Разработка комплексной методики оценки остаточного ресурса нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов на основе экспериментальных исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат наук Щелудяков Алексей Михайлович

• Щелудяков Алексей Михайлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Щелудяков Алексей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВНЕДРЕНИЕ В СИСТЕМУ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Основные типы неметаллических коррозионно-стойких

труб, применяемых в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»

1.2. Особенности труб из альтернативных материалов,

обусловленные природой полимерных материалов

1.3. Статистика отказов работы трубопроводов

из альтернативных материалов на объектах добычи

и транспортировки нефти и газа ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»

за 2009-2015 гг

1.4. Проблема оценки технического состояния и остаточного

ресурса работы трубопроводов из альтернативных материалов

1.5. Методы контроля технического состояния трубопроводов

1.6. Испытание образцов трубопроводов из альтернативных

материалов на динамическое нагружение

1.7. Проведение испытаний образцов трубопроводов

из альтернативных материалов на прочность при импульсном динамическом нагружении, имитирующем гидроудар

1.8. Проведение испытаний образцов трубопроводов из альтернативных материалов на прочность

при циклическом динамическом нагружении

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ, ВЫПОЛНЕННЫХ

ИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Физическая модель работоспособности трубопроводов

из полимерных армированных труб

2.2. Декомпозиция задачи оценки несущей способности ПАТ

2.3. Математическая постановка задачи

2.4. Моделирование в SolidWorks

2.5. Моделирование в PhotoView

2.6. Моделирование в SolidWorks Simulation

2.7. Моделирование в SolidWorks Flow Simulation

2.8. Моделирование в Ansys

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОСТРОЕНИЕМ

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1. Лабораторные исследования

3.2. Исследования в полевых условиях

3.3. Измерение амплитудно-частотных характеристик на трубопроводе из альтернативных материалов

при давлении внутри 0,05 МПа

3.4. Измерение амплитудно-частотных характеристик на трубопроводе из альтернативных материалов

при давлении внутри от 0,5 до 4,0 МПа

3.5. Исследование изменения частотных характеристик

труб ТСК и ПАТ при различных видах нагрузок

3.6. Влияние импульсной (ударной) нагрузки

3.7. Исследование амплитудно-частотных характеристик

трубы при ее изгибе

Выводы по главе

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДОВ

ИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Обоснование необходимости создания методики

4.2. Термины и определения

4.3. Основные положения

4.4. Оперативная диагностика трубопроводов

4.5. Комплексное обследование трубопроводов с помощью

волнового метода неразрушающего контроля

4.6. Порядок проведения измерений амплитудно-частотных характеристик трубопровода и их анализ

4.7. Заключение экспертизы промышленной безопасности

4.8. Техника безопасности

4.9. Процедурная модель прогнозирования и ее реализация

Выводы по 4 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комплексной методики оценки остаточного ресурса нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов на основе экспериментальных исследований»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Трубопроводный транспорт нашел широкое распространение при транспортировке жидкости и газа на значительные расстояния в различных условиях нашей страны. В настоящий момент большинство трубопроводов выполнено из металлических материалов. Главной альтернативой металлическим трубопроводам являются трубопроводы из композиционных материалов (полимерно-армированные, стеклопластиковые, футерованные полиэтиленом и др.).

Развитие трубопроводного транспорта в последние годы связано с широким применением неметаллических труб, поскольку их преимущества в сравнении с металлическими трубопроводами очевидны: затраты на их обслуживание в процессе эксплуатации минимальны (не требуется коррозионной защиты, специальной химической обработки и др.). Начиная с 80-х годов ХХ века протяженность неметаллических трубопроводов превышает 35 млн км. С развитием трубопроводного транспорта требуется решать задачи определения технического состояния линейной части трубопровода и трубопроводных конструкций с оценкой их остаточной ресурса. На сегодня, существующая техническая диагностика связана с оценкой работоспособности металлических трубопроводов. Идентичный способ оценки состояния линейной части неметаллических трубопроводов не реализован, поскольку их физико-механические свойства значительно отличаются от металлических, поэтому использование существующих методик (применительно к металлическим трубопроводам) невозможно.

До настоящего время остаточный ресурс линейной части трубопроводов из альтернативных материалов оценивали с помощью моделирования либо экспериментально. Данные методики являются достаточно трудоемкими, поскольку предполагают изъятие отрезка трубопровода и его дальнейшее разрушение. Образцы отправляются в лабораторию, где подвергаются статическим испытаниям. Поэтому разработка способов исследования состояния трубопровода без его разрушения - актуальная задача.

На сегодняшний день срок эксплуатации трубопроводов из полимерных материалов составляет 20-25 лет, соответственно, остро встает вопрос оценки их остаточного ресурса линейной части трубопровода и трубопроводных конструкций. Производители гарантируют безотказную работу элементов трубопроводов при соблюдении соответствующих технологических параметров перекачки газожидкостных сред в течение 25 лет, следовательно, в ближайшее время проблема оценки работоспособности линейной части трубопроводов, выполненных из полимерных материалов, в связи с окончанием срока их гарантийной эксплуатации станет актуальной для эксплуатирующих организаций. В случае продления срока эксплуатации исследованного трубопровода, в целом возникнет вопрос об установлении точных временных интервалов эксплуатации. Таким образом, разработка методов технической диагностики линейной части трубопроводов и трубопроводных конструкций, обеспечивающих достоверность анализа технического состояния и расчета остаточного ресурса, является актуальной задачей.

Существующие методы неразрушающего контроля не позволяют в настоящий момент диагностировать состояние линейной части трубопроводов и трубопроводных конструкций из альтернативных материалов. Следовательно, можно заключить, что доработка диагностических моделей для оценки работоспособности линейной части трубопроводов и трубопроводных конструкций из альтернативных материалов - одна из острых проблем.

Кроме того, реальная эксплуатация трубопроводов из альтернативных материалов существенно влияет на модель прогнозирования остаточного ресурса. В ходе проведенных экспериментальных исследований образцов линейной части неметаллических труби трубопроводных конструкций получены характеристики, однако поведение их в реальных условиях неизвестно. Поэтому необходимо проведение дополнительных исследований, связанных с выяснением влияния различных факторов (глубина залегания, наличие дорог над трубопроводными трассами, тип грунта, технологические параметры процесса перекачки, наличие или отсутствие дефектов, полученных в результате монтажа конструкций и др.) на работоспособность трубопроводного транспорта.

Поведение трубопроводов в процессе эксплуатации недостаточно изучено, поэтому сложно прогнозировать их работоспособность при воздействии динамических нагрузок, т.е. при условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации. Это приводит к большому количеству отказов (порывов). Следовательно, разработка методики оценки остаточного ресурса труб из композиционных материалов является важной задачей, позволяющей определить остаточный ресурс исследуемого участка в составе трубопровода без демонтажа конструкции.

Данная задача не решена, следовательно, комплексная оценка работоспособности линейной части трубопроводов из альтернативных материалов и трубопроводных конструкций и оценка их остаточного ресурса - актуальная задача, стоящая перед эксплуатирующими организациями и контролирующим органом, обеспечивающим надзор в нефтегазовой отрасли (Ростехнадзор).

Степень изученности проблемы. Теоретической основой исследования являются работы в области неразрушающего контроля и оценки технического состояния систем трубопроводного транспорта следующих ученых: И.А. Потапов, Г.А. Расторгуев, В.П. Жуков, М.Н. Булгакова, Б.И. Завойчинский, А. М. Шамма-зов, Б.Н. Мастобаев, в том числе зарубежных (F. Dong, L.-D. Fang, H.-L. Li, Y. Zhu, D.-D. Zheng, J.-L. Zhang,S.-S. Zhao, H.-X. Wang, Z.-Q. Cui) и др.

Цель диссертационной работы - разработка комплексной, научно обоснованной методики оценки технического состояния линейной части нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов (ПАТ и ТСК) с учетом условий их эксплуатации.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Анализ факторов, определяющих работоспособное состояние линейной части нефтесборных трубопроводов, выполненных из полимерно-армированных труб и стеклопластиковых труб (ПАТ- и ТСК-трубопроводов), на основе причин порывов (отказов) трубопроводов, находящихся в эксплуатации в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».

2. Формирование базы технических характеристик, влияющих на работоспособное состояние линейной части ПАТ- и ТСК-трубопроводов (алгоритм тех-

нической диагностики, структура внешнего и внутреннего нагружения трубопровода, изменение физико-механических свойств, накопление повреждений).

3. Формирование критериев оценки технического состояния линейной части нефтесборных трубопроводов из альтернативных материалов в программных модулях для прогнозирования их работоспособности и остаточного ресурса. Разработка алгоритмов по оценке технического состояния и остаточного ресурса ПАТ- и ТСК-трубопроводов.

4. Разработка методики оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопровода из альтернативных материалов.

Объект исследования - линейная часть нефтесборных трубопроводов из полимерно-армированных и стеклопластиковых материалов (альтернативных).

Предмет исследования - техническое состояние и остаточный ресурс трубопроводных конструкций и их линейной части, выполненной из полимерно-армированных и стеклопластиковых материалов.

Теоретической и методологической основой послужили отечественные и зарубежные исследования в области неразрушающего контроля, диагностики и оптимизации рабочих параметров технологического процесса перекачки газожидкостных сред, кроме того, были учтены методология и опыт проведения аналогичных работ на металлических трубопроводах.

Информационную базу диссертационной работы составляют результаты исследований ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», посвященные работе металлических трубопроводов, монографии, публикации в периодической печати, материалы научно-практических конференций, информационные ресурсы сети Интернет, сведения, приведенные в технических условиях, отчетах, справках, результатах испытаний образцов труб и др.

Научная новизна:

- представлен подход к оценке технического состояния функционирующих нефтесборных трубопроводов с помощью волнового метода неразрушающего контроля (линейная часть и трубопроводные конструкции); получены новые ре-

зультаты, связанные с анализом формирования волновых полей в трубопроводах из альтернативных материалов при оценке их технического состояния;

- использован комплекс обработки изменения волновых характеристик виброакустической волны для оценки фактического состояния линейной части трубопроводов из альтернативных материалов;

- сформулированы условия изменения технического состояния линейной части ПАТ- и ТСК-трубопроводов по результатам технической диагностики;

- разработана методика оценки работоспособности и расчета остаточного ресурса для ПАТ- и ТСК-трубопроводов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке и применении методики оценки остаточного ресурса линейной части трубопроводов из альтернативных материалов и трубопроводных конструкций, которая позволяет:

- предсказать срок дальнейшей эксплуатации исследуемого участка линейной части трубопровода;

- снизить риск возникновения порывов на действующих трубопроводах;

- сократить затраты на проведение ремонтных работ, диагностику технического состояния линейной части трубопроводов и трубопроводных конструкций.

Разработанная методика оценки остаточного ресурса труб, выполненных из полимерных материалов, внедрена в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». Ее внедрение позволило повысить эффективность эксплуатации трубопроводного транспорта при одновременном улучшении технологичности его диагностирования, а также позволило сформировать структурный подход к оценке работоспособности труб, выполненных из альтернативных материалов.

Рекомендации, полученные в результате применения разработанной методики, внедрены в практику производственной деятельности ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», что подтверждено Актом о внедрении методики оценки остаточной работоспособности труб, выполненных из полимерных материалов.

Материалы диссертационного исследования используются при преподавании дисциплины «Вибродиагностика» на кафедре «Ракетно-космическая техника

и энергетические системы» аэрокосмического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структурный анализ причинно-следственных связей в отказах (нарушении работоспособности) линейной части трубопроводов из альтернативных материалов и трубопроводных конструкций. Экспериментально установленная зависимость отказов трубопроводов во временной последовательности их эксплуатации, по группам ПАТ 95-225, ТСК 75-190 на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».

2. Влияние изменений в техническом состоянии трубопровода от величины изменения собственных (парциальных) частот трубы и ее конструктивных элементов. Экспериментальная зависимость полученного диапазона изменения частот, от дефектности трубопровода.

3. Результаты исследований технического состояния трубопроводов из альтернативных материалов. Анализ изменения технического состояния трубопровода (связанный с накоплением повреждений) с изменением интегрального коэффициента.

4. Алгоритм методики оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопроводов, выполненных из альтернативных материалов.

Достоверность и обоснованность результатов. Работа построена на известных проверяемых данных и согласуется с опубликованными исследованиями по теме диссертации и по смежным областям. Базируется на анализе теоретических моделей, разработанных на основе исследования практической деятельности предприятий, занимающихся эксплуатацией трубопроводов из полимерно-армированных материалов. В результате исследования установлено количественное совпадение результатов, полученных с помощью аналитических, экспериментальных и численных методов. Использованы современные методики сбора и обработки информации, основанные на методах теории вероятности и математической статистики. Работа базируется на тщательно проведенных экспериментальных исследованиях, получен-

ные результаты позволили разработать методику оценки работоспособности труб с помощью метода волнового контроля.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты работы были представлены автором на международных научно-практических конференциях: «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермь, 2010; «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе», Пермь, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016; «Обеспечение экологической безопасности путем создания наукоемких технических средств и технологий в лесном комплексе», Воронеж, 2015; «Прогрессивные технологии в транспортных системах», Оренбург, 2015; «Севергеоэкотех», Ухта, 2016; «Будущее технической науки», Нижний Новгород, 2016; научно-технических семинарах кафедры РКТЭС ПНИ-ПУ, кафедры АТМ ПНИПУ.

По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 - в реферируемых изданиях ВАК, 7 тезисов научно-практических конференций.

Личный вклад автора в получение результатов работы. Автор самостоятельно выбрал тему исследования, определил ее цель, для достижения которой поставил и решил взаимосвязные задачи, выбрал объект и предмет исследования. Дополнил математическую модель с учетом распространения возбужденной волны по оболочке трубопровода. Автор осуществлял сбор и обработку необходимой информации при проведении лабораторных и полевых экспериментов. На основе анализа полученных данных и их систематизации разработал методику оценки остаточной работоспособности трубопроводов из альтернативных материалов.

Разработанные автором теоретические положения, а также методические и практические рекомендации являются результатом самостоятельного исследования аспиранта и вносят вклад в решение актуальных вопросов оценки работоспособности ПАТ- и ТСК-трубопроводов.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» в части п. 6 «Разработка и усовершенствование методов эксплуатации и технической диагностики оборудования насосных и компрессорных

станций, линейной части трубопроводов и методов защиты их от коррозии» и п. 7 «Исследования в области ресурса трубопроводных конструкций, в том числе прогнозируемого при проектировании и остаточного при их эксплуатации».

Структура диссертации. Работа изложена на 140 листах, состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, библиографического списка, включающего 87 наименований, 101 иллюстрацию и 17 таблиц.

ГЛАВА 1.

ВНЕДРЕНИЕ В СИСТЕМУ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Использование металлопластовых и полимерно-армированных труб (ПАТ) в ООО "ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ" началось с 1996 г., первые трубопроводы находятся в настоящее время в технически исправном состоянии. Сейчас в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» эксплуатируется 236,7 км трубопроводов из металлопластиковых труб и ПАТ:

- выкидные линии (Ду95) - 83,2 км;

- нефтесборные трубопроводы (Ду140) - 48,5 км;

- нефтесборные трубопроводы (Ду200) - 97,8 км;

- нефтесборные трубопроводы (Ду275) - 7,2 км;

Первые опытные участки труб стеклопластиковых комбинированных (ТСК) были смонтированы в 1994 г. на Павловском месторождении ООО "ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ" и работают до настоящего времени в режиме непрерывной эксплуатации (рисунок 1.1) [75].

Рисунок 1.1 - Первые опытные участки ПАТ на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»

Опытный трубопровод из полиэтиленовых труб, армированных синтетическими нитями, ТГ 110-В производства ООО «Технология композитов», смонтирован в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» в 2005 г.

1.1. Основные типы неметаллических коррозионно-стойких труб, применяемых в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»

В настоящее время на предприятии используются следующие типы неметаллических коррозионно-стойких труб [60]:

- Полимерно-армированные трубы производства ЗАО «ПОЛИМАК» (г. Екатеринбург); 560 км (рисунок 1.2) [65].

Рисунок 1.2 - Пример ПАТ

- Трубы стеклопластиковые комбинированные производства ЗАО «НПП Композит-нефть», ныне ООО «Трубопроводспецстрой» (г. Пермь); 580 км (рисунок 1.3) [59].

стеклопластиковая оболочка

_ защитный полиэтилено-

! вый слой ^

Рисунок 1.3 - Устройство ТСК

- Стеклопластиковые трубы производства ООО «ТСТ» (г. Пермь), рисунок 1.4.

- Полиэтиленовые трубы, армированные синтетическими нитями, ТГ 110-В производства ООО «Технология композитов» (г. Пермь), рисунок 1.5.

Рисунок 1.4 - Внешний вид Рисунок 1.5 - Пример МПТ

стеклопластиковых труб

1.2. Особенности труб из альтернативных материалов, обусловленные природой полимерных материалов

Кратко остановимся на основных характеристиках труб из альтернативных материалов, связанных с особенностями материалов, из которых они изготовлены [31-33].

Положительные:

1. Данные трубы не подвержены внутренней коррозии, поэтому при эксплуатации трубопроводов не изменяется их толщина.

2. Они не подвержены внешней коррозии, поэтому не возникает локальных коррозионных язв, свищей и локальных утонений стенки трубы.

Отрицательные:

1. Детерминированное изменение свойств. Происходит старение полимеров, что приводит к изменению (снижению) их механических свойств с течением времени, процесс старения ускоряется при воздействии факторов внешней среды: температура, влажность, УФ-излучение, озон и т.п.

2. Случайное изменение свойств. Могут появиться локальные повреждения в виде расслоений и трещин, которые вызваны случайными факторами: технологическими дефектами сварки, склейки, полимеризации, ударами и изгибами при

монтаже и транспортировке, внешними воздействиями при эксплуатации (вибрация, циклическая нагрузка, подвижка грунта, гидроудар, внешнее воздействие). Повреждения при эксплуатации трубопровода накапливаются, увеличивается их площадь, глубина расслоения, длина и глубина трещин.

Основные причины отказа работы трубопроводов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные причины неисправности трубопроводов из ПАТ и ТСК, %

Причина отказа ПАТ ТСК

Нарушение герметичности (заводской брак) 5-7 12

Брак при строительно-монтажных работах 15 20

Нарушение технологии эксплуатации 75 65

Нарушение проектирования трубопроводов До 3 До 3

Внешний вид дефектов труб из ПАТ и ТСК показан на рисунках 1.6-1.9.

Рисунок 1.6 - Нарушение герметичности (заводской брак)

Рисунок 1.7 - Брак при строительно-монтажных работах

Рисунок 1.8 - Нарушение технологии эксплуатации

Рисунок 1.9 - Ошибки проектирования трубопроводов

На рисунке 1.10 показано, какие типы труб применяются на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь».

Анализ отчетов отдела трубопроводного транспорта предприятия за 20122014 гг. показал, что продолжается незначительное увеличение количества эксплуатируемых трубопроводов из альтернативных материалов.

Рисунок 1.10 - Протяженность коррозионно-стойких трубопроводов

1.3. Статистика отказов работы трубопроводов из альтернативных материалов на объектах добычи и транспортировки нефти и газа ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» за 2009-2015 гг.

Анализ имеющихся на предприятии данных позволил установить количество отказов работы трубопроводов из различных материалов (рисунки 1.11-1.13).

Рисунок 1.11 - Отказы на трубопроводах из альтернативных материалов

Рисунок 1.12 - Отказы работы ТСК- и ПАТ-трубопроводов

Рисунок 1.13 - Отказы работы стальных трубопроводов

Сравнительный анализ причин неисправности работы трубопроводов из разных материалов приведен на рисунке 1.14.

трубопроводах Рисунок 1.14 - Удельная величина отказов

Анализ данных на рисунке 1.14 показывает, что происходит старение труб и увеличивается количество отказов, в том числе их удельная величина, при этом отказы не стальных трубопроводах уменьшаются, поскольку существуют методики оценки их технического состояния.

Большое количество сбоев в работе трубопроводов из различных материалов обусловило поиск причин их выхода из строя (рисунки 1.15-1.17).

Рисунок 1.15 - Причины и количество отказов работы трубопроводов ТСК и ПАТ

Рисунок 1.16 - Причины и количество отказов ТСК

2013 2014

год

Рисунок 1.17 - Причины и количество отказов ПАТ

Анализ отказов трубопроводов в зависимости от используемого материала труб приведен на рисунок 1.18. Широкое внедрение ПАТ и ТСК в систему трубопроводного транспорта в последние годы связано с уменьшением затрат на эксплуатацию трубопроводов (не требуется электрохимической защиты и т.п.). Тем не менее проблема обеспечения работоспособности трубопроводов из ПАТ и ТСК не решена, так как недостаточен опыт их эксплуатации, что требует проведения дополнительных исследований, позволяющих прогнозировать их работоспособность.

Рисунок 1.18 - Распределение отказов работы трубопроводов, изготовленных из различных материалов

Анализ отказов в системе работы трубопроводов позволил выделить следующие причины:

- механическое повреждение - 2 случая, заводской и строительный брак -30 случаев, иные причины - 3 случая, в том числе нарушение правил эксплуатации - 1, подвижка грунта - 1, коррозия стыковочного стального соединения (переход с ТСК на сталь) - 1 случай.

На трубопроводах из ПАТ произошло 24 отказа (удельная частота отказов в 2009 г. - 0,042 шт/км): механическое повреждение - 9 случаев, заводской и строительный брак - 14 случаев, иные причины - 1 случай, в том числе подвижка грунта - 1 случай. Для сравнения: в 2008 г. на ПАТ зафиксировано 30 отказов, а в 2007 г. - 24 отказа.

Таким образом, каждый пятый отказ работы труб из альтернативных материалов происходит по причине механического повреждения при проведении земляных работ в их охранной зоне, каждый второй - по причине нарушения технологии изготовления труб и отступления от технологии строительства трубопроводных магистралей, каждый седьмой отказ вызван нарушением технологии эксплуатации труб [56, 57].

В процессе эксплуатации ПАТ было отмечено три характерных вида их разрушения:

1) Разрушение тела труб по образующей (рисунок 1.19), источником которого является кольцевой элемент, разрушающийся в некоторой окрестности сварного соединения (~70-80 % отказов трубопроводов).

Рисунок 1.19 - Разрушение тела труб по образующей

2) Разрушение стыковых соединений (рисунок 1.20) конструктивных элементов труб (законцовок), где отсутствует стальной армирующий каркас, от действия динамических нагрузок (~12 % зафиксированных на практике случаев разрушения ПАТ).

Рисунок 1.20 - Разрушение стыковых соединений трубопроводов

3) Разрушение армирующего каркаса вследствие коррозии (рисунок 1.21) при длительной эксплуатации трубопроводов из ПАТ (~8 % разрушений конструктивных элементов ПАТ).

Рисунок 1.21 - Разрушение армирующего каркаса вследствие коррозии

При длительной эксплуатации наблюдается медленное течение полимерной матрицы сквозь решетку армирующего каркаса: постепенное изменение конфигурации стенки трубы; частичное оголение армирующего каркаса, т.е. нарушение внутренней изоляции; коррозия армирующего каркаса и разрушение (рисунок 1.22) [40].

Рисунок 1.22 - Механизм течения полимерной матрицы сквозь решетку армирующего каркаса

Таким образом, анализ основных особенностей и причин отказа работоспособности труб ПАТ и ТСК позволил установить, что до сих пор не существует (по причине недавней эксплуатации) способа оценки технического состояния трубопроводов.

1.4. Проблема оценки технического состояния и остаточного ресурса работы трубопроводов из альтернативных материалов

1. В настоящее время использование ПАТ- и ТСК-трубопроводов приближается к окончанию их гарантийного срока эксплуатации [58].

2. На сегодня отсутствует единый метод технической диагностики неразру-шающего контроля для трубопроводов из альтернативных материалов, обеспечивающий единый и корректный анализ их технического состояния.

3. Отсутствие параметров границ использования и норм оценки работоспособности в методике расчета остаточного ресурса ПАТ- и ТСК-трубопроводов не позволяет осуществлять продление сроков их эксплуатации [79].

4. Отсутствует программное обеспечение и алгоритмы оценки технического состояния трубопроводов из альтернативных материалов в процессе их эксплуатации.

5. Комплексная оценка работоспособности неметаллических трубопроводов и оценка их остаточного ресурса - актуальная задача, стоящая перед эксплуатирующими организациями и контролирующим органом, обеспечивающим надзор в нефтегазовой отрасли (Ростехнадзор) [2].

1.5. Методы контроля технического состояния трубопроводов

Для решения проблемы оценки технического состояния существуют различные методы [22, 23]. Все методы можно разделить на 2 группы: методы разрушающего контроля [70] и испытания образцов - свидетелей труб и методы не-разрушающего контроля [34, 36], наибольшее распространение из которых получили акустические методы [67].

Акустические методы [47, 48] в свою очередь делят на две большие группы: использующие излучение и прием акустических колебаний и волн (активные методы) и основанные только на приеме колебаний и волн (пассивные методы). В каждой из этих групп выделяют методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн или колебаний. Классификация акустических методов контроля приведена на рисунке 1.23 [13].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Щелудяков Алексей Михайлович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.С. № 1661536 (СССР). Способ прокладки подземного трубопровода / A.M. Шарыгин, В.М. Шарыгин. Опубл. 07.07.91. - Б.И. №33.

2. Абдуллин Л.Р. Обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазохимиче-ского оборудования и трубопроводов с технологическими, конструктивными и эксплуатационными несплошностями: дис. ... д-ра техн. наук. - Уфа, 2008. - 381 с.

3. Аверичева Г.А. Разработка способа защиты от коррозии основных производственных фондов для повышения промышленной безопасности химических производств: дис. ... канд. техн. наук. - Кемерово, 2004. - 285 с.

4. Адлер Ю.П., Маркова В.Е., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 321 с.

5. Алероев Б.С. К вопросу определения напряженно-деформированного состояния трубопровода с пространственными и плоскими дефектами // Проектирование и сооружение нефтепромысловых объектов. - 1994. - № 9. - С. 28-30.

6. Бабин Л.А., Быков Л.И., Волохов В.Я. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. - М.: Недра, 1979. - 176 с.

7. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. - М.: Высшая школа,

1980. - 408 с.

8. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. Статика. - М.: Машиностроение, 1977. - 488 с.

9. Бидерман В.Л., Мартьянова Г.В. Коэффициенты влияния для симметричного нагружения оболочек вращения и пределы применимости метода Штаерма-на-Геккелера // Механика твёрдого тела. - 1976. - № 5. - С. 53-59.

10. Болотин В.В. Объединенная модель разрушения композитных материалов при длительно действующих нагрузках // Механика композитных материалов. -

1981. - № 1. - С. 405-442.

11. Бордубанов В.Г. Инженерный метод расчета концентраций напряжений в пластической области // Машиностроение. - 1985. - № 1. - С. 57-62.

12. Бордубанов В.Г. Несущая способность трубы со сложным поверхностным повреждением // Строительство трубопроводов. - 1988. - № 10. - С. 30-32.

13. Боровиков А.С., Прохоренко П.П., Дежкунов Н.В. Физические основы и средства капиллярной дефектоскопии. - Минск: Наука и техника, 1983. - 256 с.

14. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. - М.: Связь, 1978. - 247 с.

15. Гайдученко А.П., Деменков А.Ф. Экспериментальные исследования деформирования и несущей способности упругопластических цилиндрических оболочек с начальными несовершенствами формы // Проблемы прочности. - 1987. -№ 7. - С. 74-76.

16. Гайдученко А.П., Гудрамович B.C., Деменков А.Ф. Экспериментальные исследования влияния начальных отклонений формы на несущую способность цилиндрических оболочек // Прочность и надежность сложных систем. - Киев: Наукова думка, 1979. - С. 19-26.

17. Гмурман В.Е. Теория вероятности и математическая статистика. - М.: Высшая школа, 1972. - 386 с.

18. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. - М.: Наука, 1976. -

212 с.

19. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1983. - 30 с.

20. Гребнев В.Д., Мартюшев Д.А., Хижняк Г.П. Строительство нефтегазо-промысловых объектов: учебное пособие. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. по-литехн. ун-та, 2012. - 115 с.

21. Денисенко Г.Ф. Охрана труда. - М.: Высшая школа, 1985. - 320 с.

22. Ермолов И.Н., Останин Ю.Д. Методы и средства неразрушающего контроля качества. - М.: Высшая школа, 1988. - 368 с.

23. Завойчинский Б.Н. Долговечность магистральных и технологических трубопроводов. Теория, методы расчета, проектирование. - М.: Недра, 1992. - 271 с.

24. Заец А.Ф. Исследование участка газопровода, имеющего дефекты // Проблемы надежности конструкций газотранспортных систем. - М.: ВНИИГАЗ, 1998. - С. 179-183.

25. Захаров М.Н., Лукьянов В.А. Прочность сосудов и трубопроводов с деформациями стенок в нефтегазовых производствах. - М.: Нефть и газ, 2000. - 216 с.

26. Захаров М.Н., Лукьянов В.А., Писаревский В.М. Оценка опасности локальных дефектов трубопроводов // Нефтяное хозяйство. - 1997. - №2 2. - С. 39-40.

27. Зуйко В.Ю. Прогнозирование несущей способности полимерных армированных труб для нефтегазопроводов: дис. ... канд. техн. наук. - Пермь, 2012. - 134 с.

28. Исраилов М.Ш. Исследование установившихся волновых процессов в системе грунт-трубопровод при различных законах взаимодействия трубопровода с грунтом // Проблемы механики. - 2013. - № 3-4. - С. 36-40.

29. Ковех В.М., Нефедов С.В., Силкин В.Н. Локальные критерии разрушения элементов трубопроводов с трещиноподобными дефектами // Проблемы ресурса газопроводных конструкций. - М.: ВНИИГаз, 1995. - С. 109-120.

30. Ковех В.М., Нефедов С.В., Силкин В.Н. Общий алгоритм расчета трубопроводов с локальными дефектами // Проблемы ресурса газопроводных конструкций. - М.: ВНИИГаз, 1995. - С. 120-128.

31. Конструкционные материалы. Энциклопедия современной техники: в 3 кн. / под ред. А.Т. Туманова. - М.: Советская энциклопедия, 1963-1965. - Кн 1. - 416 с.

32. Конструкционные материалы. Энциклопедия современной техники: в 3 кн. / под ред. А.Т. Туманова. - М.: Советская энциклопедия, 1963-1965. - Кн. 2. - 408 с.

33. Конструкционные материалы. Энциклопедия современной техники: в 3 кн. / под ред. А.Т. Туманова. - М.: Советская энциклопедия, 1963-1965. - Кн. 3. - 528 с.

34. Контроль излучениями / В.Н. Епифанцев, Е.А. Гусев, Ф.П. Соснин [и др.]. -М.: Высшая школа, 1990. - 317 с.

35. Крюков С.В. Вибродиагностика технического состояния деталей ГТД на основе исследования их собственных форм колебаний: дис. ... канд. техн. наук. -Рыбинск, 2007. - 164 с.

36. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 346 с.

37. Максимов П.В., Щелудяков А.М., Блинов А.В. Численное исследование распространения упругих волн в материале трубопровода, содержащего трещины и дефекты // Прикладная математика, механика и процессы управления. - 2014. -Т. 1. - С. 21-23.

38. Методика вероятностной оценки остаточного ресурса технологических стальных трубопроводов [Электронный ресурс]. - URL: http://standartgost.ru/g/ pkey-14293820277 (дата обращения: 13.10.2015).

39. Нетребский М.А., Сигидаев Ю.М., Раевский Г.В. Оптимальные предварительные напряжения в многослойных трубах // Прикладная механика. - 1971. -Т. 7, № 9. - С. 116-120.

40. Нечаева Е.С., Сальников А.Ф., Трусов П.В. Применение методов математического моделирования для создания методики комплексной оценки работоспособности полимерных армированных труб в условиях эксплуатации [Электронный ресурс]. - URL: http://lib.convdocs.org/docs/index-195942.html (дата обращения: 15.09.2015).

41. ОСТ 153-39.4-010-2002 Методика определения остаточного ресурса нефте-газопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений [Электронный ресурс]. - URL: http://standartgost.ru/g/%D0% 9E%D0%A1%D0%A2_153-39.4-010-2002 (дата обращения: 13.05.2015).

42. ОСТ 153-39.4-010-2002. Методика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений [Электронный ресурс]. - URL: http://files.stroyinf.ru/Data1/48/48685/ (дата обращения: 27.10.2015).

43. Оценка допустимой дефектности нефтепроводов с учетом их реальной нагруженности / М.В. Шахматов, В.В. Ерофеев, К.М. Гумеров, А.Г. Игнатьев, А.А. Распопов // Строительство трубопроводов. - 1991. - № 12. - С. 37-41.

44. Оценка работоспособности участков нефтепродуктопроводов с дефектами труб / Г.Н. Бусыгин, М.Н. Захаров, В.А. Лукьянов, В.Л. Пудяков // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 1977. - № 7. - С. 14-18.

45. ПБ-03-585-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов. - М.: Госгортехнадзор, 2004. - 152 с.

46. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев.: Наукова думка, 1975. - 704 с.

47. Потапов И.А. Акустические методы и средства неразрушающего контроля и дистанционной диагностики трубопроводов: дис. ... канд. техн. наук. -СПб., 2007. - 205 с.

48. Потапов И.А. Акустические методы и средства неразрушающего контроля и дистанционной диагностики трубопроводов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - СПб., 2007. - 21 с.

49. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник: в 2 кн. / под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. - Кн. 1 - 488 с.

50. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник: в 2 кн. / под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. - Кн. 2. - 352 с.

51. Работоспособность трубопроводов / Е.Е. Зорин, Г.А. Ланчаков, А.И. Сте-паненко, А.В. Шибнев. - М.: Недра, 2000. - Ч. I. - 244 с.

52. РД 1.10-098-2004. Методика проведения комплексного диагностирования трубопроводов и обвязок технологического оборудования газораспределительных станций магистральных газопроводов: СТО Газпром [Электронный ресурс]. - URL: http://www.infosait.ru/norma_doc/49/49865/index.htm (дата обращения: 16.11.2015).

53. РД 10-400-01. 2001 Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей [Электронный ресурс]. - URL: http://files.stroymf.ru/Data1/9/9147/ (дата обращения: 18.11.2015).

54. РД 34.17.439-96. Техническое диагностирование и продление срока службы сосудов, работающих под давлением: методические указания [Электронный ресурс]. - URL: http://snipov.net/c_4691_snip_106637.html (дата обращения: 21.11.2015).

55. РД 50-690-89. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным [Электронный ресурс]. - URL: http://docs.cntd.ru/document/12000 35567 (дата обращения: 18.11.2015).

56. РД 558-97. Руководящий документ по технологии сварки труб при производстве ремонтно-строительных работ. - М.: ВНИИСТ, 1997. - 108 с.

57. Романцов С.В., Шарыгин A.M. Оценка усиливающего эффекта от установки стеклопластиковой муфты на участке магистрального газопровода с дефектами // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2004. - № 5. - С. 104-107.

58. Рябков А.В., Кузьмин С.В. Современное состояние системы промысловых нефтепроводов // Труды международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2005». - Тюмень, 2005. - Ч. 2. - С. 201-202.

59. СА 03-005-07. Технологические трубопроводы нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности. Требования к устройству и эксплуатации: Стандарт ассоциации «Ростехэкспертиза». 2007 г. [Электронный ресурс]. - URL: http://standartgost.ru/g/%D0%A1%D0% 90_03-005-07 (дата обращения: 18.09.2015).

60. Сальников А.Ф., Щелудяков А.М. Применение полимерно-армированного материала в трубопроводном транспорте // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. - 2012. - № 2. - С. 158-166.

61. Самохин Е.Г., Белых И.С., Бурков П.В. Компьютерное моделирование прочностных характеристик полиэтиленовых газопроводов с учетом образования трещины // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сб. тр. IV междунар. науч.-практ. конф. с элементами научной школы для молодых ученых. - Томск, 2013. - С. 575-580.

62. Серов В.В. Автоматизированный метод контроля состояния трубопроводов на основе кластерного анализа акустического отклика на импульсные воздействия: дис. ... канд. техн. наук. - Казань, 2012. - 168 с.

63. Сулейманов М.К. Разработка технологии обследования и оценки технического состояния длительно эксплуатируемых технологических нефтепроводов: дис. ... канд. техн. наук. - Уфа, 2004. - 188 с.

64. Сыпачева Е.С., Сальников А.Ф. Математическая модель работоспособности полиэтиленовых армированных труб // Молодежная наука Прикамья / ПермГТУ. -Пермь, 2004. - Вып. 4. - С. 68-72.

65. ТУ 2248-001-54112451-04. Трубы полимерные армированные (металло-пластовые) [Электронный ресурс]. - URL: http://www.polimak.ru/usr/file/POLIMAK-katalog2015WEB.pdf (дата обращения: 05.04.2015).

66. Фокин М.Ф., Никитина Е.А. Особенности оценки опасности труб магистральных трубопроводов с «расслоениями», обнаруживаемыми при внутритрубной диагностике // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2008. - № 2. - С. 75-79.

67. Химченко Н.В., Бобров В.А. Неразрушающий контроль в химическом и нефтяном машиностроении. - М.: Машиностроение, 1978. - 264 с.

68. Чирков Ю.А. Совершенствование методов повышения безопасности трубопроводов сероводородсодержащих месторождений: дис. ... д-ра техн. наук. -Оренбург, 2010. - 357 с.

69. Чужаков С.Ю., Бурков П.В. Оценка усталостной долговечности трубопровода, используемого для проведения барообработки высоковязких нефтей с использованием пакета конечно элементного анализа ANSYS // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сб. тр. IV междунар. науч.-практ. конф. с элементами научной школы для молодых ученых. - Томск, 2013. - С. 593-596.

70. Шикунов В.Н. Разработка методов повышения безопасности эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств с электрическим приводом: дис. ... канд. техн. наук. - Уфа, 2008. - 152 с.

71. Щелудяков А.М. Совершенствование волнового метода оценки технического состояния трубопроводного транспорта из полимерных материалов в процессе его эксплуатации // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2015. -№ 17. - С. 63-71.

72. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Об использовании комплекса обработки изменения волновых характеристик виброакустической волны для оценки фактического состояния неметаллических трубопроводов // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - 2015. - № 1. - С. 174-176.

73. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Обеспечение экологической безопасности эксплуатации трубопроводного транспорта, выполненного из полимерных материалов, с помощью применения волновой диагностики технического состояния // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Т. 3, № 2-1 (13-1). - С. 343-346.

74. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Оценка влияния динамических нагрузок на остаточную работоспособность полимерно-армированных труб // Газовая промышленность. - 2014. - № 1 (701). - С. 52-55.

75. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Применение полимерно-армированного материала в трубопроводном транспорте // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. - 2012. - № 2. - С. 158-166.

76. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Проблемы и подходы к оценке технического состояния функционирующих трубопроводов с помощью волнового метода неразрушающего контроля // Естественные и технические науки. - 2011. -№ 7. - С. 25-32

77. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Разработка методики динамического нагружения в трубопроводах на полнотелых образцах // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2010. - № 30. - С. 97-109.

78. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Совершенствование волнового метода оценки технического состояния трубопроводного транспорта из полимерных материалов в процессе его эксплуатации // Прогрессивные технологии в транспортных системах: двенадцатая междунар. науч.-практ. конф., посвящается 60-летию Оренбургского государственного университета / отв. ред. В.И. Рассоха, И.Х. Ха-санов. - Оренбург, 2015. - С. 375-379.

79. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Транспорт трубопроводный. Проблемы и подходы к оценке технического состояния функционирующих трубопроводов с помощью волнового метода неразрушающего контроля // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. - 2014. - № 4. - С. 126-137.

80. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф., Дутлов О.А. Волновая диагностика трубопроводов из полимерно-армированных труб // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - 2014. - Т. 1. - С. 254-258.

81. Щелудяков А.М. Аспекты экологической безопасности при верификации методики оценки остаточного ресурса труб из альтернативных материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Урбанистика. - 2016. - № 2. - С. 190-206.

82. Щелудяков, А.М., Анализ работоспособности неметаллических трубопроводов в технологических линиях добычи нефти и газа / А.М. Щелудяков, А.Ф. Сальников, А.А. Зеленин, А.Н. Аношкин // Трубопроводный транспорт. 2017 № 12 С. 52-61.

83. Analysis of pipe conveyor belt damaged by thermal wear / G. Fedorko, V. Molnar, M. Dovica, T. Toth, M. Kopas // Engineering Failure Analysis. - 2014. -№ 4. P. 41-48. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2014.06.016.

84. Document characterization of gas-liquid two-phase flow pattern based on complexity measures analysis / F. Dong, L.-D. Fang , H.-L. Li, Y. Zhu // Proceedings of International Conference on Machine Learning and Cybernetics. - 2012. - Vol. 3. -P. 996-1000. DOI: 10.1109/ICMLC.2012.6359490.

85. Impacts of ambient and ablation plasmas on short- and ultrashort-pulse laser processing of surfaces / N.M. Bulgakova, A.N. Panchenko, V.P. Zhukov, T. Mocek, A.V. Bulgakov // Micromachines. - 2014. - 5 (4). - P. 1344-1372. DOI: 10.3390/mi5041344.

86. Rastorguev G.A. Monitoring and diagnostics of pipe components // Russian Engineering Research. - 2012. - 32 (7-8). - P. 539-543. DOI: 10.3103/S1068 798X12060202.

87. Research on flow diagnosis of multipath ultrasonic flowmeter / D.-D. Zheng, J.-L. Zhang, S.-S. Zhao, H.-X. Wang, Z.-Q. Cui // Conference Record - IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. - 2015. - July. - P. 1353-1357. DOI: 10.1109/I2MTC.2015.7151470.