Способ определения ресурса металла трубопровода или сосуда

Изобретение относится к методикам оценки ресурса металла трубопроводов, корпусов сосудов и технологических аппаратов, а также их конструктивных элементов - входных и выходных патрубков, штуцеров и пр. Способ может быть использован в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности. Предлагаемый способ определения ресурса металла трубопровода или сосуда включает определение: геометрических и механических параметров стенок (энергии межкристаллитных связей между частицами металла в стенке; энергии напряжения в стенке от действия разности давлений текучей и внешней сред; расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла - естественного старения); основных параметров текучей среды (расхода энергии потока, действующего на металл стенки; загрязненность потока частицами абразивного материала); ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры. Отличительной особенностью способа является учет при расчете ресурса металла дополнительно определенных величины скорости коррозии металла и величины расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла от действия коррозии. Технический результат заключается в повышении точности определения ресурса металла. 1 з.п. ф-лы.

 

Способ относится к методикам оценки ресурса металла трубопроводов, корпусов сосудов и технологических аппаратов, а также их конструктивных элементов - входных и выходных патрубков, штуцеров и пр. Способ может быть использован в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда (патент RU №2297618, МПК⁷ G01N 3/00, опубл. 20.04.2007), включающий определение основных механических, геометрических параметров (предела текучести, диаметров внутреннего и внешнего, толщины стенки), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры на входе и выходе трубопровода или сосуда, угла натекания на стенку, загрязненности механическими примесями) и определение ресурса металла по расчетной формуле:

$$\tau =\frac{V_{м}\cdot \left(\sigma -u\right)}{\mathrm{3,1536}\cdot {10}^7\cdot K\cdot E_T\cdot Sin\alpha },\left(1\right)$$

где τ - ресурс металла, год;

V_м - объем металла в стенке трубопровода или корпуса сосуда, м³;

σ - энергия связей между частицами металла, численно равная временному сопротивлению металла разрыву, $$\frac{Дж}{{м}^3}$$ ;

u - напряжение металла стенки под действием избыточного внутреннего давления, $$\frac{Дж}{{м}^3}$$ ;

3,1536·10⁷ - количество секунд в году;

K - коэффициент загрязненности потока частицами абразивного материала (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

Е_т - величина расхода энергии потока, действующего на металл стенки, $$\frac{Дж}{{м}^3}$$ ;

∝ - величина угла натекания потока на поверхность стенки трубопровода, градус.

Общими признаками известного и предлагаемого способов определения ресурса металла трубопровода или сосуда является определение:

- геометрических и механических параметров стенок;

- основных параметров текучей среды (расхода энергии потока, действующего на металл стенки; загрязненности частицами абразивного материала);

- ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры.

Формула отражает процесс уменьшения энергии связей между частицами металла во времени (т.е. его деградацию) от действия энергии потока текучей среды. Поэтому определение с помощью этой формулы величины ресурса металла приемлемо для инженерных расчетов.

Однако этот способ определения ресурса металла имеет недостатки - в нем не учитывается отрицательное влияние на металл:

- естественного старения (уменьшение прочности от времени);

- коррозионного износа.

Игнорирование этих процессов влияет на точность определения ресурса металла и вносит существенные погрешности.

Более близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения ресурса металла трубопровода (патент RU №2426091, МПК⁷ G01N 3/12, опубл. 10.08.2011), включающий определение:

- основных геометрических и механических параметров стенок (временного сопротивления металла разрыву, диаметров внутреннего и внешнего), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры в начале и конце трубопровода, угла натекания на стенку, загрязненности механическими примесями);

- величины скорости снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла и расчеты;

- величины потери энергии этих связей от времени по формуле:

$$E_{\tau }=b\cdot V_{м},\left(2\right)$$

где b - скорость снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, $$\frac{Дж}{{м}^3\cdot с}$$ ;

V_м - объем металла в стенке трубопровода, м³;

- и ресурса металла по формуле:

$$\tau =\frac{E_{м}-E_u}{\left(E_{\tau }+E_{т}\cdot K\right)\cdot \mathrm{3,1536}\cdot {10}^7},\left(3\right)$$

где τ - ресурс металла, год;

Е_м - энергия межкристаллитных связей между частицами металла в стенке, Дж;

E_u - энергия напряжения в стенке от действия разности давлений текучей и внешней сред, Дж;

E_τ - потеря энергии межкристаллитных связей между частицами металла - естественное старение, $$\frac{Дж}{с}$$ ;

Е_т - величина расхода энергии потока, действующего на металл стенки, $$\frac{Дж}{с}$$ ;

K - загрязненность потока частицами абразивного материала, учитываемая величиной коэффициента (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

3,1536·10⁷ - количество секунд в году.

Технический прием, заключающийся в дополнительном определении величины скорости b $$\left[\frac{Дж}{{м}^3\cdot с}\right]$$ снижения энергии межкристаллитных связей между частицами металла, позволяет выявить объективную закономерность деградации металла от времени, учет которой в конечном итоге повышает точность определения его ресурса по расчетной формуле.

Общими признаками известного и предлагаемого способов определения ресурса металла трубопровода или сосуда являются определение:

- геометрических и механических параметров стенок (энергии межкристаллитных связей между частицами металла в стенке; энергии напряжения в стенке от действия разности давлений текучей и внешней сред; потери энергии межкристаллитных связей между частицами металла - естественного старения);

- основных параметров текучей среды (расхода энергии потока, действующего на металл стенки; загрязненности частицами абразивного материала);

- ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры.

Однако этот способ определения ресурса металла имеет недостаток - в нем не учитывается отрицательное влияние на ресурс коррозионного износа металла.

Игнорирование этого процесса влияет на точность определения ресурса металла и вносит существенные погрешности.

Задачей, решаемой изобретением, является снижение погрешностей при определении ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда.

Технический результат заключается в повышении точности определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда.

Технический результат достигается тем, что в способе определения ресурса металла трубопровода или сосуда, включающем определение:

- геометрических и механических параметров (энергии межкристаллитных связей между частицами металла в стенке; энергии напряжения в стенке от действия разности давлений текучей и внешней сред; расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла - естественного старения) стенок,

- основных параметров текучей среды (расхода энергии потока, действующего на металл стенки; загрязненность потока частицами абразивного материала);

- ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры;

новым является то, что дополнительно определяют величину скорости коррозии металла и рассчитывают величину расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла от действия коррозии по формуле:

$$E_{к}=a\cdot f\cdot \sigma ,\left(\text{4}\right)$$

где a - скорость коррозии металла, $$\frac{м}{с}$$ ;

f - площадь поверхности стенки, м²;

σ - временное сопротивление металла разрыву, $$\frac{H}{{м}^2}$$ $$\left(\frac{Дж}{{м}^3}\right)$$ ,

а ресурс определяют по формуле:

$$\tau =\frac{E_{м}-E_u}{\left(E_{к}+{Е}_{\tau }+K\cdot E_{т}\right)\cdot \mathrm{3,1536}\cdot {10}^7},\left(\text{5}\right)$$

где Е_м - энергия межкристаллитных связей между частицами металла в стенке, Дж;

E_u - энергия напряжения в стенке от разности давлений текучей и внешней сред, Дж;

Е_τ - величина расхода энергии связей между частицами металла от времени - естественное старение, $$\frac{Дж}{с}$$ ;

K - загрязненность текучей среды частицами абразивного материала, учитываемая величиной коэффициента (чистая среда K=1; загрязненная среда K>1);

Е_т - расход энергии, идущей на уменьшение энергии межкристаллитных связей металла от действия на стенки текучей среды, $$\frac{Дж}{с}$$ ;

3,1536·10⁷ - количество секунд в году.

Кроме того, величину а скорости коррозии металла определяют опытным путем, и она для следующих марок сталей, контактирующих с многокомпонентными углеводородными средами (нефтяными, природными газами и их конденсатами), найдена в пределах:

- $$09Г2С\text{ от 2}\text{,5368}\cdot {\text{10}}^{\text{-12}}\text{до}\text{ 1}\text{,3581}\cdot {\text{10}}^{\text{-11}}\frac{м}{с}$$ ;

- $$16ГС\text{ от 5}\text{,7363}\cdot {\text{10}}^{\text{-12}}до\text{1}\text{,2408}\cdot {\text{10}}^{\text{-11}}\frac{м}{с}$$ ,

где максимальные величины определены для сталей, контактирующих со средами, содержащими больше кислых компонентов (CO, CO₂, H₂S).

Технический прием, заключающийся в определении опытным путем величины скорости коррозии а, $$\frac{м}{с}$$ , металла, позволяет выявить объективную закономерность деградации металла под действием агрессивной среды от времени, учесть эту величину и в конечном итоге повысить точность определения ресурса металла.

Расчет величины расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла от действия коррозии по формуле (4) позволяет установить величину расхода Е_к этой энергии в зависимости от скорости а коррозии, площади f поверхности стенки и временного сопротивления σ металла разрыву. Учитываемые параметры являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности.

Расчет величины расхода Е_к энергии межкристаллитных связей между частицами металла от действия коррозии позволяет учесть ослабление прочности металла от срока его службы и тем самым повысить точность определения ресурса металла.

Формула (5) является выражением ресурса τ металла стенок трубопровода или сосуда. Она отражает во времени процесс ослабления энергии Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенках трубопровода или сосуда в зависимости от показателей E_u, Е_к, Е_τ, K, Е_т.

Величины энергии Е_м [Дж] и E_u [Дж], расхода энергии Е_τ $$\left[\frac{Дж}{с}\right]$$ и Е_т $$\left[\frac{Дж}{с}\right]$$ рассчитываются по известным формулам (см. патент RU №2426091, МПК⁷ G01N 3/12, опубл. 10.08.2011).

Энергия E_u напряжения в стенке от действия на нее разности давлений текучей среды и внешней среды уменьшает энергию Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода, что выражается разностью величин Е_м и E_u в числителе.

Величины расхода энергии Е_к $$\left[\frac{Дж}{с}\right]$$ , Е_τ $$\left[\frac{Дж}{с}\right]$$ и Е_т $$\left[\frac{Дж}{с}\right]$$ влияют на деградацию металла и в конечном итоге на его разрушение. Это влияние выражается суммой величин Е_к, Е_τ и Е_Т в знаменателе.

На снижение энергии связей между частицами металла влияет загрязненность потока транспортируемой среды частицами абразивного материала. Эта загрязненность учитывается величиной коэффициента K (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1).

Учитываемые параметры (кроме коэффициента K) являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению времени ресурса τ металла в секундах. В связи с тем, что год содержит 3,1536·10⁷ секунд, эта величина находится в знаменателе и определяемая величина ресурса металла по данной формуле обозначается в годах.

Формула (5) объективно отражает процесс уменьшения энергии Е_м межкристаллитных связей между частицами металла в стенке трубопровода (т.е. его деградацию и разрушение), и поэтому при определении по ней ресурса τ металла достигается повышенная точность расчетов, которая достаточна для принятия инженерных решений.

Технический прием, заключающийся в том, что величину а скорости коррозии металла определяют опытным путем, позволяет найти эту величину для различных марок (сортов) металла трубопроводов или сосудов, эксплуатирующихся в различных условиях агрессивных сред, а также климатических условиях (тропики, Приполярье, Заполярье и т.д.), горных, пустынных, болотистых, морских, надземных, подземных и пр., что в конечном итоге позволяет более точно определять ресурс металла трубопровода или сосуда.

Авторам не известны способы определения ресурса металла трубопроводов или корпусов сосудов и аппаратов, в которых увеличение точности достигалось бы указанным выше способом.

Практическая реализация предлагаемого способа определения ресурса металла, представлена примером для трубопровода, транспортирующего нефтяной газ, содержащий кислые компоненты.

Реализация способа иллюстрируется примером.

ПРИМЕР

Предлагаемый способ определения ресурса металла газопровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные геометрические и механические параметры газопровода:

- марку стали - 09Г2С;

- временное сопротивление материала (металла) разрыву σ=5·10⁸ $$\frac{Н}{{м}^2}$$ $$\left(\frac{Дж}{{м}^3}\right)$$ ;

- наружный диаметр трубопровода D_н=0,529 м;

- внутренний диаметр трубопровода D_в=0,513 м;

- длина трубопровода S=2850 м;

- объем металла в стенке трубопровода V_м=37,2994 м³;

- площадь поверхности стенки f=4590,84 м²;

- среднюю шероховатость поверхности стенки, контактирующей с текучей средой, δ=0,0005 м.

- скорость снижения энергии связей между частицами металла от времени b=0,15 $$\frac{H}{{м}^2}$$ $$\left(\frac{Дж}{{м}^3}\right)$$ .

Определяют основные параметры транспортируемого газа (природного):

- давление в начале трубопровода P₁=3,6·10⁶ Па (Дж/м³);

- давление окружающей среды Р₀=1,02·10⁵ Па (Дж/м³);

- расход газа G=1800 кг/с;

- молекулярную массу газа М=0,019,87 кг/моль;

- молярную газовую постоянную R_const=8,314 Дж/(моль·К);

- показатель адиабаты газа k=1,29;

- изобарную теплоемкость газа C_p=2215 Дж/(кг·К);

- температуру газа в начале трубопровода Т₁=288 К;

- плотность газа при рабочих условиях ρ_G=29,9 кг/м³;

- скорость движения газа W_G=29,2 м/с;

- динамическую вязкость газа µ=1·10^-5 Н·с/м²;

- интегральный эффект Джоуля-Томпсона =3,5·10^-6 град/Па;

- загрязненность газа абразивным материалом, при концентрации 20 мг/м³ газа K=1,18;

- величину угла ∝=1·10^-3 град натекания потока на поверхность стенки. Дополнительно определяют:

- скорость коррозии a=1,3581·10^-11 $$\frac{м}{с}$$ .

По известным формулам (см. патент РФ №2426091, МПК⁷ G01N 3/12) рассчитывают:

- энергию межкристаллитных связей между частицами металла в стенке Е_м=1,86·10¹⁰ Дж;

- энергию напряжения в стенке от разности давлений текучей и внешней сред E_u=6,52·10⁷ Дж;

- расход энергии связей между частицами металла от времени - естественное старение Е_τ=5,595 $$\frac{Дж}{с}$$ ;

- расход энергии, идущей на уменьшение энергии межкристаллитных связей металла от действия на стенки текучей среды Е_т=6,49 $$\frac{Дж}{с}$$ ;

- расход энергии межкристаллитных связей между частицами металла от действия коррозии по формуле:

$$E_{к}=a\cdot f\cdot \sigma =\mathrm{1,3581}\cdot {10}^{-11}\cdot \mathrm{4590,84}\cdot 5\cdot {10}^8=\mathrm{31,174}\frac{Дж}{с},\left(\text{6}\right)$$

- ресурс металла:

$$\tau =\frac{E_{м}-{Е}_u}{\left({Е}_{к}+{Е}_{\tau }+K\cdot {Е}_{т}\right)\cdot \mathrm{3,1536}\cdot {10}^7}=\mathrm{13,3}\text{ года}$$ .

1. Способ определения ресурса металла трубопровода или сосуда, включающий определение: геометрических и механических параметров стенок - энергии межкристаллитных связей между частицами металла в стенке; энергии напряжения в стенке от действия разности давлений текучей и внешней сред; расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла - естественного старения; основных параметров текучей среды - расхода энергии потока, действующего на металл стенки; загрязненность потока частицами абразивного материала; ресурса металла по расчетной формуле, связывающей эти параметры, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину скорости коррозии металла и рассчитывают величину расхода энергии межкристаллитных связей между частицами металла от действия коррозии по формуле:
Е_к=a·f·σ,
где а - скорость коррозии металла, $$\frac{м}{с}$$ ;
f - площадь поверхности стенки, м²;
σ - временное сопротивление металла разрыву, $$\frac{Н}{{м}^2}$$ $$\left(\frac{Дж}{{м}^3}\right)$$ ,
а ресурс определяют по формуле:
$$\tau =\frac{{Е}_{м}-{Е}_u}{\left({Е}_{к}+{Е}_{\tau }+K\cdot {Е}_{т}\right)\cdot \mathrm{3,1536}\cdot {10}^7}$$ ,
где Е_м - энергия межкристаллитных связей между частицами металла в стенке, Дж;
E_u - энергия напряжения в стенке от разности давлений текучей и внешней сред, Дж;
Е_τ - расход энергии связей между частицами металла от времени - естественное старение, $$\frac{Дж}{с}$$ ;
K - загрязненность текучей среды частицами абразивного материала, учитываемая величиной коэффициента (чистая среда К=1; загрязненная среда К>1);
Е_т - расход энергии, идущей на уменьшение энергии межкристаллитных связей металла от действия на стенки текучей среды, $$\frac{Дж}{с}$$ ;
3,1536·10⁷ - количество секунд в году.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину а скорости коррозии металла определяют опытным путем и она для следующих марок сталей, контактирующих с многокомпонентными углеводородными средами (нефтяными, природными газами и их конденсатами), найдена в пределах:
- 09Г2С от 2,5368·10^-12 до 1,3581·10^-11 $$\frac{м}{с}$$ ^;
- 16ГС от 5,7363·10^-12 до 1,2408·10^-11 $$\frac{м}{с}$$ ^.