерывистых пленок, что увеличивает межкристаллические связи и затрудняет распространение микротрещин за счет увеличения путей сдвига. Границы зерен характеризуются значительными нарушениями кристаллической решетки, вредное влияние которых существенно ослабляется с повышением гранулярности структуры, за счет дробления путей сдвига, уменьшения длины микротрещин и соответствующего увеличения интервала пластического состояния. Таким образом, прочность металлов и их сопротивляемость хрупкому разрушению в значительной степени обуславливаются состоянием границ зерен. Еще больше влияют на величину хрупкой прочности неметаллические включения, располагающиеся как по границам зерен, так и внутри них. Но при этом включения рассматриваются как концентраторы напряжений, из-за которых распространяются трещины разрушения. Но влияние природы и формы включений на хладноломкость изучено не в полной мере.

Большое влияние на хладностойкость оказывают микродефекты структуры металлов, являющиеся своеобразными концентраторами напряжений. Особенно опасны дефекты типа усадочных раковин, микропористости и газовых пузырей, нарушающие однородность и сплошность структуры. Поэтому плотность металла является объективным показателем для оценки его хладноломкости. Несмотря на достижения в развитии теоретических представлений о природе хладноломкости металлов, общей теории, объясняющей все многообразие этого явления, до сих пор не предложено. Теоретические представления основаны на опытных данных многочисленных исследований, рассматривающих влияние отдельных параметров состояния и свойств металла на критическую температуру его перехода в хрупкое состояние. Важным является признание необходимости повышения уровня хрупкой прочности металлов как основного фактора, определяющего хладноломкость.

В качестве независимой переменной при определении металла устойчивости к хрупкости выбирают температуру, определяющую критический интервал хрупкости. Известный метод испытания ударной вязкости является весьма чувствительным и удобным способом оценки степени хладноломкости стали. Надежность и долговечность изделия в значительной степени определяется его склонностью к хрупкому разрушению, которому способствуют не только низкие температуры, но и такие параметры, как усиление концентрации напряжения, увеличение скорости деформации и другие. Опыт показывает, что сталь с более низкой температурой хрупкости лучше сопротивляется высоким напряжениям и увеличенным скоростям нагружения и дольше сохраняет свою пластичность. Следовательно, метод испытания ударной вязкости, выявляющий критический интервал хрупкости, носит универсальный характер и характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Для оценки хладноломкости стали также используют фрактографический метод контроля, основанный на измерении доли волокнистого и кристаллического строения ударных образцов. В качестве критерия оценки хрупкости принимают выраженное в процентах соотношение площадей волокнистых и кристаллических участков излома. Обычно за критерий вязкости принимают критическую температуру (), при которой доля вязкого излома составляет 50%. Чем ниже , тем выше надежность стали при низких температурах.

Опыт показывает, что детали, изготовленные из стали с более низкой температурой хрупкости, способны оставаться вязкими при более высоких скоростях напряжения в более острых в надрезах и выточках. В подобной стали распространение микротрещин существенно затрудняется.

Все указанные факторы влияют самостоятельно и независимо друг от друга и учесть долю влияния каждого весьма сложно. Для решения этих задач прибегают к натурным испытаниям изделий.

1.4 Диагностирование трубопроводов

Под диагностикой понимается получение и обработка информации о состоянии технических систем в целях обнаружения их неисправностей, выявления тех элементов, ненормальное функционирование которых привело (или может привести) к возникновению неисправностей.

С технологической точки зрения техническая диагностика трубопроводов включает в себя:

1) обнаружение дефектов на трубопроводе;

2) проверку изменения проектного положения трубопровода, его деформаций и напряженного состояния;

3) оценку коррозионного состояния и защищенности трубопроводов от коррозии;

4) контроль за технологическими параметрами транспортируемой среды;

5) оценку теплового воздействия трубопроводов на вечную мерзлоту, влияние трубопроводов на гидрологию трассы, учет результатов экологического и технологического мониторинга;

6) оценку результатов испытаний и диагностики трубопроводов, целесообразность проведения новых испытаний и повторной диагностики;

7) интегральную оценку работоспособности трубопроводов, прогнозирование сроков службы и остаточного ресурса трубопровода.

Дефекты линейной части магистральных трубопроводов подразделяются по виду:

· дефекты изоляционных покрытий;

· дефекты трубы;

· дефекты, связанные с изменением проектного положения трубопровода, его деформаций и напряженного состояния.

Дефекты трубы по степени опасности классифицируются по двум категориям:

· дефекты подлежащие ремонту;

· дефекты первоочередного ремонта.

По назначению диагностирование можно разделить на текущее и прогнозное. При текущем диагностировании определяют состояние трубопровода в какой-то определенный момент времени функционирования. Цель текущего диагностирования - определение правильности и возможности выполнения объектом определенных функции до следующего диагностического воздействия. При прогнозном диагностировании необходимо получить исходные данные для прогнозирования неисправностей, которые могут возникнуть при работе. Поэтому прогнозное диагностирование всегда выполняют в большем объеме, чем текущее.

Функциональное диагностирование дает возможность на работающем трубопроводе выявить нарушения правильности функционирования отдельных узлов и немедленно реагировать путем включения резерва, повторного выполнения операций, перехода на другой режим и т.п. Функциональное диагностирование во многих случаях обеспечивает нормальное или частичное выполнение трубопроводом возложенных на него функций даже при наличии неисправности в нем. Недостаток функционального диагностирования в том, что оно выявляет правильность функционирования только в данный момент и только в данном режиме. При этом могут быть не выявлены неисправности, мешающие работе в другом режиме.

Тестовое диагностирование дает возможность получить полную информацию о техническом состоянии МТ, дать оценку его работоспособности и исправности, однако его применение возможно только при проведении профилактики или ремонте объекта.

Комбинированное диагностирование представляет собой сочетание функционального и тестового и дает наиболее точное представление о техническом состоянии объекта как при эксплуатации, так и ремонте. При комбинированном диагностировании проверяют не только правильность функционирования, но и исправность и работоспособность объекта.

И тестовые, и функциональные методы применяют при текущем диагностировании, например, при температурном контроле за режимом металла. Для прогнозного диагностирования используют тестовые методы, например: осмотры, проверки, испытания и исследования в период ремонта объекта. Следует отметить, что для получения правильного прогноза, кроме данных диагностирования, следует учитывать ретроспективные данные.

По режиму работы методы диагностирования можно разделить на постоянно действующие (непрерывные), периодически действующие и разовые. Постоянно действующие методы характеризуются постоянным контролем за выбранными параметрами в процессе работы объекта, поэтому этими методами выполняется только функциональное диагностирование. При периодически действующих методах контроль рабочих параметров при функциональном или тестовом диагностировании осуществляется через определенные, строго повторяющиеся промежутки времени, определенные производственными инструкциями. Разовые методы применяют только при необходимости получения дополнительной информации, когда информация от постоянного и периодического контроля недостаточна.

Неавтоматизированное диагностирование отдельных элементов трубопроводов, основанное на правилах эксплуатации, инструкциях, на интуиции обслуживающего персонала, существует и функционирует давно, например: проверка механической прочности элементов оборудования, дефектоскопия и др.

В настоящее время разработано значительное число методов технического диагностирования.

По степени автоматизации методы диагностирования можно разделить на автоматические, автоматизированные, ручные. Автоматические обеспечивают диагностирование, включая и выдачу заключения, без участия человека. В этих случаях автоматически реализуется весь алгоритм технического диагностирования, задающий совокупность элементарных проверок, последовательность их реализации, правила обработки и анализа информации. При решении задач диагностирования автоматизированными методами человек не исключается из процесса диагностирования - он реализует часть алгоритма, например, обработку или анализ результатов элементарных проверок, контроль за выдерживанием параметров работающего энергоблока, когда средства контроля только дают информацию об отклонении параметров от заданных, а анализ информации и поиск дефекта должен выполнять оперативный персонал. К таким методам относят, например, виброакустический, предусматривающий диалог «человек - машина». При ручном методе диагностирования весь алгоритм технического диагностирования выполняет человек.

Накопленную и постоянно поступающую информацию о состоянии эксплуатируемого оборудования следует систематизировать. Информация должна характеризовать такие параметры, которые в максимальной мере определяют состояние диагностируемых элементов.

Средства технической диагностики можно использовать как во время ремонтов для проверки его качества, так и в оперативном режиме, они, выполняя роль предвестников отказа, позволяют более эффективно использовать необходимое оборудование и сократить потери.

Необходимо совмещать анализ, причины появления дефектов с контролем технологических режимов эксплуатации и другими компонентами, нарушение которых приводит к дефектам.

1.5 Методы диагностирования

Методы диагностики технического состояния можно разделить на два типа: разрушающие и неразрушающие. К методам разрушающего контроля обычно относят предпусковые или периодические гидравлические испытания аппаратов, а также механические испытания образцов металла, вырезанных из их элементов. Неразрушающие методы предполагают применение физических методов контроля качества, не влияющих на работоспособность конструкции.

Неразрушающие методы контроля подразделяются на пассивные (интегральные) и активные (локальные).

К активным методам относятся методы, в которых измеряется изменение возбуждаемого физического поля, а к пассивным методам относятся методы, использующие свойства физического поля, возбуждаемого самим контролируемым объектом.

Локальные методы позволяют обнаружить дефект лишь на ограниченной площади, а интегральные методы способны проконтролировать весь объект в целом.

Активными методами являются: визуальный и измерительный контроль, ультразвуковая дефектоскопия, магнитные, радиографические капиллярные, метод вихревых токов, электрический.

К пассивным относятся: тепловизионный, виброакустические методы и акустической эмиссии.

Визуальный и измерительный контроль являются необходимыми условиями контроля качества как при изготовлении, так и при эксплуатации технологического оборудования. Они применяются для выявления следующих дефектов: трещин всех видов и направлений; свищей и пористости наружной поверхности шва; подрезов; наплывов, поджогов, незаплавленных кратеров; несоответствие формы и размеров швов требованиям технической документации и др.

Для определения внутренних дефектов металла и сварных соединений (трещин, непроваров, включений) трубопроводов в основном применяются радиационный и ультразвуковые методы контроля, в более редких случаях - магнитный.

В основе радиационного метода лежит ионизирующее излучение в форме рентгеновских лучей и гамма-излучения. С одной стороны объекта устанавливают источник излучения - рентгеновскую трубку, с другой - детектор, фиксирующий результаты просвечивания (рентгеновские пленки).

Ультразвуковой метод основан на исследовании процесса распространения упругих колебаний в контролируемом объекте. Этот метод основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от внутренних неоднородностей контролируемой среды.

Все трубопроводы подвергаются испытанию на прочность и плотность. Для этого чаще применяют гидравлическое испытание, реже - пневматическое. В соответствии с требованиями нормативно-технической документации, проведение гидравлического или пневматического испытания трубопроводов относятся к основным видам работ при оценке их технического состояния. При диагностировании технического состояния длительно проработавшего оборудования, для продления ресурса его безопасной эксплуатации этот метод является обычно завершающим этапом диагностирования.

При испытании на прочность в трубопроводе создают давление, превышающее рабочее. При этом в конструкции трубопровода возникают повышенные напряжения, которые вскрывают его дефектные места.

При испытании на плотность в трубопроводе создают рабочее давление, при котором производят осмотр и обстукивание с целью выявления неплотности системы в виде сквозных трещин, отверстий и т.д.

На плотность трубопроводы испытывают только после предварительного испытания на прочность.

Гидравлический способ наиболее безопасный. Пневматический способ предусматривают в следующих случаях: когда опорные конструкции или трубопровод не рассчитаны на заполнение его водой; если температура воздуха отрицательная и отсутствуют средства, предотвращающие замораживание системы; гидравлический метод недопустим или невозможен по технологическим или другим требованиям.

Вид и способы испытаний, значения испытательных давлений указывают в проекте для каждого трубопровода. Испытанию следует по возможности подвергать весь трубопровод. Обвязочные трубопроводы, непосредственно примыкающие к аппаратам, испытывают одновременно с ними.

Для проведения гидравлического испытания необходимо заполнить изделие рабочей жидкостью. Давление в испытываемом трубопроводе необходимо повышать плавно и с остановками для своевременного выявления возможных дефектов. Во время выдержки не должно наблюдаться падения давления.

Давление нужно плавно снизить до рабочего и выдержать изделие под рабочим давлением в течение времени, необходимого для осмотра трубопровода.

Пневматическое испытание аналогично гидравлическому. В процессе испытания трубопровод заполняется воздухом или инертным газом и поднимается давление. Необходимо постоянно наблюдать за испытываемым трубопроводом. Утечки обнаруживаются по звуку.

Контроль за деформациями и напряженным состоянием трубопровода в целом не производится. Контроль за деформациями и напряженным состоянием отдельных участков трубопровода в особо сложных условиях (при просадках и пучении на вечной мерзлоте, на переходах через водные препятствия, в районах оползневых и карстовых проявлений, тектонических разломов и т.д.) возможен с использованием:

· акустико-эмиссионного метода;

· тензометрирования;

· шурфирования.

Использование шурфирования, акустико-эмиссионного метода и тензометрирования требует доступа к трубопроводу и непосредственного контакта с ним.



Рисунок 1.3. Порядок диагностирования подземных трубопроводов

Наиболее сложными для технического диагностирования являются подземные трубопроводы.

Оперативную диагностику выполняют посредством обхода обслуживающим персоналом трассы МТ. При обходе подземных участков утечки газа на трассе определяются по внешним признакам и приборами. Наибольшие сложности возникают при диагностировании подземных участков, что связано с трудностями доступа к ним и более интенсивным накоплением повреждений, обусловленным агрессивным воздействием грунта.

Получить информацию о динамике изменения свойств металла и изоляционного покрытия на трассе подземных трубопроводов, необходимую для оценки остаточного ресурса, можно только при наличии шурфов, что значительно повышает трудности диагностирования. Поэтому на первом этапе технического диагностирования максимум информации стремятся получить без вскрытия грунта.

* проверка эффективности электрохимической защиты от коррозии путем измерения потенциалов на защищенном участке (в точке подключения установки электрохимической защиты и на границах создаваемой ею защитной зоны);

* проверка состояния изоляции (в том числе наличия сквозных повреждений) производится во всех местах, доступных для визуального контроля; на засыпанных участках МТ - проверка сплошности изоляционного покрытия с помощью специальных приборов (АНПИ, КАОДИ, C-S_can и др.);

* выявление участков трубопровода с аномалиями металла труб с помощью приборов, позволяющих дистанционно установить места коррозийных или иных повреждений труб, а также участки с местным повышением напряжений;

* определение коррозийной активности грунта и наличия блуждающих токов на участках с наиболее неблагоприятными условиями по этому показателю.

1.6 Оценка технического состояния магистрального трубопровода

Для оценки технического состояния МТ необходимо провести следующие мероприятия:

- выявить наиболее опасные участки в отношении:

а) внешней коррозии;

б) внутренней коррозии;

в) напряженного состояния;

- осуществить ревизию наиболее опасных участков трубопровода;

- осуществить ревизию запорной арматуры, установок электрохимзащиты (ЭХЗ), защитных противопожарных средств, линий технологической связи, сооружений линейной производственно-диспетчерской службы;

- провести испытания на прочность и проверку их на герметичность в соответствии с [5];

- принять решение по отбраковке труб и деталей и ремонту МТ.

Критериями опасности в отношении внешней коррозии являются:

- значение разности потенциалов «труба - земля», не удовлетворяющая требованиям [6];

- высокая коррозионная агрессивность среды (грунт, грунтовые и другие воды) по [6];

- наличие дефектов изоляционного покрытия по результатам обследования;

- для трубопроводов, проложенных в зоне действия блуждающих токов, опасное смещение разности потенциалов между трубопроводом и электродом сравнения;

- величина замеренного коррозионного износа по данным толщинометрии или определенного с помощью внутритрубной диагностической аппаратуры;

- отказы по причине наружной коррозии.

Наиболее вероятными местами проявления внутренней коррозии являются:

- пониженные места по рельефу трубопровода со скоростью течения рабочей среды (V), не обеспечивающей вынос водных скоплений. Скорость течения (V_кр), достаточная для выноса водных скоплений, определяется по следующей формуле:

, (1.1)

где i - геометрический уклон восходящего участка, град.;

- коэффициент гидравлического сопротивления;

- плотность перекачиваемой жидкости, кг/м;

- разность плотностей воды и перекачиваемой жидкости, кг/мі;

k - коэффициент поправки к теоретической формуле;

g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения;

D - внутренний диаметр трубы, м.

Коэффициент поправки определяется по формуле:

k = 0,564 - 0,133·ln(n) + (2,437·(i)^0,272 - 1)·(0,06·ln(n) - 0,278),

где п - отношение кинематических вязкостей перекачиваемого продукта и воды.

Формула применима при 0,02 < n < 4,93.

Условие коррозионной опасности искривленного участка:

V < V_кр;

- места возможных донных скоплений перед термокомпенсаторами, участками с пониженной скоростью течения и др., где возможно развитие сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ);

- места, где происходили аварии по причине внутренней коррозии;

- места, где величина замеренного коррозионного износа по данным толщинометрии или определенная с помощью внутритрубной диагностической аппаратуры превышает средние значения.

Наиболее опасными в отношении действия напряженного состояния являются участки, подвергаемые перенапряжению металла трубы по следующим причинам:

- в результате действия неучтенных нагрузок. К таким нагрузкам относятся силовое воздействие оползающих грунтов при укладке трубопровода, размыв подводных переходов, колебания размытых участков под воздействием потока;

- в результате нарушения проектных решений или ошибок в проекте. Характерными примерами такого рода являются дополнительное к проектному искривление МТ в вертикальной и горизонтальной плоскостях вплоть до образования гофр и др.

Выявленные наиболее опасные участки трубопровода подвергаются ревизии. Для этого производят: шурфование, осмотр трубопровода, контроль изоляционного покрытия, толщины стенки трубы и качества сварных швов принятыми способами контроля.

Обнаруженные неисправности заносятся в рабочие журналы и оформляются в виде сводных таблиц и актов.

По результатам ревизии опасных участков производят оценку технического состояния и отбраковку труб и деталей.

Критериями оценки технического состояния труб при их отбраковке является следующее:

- если в результате ревизии окажется, что толщина стенки не удовлетворяет расчету на прочность по [7];

- если в результате коррозии до планового срока капитального ремонта толщина стенки выйдет за пределы, допускаемые по расчету на прочность;

- если во время ревизии обнаружатся дефекты в стенке труб в виде сферических, цилиндрических язв, трещин, свищей, пробоин, вмятин, гофр, рисок, царапин, наличие которых по критериям [8], требует отбраковки и ремонта элемента МТ;

- если механические свойства материала изменились и не удовлетворяют требованиям проекта;

- если при обследовании сварных швов обнаружены следующие дефекты, не подлежащие исправлению:

- трещины длиной более 50 мм в сварном шве или околошовной зоне основного металла;

- непровары размером более 10% толщины стенки.

На основе анализа данных проведенных обследований по указанным выше критериям оценки технического состояния трубопровода технические службы эксплуатирующей организации осуществляют:

- уточнение местоположения дефектного участка;

- планирование мероприятий по предотвращению возможных нарушений работы МТ;

- выбор вида и способа ремонта, установление сроков проведения ремонта в зависимости от характера дефекта с учетом загруженности трубопровода на рассматриваемый момент и перспективу;

- разработку перспективного и текущего планов ремонта МТ.

2. Виды и способы капитального ремонта магистрального трубопровода

На магистральных трубопроводах, проложенных по территории городов, населенных пунктов, ПС и нефтебаз, выполняются следующие виды капитального ремонта:

- с заменой труб;

- с заменой изоляционного покрытия с восстановлением или без восстановления стенки трубы;

- с заменой труб на участках МТ, проложенных внутри защитного кожуха или футляра.

Ремонт с заменой труб производится следующими способами:

- путем укладки в совмещенную траншею вновь прокладываемого участка трубопровода рядом с заменяемым с последующим демонтажем последнего (ввиду значительной опасности выполнения работ этот способ может применяться в виде исключения);

- путем укладки в отдельную траншею, в пределах существующего технического коридора коммуникаций, вновь прокладываемого участка трубопровода с последующим демонтажем заменяемого;

- путем демонтажа заменяемого трубопровода и укладки вновь прокладываемого трубопровода в прежнее проектное положение.

Капитальный ремонт с заменой изоляционного покрытия производится:

- с подъемом трубопровода в траншее;

- с подъемом и укладкой трубопровода на лежки в траншее.

Капитальный ремонт участков МТ, проложенных внутри защитного кожуха или футляра, выполняется следующими способами:

- с заменой дефектного участка трубопровода перехода на новый внутри эксплуатируемого защитного кожуха (футляра);

- с полной заменой перехода (дефектного трубопровода и кожуха (футляра) в старой траншее);

- путем строительства нового перехода параллельно действующему (при невозможности замены дефектного участка).

Выбор вида и способа капитального ремонта зависит от диаметра МТ, технического состояния, конкретных условий его пролегания и других требований, предъявляемых к обеспечению безопасности и сохранности, а также технических условий сторонних и других организаций.

2.1 Укладка в совмещенную траншею вновь прокладываемого трубопровода рядом с заменяемым с последующим демонтажем последнего (рис. 2.1)

Рис. 2.1. Технологическая схема капитального ремонта трубопроводов с заменой труб путем укладки в совмещенную траншею: 1 - прибор для уточнения положения трубопровода; 2 - бульдозер; 3 - экскаватор; 4 - заменяемый участок трубопровода; 5 - сварочная установка; 6 - трубоукладчик; 7 - очистная машина; 9 - передвижная электростанция; 10 - троллейная подвеска; 11 - изоляционная машина; 12 - труборез; 13 - вновь прокладываемый участок трубопровода; 14 - отвал минерального грунта

Укладка выполняется в два этапа. Первый этап включает следующие операции:

- уточнение положения МТ;

- снятие плодородного слоя почвы, перемещение его во временный отвал;

- разработка совмещенной траншеи с размещением отвалов грунта с одной или двух сторон траншеи;

- демонтаж балластных грузов;

- демонтаж контрольно-измерительного пункта (КИП) с отключением средств ЭХЗ;

- планировка отвала грунта со стороны движения РСК;

- сварка одиночных труб в секции;

- раскладка секций труб или отдельных труб на бровке траншеи;

- сварка отдельных труб или секций труб в нитку с контролем качества монтажных сварных швов;

- очистка, нанесение и контроль качества изоляционного покрытия;

- укладка трубопровода в траншею;

- установка балластных грузов;

- частичная засыпка трубопровода грунтом;

- установка КИП с подключением к трубопроводу средств ЭХЗ;

- промывка и очистка внутренней полости трубопровода от посторонних предметов;

- испытание на прочность и герметичность;

- контроль состояния изоляции катодной поляризацией;

- отключение заменяемого и подключение (врезка) нового участка к действующему МТ.

На втором этапе выполняются следующие операции:

- опорожнение, промывка заменяемого трубопровода;

- подъем, очистка от старого изоляционного покрытия и укладка трубопровода на бровку траншеи;

- засыпка траншеи минеральным грунтом;

- резка трубопровода на части;

- транспортирование труб к месту складирования;

- техническая и биологическая рекультивация плодородного слоя почвы.

2.2 Укладки в отдельную траншею вновь прокладываемого трубопровода, в пределах существующего технического коридора (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Технологическая схема капитального ремонта трубопроводов с заменой труб путем укладки в отдельную траншею: 1 - прибор для уточнения положения трубопровода; 2 - бульдозер; 3 - экскаватор; 4 - отвал минерального грунта; 5 - заменяемый участок трубопровода; 6 - сварочная установка; 7 - трубоукладчик; 9 - дефектоскопическая лаборатория; 10 - передвижная электростанция; 11 - троллейная подвеска; 12 - изоляционная машина; 13 - вновь прокладываемый участок трубопровода; 14 - труборез

Укладка выполняется в два этапа. Первый этап включает следующие операции:

- закрепление трассы вновь прокладываемого трубопровода на местности;

- снятие плодородного слоя почвы, перемещение его во временный отвал;

- сварка одиночных труб в секции;

- раскладка секций труб или отдельных труб вдоль будущей траншеи;