1.4. Методика проведения натурных испытаний отрезков газопровода

Натурные пневматические испытания отрезков трубопроводов сопровождаются взрывами большой мощности, распространением ударной волны на расстояние до нескольких километров и разлетом отделившихся частей на несколько сот метров. Поэтому проводятся они вдали от населенных пунктов, зданий и других сооружений.

При натурных испытаниях используют отрезок газопровода длиной 150—250 м с приваренными на его торцах сферическими заглушками. Выбор такой длины испытываемой секции не случаен. Для современных мощных газопроводов особенно опасны вязкие протяженные разрушения, предупредить которые наиболее трудно. Для изучения вязкого характера разрушения необходимо обеспечить длительное поддержание давления в вершине трещины. При истечении сжатого газа из разрушившегося газопровода потоки перемещаются в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Взаимодействие потоков приводит к образованию внутри секции трех областей с различным по величине давлением: р_в—давление в вершине движущейся трещины; р_д — давление в диаметрально противоположной зоне; р_р — дав­ление на концевых участках секции, которое в начальный мо­мент разрушения равно испытательному давлению.

Движение газа в зону разрушения осуществляется за счет перепада давления в трубе. Благодаря постоянному поступлению сжатого газа из концевых участков испытываемой секции в область вершины трещины давление р_в поддерживается на уровне, достаточном для распространения разрушения. Максимальная скорость изменения давления в вершине трещины (скорость декомпрессии) достигается не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени от момента инициирования разрушения.

Средняя скорость перемещения волны пониженного давления вдоль оси трубопровода составляет для природного газа примерно 400 м/с. Это значение принимают при определении оптимальной длины испытываемой секции. Расчет показывает, что при ожидаемой средней скорости распространения трещины 200 м/с длина трубной секции должна быть не менее 150 м. При большей скорости распространения трещины общую длину ис­пытываемого отрезка увеличивают до 200—250 м.

В целом испытываемый отрезок газопровода состоит из трех участков, каждый из которых выполняет определенную функцию (рис. 5). В центре отрезка находится труба инициирования разрушения. По обе стороны от нее расположены исследуемые участки, на которых регистрируются параметры разрушения. Исследуемые участки заканчиваются ограничителями разрушений, предназначенными для остановки трещины. Они могут быть различной конструкции. Далее идут концевые участки, которые являются постоянными и служат для аккумулирования энергии сжатого воздуха, необходимого для поддержания давления в вершине трещины. Концевые участки прочно закрепляются в траншее бетонными пригрузами, засыпаются грунтом для предотвращения продольных и поперечных перемещений.

Рис. 5. Схема отрезка газопровода для натурных испытаний:

1 — труба для инициирования разрушения; // — исследуемые участки; /// — постоянные концевые участки (ресиверы); IV—ограничители разрушений

Разрушение инициируется в центральной трубе с помощью поверхностного надреза и местного взрыва. При этом толщина стенки трубы под надрезом должна с небольшим запасом выдерживать заданное разрушающее давление. Длина инициирующего надреза обычно составляет 400 мм, что значительно превышает критическую длину трещины. Это способствует быстрому образованию и распространению трещины в центральной трубе.

Большую техническую трудность при натурных испытаниях представляет дистанционная регистрация параметров разрушения: температуры металла труб, скорости распространения трещины, значения разрушающего давления и скорости его падения в различных сечениях испытываемой секции, размеров зоны пластических деформаций металла. Температура металла труб на различных участках секции определяется с помощью ряда термопар с автоматической записью на электронном потенциометре. Разрушающее давление фиксируется самопишущим манометром, соединенным по отводному трубопроводу с испытываемой секцией. Скорость разрушения регистрируется с помощью записи временных интервалов разрыва проволочных или других датчиков на запоминающем электронном осциллографе или магнитографе. Датчики скорости представляют собой калиброванную проволоку, покрытую изоляцией. Датчики наклеивают по ходу будущего разрушения с определенным шагом. Недостатком этого метода записи скорости разрушения является возможный разрыв датчика пластической деформацией перед вершиной движущейся трещины. Однако это не должно принципиально влиять на общий характер изменения скорости разрушения, так как временная ошибка для всех датчиков одинакова.

Скорость падения давления в различных сечениях испытываемого отрезка газопровода измеряется с помощью специальных датчиков и регистрируется на электронном осциллографе или магнитографе. Датчики ввинчивают в сквозное отверстие с резьбой в стенке трубы. С внешней стороны датчики закрывают приваренными к трубе толстостенными металлическими колпаками, предотвращающими их повреждение при раскрытии бортов труб. Деформация металла труб в процессе разрушения регистрируется с помощью тензодатчиков, наклеенных на поверхность в поперечном и продольном направлениях. Датчики размещаются непосредственно около ожидаемой траектории трещины и с некоторым смещением от нее по периметру трубы. Тензодатчики регистрируют значения деформаций до 5%. Записанные деформации позволяют оценить размер пластической зоны перед вершиной движущейся трещины и с учетом знака определить изменение формы трубы в разные моменты процесса разрушения.

Подготовленный к испытанию исследуемый участок опускают в траншею и приваривают к постоянным концевым участкам испытываемого отрезка. В зависимости от цели эксперимента трубы полностью или частично засыпают грунтом. С помощью компрессорной установки поднимают давление в отрезке газопровода до заданного значения и локальным взрывом инициируют разрушение из центральной трубы. Нагружение трубы производят воздухом или природным газом (метаном). Скорость декомпрессии метана и воздуха в трубопроводе примерно одинаковая, и поэтому выбор нагружающей среды практически не влияет на результаты эксперимента. В то же время использование воздуха вместо природного газа упрощает технику проведения испытания и исключает возможность возгорания при взрыве.

Натурные испытания отрезков газопроводов позволяют выявить следующие данные: длину и характер распространения разрушения (вязкий или хрупкий); траекторию и скорость распространения трещины; влияние грунта, температуры и давления па работу металла в трубопроводе; установить сопротивление металла труб разрушению.