Выбор оптимального метода оценки остаточного ресурса трубопроводов. И. А. Цепилев (№4, 2015)

Скачать выпуск "Безопасность и охрана труда" №4,2015

И.А. Цепилев,

ООО “ПромГазЭнерго”, заместитель директора по техническим вопросам, эксперт по промышленной безопасности,

email: pg.energo@yandex.ru

I. A. Tsepilev

“PromGazEnergo” deputy director on technical matters, an expert in industrial safety

Selecting of optimal methods for residual pipelines life assessing

 

The paper assesses the current state of the pipeline system of Russia and the importance of its stable and secure functioning. The main reasons that directly affect the resource characteristics of pipelines, particularly the residual life are thoroughly analyzed and ran-ked. The author carries out the methodological and regulatory analysis of the calculation of residual life of pipeline systems, detects the shortcomings of the recommended models, provides a solution that allows making an adequate assessment to get the unequivocal result of the high degree of accuracy.

 

Оборудование и различные технологические комплексы обеспечивают стабильное функционирование социально-экономической сферы нашего государства. В процессе своего функционирования на техносферу непрерывно действуют различные внутренние и внешние факторы, снижающие ее эксплуатационные характеристики. Такой процесс дестабилизации структуры и функционала любой технической системы или комплекса в итоге может привести к возникновению аварийной ситуации.

Учитывая указанную проблему, приводящую к старению и износу технологического оборудования и систем, играющих большую роль в жизнеобеспечении граждан и экономическом развитии государства, например, трубопроводных систем, можно заключить, что всесторонний анализ их ресурсных характеристик (оценка ресурса функционирования, межремонтный период) является актуальной научно-практической задачей.

   Наиболее важной характеристикой любой техносферной системы является ресурс. Под ресурсом понимают ее наработку от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, которое допускает различное толкование в зависимости от выбранного критерия предельного состояния.  

Прогнозирование столь важного показателя является составной частью теории надежности. Непосредственно сам ресурс техносферной системы представлен его тремя разновидностями: проектным, исходным и остаточным [1].

  Проектный ресурс (теоретический) – это интегральная характеристика технической системы, рассчитанная на основе данных физико-механических характеристик и математических моделей влияния на него различных видов нагружений и т.п. Данный вид ресурса является одинаковым для всех однотипных систем.

  Исходный ресурс – это ресурс объекта, которым он обладает в самом начале эксплуатации. По своим значениям он ниже проектного ресурса, так как в процессе использования оборудования или технической системы непосредственно на производстве на него воздействуют различные внешние и внутренние факторы, негативно влияющие на эксплуатационные характеристики.

 Остаточный ресурс является наиболее важным, он определяет возможную продолжительность эксплуатации технических объектов с данного момента времени до достижения параметром технического состояния его предельного значения [2].

Вопросами оценки остаточного ресурса трубопроводов занимались как российские ученые, например,  Л.П. Худякова, И.Г. Абдуллин, А.Г. Гумеров, А.М. Болотнов, так и зарубежные, среди которых можно выделить D. Gray, R.D. Cane и др.

В области численного и нейросетевого моделирования, разработки и анализа информационных технологий режимов эксплуатации различных трубопроводных систем необходимо упомянуть работы В.Е. Селезнева, В.В. Алешина, С.Н. Прялова, В.В. Кобякова, С.Е. Кутукова, А.Г. Галушкина, А.А. Ежова, С.А. Шумской, В.И. Васильева, Б.Г. Ильясова [3].

В Российской Федерации, используемые трубопроводные системы в подавляющем большинстве, например, водопроводные, имеют весьма низкую степень надежности вследствие следующих основных причин:

- высокая степень износа;

- ошибочный выбор трубного материала, использование дешевых марок стали, несоответствие выбранного класса прочности условиям эксплуатации трубопровода;

- нарушение технологии монтажных работ и работ по укладке трубопровода;

- высокие внутренние нагрузки (разрушающие давления при эксплуатации, воздействия гидравлических ударов);

- несоответствие качества труб требованиям нормативных документов и т.п. [2].

В совокупности указанные причины приводят со временем к значительной потере прочности материала трубопровода и снижению его остаточного ресурса эксплуатации.

 Для грамотной и взвешенной оценки остаточного ресурса системы, в т.ч. трубопроводной необходимо комплексное использование различных технических средств и методологических аспектов, позволяющих эффективно решить проблему безопасной эксплуатации оборудования.

С технической точки зрения оценку фактического состояния трубопровода и его остаточного ресурса можно осуществлять посредством аппаратных средств, предназначенных для определения различных физико-механических характеристик материала: параметров структуры (балл зерна), прочности, твердости, наличия дефектной составляющей, в т.ч. микродефектов, а также степени эрозионно-коррозионного износа.

Предельные значения указанных параметров регламентируются соответствующими нормативными документами (государственными стандартами или техническими условиями).

На трубопроводную систему при ее эксплуатации одновременно действуют, как уже было сказано как внутренние (технико-технологические), так и внешние (природно-климатические) факторы.

Наиболее важными из внутренних факторов, непосредственно влияющих на остаточный ресурс работы трубопроводной системы можно выделить следующие: скорость и температура потока, а также давление.

  1. Влияние скорости потока на вымывание и разрушение металла трубопровода тем сильнее, чем меньше входит легирующих добавок в состав металла.
  2. Влияние температуры аналогично влиянию скорости потока, чем ниже качество материала, из которого изготовлен трубопровод, тем быстрее снижаются его эксплуатационные характеристики.
  3. Рабочее давление является причиной кольцевых и продольных напряжений в стенках труб, которые могут изменяться при повышении или понижении внутреннего давления.

Немаловажным фактором, непосредственно влияющим на ресурсные характеристики трубопроводных систем, является наличие различных дефектов их структуры.

Дефекты являются концентраторами напряжений. К ним можно отнести дефекты различного происхождения: механического, технологического, коррозионно-эрозионного.

Дефекты могут быть выражены в виде царапин, забоин, вмятин, расслоений, эрозии. Кроме этого в результате некачественного выполнения сварных работ концентраторами напряжений, создающими опасность нарушения безаварийной работы трубопровода, могут выступать дефекты сварных швов.

Это связано с тем, что  сварной шов является конструктивный элемент трубопровода, сам по себе является концентратором напряжений в стенке трубы и увеличивает напряжения в 1,5-1,6 раза [4].

Динамику изменения диагностируемых параметров трубопроводной системы можно отслеживать и моделировать тем или иным методом на основе данных периодических обследований объектов контроля. Использование такого математического инструмента как моделирование позволяет точнее определить текущее состояние трубопроводной системы и спрогнозировать ее поведение в будущем или при определенных изменениях условий эксплуатации.

Существующие на сегодняшний день наработки в сфере моделирования трубопроводных систем построены на использовании различных подходов (инженерного, вероятностного и т.п.) и учета различных негативных факторов, дестабилизирующих работу трубопроводной системы (старение, термотрансформирование и т.д.).

Очень важен методологический аспект, непосредственно влияющий на корректность оценки остаточного ресурса. Одним из важнейших характеристик трубопроводной системы, непосредственно связанным с изменением ресурсных характеристик трубопровода является его остаточная прочность.

К сожалению, необходимо констатировать, что в настоящее время в России отсутствует как целостный государственный стандарт, так и общая нормативная база по оценке данного параметра технологических систем различного назначения.

Все существующие на сегодняшний день нормативные и руководящие документы по оценке остаточной прочности трубопроводов разработаны на основе прямого заимствования зарубежных национальных стандартов (в частности США), их модификаций и применения полуэмпирических формул.

Данные методики плохо адаптированы к условиям нашей страны,  имеют массу ограничений и недостатков, среди которых можно указать наиболее характерные:

  1. ориентация исключительно на одиночные дефекты в виде коррозионных каверн;
  2.  отсутствие учета многофакторности  нагружения трубопроводной конструкции и некорректное отображение взаимовлияния кластерных дефектов структуры трубопровода;
  3. заниженные оценки величин разрушающего и максимально безопасного давлений и недооценка опасности фактора или группы факторов, что может спровоцировать возникновение аварийной ситуации;
  4. неоднозначность получаемых результатов и неспособность использования большей части данных современной технической диагностики [5-8].

Таким образом, данные методики не могут быть корректно применены для оценки остаточной прочности и остаточного ресурса трубопроводов.

Решение данной проблемы было найдено группой разработчиков в 90-х гг. прошлого века, путем разработки высокоточного (с практической точки зрения) метода анализа прочности трубопроводных систем, базирующегося на применении самых современных средств математического моделирования и вычислительной техники под руководством В.В. Алешина [9].

Таким образом, резюмируя результаты статьи необходимо отметить следующее:

- важной составляющей обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводных систем является как техническая, так и методологическая основа, являющаяся базисом для корректного расчета остаточного ресурса их работы;

-  для повышения точности, корректности и однозначности получения данных, необходимых для расчета остаточной прочности технологических систем, в т.ч. трубопроводных необходима разработка новых технических средств их диагностики, а также переработка и усовершенствование нормативной документации, регулирующей правила и нормы оценки их ресурсных показателей.

 

 

Библиографический список

  1. Антонов А.В., Моисеев И.Ф. Проблемы поддержания работоспособности оборудования АСУ ТП АЭС. - http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2007/f113.pdf (дата обращения 10.12.15).
  2. Клюев В.В., Фурсов А.С., Филинов М.В. Подходы к построению систем оценки остаточного ресурса технических объектов // Контроль. Диагностика. -  2007. - №3. – С.18-23.
  3. Бесхлебнова Г.А. Моделирование процессов коррозионных повреждений магистральных трубопроводов для оценки технического и техногенного риска. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н.
  4.  Демидов Н.П., Трубаев А.И. Прогнозирование остаточного ресурса трубопроводов с учетом эрозионно-коррозионного износа. –  http://www.kpi.kharkov.ua/archive (дата обращения10.12.15).
  5. Оперативная информация об авариях, происшедших на предприятиях, подконтрольных Госгортехнадзору России : редакционная статья // Безопасность труда в промышленности. - 2001. - № 12. - С. 14.
  6. Оперативная информация об авариях, происшедших на предприятиях, подконтрольных Госгортехнадзору России : редакционная статья // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - № 3. - С. 22.
  7. Селезнев В.Е., Алешин В.В. Применение программных комплексов ANSYS и LSDYNA для анализа осколочного поражения при авариях на газопроводах // Сборник трудов Второй конференции пользователей программно-математического обеспечения CAD-FEM GmbH, 2002. – С.20-25.
  8. Селезнев В.Е., Алешин В.В. Клишин Г.С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем / под ред. В.Е. Селезнева. - М.: КомКнига, 2005. - 323 с. 
  9. Селезнев В.Е., Алешин В.В. Прялов С.Н. Основы численного моделирования магистральных трубопроводов / под ред. В.Е. Селезнева. - М.: КомКнига, 2005. - 490 с.