Завьялов Алексей Петрович. Совершенствование методов оценки технического состояния технологических трубопроводов по результатам диагностирования

brief description

Завьялов Алексей Петрович. Совершенствование методов оценки технического состояния технологических трубопроводов по результатам диагностирования : дис. ... канд. техн. наук : 25.00.19 Москва, 2006 101 с. РГБ ОД, 61:07-5/1345

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НЕФТИ И ГАЗА ИМ. И.М. ГУБКИНА
61:07-5/1345
ЗАВЬЯЛОВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПО
РЕЗУЛЬТАТАМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность 25.00.19 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»
Научный руководитель к.т.н., доцент Лукьянов В. А.
Москва - 2006
ВВЕДЕНИЕ 5
Елава Е ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ НА СОБСТВЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ..13
1.1. Анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей
технологических трубопроводов нефтегазовых производств,
влияющих на безопасность их эксплуатации 13
1.2. Исследование развития системы диагностического обслуживания технологических трубопроводов, место в ней работ по оценке
технического состояния объектов 18
1.3. Определение НДС как основа оценки технического состояния
технологических трубопроводов 24
1.4, Формулирование задачи на собственное исследование 31
Выводы по главе 33
Глава 2. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ ОБВЯЗОК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ 34
2.1. Методы оценки технического состояния технологических
трубопроводов, основанные на аналитических методах анализа НДС по данным о пространственном положении оси трубопровода 34
2.2. Применение методов сглаживания данных геодезической съемки
при расчетном определении НДС 37
2.2.1. О погрешности определения пространственного положения
трубопровода геодезическим методом 37
2.2.2. О применении методов сглаживания данных геодезической
съемки 39
2.3. Использование для анализа НДС трубопроводных обвязок
статистических методов 47
Выводы по главе
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 64
3.1. Особенности применения метода конечных элементов при
определении НДС трубопроводных конструкций 64
3.2. Разработка методических рекомендаций по выбору расчетных схем,
граничных условий и условий нагружения при оценке технического состояния технологических трубопроводов нефтегазовых производств 70
3.2.1. Исследование НДС Г-образной трубопроводной конструкции
(гидростенда) 71
3.2.2. Исследование НДС выходной линии обвязки
пылеуловителя 76
3.2.3. Исследование НДС участка шлейфа компрессорного цеха...82
3.3. Разработка методологии выбора расчетных моделей и адекватного
задания граничных условий и условий нагружения 91
Выводы по главе 94
Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ОЦЕКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ С ЛОКАЛЬНЫМИ ДЕФЕКТАМИ СТЕНОК ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 95
4.1. Особенности оценки технического состояния технологических трубопроводов с дефектами стенок 95 
4.2. Разработка методических рекомендаций по применению метода
конечных элементов при оценке технического состояния конструкций с дефектами 100
4.3. Совершенствование методологии оценки технического состояния технологических трубопроводов с локальными дефектами стенок на основе натурных испытаний несущей способности дефектных
участков 106
Выводы по главе 111
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 112
ЛИТЕРАТУРА 114
ПРИЛОЖЕНИЯ (выделены в отдельный том)

Технологические трубопроводы нефтегазовых производств относятся к ответственным энергетическим сооружениям, к надежности и безопасности эксплуатации которых предъявляются повышенные требования.
Главными причинами высоких требований к промышленной безопасности технологических трубопроводов являются человеческие жертвы и огромные потери в случае аварий, вызванные как разрушением дорогостоящего оборудования, зданий и сооружений, так и прекращением производственного процесса на продолжительный срок, и связанный с этим недовыпуск продукции. Так, согласно [164], в 1997 году на компрессорных станциях ОАО «Газпром» произошло 25 аварий, при этом только три наиболее крупных из них привели к человеческим жертвам и нанесли ущерб в 600 млн. руб.
Другой существенной причиной является сложность ремонта и восстановления выведенного из строя оборудования и трубопроводов. Это связано как с жесткими нормативами на строительство и приемку технологических трубопроводов, так и с значительной удаленностью многих объектов нефтегазового комплекса от густонаселенных мест и коммуникаций.
Следует также отметить возможность значительного экологического ущерба окружающей среде в случае аварии технологического трубопровода, что является особенно опасным на объектах нефтегазохимического комплекса, расположенных вблизи крупных населенных пунктов.
Кроме того, необходимо отметить общее старение, моральный и физический износ оборудования отрасли, постоянно ужесточающиеся требования к промышленной и экологической безопасности, а также то, что обычно потеря работоспособности подобных конструкций - результат постепенного накопления повреждений, которые, достигнув определенной
величины, начинают препятствовать нормальной эксплуатации трубопровода.
Все это заставляет уделять повышенное внимание диагностике и мониторингу технического состояния технологических трубопроводов нефтегазовых производств.
Применяемые в настоящее время средства технической диагностики в большинстве случаев позволяют с достаточной точностью определять тип, местоположение и размеры локальных дефектов. Однако, для технологических трубопроводных обвязок, имеющих сложную конструкцию, применительно к которым возможности внутритрубной диагностики (ВТД) существенно ограничены, выявление локальных дефектов относительно осложнено.
Техническое диагностирование проводится на регулярной основе, поскольку часть дефектов возникает и развивается на этапе эксплуатации оборудования.
Применяемые средства и методы технического диагностирования не являются универсальными, пригодными для обнаружения дефектов всех типов. На практике для определения технического состояния объекта используют несколько различных видов контроля, каждый из которых адаптирован для выявления дефектов определенного типа.
Состав работ по техническому диагностированию и применяемые средства контроля зависят от конструктивного исполнения трубопровода, особенностей и срока его эксплуатации.
Комплекс работ по оценке технического состояния трубопроводной обвязки обычно ограничивается дефектоскопией и поверочным расчетом на внутреннее давление.
Между тем, значительная часть аварий обусловлена воздействием на конструкцию непроектных нагрузок. В связи с этим при определении технического состояния технологических трубопроводов необходимо
контролировать изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) в процессе эксплуатации.
Однако, определение НДС трубопровода затруднено из-за неполноты информации о граничных условиях (особенностей работы опорных конструкций, характера воздействий грунта, особенностей закрепления на присоединительных фланцах технологических аппаратов, в местах переходов «земля-воздух» и т.д.) и особенностях нагружения (схема приложения и величина реальных эксплуатационных нагрузок).
Следует также учитывать, что задача определения технического состояния конструкций трубопроводных обвязок осложняется следующими факторами:
- имеющими место отступлениями от проекта при строительстве, которые не всегда согласовывались с проектными организациями и отражались в исполнительной документации;
- полным или частичным отсутствием проектной, исполнительной и эксплуатационной документации.
В этой связи актуальным становиться совершенствование методики оценки технического состояния технологических трубопроводов по результатам диагностирования с учетом неопределенности граничных условий и условий нагружения, что и является целью настоящей работы.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать методику оценки НДС технологических трубопроводов по данным геодезической съемки их пространственного положения, с учетом имеющихся погрешностей;
- разработать рекомендации по формулированию граничных условий при использовании метода конечных элементов (МКЭ) для прочностного расчета технологических трубопроводах при различных видах нагружения;
- разработать методику оценки технического состояния трубопроводов при одновременном учете непроектного положения трубопровода и наличия локальных дефектов стенки .
Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе проводится анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей технологических трубопроводов нефтегазовых производств, влияющих на их безопасную эксплуатацию.
С целью определения параметров, определяющих изменение технического состояния объектов исследования во времени, проведен анализ отказов, имевших место на технологических трубопроводах компрессорных станций ОАО «Газпром».
Из проведенного анализа следует, что:
- наиболее распространенной причиной отказов (до 50%) является действие непроектных нагрузок, в основном кинематических - из-за подвижек опорной системы и просадок подземных коллекторов;
- на отказы, связанные с локальными дефектами стенки трубы, также оказывали влияние непроектные нагрузки.
Показано, что значительная часть аварий обусловлена действием непроектных нагрузок, которые приводят к возникновению дополнительных напряжений в трубопроводах в апреле и в октябре (времени оттаивания и замерзания грунта), связанных с изменением жесткости грунта и подвижками опорных конструкций.
Также в главе проведен анализ системы диагностического обслуживания оборудования и технологических трубопроводов нефтегазовых производств, рассмотрены факторы, влияющие на ее эффективность. Показано, что анализ НДС является неотъемлемым и основным этапом оценки технического состояния трубопроводов и сосудов, и включает в себя экспериментальную и расчетную оценки уровня действующих напряжений.
На основе анализа методик прямых измерений напряжений и деформаций в конструкциях (метода тензометрии, ультразвукового, электромагнитных, амплитудо-фазочастотного, рентгеновского, метода магнитной памяти металла) и методических рекомендаций по использованию аналитических методов прочностного расчета, рассмотреных в работах А.Б. Айнбиндера, В,Л, Березина, П.П. Бородавкина, С.П. Зарицкого, М.Н. Захарова, В.А. Полякова, В.Е. Селезнева, А.М. Синюкова, В.М. Стоякова, Г.Н. Тимербулатова, В.В. Хариоиовского, А.М. Шарыгина, В.Е. Шутова, где показано, что основная сложность их использования заключается в моделировании конструкций сложной конфигурации и учете эксплуатационных нагрузок, рекомендуется для повышения достоверности, оценки технического состояния использовать не менее двух различных методов определения НДС.
Отличительной особенностью трубопроводных обвязок является то, что эти системы подвержены воздействию комплексных переменно-постоянных нагрузок, и являются системами с распределенными параметрами. Распределенные параметры характерны не только для механической системы «трубопровод - задорно-регулирующая арматура - аппарат - опоры», но и для источников нагрузок. В связи с этим исключается возможность оценки НДС только экспериментальными средствами, позволяющими получать диагностическую информацию только в дискретных точках системы. Также невозможно достоверно определить НДС трубопровода только расчетными методами из-за неопределенности влияния непроектных нагрузок.
На основе проведенного анализа сформулирован порядок совместного использования расчетных и экспериментальных методов определения НДС при определении технического состояния технологических трубопроводов.
В завершении первой главы сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе рассматриваются аналитические модели оценки технического состояния технологических трубопроводов по результатам технической диагностики (в основном данным геодезической съемки).
В инженерной практике из-за значительных погрешностей определения пространственного положения элементов трубопроводной обвязки геодезическим методом провести оценку технического состояния конструкции достаточно сложно.
Для повышения точности расчетов в работе предложен алгоритм сглаживания данных геодезической съемки.
К недостаткам предложенного метода следует отнести накопление погрешности на всех этапах сглаживания и очень высокие требования к качеству геодезической съемки и другие. В связи с этим данный метод нельзя рекомендовать в качестве универсального, однако он может быть использован для предварительного анализа технического состояния трубопроводной системы в непроектном положении.
В работе разработан более универсальный подход к оценке технического состояния трубопроводных обвязок в непроектном положении. Этот подход основан на использовании статистических методов при определении параметров уравнения упругой линии балки, описывающего продольную ось трубопровода. Для аппроксимации продольной оси трубопровода
используются классические уравнения упругой линии балки, записанные в форме метода начальных параметров.
Для корректировки расчетной схемы в условиях неопределенности граничных условий рекомендуется проводить поиск оптимального положения точки начала координат на расчетных участках.
Однако, для технологических трубопроводов со сложной геометрией, значительным количеством разнообразных элементов (запорно- регулирующей арматуры, фасонных изделий), прямолинейные участки на которых имеют длину порядка шага геодезической съемки, лучшие результаты получаются при использовании численных методов прочностного расчета.
Третья глава посвящена разработке рекомендаций по формулированию граничных условий при использовании метода конечных элементов (МКЭ) для оценки технического состояния технологических трубопроводов.
Для отработки методов моделирования типовых для технологических трубопроводов граничных условий: опор, переходов «земля-воздух», присоединений к ГПА и технологическим аппаратам, были использованы результаты исследований, выполненных в рамках испытаний средств и методов определения НДС на КС «Лысково».
На основе сравнения результатов исследования НДС конструкций МКЭ и экспериментальными методами, а также с учетом опыта расчета конструкций подобного типа сформулированы рекомендации по выбору расчетных моделей конструкций, формирования граничных условий и условий нагружения.
Четвертая глава посвящена рассмотрению особенностей оценки технического состояния технологических трубопроводов с локальными дефектами стенок.
Существующие методики оценки опасности дефектов не учитывают сложный характер НДС технологических трубопроводов в непроектном положении.
Поэтому в четвертой главе рассматриваются особенности применения разработанной в предыдущих главах методики к трубопроводным конструкциям, имеющим дефекты.
В работе предлагается подход, основанный на сочетании различных вариантов расчета методом конечных элементов. Расчет предлагается вести в два этапа, последовательно уточняя расчетную схему и граничные условия.
Подобный подход проиллюстрирован на примере дефектной трубопроводной обвязки ГПА КС «Гаврилов Ям» ООО «Мострансгаз».
Результаты исследования докладывались на научных и научно- практических конференциях в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва, 2001 и 2002 год), Всероссийских конференциях молодых ученых,
специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2001 и 2003 год), Пятой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2003 год), Международной научно-практической конференции «Инженерное искусство в развитии цивилизации» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 год), тематических семинарах «Диагностика оборудования и трубопроводов КС» (Светлогорск, 2002, 2003, 2004 год; Геленджик, 2005 год; Туапсе, 2006 год) и совещаниях ОАО «Газпром». Основные положения диссертационной работы нашли отражение в 11 публикациях.
Результаты работы имеют практическую значимость. Разработанные в диссертации научные положения позволяют повысить достоверность оценки технического состояния технологических трубопроводов и уменьшить объемы ремонтных работ.
Так, по результатам внедрения результатов диссертации при разработке программы ремонта технологических трубопроводов КС «Похвистнево» ООО «Самаратрансгаз» удалось уменьшить длину участков, подлежащих ремонту, с 900 м до 150 м.
Результаты работы также использовались при разработке рекомендаций по повышению надежности эксплуатации технологических трубопроводов КС «Афипская» и КС «Кущевская» ООО «Кубаньгазпром», КС «Богандинская» ООО «Сургутгазпром».
Разработанные результаты положены в основу «Методики оценки и контроля НДС трубопроводных систем в непроектном положении с использованием регулируемых опор», утвержденной начальником Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Газпром» Будзуляком Б.В.

bibliography

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
На основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие общие выводы:
1. До 90% аварий на технологических трубопроводах нефтегазовых производств так или иначе связаны с воздействием на конструкцию непроектных нагрузок. В этой связи за основу работ по оценке технического состояния технологических трубопроводов необходимо принять анализ НДС этих конструкций.
2. Ни один из применяемых экспериментальных и расчетных методов определения НДС в отдельности не показывает гарантированно высоких результатов при оценке технического состояния технологических трубопроводных обвязок.
3, Разработана аналитическая методика расчета прочности технологических трубопроводов, основанная на статистической обработке результатов геодезической съемки в сочетании с поиском оптимального положения начала координат на расчетном участке, позволяющая повысить точность определения изгибных напряжений на 30 - 40 % по сравнению с существующими методиками.
4, При оценке технического состояния технологических трубопроводов со сложной геометрией, значительным количеством разнообразных элементов (запорно-регулирующей арматуры, фасонных изделий), прямолинейные участки на которых имеют длину порядка шага геодезической съемки, рекомендуется использовать численные методы прочностного расчета, в первую очередь метод конечных элементов. Определение НДС этим методом затруднено из-за неполноты информации о граничных условиях (особенностях работы опорных конструкций, характере воздействий грунта, особенностях закрепления на присоединительных фланцах технологических аппаратов, в местах переходов «земля-воздух» и т.д.) и особенностях нагружения (схема приложения и величина реальных
эксплуатационных нагрузок). На основе экспериментальных и расчетных исследований поведения элементов трубопроводных конструкций при различных видах нагружения сформулированы рекомендации по
применению МКЭ при оценке технического состояния: правила выбора расчетных схем, моделирования типичных для технологических
трубопроводов КС граничных условий и условий нагружения.
5. Завершающим этапом анализа технического состояния конструкции является оценка допустимости выявленных локальных дефектов стенок. В работе представлены методические подходы к оценке технического состояния технологических трубопроводов, находящихся в непроектном положении и имеющие локальные дефекты стенки трубы.
При использовании результатов диссертационной работы на КС «Похвистнево» ООО «Самаратрансгаз» разработана программа выборочного ремонта дефектных участков технологических трубопроводов. В результате удалось ограничить до 150 м длину участков, подлежащих ремонту, вместо ранее планировавшихся 900 м. Таким образом, по результатам внедрения результатов работы был получен значительный экономический эффект.