RU2801881C1 - Способ обеспечения безопасности участка трубопровода с коррозией - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может быть использовано при ремонте участка стального трубопровода, имеющего коррозию стенки, с применением ремонтной муфты из стали. Технический результат изобретения - повышение прочности участка трубопровода с коррозией отремонтированного установкой стальной муфты, на основе достижения минимального напряжения в стенках трубопровода и муфты путем принятия муфты с оптимальной толщиной стенки. Способ включает применение стальной муфты и обеспечение прочности трубопровода путем принятия достаточной толщины стенки муфты. Согласно изобретению прочность трубопровода обеспечивают определением толщины стенки муфты по расчетной формуле δ1=δ2-δk, где соответственно δ1 - толщина стен муфты; δ2 - толщина стенки ремонтируемого трубопровода на участке без коррозии; δk - толщина стенки трубопровода на участке коррозии. Затем производят определения напряжений в стенке трубопровода и муфты в сечениях коррозии и в стенке по краям муфты, вычисления запасов прочности по приведенным в формуле математическим выражениям. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта и может быть использовано при ремонте участка стального трубопровода, имеющего коррозию стенки, с применением ремонтной муфты из стали.

Известен способ восстановления безопасности дефектных участков трубопроводов с применением хомутов, прижимных устройств, галтельных муфт [см. Гумеров А.Г., Азметов Х.А., Гумеров Р.С, Векштейн М.Г. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов. М: Недра. 1998. - 81-94]. Приведены различные технические средства восстановления безопасности дефектных участков трубопроводов. Не рассмотрены и не установлены влияния геометрических характеристик этих средств на безопасность.

Наиболее близким техническим решением является способ обеспечения безопасности участков стальных трубопроводов, имеющих коррозию стенки с применением стальной муфты, изложенной в монографии «Капитальный ремонт подземных нефтепроводов», авторов А.Г. Гумеров, А.Г. Зубаиров, М.Г. Векштейн, Р.С. Гумеров, Х.А. Азметов, М: ООО «Недра - Бизнес центр», 1999. - С. 275-293.

Данный способ включает изготовление двух половин муфт, очистку кромок сварки половин муфт, установление половин на поверхность трубы, стягивание и удерживание их для получения необходимого зазора для сварки и сварка между собой двух половин муфты.

По данному способу длина муфты перекрывает не менее чем на 50 мм место коррозии, толщина стенки муфты при этом должна составлять 100-120% от толщины ремонтируемого трубопровода. Способ позволяет обеспечивать безопасность на уровне принятой без обоснования толщины стенки муфты.

Недостатком этого способа является отсутствие решения по оценке прочности отремонтированного участка трубопровода с коррозией, а также отсутствие решения по определению оптимальной толщины стенки муфты с точки зрения обеспечения безопасности трубопровода. Повышенная толщина стенки муфты приводит к появлению высоких напряжений изгиба в стенке трубопровода в сечениях по краям муфты. При этом могут появляться в стенке трубопровода напряжения, превышающие напряжения на участке коррозии до ремонта с применением муфты. Указанные факторы снижают безопасность трубопровода.

Технический результат изобретения - повышение прочности трубопровода, имеющего участок с коррозией, отремонтированный установкой стальной муфты, на основе достижения минимального напряжения в стенке трубопровода и муфты путем принятия муфты с оптимальной толщиной стенки.

Технический результат в способе обеспечения безопасности участка трубопровода с коррозией достигается тем, что на участок трубопровода с коррозией устанавливают стальную муфту, согласно изобретению прочность трубопровода с коррозией обеспечивают определением толщины стенки муфты по расчетной формуле δ₁=δ₂ - δ_k, где соответственно δ₁ - толщина стен муфты; δ₂ - толщина стенки ремонтируемого трубопровода на участке без коррозии; δ_k - толщина стенки трубопровода на участке коррозии, а так же определением напряжений в стенке трубопровода и муфты в сечениях коррозии и в стенке по краям муфты по формуле и вычислением запасов прочности , где - кольцевые напряжения в стенке трубопровода без коррозии радиусом R₂ и толщиной стенок δ₂ от действия

рабочего давления р; σ_T - предел текучести металла трубы и муфты; - безразмерный параметр, определяемый в зависимости от геометрических характеристик трубопровода и муфты для сечений с коррозией и для сечений трубопровода по краям муфты. При этом за толщину стенки трубопровода на участке коррозии δ_k принимают ее наименьшее значение, т.е. в том сечении, где величина коррозии наибольшая.

На фигуре представлена схема участка трубопровода с коррозией, отремонтированного с применением муфты.

На фигуре обозначены 1 - ремонтируемый трубопровод, 2 - срединная поверхность стенки трубы, 3 - муфта, 4 - корродированный участок, 5 - продольная ось трубопровода, 6 - стенка трубопровода, a₁ - край муфты; а₂ - край коррозии стенки трубы; А-А - сечение по середине длины муфты; Б-Б - сечения по концам муфты; в системе координат хо w: ось х по срединной поверхности стенки трубы и w - радиальное перемещение стенки труб под действием давления в полости трубы.

Научное обоснование технического решения

Трубопроводы магистральных нефтегазопроводов (МНГ) в основном уложены подземно. Под воздействием окружающего подземный трубопровод среды с течением времени происходит снижение защитных свойств от коррозии наружного изоляционного покрытия трубопровода. Кроме того, по разным причинам имеет место механическое разрушение покрытия на отдельных участках трубопровода. Указанные процессы приводят к наружной коррозии стенки труб участков подземных трубопроводов. Коррозия приводит к снижению толщины стенки труб и повышению уровня кольцевых напряжений в них, снижению безопасности трубопровода. В результате возникает проблема оценки прочности труб и обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов с наружной коррозией.

В настоящее время достаточно широкое применение нашли установка металлической муфты на трубопровод в местах наличия наружной коррозии.

Муфта с длиной 2b воспринимает часть нагрузки от рабочего давления и тем самым снижает нагрузку и кольцевые напряжения на корродированном участке трубопровода. В то же время муфта создает локальную жесткость на деформацию в условиях действия рабочего давления с существенным изменением напряженно-деформированного состояния трубопровода. Напряженно-деформированное состояние трубопровода с наружной коррозией и установленной на нем муфтой зависит от геометрических характеристик труб и муфты, а также остаточной толщины стенки трубы в результате коррозии.

Современное состояние оценки технического состояния трубопроводных систем позволяет своевременно определить корродированные участки подземных трубопроводов и установить фактические геометрические параметры коррозионного износа труб. Службами ремонта трубопроводов разработаны соответствующие нормативные документы по восстановлению работоспособности корродированных труб [РД 23.040.00-КТН-090-09. Классификация дефектов и методы ремонта дефектов и дефектных секций действующих магистральных нефтепроводов. ОАО АК Транснефть. М: 2011. - 66 с].

Имеются эффективные методы и средства проведения таких восстановительных работ. В то же время требуется совершенствование определения толщин стенок муфт, с учетом того, что от этого существенно зависит безопасность отремонтированного трубопровода в процессе эксплуатации. При этом прочность отремонтированного участка должна соответствовать требованиям [СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция. СНиП 2.05.0-85* М.: Госстрой, 2013.-97 с].

С целью обеспечения безопасной эксплуатации МНГ с применением муфты при определении конструкции муфт необходимо достижения возникновения минимальных напряжений в стенках отремонтированного трубопровода и ремонтной муфты под действием рабочего давления и тем самым обеспечивая их прочность.

Под действием внутреннего давления участок трубопровода под муфтой и муфта деформируется в радиальном направлении с возникновением кольцевых напряжений. За пределами муфты справа и слева от нее трубопровод также деформируется в радиальном направлении. При этом в сечениях по краям муфты эти деформации будут существенно меньше, чем на определенном удалении от муфты за ее пределами. Таким образом, в сечениях трубопровода, начиная от торца муфты, происходит изменение радиальных перемещений, т.е. происходит изгиб стенки трубопровода. В соответствии с теорией оболочек радиальные перемещения вследствие резкого изменения толщины стенки оболочки (трубы) быстро убывают по ее длине, т.е. имеют локальный характер.

По существующей технологии ремонта муфту устанавливают на трубопровод из двух свариваемых между собой полумуфт.

Увеличение радиуса ΔR трубы под действием внутреннего рабочего давления при заданных значениях R, δ, Е определяется по известной зависимости [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 2018. - С. 321].

где р - давление в полости трубы, δ - толщина стенки трубы; Е - модуль упругости металла трубы; R=0,5 (D_H-δ) - радиус срединной поверхности стенки трубы; D_H - наружный диаметр трубы.

Анализируя выражение (1) можно отметить, что увеличение радиуса трубы приводит к существенному росту увеличения радиуса ΔR под действием внутреннего давления, а при повышенной толщине стенки значение ΔR снижается.

При установке ремонтной муфты на трубопровод несущая нагрузку от давления толщина стенки локально повышается (суммарная толщина δ₁+δ₂, где δ₁ - толщина стенки муфты и δ₂ - толщина стенки трубопровода). В результате происходит резкое изменение величины AR в сечениях трубопровода по краям муфты с появлением изгиба стенки трубы. В этих сечениях возникают напряжения изгиба σ_3и и кольцевые напряжения σ_3к, для вычисления которых нами получены соответствующие аналитические зависимости. Определены эквивалентные напряжения σ_3Э в этом сечении.

В результате решения задачи напряженного состояния и безопасности трубопровода получены также расчетные формулы для определения кольцевых напряжений в стенке трубопровода σ_2K в сечении коррозии, а также кольцевые напряжения σ_1K в этом же сечении в стенке муфты.

Связь между кольцевыми напряжениями в стенках муфты и трубы на участке коррозии запишется в виде:

где - кольцевые напряжения соответственно в стенке муфты и трубы; Е₁, Е₂ - модуль упругости металла муфты и трубы; R₁, R₂ - радиус срединной поверхности стенки соответственно муфты и трубы.

Для изготовления муфты принимается металл с механическими свойствами металла трубы и тогда Е₁=Е₂.

С целью удобства анализа расчетные формулы для вычисления напряжений получены в виде:

где - кольцевое напряжение в стенке трубопровода от действия рабочего давления р на участках без коррозии; σ - напряжение с учетом коррозии и совместной деформации трубы и муфты; j - символ обозначает вид напряжения (кольцевое или изгиба), расчетное сечение, трубопровод или муфту; - безразмерный параметр влияния на напряжения геометрических характеристик коррозии, а также геометрических характеристик трубы и муфты.

С целью обеспечения прочности труб и муфты, безопасной эксплуатации трубопровода для фактически имеющейся толщины стенки трубы на участке коррозии δ_K следует найти такое значение толщины стенки муфты δ₁, при котором запас прочности по напряжениям имеет наибольшее значение при изменении параметра δ₁. Здесь и σ_3Э соответственно кольцевое напряжение, напряжение изгиба и эквивалентное напряжение в стенке трубы в сечениях по концам муфты.

Запасы прочности n_Tj - вычислены по формуле

где σ_т - предел текучести материала трубы и муфты.

Повышение запаса прочности обеспечивает прочность трубопровода и безопасность эксплуатации МНГ [Махутов Н.А., Пермяков В.Н. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов. Новосибирск. Наука, 2005. - С. 516].

Многочисленные наши расчеты показали, что с увеличением остаточной после коррозии толщины стенки трубопровода, с целью обеспечения безопасности эксплуатации трубопровода необходимо уменьшить толщину стенки муфты. Принятие толщины стенки муфты δ₁ равным толщине стенки трубы δ₂ на участке без коррозии, как это рекомендуется в известных работах, приводит к существенному повышению напряжений и снижению безопасности трубопровода Расчетная формула для определения значения толщины стенки муфты δ₁, при котором достигаются минимальные значения напряжений в стенке трубы и муфты, наибольший запас прочности и обеспечивается безопасность трубопровода, имеет вид

Эта зависимость позволяет с учетом величины коррозионного износа стенки трубопровода определить оптимальную толщину стенки муфты с точки зрения минимума напряжений в конструкции и обеспечения ее безопасности.

Claims (10)

1. Способ обеспечения безопасности участка трубопровода с коррозией, включающий изготовление муфты из стали с механическими свойствами металла трубы, установку стальной муфты, при этом под действием внутреннего давления участок трубопровода под муфтой и муфта деформируется в радиальном направлении с возникновением кольцевых напряжений, муфта воспринимает часть нагрузки от рабочего давления и тем самым снижает нагрузку и кольцевые напряжения на корродированном участке трубопровода, прочность трубопровода обеспечивают путем принятия достаточной толщины стенки муфты, отличающийся тем, что толщину стенки муфты определяют по расчетной формуле δ₁=δ₂-δ_k,
2. где соответственно δ₁ - толщина стенки муфты;
3. δ₂ - толщина стенки ремонтируемого трубопровода на участке без коррозии;
4. δ_k - толщина стенки трубопровода на участке коррозии;
5. производят определения напряжений в стенке трубопровода и муфты в сечениях коррозии и в стенке по краям муфты по формуле
6. где - кольцевые напряжения в стенке трубопровода без коррозии радиусом R₂ и толщиной стенок δ₂ от действия рабочего давления p;
7. - безразмерный параметр, определяемый в зависимости от геометрических характеристик трубопровода и муфты для сечений с коррозией и для сечений трубопровода по краям муфты,
8. и производят вычисления запасов прочности по формуле
10. где σ_т - предел текучести металла трубы и муфты.

Images