Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем

Протяжённость трубопроводов газораспределительных сетей в России сегодня превышает 840 тыс. км, что почти в 4 раза превышает протяжённость магистральных газо-, нефтеи нефтепродуктопроводов вместе взятых. Роль газораспределительных сетей для народного хозяйства и населения страны трудно переоценить. По этим сетям доставляется природный газ к непосредственным потребителям: металлургическим комбинатам, электростанциям, другим промышленным, бытовым предприятиям, десяткам миллионам населения страны. Газоснабжение является таким же необходимым атрибутом современной цивилизации, как электрои водоснабжение, транспорт и связь.

Если об опасности самого газа мы — потребители газа — ещё- помним в повседневной жизни, об опасности самих трубопроводных сетей почти не задумываемся. Это является косвенным признаком высокой надёжности трубопроводов системы газораспределения. Практически никто из нас ни разу не встречался с разрывом трубопроводов газораспределительных сетей. Те пожары, и взрывы, которые случаются из-за газа, мы обычно связываем с самим газом и (или) человеческим фактором.

Между тем, более половины газораспределительных трубопроводов подземные- 85% из них стальные. Срок эксплуатации этих трубопроводов в южных и центральных регионах страны достиг 50−55 лет. Заменить их в массовом порядке практически нереально. Возможности ремонта также сильно ограничены, особенно в городских кварталах. Продолжать эксплуатацию трубопроводов без достаточного обоснования их безопасности недопустимо.

С принятием Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» актуальность данной проблемы обострилась. Стало обязательным обследование и экспертиза безопасности трубопроводов со сроком эксплуатации 40 и более лет. Однако, как оказалось, нормативная база для этих работ была очень слаба. Действовал только один документ, который регламентировал порядок обследования и принятия решения о продлении срока эксплуатации трубопроводов — РД 204 РСФСР 3.3−87 «Оценка технического состояния подземных газопроводов. Общие требования». Он основывался на так называемой бальной оценке технических характеристик трубопровода. Баллы проставлялись в зависимости от количества случаев утечки газа за всё- время эксплуатации, количества обнаруженных дефектов изоляции, выявленных коррозионных дефектов на поверхности трубопровода, от качественных характеристик сварных стыков, наличия или отсутствия блуждающих токов. Продлеваемый срок эксплуатации определялся по шкале набранных баллов. Расчёты остаточного ресурса с учётом реальных механизмов и физических явлений, происходящих с трубопроводом в заданных условиях, не выполнялись. В то же время на других отраслях, таких как магистральные трубопроводы, система диагностики была развита значительно шире и глубже.

Чтобы ликвидировать этот и другие недостатки, был разработан документ РД 12−411−2002 ''''Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводовкоторый отвечал духу времени и предусматривал оценку остаточного ресурса расчётным путём на основе результатов приборного обследования трубопроводов, с учётом происходящих деградационных процессов. В разработке документа принимал участие и автор настоящей диссертации.

С созданием в стране Системы промышленной безопасности данный документ получил очень широкую известность и распространение. С момента его утверждения до сегодняшнего дня получен колоссальный опыт диагностики газораспределительных трубопроводов по стране. Проблемой занимались десятки экспертных организаций и диагностических центров. Только ОАО «Ги-прониигаз» обследовало более 1,6 тысяч км газопроводов со сроком службы более 40 лет и определило расчётным путём остаточный срок службы от 2 до 17 лет в зависимости от полученного износа.

Опыт показал, что данный документ действительно является прогрессивным. Но накопилось и достаточно много частных вопросов, замечаний, предложений по методике, которые высказывались известными учёными на разных форумах и опубликованы в научных изданиях. Предложения появились и у самих разработчиков данного документа. Некоторые требования документа оказались излишними, другие потребовали корректировки. Таким образом, появилась необходимость обобщить наработанный опыт, проанализировать предложения, и представить новую редакцию инструкции по обследованию газопроводов.

Значение такого документа огромно для безопасности страны. Опасность старых газопроводов в том, что они проложены в населённых пунктах, входят в жилые дома и предприятия. Хотя давление и снижено, сам газостаётся опасным продуктом, горючим и взрывоопасным. Можно себе представить последствия некачественной диагностики и экспертизы подземных газопроводов большого города, где много коммуникаций и по ним газ легко может проникнуть и накопиться внутри здания. После этого любая искра приведёт к взрыву всего здания. Примеры таких случаев имеются.

Диагностика и ремонт газораспределительных сетей встречается с множеством проблемв том числе из-за сложностей трассы, насыщенности* другими коммуникациями, наличия множества помех электрического и магнитногопроисхождения, недостаточной изученности некоторых проблем с научной точки зрения. И действительно, по сравнению с другими отраслями мало' защищенных диссертаций по газораспределительным сетям.

В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в области безопасности газораспределительных систем, делается попытка решить часть из них. Для этого поставлены следующие цель и задачи:

Цель — совершенствовать методы обеспечения безопасности, длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем.

Задачи:

1'. Выполнить анализ источников опасности при эксплуатации длительно эксплуатируемых трубопроводов газораспределительных систем с учётом наработанного опыта диагностики.

2. Изучить динамику изменения свойств металла труб в условиях эксплуатации газораспределительных систем.

3. Изучить динамику изменения защитных свойств изоляционного покрытия газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации.

4. Усовершенствовать методы оценки безопасности и допустимых условий эксплуатации газопроводов по результатам диагностики.

5. Разработать предложения по обеспечению эффективности диагностики и безопасности дальнейшей эксплуатации газораспределительных трубопроводов.

Основой для решения данных задач явились труды отраслевых институтов (ОАО «Гипрониигаз», ООО «ВНИИРАЗ», ГУП «ИПТЭР», УралНИТИ), работы ведущих ученых в данной области: П. П. Бородавкина, В.В. Харионовско-го, B.C. Волкова, Ю. И. Пашкова, A.JI. Шурайца, Р. С. Зайнуллина, К.М. Яма-леева, А. С. Надршина, А. Г. Сираева и других.

В работе использованы и обобщены данные о результатах обследования трубопроводов газораспределительных систем в разных регионах страны (Саратовская, Московская и Нижегородская области, Республика Башкортостан). Также использованы результаты многолетних исследований динамики изменения свойств металла труб и сварных элементов придлительном воздействии, нагрузок, полученные в трёх научных школах: Уфимской, Челябинской, Саратовской, в том числе при непосредственном участии автора диссертации.

Использованы прогрессивные методы и достижения в области моделирования процессов, положения теорий прочности и механики разрушения.

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

1. Установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем. Показано, что изначально большие запасы прочности распределительных газопроводов практически полностью компенсируют снижение безопасности от эффектов старения металла и позволяют без изменения рабочих давлений эксплуатировать длительное время.

2. Методом математического моделирования установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты (СКЗ), которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.

3. Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения с усилением формы при предельно малом радиусе перехода от шва к основному металлу. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений и разработан подход к оценке статической прочности на основе механики разрушения. Установлено, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:

— изначально большие запасы прочности газопроводов компенсируют снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов;

— опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.

2. Разработан подход, позволяющий рассчитать допустимый уровень рабочего давления трубопроводов с учётом эффектов старения металла и роста коррозионных дефектов.

3. Показано, что путём установки дополнительных СКЗ возможно добиться полной защиты трубопроводов с изношенной изоляцией от коррозии и одновременно снизить энергозатраты на электрохимическую защиту (ЭХЗ).

4. Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и переходного сопротивления изоляции.

5. Предложен безогневой метод ремонта дефектных участков действующих газопроводов, основанный на формировании композитной изоляционно-силовой оболочки разработки ГУЛ «ИПТЭР», обеспечивающий безопасность работ при ремонте.

Результаты исследований использованы при обследовании и экспертизе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов с общей протяжённостью более 1,6 тысяч км в Саратовской, Ростовской, Оренбургской, Нижегородской и других областях.

Результаты работы использованы при разработке отраслевых нормативных документов:

— Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов РД 12−411−01;

— Инструкция «по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления. — Саратов: ОАО «Гипрониигаз», 2005.

В настоящее время находится на стадии апробации новая редакция документа о порядке диагностики газораспределительных трубопроводов, где использованы результаты настоящей работы.

На защиту выносятся:

— закономерности старения и износа трубопроводов газораспределительных систем при длительной эксплуатации;

— усовершенствованные методы оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации распределительных газопроводов;

— методы диагностики, оценки состояния изоляционного покрытия, повышения эффективности катодной защиты распределительных газопроводов;

— новые закономерности распределения напряжений в стыковых сварных соединениях с усилением формы шва;

— рекомендации по обеспечению безопасности ремонта действующих трубопроводов системы газораспределенияобщая методология управления безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанная на усовершенствованных методах диагностики и ремонта.

Автор выражает глубокую благодарность коллективам ОАО «Гипронии-газ» и ГУЛ «ИПТЭР», своим руководителям и коллегам за неоценимую помощь в выполнении настоящей работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:

— снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов компенсируются изначально большими запасами прочности газопроводов;

— наибольшую опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.

2. Изучены и установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем. Установлено, что на зависимостях физических и механических свойств основного металла и сварного соединения трубопроводов от времени эксплуатации имеются два интервала.

В первом интервале пластические и вязкие характеристики материалов трубопроводов практически не изменяются, частота отказов остаётся относительно невысокой.

Во втором интервале происходит снижение пластичности и ударной вязкости. При сроках эксплуатации более 20.25 лет значения ударной вязкости могут выйти за пределы, определённые нормативными требованиями. При этом металл трубы и сварного соединения переходят в хрупкое состояние. Число отказов в трубопроводах заметно увеличивается.

3. После 40 лет эксплуатации газораспределительных трубопроводов изоляционное покрытие в значительной степени теряет защитные свойства, что одновременно приводит к снижению эффективности электрохимической защиты (ЭХЗ) на половине суммарной протяжённости трубопроводов.

Разработана математическая модель системы ЭХЗ, которая позволила установить, что введением дополнительных станций катодной защиты (СКЗ) возможно добиться полной защиты трубопровода с изношенной изоляцией и одновременно понизить суммарные энергозатраты на функционирование ЭХЗ. Установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты, которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.

4. Для трубопроводов газораспределительных систем предложены методика и алгоритм расчёта допустимых рабочих давлений с учётом процессов старения металла и дефектов, обнаруженных в процессе диагностики. Методика позволяет корректировать допустимые рабочие давления с учётом «расчётных» (пределы прочности и текучести) и «нерасчётных» характеристик металла, чувствительных к деградационным процессам, в том числе: ударной вязкости, пластичности, трещиностойкости, относительного удлинения и сужения при разрыве и т. д.

Усовершенствована методика' оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и переходного сопротивления изоляции.

5. Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений, которая позволила установить, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления шва выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.

6. Разработаны предложения по управлению безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанные на усовершенствованных методах диагностики и ремонта. Предложения нашли отражение в ряде отраслевых нормативных документов.