Компьютерное моделирование надежности элементов сварных соединений магистральных газопроводов

Д. О. БУКЛЕШЕВ








КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ


Монография






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.644.07
ББК 39.7
     Б90



Рецензент:
д. т. н., профессор, профессор кафедры техносферной безопасности и управления качеством ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» Н. Г. Яговкин





     Буклешев, Д. О.
Б90 Компьютерное моделирование надежности зон сварных соединений магистральных газопроводов : монография / Д. О. Буклешев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 104 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1401-2

      Представлен анализ промышленной опасности при эксплуатации магистральных трубопроводов. Исследовано влияние циклических нагрузок на напряженно-деформированное состояние и усталость материала. При помощи пакета программ ANSYS смоделировано коррозионное повреждение околошовной зоны трубопровода и определено его максимальное значение для безопасной эксплуатации трубопровода по критерию напряженно-деформированного состояния и предела прочности трубной стали.
      Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами безопасности магистральных трубопроводов.

                                                            УДК621.644.07
                                                            ББК 39.7










ISBN 978-5-9729-1401-2

     © Буклешев Д.О., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ........................................5
1. АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННОЙ ОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.....................8
1.1. Статистика аварий на линейной части магистральных трубопроводов.....................8
1.2. Наиболее опасные дефекты для эксплуатации магистральных трубопроводов..................................10
Вывод из главы.................................23
2. ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ НЕДОПУСТИМЫХ ДО БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ДЕФЕКТОВ........................25
2.1. Участки магистральных трубопроводов наиболее подверженные образованию дефектов........................................25
2.2. Напряженно-деформированное состояние трубной стали как причина возникновения дефектов в элементах сварных соединений трубопроводов...............................................32
2.3. Анализ причин разрушения околошовных зон трубопроводов.51
Вывод из главы..............................................58
3. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОКОЛОШОВНЫХ ЗОН ТРУБОПРОВОДОВ..................60
3.1. Метод имитационного моделирования напряженно-деформированного состояния околошовных зон магистральных трубопроводов..................................60

3

3.2. Имитационное моделирование образования напряжений в околошовных зонах магистральных трубопроводов
и их поведение при нагрузках........................61
3.3. Моделирование распределения напряжений в околошовной зоне при эксплуатации магистральных трубопроводов .......67
3.4. Имитационное моделирование безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов с различной степенью коррозионного повреждения околошовных зон.........................80
Вывод из главы......................................88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................92

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Магистральные трубопроводы - наиболее капиталоемкие сооружения нефтегазового комплекса. Продлевать «жизнь» трубопроводным системам - важнейшая научная, техническая и экономическая задача.
     Обеспечение эксплуатационной и экологической безопасности подземных магистральных трубопроводов, проложенных в сложных инженерно-геологических условиях, является первоочередной задачей трубопроводного транспорта. Магистральные трубопроводы, являясь линейнопротяженными объектами, имеют ряд характерных особенностей, связанных с неизбежным пересечением районов с активными проявлениями грунтовых изменений, естественными и искусственными препятствиями. В результате совокупного действия природных геологических и инженерно-геологических процессов нефтепровод деформируется вместе с грунтом. Также на эксплуатируемых трубопроводных системах существует большое количество участков со сложными геологическими условиями эксплуатации. Это оползневые участки, зоны газопроводов в пойменных, заболоченных местах и др. В этих случаях трубопровод подвергается воздействию дополнительных непроектных нагрузок, которые носят периодический характер. Для адекватной оценки технического состояния трубопроводов важно знать фактические эксплуатационные нагрузки, действующие на трубопровод.
     Магистральные трубопроводы, несмотря на внешнюю конструктивную простоту, принципиально отличаются от других сооружений сложной схемой действующих силовых факторов, следовательно, неопределенностью уровня напряженно-деформированного состояния, масштабностью и т. п. Сложность осмотра и приборного освидетельствования трубопроводов при эксплуатации увеличивает вероятность возникновения отказов. Поэтому повышение надежности линейной части становится актуальной проблемой на всех этапах: проектирования, сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. Весьма важно установить адекватность поведения трубопровода под действием эксплуатационных и внешних воздействий расчетной схеме, принятой в нормах 5

и правилах, т. е. необходимо исследовать конструктивную надежность магистральных трубопроводов.
     Повреждаемость металла при эксплуатации усиливается в локализованных участках конструктивных элементов с дефектами металлургического, строительно-монтажного и ремонтного происхождения. Предварительная пластическая деформация, возникающая в процессе производства и транспортировки труб, выполнения строительно-монтажных и ремонтных работ, ускоряет процессы деформационного старения и охрупчивания материала. В связи с этим назрела практическая необходимость в разработке методов оценки ресурса конструктивных элементов нефтепроводов с учетом фактического, технического состояния и временных факторов повреждаемости материала.
     Как правило, непроектные нагрузки в сочетании с образовавшимися дефектами в процессе эксплуатации, а зачастую и пропущенными строительно-монтажными дефектами, становятся причинами разрушений трубопроводов.
     Эксплуатация трубопроводов по техническому состоянию требует перехода от периодического контроля трубопроводов к непрерывному контролю (мониторингу) без остановки технологического процесса.
     Важнейшей составляющей, отвечающей за прочность трубопровода, является напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода и его изменение под воздействием эксплуатационных и природноклиматических факторов. Расчет НДС магистральных трубопроводных конструкций, базирующегося на методах сопротивления материалов и строительной механики, не позволяет провести адекватный анализ прочности трубопроводов топливно-энергетического комплекса с требуемой точностью, а в некоторых случаях может дать неверную качественную картину НДС конструкции. Ввиду того, что аналитические решения ограничиваются задачами с простой геометрией, простыми граничными условиями и простыми моделями поведения материалов, для задачи расчета НДС системы используются численные методы, в том числе метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий очень точно моделировать геометрию расчетной области и граничные условия. Таким универсальным расчетным комплексом, предназначенным для моно- и многодисциплинарных расчетов, является ANSYS.

6

     Информация, полученная в результате оценки НДС линейной части магистральных нефтепроводов, позволяет определить участки с предава-рийной ситуацией (в том числе до появления дефектов) и предпринять все необходимые меры для их устранения, повышая тем самым надежность трубопроводной системы.

7

            1. АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
            МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ


        1.1. Статистика аварий на линейной части магистральных трубопроводов

    В Российской Федерации контроль и надзор за соблюдением требований промышленной безопасности при проектировании, строительстве, эксплуатации, консервации и ликвидации опасных производственных объектов, к которым относится трубопроводный транспорт, осуществляет Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор). По данным Ростехнадзора, основными причинами аварий на магистральных трубопроводах (МГ) являются: внешние силы и повреждения при работах (оползни, строительные работы и т. п.); воздействие среды (коррозия и коррозионное растрескивание); дефекты производства, к которым относятся дефекты, возникающие при изготовлении труб и строительно-монтажных работах (СМР) трубопровода; ошибки проектно-технической эксплуатации (ПТЭ) (нарушение норм, правил и т. д.).
    В таблице 1.1 приведены обобщенные данные по причинам отказов на линейной части магистральных газопроводов.
Таблица 1.1

Распределение аварий на газопроводах разных диаметров по причинам их возникновения

   Причины     %   По газопроводам разных диаметров, мм       
возникновения      1420  1220   1020   820  720    530  <530 
Дефект труб   9,4  11,1   6,2   19,7    0   12,9   1,8   7,4 
Дефект                                                       
заводского    3,0  8,3    1,6    2,6    0    3,2    0    4,9 
оборудования                                                 
Брак СМР      25,8 52,8  39,1   29,0  23,3  12,9  25,4  11,1 

8

Окончание таблицы 1.1

     Причины       %   По газопроводам разных диаметров, мм       
  возникновения        1420  1220   1020  820    720   530  <530 
Нарушение         0,2  0    0        1,3  0       0     0     0  
проекта                                                          
Нарушение ПТЭ     5,9  5,5  0        4,0   3,4   6,5  10,9  9,9  
Внутренняя        4,0  0    0        1,3  0      8,1   5,5  8,7  
коррозия и эрозия                                                
Наружная коррозия 22,0 5,6   35,9   32,9  50,0  14,5   9,1  12,4 
Механические      21,0 0    9,4      5,3  23,3  29,0  38,2  35,8 
повреждения                                                      
Термическое       0,5  0    1,6       0   0      1,6    0     0  
воздействие                                                      
Стихийные         4,2  13,9   3,1    1,3  0      4,8   3,6  4,9  
бедствия                                                         
Прочие причины    4,0  2,8    3,1    2,6  0      6,5   5,5  4,9  

     Распределение аварий по причинам их возникновения в линейной части магистральных газопроводов (ЛЧМГ) и магистральных нефтепроводов (МН) различны (таблица 1.2). Для газопроводов количество аварий из-за коррозии составляет 43-49,9 % от общего их количества (из-за очень весомой доли коррозии под напряжением (КРН) - 44,6 % всех аварий в 1996-2009 гг.). В то время как на нефтепроводах по этой причине происходит только 7 % аварий.
Таблица 1.2

Распределений аварий по причинам их возникновения для магистральных нефтепроводов и газопроводов

                             Распределение аварий по причинам, %     
                                           На ЛЧ МГ ОАО «Газпром»    
      Причина аварии         На ЛЧ МН       (данные ООО «Газпром     
                           1996-2007 гг.        газнадзор»)          
                                         1996-2005 гг. 1996-2009 гг.
Коррозия (включая коррозию                                          
под напряжением                  7           43,1          49,9     
и внутреннюю)                                                       

9

Окончание таблицы 1.2

                                Распределение аварий по причинам, %     
                                              На ЛЧ МГ ОАО «Газпром»    
       Причина аварии           На ЛЧ МН       (данные ООО «Газпром     
                              1996-2007 гг.        газнадзор»)          
                                            1996-2005 гг. 1996-2009 гг.
Строительные дефекты               13           19,7          22,6     
(брак СМР)                                                             
Механические повреждения                                               
со стороны третьих лиц             14           10,8          11,8     
(в том числе земляные работы)                                          
Диверсии, самовольные врезки       48            5,7            -      
Нарушение правил                    9            0,6           1,6     
эксплуатации МГ                                                        
Заводские дефекты труб              6           13,0          13,1     
и оборудования                                                         
Стихийные бедствия                  -            6,3           1,0     
Прочие                              3            0,6            0      
Итого                              100           100           100     

      Большая часть магистральных газопроводов проходит под землей, в результате чего на них действуют коррозионно-активные грунты. Под воздействием коррозионного износа металла уменьшаются толщины стенки труб, что приводит к возникновению аварийных ситуаций на МГ. Из анализа данных отчетов Ростехнадзора следует, что основной причиной, приводящей к авариям на газопроводах, является коррозия, затем идёт брак монтажных работ.


        1.2. Наиболее опасные дефекты для эксплуатации магистральных трубопроводов

     В соответствии с ГОСТ 15467-79, дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией. Обычно под дефектом понимают нарушения сплошности материала, выявленные средствами НК.


10

     На практике используют классификацию дефектов труб и соединительных деталей трубопроводов (СДТ), представленную в таблице 1.3.

Таблица 1.3
Классификация дефектов труб и соединительных деталей

трубопроводов

  Категория       Условия       Наименование дефектов  Норматив
  дефектов     возникновения                                   
                                Волосовина, слиточная          
                               плена, раскатанная тре-         
                При прокате    щина, прокатная плена,    ГОСТ  
                  листов         трещина напряжения,   21014-88
                                подрез, закат, риска,          
                                  надрывы, продир,             
Поверхностные                      царапина и др.              
   дефекты    При изготовле-                                   
  основного   нии, погрузке,      Царапины, риски,             
   металла      разгрузке,        подрезы, задиры,             
              транспортировке          забоины                 
              и монтаже труб                                   
                   иСДТ                                        
              При хранении и   Коррозионные и стресс-    ГОСТ  
               эксплуатации     коррозионные дефекты   5272-68 
                труб и СДТ                                     
                                  Горячая трещина,             
                                  холодная трещина,            
                                 межкристаллическая            
 Внутренние         При           трещина, газовая             
   дефекты     производстве     раковина, ситовидная     ГОСТ  
  основного        литых         раковина, усадочная   19200-80
   металла       заготовок     раковина, металлическое         
                                     включение,                
                                   неметаллическое             
                                включение, ликвация,           
                                       флокен                  

11

Окончание таблицы 1.3

  Категория        Условия      Наименование дефектов    Норматив
   дефектов     возникновения                                    
Поверхностные                      Трещины, раковины,            
   дефекты                       поры, свищи в сварном           
  заводских                        шве, поверхностное            
 сварных швов                   окисление сварного шва,          
                     При         подрез зоны сплавления          
  Внутренние     изготовлении   Раковины, поры, непровар   ГОСТ  
   дефекты      заготовок труб  (несплавление), трещины, 2601-84 
  заводских          иСДТ          шлаковые включения            
 сварных швов                                                    
   Дефекты                       Вогнутость корня шва,           
  геометрии                        наплыв на сварном             
  заводских                       соединении, смещение           
 сварных швов                       сваренных кромок             
                При изготовле-                                   
   Дефекты      нии, погрузке,                                   
геометрии труб    разгрузке,    Вмятина, гофр, кривизна,         
     иСДТ      транспортировке,        овальность                
                  хранении,                                      
                   монтаже                                       

      Существует большое разнообразие дефектов труб МГ (ГОСТ 21014-88. Прокат черных металлов. Термины и определения дефектов поверхности).
      1.      Волосовина - нитевидные несплошности в металле, образовавшиеся при деформации имеющихся в нем неметаллических включений.
      2.      Слиточная плена - отслоение языкообразной формы, частично соединенное с основным металлом, образовавшееся от раската окисленных брызг, заплесков и грубых неровностей поверхности слитка, обусловленных дефектами внутренней поверхности изложницы.
      3.      Прокатная плена - отслоение металла языкообразной формы, соединенное с основным металлом одной стороной, образовавшееся вследствие раскатки рванин, подрезов, следов глубокой зачистки дефектов

12