Способ аналитической диагностики разрушающего давления трубопроводов с поверхностными дефектами

 

Изобретение относится к области эксплуатации систем трубопроводного транспорта газонефтепродуктов. Способ осуществляют за счет использования эмпирической комбинации предела прочности материала стенки труб и геометрических параметров трубопровода и дефекта. Измеряют геометрические параметры дефекта и трубопровода в месте локализации дефекта, сравнивают текущее рабочее давление трубопровода с разрушающим давлением, которое определяют по заданной математической зависимости, учитывающей прочностные и геометрические характеристики трубопровода, параметры дефекта в зависимости от его вида. По результатам сравнения принимают решение о возможности эксплуатации дефектного участка трубопровода или о необходимости снижения рабочего давления и выводе данного участка в ремонт. Повышает надежность системы трубопроводного транспорта. 2 ил., 4 табл.

Способ аналитической диагностики разрушающего давления участков трубопроводов с поверхностными дефектами относится к области эксплуатации трубопроводного транспорта и предназначен для определения степени опасности дефекта, обнаруженного при технической диагностике трубопровода. Способ может быть использован в нефтяной и газовой отраслях.

Известны способы оценки несущей способности труб с поверхностными дефектами, работающих под внутренним давлением, которые используются в нефтяной /1/ и газовой /2/ отраслях и учитывают специфику перекачиваемого продукта.

Однако эти методики являются чрезмерно консервативными, и, кроме того, в них не учитывается тип поверхностного дефекта (гладкий коррозионный, острый надрез, трещина), что приводит к переотбраковке поврежденных труб, а как следствие этого - к необоснованному увеличению объема первоочередных ремонтных работ.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, изложенный в /3/ (код B31G), в соответствии с которым разрушающее давление определяется по формуле

где SMYS - напряжение пластического течения (flow stress), представляющее собой эмпирическую комбинацию пределов прочности σ _B и текучести σ _T материала; А - площадь дефекта; A₀=Lt; М - коэффициент Фолиаса,

здесь D - диаметр трубы; L - длина дефекта; t - толщина стенки трубы.

Результаты полномасштабных испытаний поврежденных труб на разрушение внутренним давлением показывают, что в своей области применения, ограниченной коррозионными “плоскодонными” повреждениями, т.е. относительно гладкими дефектами, применение этого метода дает заниженную оценку остаточной прочности, попытка же применить критерий B31G к острым повреждениям (трещинам, острым машинным надрезам) приводит к существенной недооценке опасности повреждения.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности определения разрушающего внутреннего давления трубопровода с поверхностными дефектами стенки трубы.

Технический результат достигается тем, что способ аналитической диагностики разрушающего давления участков трубопроводов с поверхностными дефектами путем использования эмпирической комбинации предела прочности материала стенки труб и геометрических параметров трубопровода и дефекта отличается тем, что измеряют геометрические параметры дефекта и трубопровода в месте локализации дефекта, сравнивают текущее рабочее давление р_T трубопровода с разрушающим давлением [р], которое определяют из соотношения

где t - толщина трубы; σ _B - предел прочности материала; D - диаметр трубы; a ω - параметр, характеризующий степень поврежденности трубы, который вычисляется по формуле

где - относительная глубина дефекта; - относительная длина дефекта; d - глубина дефекта; L - длина дефекта;

- для реальных трещин; - для гладких коррозионных дефектов; - для искусственных машинных надрезов, причем m=1, если ширина надреза больше 0.5t, m=2 для надреза, ширина которого меньше 0.5t.

Технический результат заявленного способа достигается тем, что, во-первых, вводимый параметр ω поврежденности трубы адаптирован к виду поверхностных дефектов, в том числе к искусственным машинным надрезам, во-вторых, исключается необходимость измерений предела текучести σ _T материала стенки трубы, в-третьих, прямые экспериментальные данные, полученные по реализации предлагаемого способа, позволяют утверждать о его осуществлении на практике.

На фиг.1 изображены гистограммы распределений плотности вероятностей абсолютных ошибок оценки прогнозируемого давления разрушения [р] по предлагаемому способу (кривая 1) и по способу B31G (кривая 2);

на фиг.2 - сравнение интегральных функций распределения ошибок оценки прогнозируемого давления разрушения [p] по предлагаемому способу(g) и способу B31G (s) с нормальным законом распределения (сплошная линия).

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В начале измеряют геометрические параметры трубопровода в месте размещения поверхностного дефекта определенного вида и геометрические параметры дефекта (D, t, L, d).

Затем выбирают известное или экспериментально измеренное значение предела прочности материала σ _B стенки трубы.

Затем определяют значение параметра ω, характеризующего степень поврежденности трубы для конкретного типа дефекта, учитываемого функцией φ(ε)

Оценку величины критического давления [р] выполняют с использованием соотношения

Пример реализации предлагаемого способа для трубопровода диаметром D=1220 мм, толщиной стенки t=12 мм, пределом прочности материала σ _B=539.4 МПа с реальными трещинами приведен в табл.1. В рассмотренных вариантах длина трещин варьировалась от 63 мм до 213 мм, а глубина - от 6.3 мм до 10 мм. Максимальная ошибка 14% получена только в одном случае, в остальных расчетные значения разрушающего давления практически совпали с экспериментальными.

Аналогичные результаты для труб с гладкими коррозионными дефектами приведены в табл.2. В этом случае в отличие от предыдущего рассмотрены трубы с различными геометрическими размерами, выполненные из различных марок сталей. Размеры дефектов изменялись в пределах: по относительной длине от 2.41 до 8.1; по относительной глубине - от 0.283 до 0.788. Максимальная ошибка в этом случае составила 9%.

Ввиду многочисленности экспериментальных данных как по размерам дефектов, так и по геометрическим и механическим характеристикам труб наиболее полное сравнение удалось провести для труб с искусственно нанесенными машинными надрезами. В табл.3 приведены результаты сравнения 23 экспериментальных и расчетных значений разрушающего давления практически для всех типоразмеров труб линейной части трубопроводов с различньми данными по сочетанию длины и глубины дефектов. Максимальная ошибка оценки разрушающего давления составила 19% для трубы с дефектом относительной длиной l=2.64 и глубиной ε=0.895. Результаты же прогнозирования разрушающего давления с применением критерия B31G для этих же условий дают значение, более чем в 2 раза превышающее зафиксированное в эксперименте /4/.

Используя результаты, представленные в табл. 3, проводили сравнительный статистический анализ точности прогнозирования разрушающего давления по методу В31 G и предложенному методу.

На фиг.1, 2 приведены гистограммы распределения плотности вероятностей абсолютных ошибок прогноза и сравнение интегральных функций распределения с теоретическими для нормального закона распределения.

Точечные оценки параметров распределения и размах варьирования ошибок приведены в табл.4.

Из анализа полученных результатов следует:

а) функция распределения ошибки прогноза по предложенному методу хорошо согласуется с нормальным законом распределения с характеристиками: =0,0498 МПа (точечная оценка математического ожидания), S _x1=0,4017 МПа (точечная оценка среднего квадратического отклонения ошибки x₁);

б) точечная оценка математического ожидания для ошибки прогноза по методу B31G равна - =-0,3782 МПа, точечная оценка среднего квадратического отклонения ошибки х₂ равна S_x2=1,5375 МПа;

в) диапазон варьирования абсолютной ошибки прогноза по предложенному способу в 4,035 раз уже соответствующего диапазона ошибки прогноза по методу B31G; диапазон варьирования относительной ошибки прогноза по предложенному методу в 2,39 раз уже соответствующего диапазона для метода B31G;

г) доверительные интервалы с доверительной вероятностью 0,95 для абсолютной и относительной ошибок прогноза по предложенному методу уже аналогичных доверительных интервалов, полученных методом B31G, соответственно в 1,8866 и 3,0147 раз;

д) дисперсия ошибки прогнозирования по предложенному методу в 14,64 раз меньше дисперсии ошибки прогнозирования по методу B31G.

Полученные результаты наглядно показывают преимущества заявляемого метода по сравнению с используемыми в настоящее время нормативными методиками.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет достаточно просто и точно определять уровень опасности рассматриваемых дефектов и тем самым оптимизировать объем и очередность ремонтных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черняев К.В. и др. Оценка опасности трещиноподобных дефектов в стенках труб и сварных швах магистрального трубопровода // Трубопроводный транспорт нефти. - 1999. - № 9. - С.30-32.

2. Инструкция по освидетельствованию и отбраковке труб. М.: ВНИИГАЗ, 1991.

3. An American National Standard. ASME B31G - 1991. Code For Pressure Piping. Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines. N.Y.: ASME, 1991 (прототип).

4. Широков М.А. Анализ методов оценки работоспособности газопроводов с дефектами // Надежность газопроводных конструкций. М.: ВНИИГАЗ, 2000. С.40-54.

Формула изобретения

Способ аналитической диагностики разрушающего давления участков трубопроводов с поверхностными дефектами путем использования эмпирической комбинации предела прочности материала стенки труб и геометрических параметров трубопровода и дефекта, отличающийся тем, что измеряют геометрические параметры дефекта и трубопровода в месте локализации дефекта, сравнивают текущее рабочее давление р_Т трубопровода с разрушающим давлением [р], которое определяют из соотношения

где t - толщина трубы;

σ _B - предел прочности материала;

D - диаметр трубы;

ω - параметр, характеризующий степень поврежденности трубы, который определяют из соотношения

где - относительная глубина дефекта;

- относительная длина дефекта; d - глубина дефекта; L - длина дефекта;

- для реальных трещин;

- для гладких коррозионных дефектов;

- для искусственных машинных надрезов, причем m=1, если ширина надреза больше 0,5t, m=2 для надреза, ширина которого меньше 0,5t,

и по результатам сравнения р_Т и [р] принимают решение о возможности эксплуатации дефектного участка трубопровода или о необходимости снижения рабочего давления и выводе данного участка в ремонт.

РИСУНКИ