Управление Ростехнадзора по Калужской области

Принципы и подходы к расчету на долговечность труб для магистральных трубопроводов


К вопросу о гарантиях

Рубен ГАСПАРЯНЦ, президент ООО «ЧТПЗ-Инжиниринг», д.т.н. (Москва)

Повышение долговечности и эксплуатационной надежности магистральных нефте- и газопроводов – основная задача, стоящая как перед производителями труб, так и перед организациями, их эксплуатирующими. Причем последние в настоящее время требуют не только увеличения срока службы уже построенных трубопроводов с помощью их ремонта и введения всевозможных защит от действия агрессивных сред и пагубного воздействия тяжелых условий эксплуатации, но и гарантированной долговечности новых труб, изготовленных для работы в определенном трубопроводе.

Поставленная задача может быть решена с помощью проведения специальных расчетов, которые позволят определить систему параметрических показателей долговечность, вероятность возникновения отказа, предельное состояние, время до зарождения дефекта, гамма ресурс и прочих.

Существуют два подхода для расчета труб на долговечность. Первый используется в руководящих документах на территории стран бывшего СССР. В его основе лежит прямой подход к расчетам работоспособности трубы. По известным из сопротивления материалов зависимостям определяются напряжения, возникающие в сварном шве и основном металле при транспортировке нефти или газа под известным давлением. К ним добавляются внешние напряжения, которые имеют место при определенных условиях строительства магистрального трубопровода, например, надземный трубопровод с креплением труб на столбах-стойках. Эти напряжения вызывают деформации металла трубы, приводящие к появлению трещины. Используя физико-механические характеристики металла трубы, определяют время зарождения и скорость развития трещины. По достижении критической толщины стенки трубы определяют долговечность.

Для определения работоспособности трубы, находящейся в эксплуатации, изучают имеющиеся дефекты и скорость их развития при данных условиях. По результатам расчета определяют срок службы и назначают время и вид проведения ремонтных работ для данной трубы.

При таком подходе к расчету работоспособности и долговечности труб исходными параметрами, кроме условий работы, являются размеры имеющегося дефекта. Считают, что данный дефект или группа дефектов развиваются под действием стресс-коррозии или циклических нагрузок. При этом определяют предельные состояния толщины стенки трубы, степень опасности имеющегося дефекта и необходимость проведения ремонтных работ.

Международная организация по стандартизации требует проведения расчетов на долговечность по своей методике, в которой предлагается проводить расчеты не для отдельно взятой трубы, а рассматривать объект в полной взаимосвязи со всеми происходящими событиями на всех этапах его существования производстве, хранении, транспортировке, монтаже, эксплуатации, ремонте. Такой подход позволяет учитывать все факторы (в том числе и случайные), связанные как с жизненным циклом самой трубы, так и участка магистрального трубопровода, в состав которого данная труба входит. В этом коренное отличие международного стандарта от российских нормативных документов, описывающих методику расчета трубы на долговечность. Кроме того, международные стандарты определяют предельное состояние, а российские – долговечность.

При проведении расчетов по методике значительное развитие получил метод оценки безопасности и рисков. Здесь рассматривается обеспечение надежности, исходя из определения функции предельного состояния. Различают четыре вида предельных состояний:

■ предельное состояние по работоспособности, за пределами которого трубопровод перестает соответствовать своим функциональным требованиям, например, возникновение «овальности», задержка потока, накопление пластического напряжения, чрезмерные деформации и смещения, повреждение или утрата защитных покрытий;

■ предельное состояние по несущей способности, за пределами которого может произойти нарушение конструктивной целостности трубопровода, например его прорыв, разрыв, локальное или повсеместное вспучивание, образование нестабильных трещин или пластическое разрушение;

■ усталостное предельное состояние, при котором вследствие накопления циклических нагрузок происходят те же явления, что и в предыдущем случае;

■ случайное предельное состояние, при котором те же явления, которые происходят вследствие действия фактора чрезвычайной силы, обычно имеющего длительный период повторяемости, например падение каких-либо объектов с высоты, землетрясения, зацепление морскими тралами (для морских трубопроводов).

Условия надежности являются главными при проведении расчетов по методике . Для качественного осуществления непосредственно расчетов необходимо провести значительный сбор информации относительно условий работы, воздействия различных видов нагрузок, возможных изменений в режимах эксплуатации и обслуживания. Все эти характеристики должны быть оценены численно с помощью соответствующих коэффициентов.

Возможно проведение расчета двумя способами: с использованием вероятностного или детерминистического подхода. Вероятностный подход основан на анализе надежности конструкций, в основу которого положено изучение предельных состояний объекта при возможных условиях эксплуатации трубопровода. Детерминистический подход предполагает использование коэффициентов безопасности, применяемых к характеристическим нагрузкам и параметрам сопротивления.

Оба способа рассматривают фактические предельные состояния или модели разрушения детерминистические или вероятностные и удовлетворяют требованиям по безопасности. Далее в общем виде рассматривают предельные состояния как функцию условий состояния трубы (в том числе в составе трубопровода) и нагружения. При этом определяется, какие дефекты могут возникнуть при различных видах нагружения (внутреннее и внешнее давление, термические эффекты, действие окружающей среды и прочие) и их сочетаниях, а также от действий третьей стороны (случайные ударные нагрузки). Расчеты рекомендуют проводить с помощью различных методов теории вероятности и оценки параметров распределения. Требуемую долговечность трубы обеспечивают с помощью разработки системы управления функциональной целостностью трубопровода, которая должна предусматривать долгосрочную программу инспекций для всех конструктивных компонентов трубопровода. Таким образом, для проведения расчета по методике, предложенной Международной организацией по стандартизации, в качестве исходных характеристик предусматривается использование целого комплекса параметров, включающих в себя характеристики материала, технологию изготовления, хранения, транспортировки, монтажа, особенности эксплуатации и так далее.

Проводя анализ подходов к определению работоспособности и долговечности трубы, представленных в российском и международном стандартах, можно выявить некоторую однобокость в рассмотрении вопроса в каждом документе. С одной стороны, это решение прикладных задач со строго определенными исходными параметрами, с другой общий, описательный, вероятностный подход, рассматривающий работоспособность через выработанную систему коэффициентов. Очевидно, что для создания схемы расчета долговечности трубы необходимо соединить представленные выше подходы в одной методике. Для этого следует:

■ применять вероятностные методы расчета в обязательном порядке для определения функций состояния объекта, зависящих от времени (например, зарождение и развитие коррозии, развитие трещины и другие), при этом используя подход, обязывающий учитывать условия эксплуатации трубы как составной части трубопровода;

■ определить методику дополнительных испытаний для расширения знаний о материале трубы, покрытия, зоны сварного шва в отдельности и всей трубы в общем;

■ разработать обоснованную систему назначения коэффициентов, отвечающих за изменение напряженного состояния материала трубы, в зависимости от условий, сопутствующих объекту на всех этапах жизненного цикла – изготовлении, монтаже, эксплуатации, ремонте и последующей эксплуатации;

■ скорректировать существующие методики расчета долговечности труб с известными дефектами с учетом вероятностного подхода, а также использования методологии расчета трубы как составляющей трубопровода.

Использование предлагаемой методики позволит выполнять обоснованные расчеты, гарантирующие определенную долговечность новой трубы в составе трубопровода при известных условиях эксплуатации.

Анализ способов обеспечения эксплуатационной надежности действующих магистральных трубопроводов показывает, что в связи с прогрессирующим старением систем магистрального трубопроводного транспорта в условиях ограничения финансовых ресурсов требуется создание новых технических требований и методов подтверждения соответствия установленным нормативным показателям, основанных на методологии оценки технического состояния и расчета технико-экономических, экологических и социальных рисков.

В настоящее время необходимо обеспечить системный подход к формированию национальной стандартизации. Координацию работ в этом направлении должно осуществлять Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

Примером такого системного подхода к разработке национальных стандартов может служить работа, выполненная по заказу ОАО «ЧТПЗ» ведущими научными организациями в области трубопроводного транспорта: ОАО «ВНИИСТ», ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», ИМАШ РАН, ФГУП НПО «ЦНИИчермет», ИМЕТ РАН, ЗАО НПО «Спецнефтегаз», ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ООО «НИИТНН». В рамках работы подготовлены проекты двух национальных стандартов: ГОСТ Р «Трубы для магистральных трубопроводов. Общие технические требования» и «Трубы для магистральных нефтепроводов. Методика расчета на долговечность», которые направлены для включения в перспективный план работы Технического Комитета ТК 357 «Стальные и чугунные трубы и баллоны» на 2011–2015 годы.

В проектах национальных стандартов помимо регламентации известных ранее действующих количественных показателей введены и новые показатели качества изготавливаемых труб. Проведенные при разработке стандартов экспериментальные исследования и теоретические расчеты подтверждают обоснованность показателей долговечности и соответствующих коэффициентов запаса, что позволяет при сохранении показателей по безопасности и надежности сократить металлоемкость на объектах трубопроводного транспорта.