Введение

Фундаментом энергетики Республики Беларусь является топливно-энергетический комплекс, который обеспечивает функционирование всех остальных отраслей национальной экономики [53]. Одной из составляющих топливно-энергетического комплекса Беларуси являются системы транспортирования жидких и газообразных углеводородных энергоносителей – магистральные трубопроводы. Трубопроводный транспорт является одним из самых дешевых видов транспорта энергоносителей от мест добычи к потребителям (себестоимость перевозок трубопроводным транспортом в 2,5 раза ниже, чем на железнодорожном и в 1,5 раза ниже, чем на морском) [144]. При этом трубопроводный транспорт оказывает минимальное, по сравнению с другими видами транспорта, вредное воздействие на окружающую среду [14]. Однако ситуация коренным образом изменяется в случае промышленной аварии, сопровождающейся утечкой перекачиваемого продукта, которая ведет к тяжелым экологическим последствиям и значительным убыткам для предприятий трубопроводного транспорта [61, 67, 68, 71].

В настоящее время в Республике Беларусь эксплуатируется развитая сеть магистральных трубопроводов, построенных в 60-70 годах прошлого века. Но у специалистов вызывает тревогу возрастной состав всей построенной в СССР системы магистральных трубопроводов, а, следовательно, и возможность обеспечения надежности и безопасности эксплуатации [11, 37].

В процессе длительной эксплуатации труб в результате физико-химических воздействий перекачиваемого продукта и воздействия внешней среды происходит изменение механических свойств металла труб и сварных соединений, а также изменение структурного состояния металла, что ведет к деградации эксплуатационных свойств трубопровода. [7, 17, 60, 130, 155 и др.]. В связи со значительным весом отказов по причине разрушения сварных соединений в Республике Беларусь [1] необходимо в первую очередь обеспечить безопасность эксплуатации данного элемента трубопроводной системы.

В качестве основных мер повышения надежности и безопасности эксплуатации линейной части длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов необходимо рассматривать методы восстановления прочностной надежности.

Одним из перспективных методов повышения надежности сварных соединений является использование процессов, происходящих при нагреве деформационно-состаренных соединений трубных сталей с целью восстановления их эксплуатационных свойств [136 с. 196] чему и посвящена основная часть исследований изложенных ниже.

Глава 1. Анализ надежности магистральных трубопроводов республики беларусь и их кольцевых сварных соединений

1.1 Современные подходы к решению задачи обеспечения надежности магистральных трубопроводов

Надежность магистрального трубопровода в общем случае определяется значительным количеством факторов, которые объединяют в следующие группы: конструктивно-технологические, антропогенные, природно-климатические, эксплуатационные и коррозионного воздействия. [81 с. 29-36, 116]

Конструктивно-технологические факторы определяют надежность трубопровода, заложенную на предэксплуатационных стадиях его жизненного цикла. Они учитывают: технологии изготовления труб, которые закладывают изначальные характеристики трубного материала, его строение, тип структуры и исходную дефектность; уровень развития нормативной базы и качество выполнения проектных работ; определяют коэффициенты надежности, глубину заложения трубопровода, номинальную толщину стенки и категорию участка, наличие защитных сооружений и другие параметры; качество выполнения строительно-монтажных работ. Антропогенные факторы определяют вероятность повреждения трубопровода в результате деятельности человека в зоне пролегания трубопровода. К их числу относятся плотность населения, наличие промышленных объектов и инфраструктуры вблизи трубопровода. Природно-климатические факторы характеризуют возможность повреждения трубопровода в результате движения грунта. Определяются климатическими и гидрогеологическими условиями территории пролегания рассматриваемого участка трубопровода. Эксплуатационные факторы учитывают величину рабочего давления, цикличность нагружения трубопровода, расположение перекачивающих станций, возможность гидроударов, динамику движения жидкости и ее химический состав. Факторы коррозионного воздействия учитывают коррозионную активность грунтов и перекачиваемого продукта, наличие и состояние изоляционного покрытия, наличие системы электрохимической защиты, наличие мест выхода трубопровода на поверхность, температуру и влажность грунта.

Как правило, воздействие различных нагрузок во время эксплуатации носит комплексный характер, и их сочетание усиливает итоговое повреждение каждой из них. Так, например, с увеличением агрессивности среды снижается сопротивление усталости металла, а с увеличением уровня напряжений возрастает скорость коррозии железа [85]. При этом спектр воздействий и нагрузок носит недетерминированный, вероятностный характер и изменяется во времени. Учет воздействия всех факторов является достаточно сложной задачей. В общем случае проблема определения надежности предполагает решение комплекса задач статической и динамической прочности с последующим применением методов теории надежности механических систем.

Проблеме надежности магистральных трубопроводов и их сварных соединений уделялось и уделяется пристальное внимание ученых, работающих в сфере трубопроводного транспорта. Мировая, в том числе русскоязычная научно-техническая литература, насчитывает множество публикаций, посвящённых изучению и обобщению проблем надежности и безопасности магистральных трубопроводов [1, 9, 24, 28, 42, 52, 59, 136, 140, 147, 148, 151 и др.]. На постсоветском пространстве значительный вклад в изучение данного вопроса был внесен ведущими учеными и специалистами отрасли, среди которых отдельно необходимо отметить работы Гумерова А.Г., Ямалеева К.М., Курочкина В.В., Зайнулина Р.С., Шаммазова А.М., Сосновского Л.А., Березина В.Л., Бородавкина П.П., Иванцова О.М., Черняева В.Д., Черняева К.В., Харионовского В.В. и многих других, на чьи результаты автор опирался в своих исследованиях. В результате их обширной и продолжительной работы сформировался современный взгляд на область обеспечения надежности эксплуатации магистральных трубопроводов.

В публикации [102] проведен обзор основных направлений развития отрасли. Показана необходимость учета фактора надежности на всех уровнях планирования: оперативно-диспетчерском, текущем, при прогнозировании и перспективном планировании.

В работах [103, 125] рассматриваются вопросы физической сущности надёжности, от правильного понимания которых во многом зависит её практическое обеспечение, приводится анализ основных понятий теории надежности, их количественных характеристик.

В публикациях Харионовского В.В. [143] изложены современные концепции, критерии, методы расчетов и натурных исследований газопроводов, посвященные изучению их надежности и ресурса. Проблема рассмотрена для наиболее сложных участков газопроводов. Уделено внимание вопросам диагностики и оценки работоспособности участков трубопроводов, имеющих дефекты. Представлены инженерные методики и технические решения по повышению надежности газопроводных конструкций. Использованы материалы, составленные по результатам 25-летней работы автора и его школы в газовой промышленности.

В трудах Березина Л.В., Зоненко В.И., Кима Б.И. [4, 36, 106] изложены принципы построения вероятностных моделей прогнозирования показателей экологической и эксплуатационной надежности, математические методы обработки статистической информации, полученной на основе данных эксплуатации трубопроводов. Представлен анализ основных причин отказов линейной части нефтепродуктопроводов. Описаны методы прогнозирования продолжительности наработки на отказ, времени восстановления трубопровода, линейного размера продольных разрушении труб, а также объема аварийной утечки транспортируемого продукта. Разработаны алгоритмы определения оптимальных графиков проверок при различной степени полноты информации о надежности объекта обслуживания и расчет рациональной периодичности осмотров трубопровода.

Работа [41] посвящена повышению эффективности и надежности работы магистральных газопроводов. Рассмотрены вопросы построения технической диагностики газопроводов, организации контроля, методы оценки текущего состояния участков газопроводов, прогнозирование его изменения для планирования профилактических работ, создание автоматизированной системы газопроводов.

В публикации [163] рассматривается применение ЭВМ для оценки надежности проектируемых трубопроводов, однако для анализа используются устаревшие алгоритмические языки.

В трудах [28, 136] проанализированы и обобщены вопросы дефектности металла труб действующих магистральных нефтепроводов. Проведены расчеты долговечности нефтепроводов с различными дефектами. Рассмотрен ряд современных способов ремонта дефектных труб. Разработаны методы оценки прочности труб нефтепроводов, отремонтированных различными способами. Рассмотрен термический способ восстановления пластических свойств металла труб нефтепроводов.

Проблема обеспечения надежности магистральных трубопроводов до сих пор остается актуальной, так как, не смотря на особое внимание к данному вопросу, полностью исключить аварийные ситуации не удается. В настоящее время основными мероприятиями по поддержанию прочностной надежности длительно эксплуатируемых трубопроводов являются испытания повышенным давлением, выборочный ремонт по результатам диагностики внутритрубными инспекционными снарядами и замена существующих трубопроводов. Каждый из перечисленных методов, несмотря на достаточно высокую эффективность, имеет также и существенные недостатки.

Так, например, гидростатические испытания повышенным давлением позволяют не только выявить различные дефекты труб, но и частично восстановить прочностные свойства [8]. В тоже время указанные испытания обладают следующими недостатками: не выявляются короткие, но глубокие коррозионные повреждения, которые могут привести к возникновению утечки; ряд дефектов, состояние которых во время испытаний было близко к разрыву, продолжат свой рост после стабилизации давления и могут проявиться при эксплуатации даже при невысоких давлениях; пластические деформации вследствие высоких напряжений в металле труб ведут к его охрупчиванию; необходимость остановки трубопровода для проведения испытаний; загрязнение окружающей среды [161, 162].

Тотальная замена магистральных трубопроводов требует значительных капитальных вложений, в то время как существующие конструкции не исчерпали свой ресурс и могут продолжать работать.

Применение технологий выборочного ремонта по результатам диагностики внутритрубными инспекционными снарядами позволяет восстановить надежность участков с выявленными опасными повреждениями. Однако используемые в настоящее время внутритрубные инспекционные снаряды не позволяют обнаружить все опасные дефекты и в первую очередь в сварных соединениях [24 с. 154], отчеты по диагностическому обследованию содержат ошибки в части описания геометрических размеров, не все дефекты, зарегистрированные дефектоскопами, отражаются в заключительном отчете [110]. Кроме того, данный подход не позволяет выявить и восстановить участки с низким уровнем механических свойств.

Обобщая вышеизложенное можно констатировать, что проблема обеспечения надежности линейной части длительно эксплуатируемых магистральных трубопроводов является актуальной и до конца не решенной. Разработанные и применяемые в настоящее время мероприятия её поддержания имеют свои недостатки. В связи с этим для постановки целей и задач исследования необходимо проанализировать основные характеристики объекта исследования, его материально-техническое исполнение и протекающие в процессе эксплуатации изменения.