Совершенствование методов контроля изоляционного покрытия магистральных трубопроводов в процессе длительной эксплуатации

Роль системы магистральных нефте-, газои нефтепродуктопроводов в экономике России трудно переоценить. Однако стоит проблема обеспечения их сохранности, поскольку все эти трубопроводы находятся в подземном исполнении и подвергаются почвенной коррозии. Отсюда — важнейшим условием обеспечения долговечности является качественная защита от коррозии.

Подземные трубопроводы можно рассматривать как конструкции, состоящие из двух основных составляющих: собственно трубопровода (металлическая часть) и изоляционного покрытия. Поэтому долговечность (ресурс) следует также рассматривать по отдельности: ресурс металлической составляющей, ресурс изоляционного покрытия, а также ресурс их взаимодействия (адгезия, обеспечение защитного потенциала).

Металлическая часть отвечает за прочность трубопровода, способность выдерживать рабочие давления, обеспечивать герметичность. Появление и рост дефектов на трубах и сварных соединениях может привести к потере герметичности, разрыву, выходу продукта в окружающую среду, пожару, взрыву, экологическому ущербу, жертвам. Поэтому диагностике металлической части трубопроводов уделяется очень большое внимание. В этом направлении работают большие группы учёных и специалистов, используются значительные материальные средства. В результате в этом направлении достигнуты заметные успехи. Созданы внутритрубные диагностические комплексы, разработаны методики расчётных оценок прочности и ресурса, расчётные программы, электронные базы данных, система нормативных документов. Всё это доведено до практической реализации и применяется эксплуатирующими организациями в качестве инструментария.

Изоляционное покрытие призвано сдерживать коррозию металлической составляющей трубопровода. В расчётах прочности и остаточного ресурса трубопровода (металлической составляющей) характеристики изоляционного покрытия непосредственно не участвуют. Обнаруженные при обследованиях трубопровода дефекты и несоответствия изоляционного покрытия в лучшем случае заносятся в паспорт трубопровода, а в большинстве случаев остаются только в отчётах. При планировании ремонта изоляционного покрытия, конечно, учитываются результаты обследований, но большинство обнаруженных дефектов изоляции остаются на трубопроводе ещё долгие годы. Остаточный ресурс изоляционного покрытия практически не рассчитывается из-за несовершенства существующих методик.

Как известно, на магистральных трубопроводах имеет место двухуровневая защита от коррозии: пассивная (изоляционное покрытие) и активная (электрохимическая). Там, где изоляционное покрытие изношено или повреждено, катодный потенциал препятствует реакциям растворения металла в грунте. Эффективность электрохимической защиты определяют путём измерений защитного потенциала при плановых обходах трассы. Если износ изоляционного покрытия достиг такого уровня, когда не может обеспечиваться необходимый защитный потенциал, принимают решение о ремонте изоляционного покрытия. Но при этом исходят только из опыта и экспертных оценок специалистов служб антикоррозионной защиты, не прибегая при этом к расчётному прогнозированию изменения защиты в результате выполнения запланированных объёмов ремонта.

Существуют проблемы по выбору критериев отбраковки изоляционного покрытия действующих трубопроводов. При длительной эксплуатации трубопроводов все защитные характеристики изоляционного покрытия снижаются. Скорость снижения зависит от многих факторов, в том числе от температурно-климатических условий на местности, физико-химических особенностей грунтов и происходящих в них процессов, качества нанесения покрытия, качества исходных материалов и др. После нескольких лет эксплуатации трубопровода изоляционное покрытие становится неоднородным по дистанции, начинают выделяться участки, где покрытие перестаёт удовлетворять требованиям норм. При этом защитный потенциал ещё продолжает сохраняться на нормативном уровне. Так возникает задача с правильным выбором критериев качества: по свойствам самого покрытия или по параметрам электрохимической защиты. Но в любом случае приходим к противоречию с некоторыми утверждёнными нормами.

Другая проблема — прогнозирование состояния и эксплуатационных свойств изоляционного покрытия. Прогнозирование необходимо выполнять во времени (с учётом динамики старения), опираясь на результаты обследований, принимая во внимание разнородность трубопровода и покрытия по дистанции, учитывая методы и объёмы ремонта. Без этого невозможно обеспечить эффективное планирование ремонта. Задачи прогнозирования невозможно решать без математического моделирования процессов с учётом вышеуказанных факторов и особенностей. Между тем, существующие расчётные методы слишком упрощены и не отражают большинства важных явлений и особенностей.

Одна из актуальных задач состоит в совершенствовании приборной части диагностики изоляционного покрытия трубопроводов. Практически все применяемые до сих пор приборы основаны на измерении потенциалов на поверхности земли над трубопроводом. Такой метод позволяет обнаружить дефектные места изоляции по появлению аномальных градиентов потенциала на поверхности земли. Но использовать эти результаты в расчётах и прогнозировании пока не удаётся. Для моделирования процессов необходимы значения потенциалов и токов непосредственно на трубопроводе. Перспективным в этом направлении представляется использование возможностей технологии магнитной локации, известной в некоторых других областях техники.

Таким образом, существуют проблемы по усовершенствованию методов контроля изоляционного покрытия находящихся в эксплуатации магистральных трубопроводов, прогнозирования их состояния с учётом динамики процессов, эффективного планирования ремонтных работ. В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в данной области, делается попытка решить часть из них на основе использования технологии магнитной локации. Для этого поставлены следующие цель и задачи:

Цель — повышение долговечности и безопасности магистральных трубопроводов совершенствованием методов контроля изоляционного покрытия на основе технологии магнитной локации.

Задачи:

1. Анализ технического состояния изоляционного покрытия магистральных трубопроводов после длительной эксплуатации.

2. Анализ существующих методов контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов и установление путей их совершенствования.

3. Разработка математического аппарата контроля трубопроводов с неоднородными характеристиками изоляции и грунта.

4. Совершенствование методов оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия и обоснования объёмов ремонта.

5. Разработка приборного комплекса, использующего технологию маг- * нитной локации, для контроля изоляционного покрытия.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ИПТЭР, ВНИИСТ, ВНИИГАЗ), лабораторий и кафедр высших учебных заведений (УГНТУ, РГУНГ им. И.М. Губкина) и других научных центров, специалистов АК «Транснефтепродукт», работы ведущих ученых в данном направлении: Березина B. JL, Глазкова В. И., Глазова В. Н., Зиневича A.M., Колчина В. А., Коршака A.A., Кузнецова М. В., Мустафина Ф. М., Новосёлова В. Ф., Притулы В. В., Ращепкина К. Е., Шамшетдинова K.JI. и других.

Кроме того, в работе использованы результаты обследований ряда действующих трубопроводов методами электрометрических измерений, а также результаты внутритрубной диагностики. Использованы прогрессивные методы и достижения в области математического моделирования процессов. В процессе создания и отработки метода магнитной локации использованы некоторые достижения приборостроения.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну.

1. Установлено, что защитные свойства изоляционных материалов, измеряемые в локальных точках трубопровода (адгезия, электрическая плотность, переходное сопротивление), не могут служить критериями качества магистральных трубопроводов, находящихся в эксплуатации длительное время. При длительной эксплуатации все эти свойства приобретают характер случайных величин с увеличивающимся разбросом (дисперсией). Показано, что количественной характеристикой технического состояния изоляционного покрытия конечного участка действующего трубопровода может быть интегральное переходное сопротивление.

2. Разработаны универсальные методы определения интегрального переходного сопротивления изоляционного покрытия, основанные на полученных уравнениях распределения токов и потенциалов в действующем трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием. В качестве исходных данных могут быть использованы результаты электрометрических измерений на трубопроводе, а также результаты обследований методом магнитной локации.

3. Разработана методика численного моделирования распределения защитных токов и потенциалов на трубопроводе с учётом разнородности свойств изоляционного покрытия и динамики процессов старения и выборочного ремонта. Методика позволяет на основе данных по интегральным переходным сопротивлениям расчётным путём оценивать остаточный ресурс изоляционного покрытия в целом, оптимизировать планы восстановления покрытия по участкам и срокам.

4. Разработаны методика обследования трубопровода с использованием технологии магнитной локации. Методика позволяет с высокой точностью получить магнитограмму трубопровода с точной привязкой по местности и зафиксировать её в виде электронного файла. Обработка полученной информации позволяет определить токи в трубопроводе на нескольких частотах, места утечки тока в грунт через изношенное или повреждённое покрытие, блуждающие токи. Полученная информация достаточна для реализации методов, указанных в пунктах 1 и 2.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— Устранены логические ошибки в расчётных методах и формулах для количественной оценки параметров, характеризующих техническое состояние изоляционного покрытия действующих магистральных трубопроводов.

— Разработана методика обследования трубопровода на базе технологии магнитной локации и соответствующий приборный комплекс, позволяющие на новом качественном уровне выполнять диагностику изоляционного покрытия действующих магистральных трубопроводов, отвечающие современным требованиям.

— Разработаны методы математической обработки результатов диагностики, позволяющие выполнять оценку остаточного ресурса изоляционного покрытия, обосновывать необходимость ремонта изоляции на дефектных местах и изношенных участках, оптимизировать объёмы и сроки ремонта по участкам.

На защиту выносятся:

— математический аппарат для описания распределения токов и потенциалов в действующем подземом трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием;

— критерий оценки качества изоляции — интегральное переходное сопротивление на конечных участках;

— методы расчётного определения интегрального переходного сопротивления изоляции действующих трубопроводов;

— методика оптимизации планов ремонта (по срокам и объёмам) изоляционного покрытия,.

— методика обследования изоляционного покрытия с использованием технологии магнитной локации.

Результаты исследований использованы при разработке документов:

— Методика оценки технического состояния изоляционного покрытия и фактического положения подземных трубопроводов с использованием технологии магнитной локации;

— Методика оценки остаточного ресурса изоляционного покрытия магистральных нефтепродуктопроводов.

С использованием разработанных методик обследованы и оценены изоляционные покрытия магистрального нефтепродуктопровода «Куйбышев-Брянск» протяженностью 105 км и магистрального аммиакопровода «Тольятти-Одесса» протяженностью 115 км.

Автор выражает искреннюю благодарность коллективам Института проблем транспорта энергоресурсов, Московского института электронной техники, а также своему научному руководителю за неоценимую помощь в выполнении настоящей работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Путём анализа результатов обследования магистральных трубопроводов методами электрометрических измерений и внутритрубной диагностики установлено, что их изоляционные покрытия стареют значительно быстрее, чем трубы и сварные соединения. В результате старения накапливаются дефекты изоляции, снижаются все защитные свойства, увеличиваются потери защитного тока. Все характеристики изоляционного покрытия, измеренные в локальных точках, приобретают свойства случайных чисел. Их дисперсия по дистанции со временем растёт и становится сопоставимой со средними значениями. Тем не менее, на большинстве трубопроводов удаётся поддерживать защитные потенциалы в рамках нормативных требований.

2. Методы контроля изоляционного покрытия действующих трубопроводов основаны на измерениях потенциалов (электрометрические измерения) и на математической модели распространения потенциалов в подземном трубопроводе с однородными защитными свойствами. Методическая база контроля изоляции несовершенна (содержит ряд логических ошибок и неоднозначных толкований) и не позволяет использовать результаты электрометрических измерений в расчётах оценки остаточного ресурса и оптимизации объёмов и сроков ремонта по участкам. Совершенствование методов контроля возможно за счёт построения математической модели неоднородных изоляционных покрытий и измерения токов в трубопроводе по технологии магнитной локации.

3. Разработан математический аппарат распределения защитных токов в трубопроводе с изношенным изоляционным покрытием. Качество покрытия на отдельном конечном участке предложено выражать через его интегральное переходное сопротивление Кинт. Неоднородность покрытия описывается функцией К1ШТ (г). Разработаны методы определения параметра Кшгг на действующем трубопроводе по результатам измерений.

4. На основе полученной функции 11ннт (2) разработан метод численного моделирования распределения защитного тока и потенциала на трубопроводе. Метод позволяет рассматривать разные режимы работы установок катодной защиты, разные расположения их по дистанции, разные объёмы и участки ремонта изоляции. Все эти варианты реализуются путём подбора граничных условий для потенциалов (токов) и изменением функции Кинт (г) в местах предполагаемого ремонта. Для автоматизации процессов подготовки данных и выполнения расчётов разработана компьютерная программа.

5. В качестве критерия технического состояния изоляционного покрытия трубопровода в целом предложена возможность обеспечения защитными потенциалами в рамках нормативных требований. За остаточный ресурс изоляционного покрытия принимается время, в течение которого сохраняется эта возможность с учётом динамики старения покрытия.

6. Разработаны приборный комплекс и методика обследования изоляционного покрытия действующего трубопровода на основе технологии магнитной локации. Метод и приборный комплекс позволяют в режиме реального времени наблюдать и записывать в файл токи, протекающие в трубопроводе и уходящие через изоляционное покрытие в грунт. Получаемые результаты позволяют в полной мере реализовать вышеуказанный математический аппарат. Испытания и практическая работа на действующих трубопроводах показали, что данный метод и приборный комплекс обладают рядом существенных преимуществ по сравнению со всеми известными до настоящего времени и отвечают современным требованиям диагностики. 1 2 3 4 5 6 7 8 9.