Технология ремонта магистральных трубопроводов под давлением

На соискание Государственной премии Украины в области науки и техники

Обострение политиками вопроса вокруг нашей стратегической газовой трубы лишь в очередной раз свидетельствует о ее важности для украинской независимости. Отечественная газотранспортная система (ГТС) — одна из самых крупных в мире (четвертая после американской, российской и канадской). Также уникальная в Европе, поскольку обеспечивает природным газом внутренних потребителей и транзит газа через свою территорию в страны Западной и Центральной Европы. Учитывая ее особенность, уникальность и стратегический характер, требования к работоспособности системы как целостного комплекса более чем серьезные. Потому не только перед газовиками, но и перед Украиной как надежным партнером в газовой сфере всегда стоит вопрос обеспечения надежности и эффективности работы ГТС.

Важной составляющей являются технические вопросы работы газотранспортной системы. Руководство государства постоянно уделяет большое внимание проблемам надежности, эффективности и качества функционирования трубопроводного транспорта и его перспективному развитию. В контексте сказанного можно назвать поручение президента Украины Кабинету министров и Национальной академии наук Украины разработать «Программу диагностики и мониторинга технического состояния трубопроводов», а также соответствующую нормативно-техническую документацию по повышению надежности и экологической безопасности эксплуатации объектов трубопроводного транспорта до 2030 года.

Известно, что отечественная ГТС эксплуатируется уже много лет, а некоторые ее составляющие требуют диагностирования в режиме реального времени. Более того, диагностику необходимо осуществлять и на новых участках ГТС, поскольку это помогает выявить незначительные отклонения, предупредить самые сложные для ремонта трещины. Кроме того, на основе такой диагностики назначается своеобразное «лечение» трубопроводов. Вопрос эффективности выбора диагностических методов не менее важен, ведь успешно организованный беззатратный ремонт на работающей ГТС — это то, чего хотят достичь специалисты во всех развитых странах в течение многих десятилетий.

Украина со своей разветвленной газотранспортной системой не является исключением. Выбирая метод диагностики, а потом и ремонта для украинской газовой трубы, следует учитывать, кроме технических особенностей ГТС, и другие факторы: высокую концентрацию населения в зоне магистральных трубопроводов (МТ), а также протяженность ГТС, а это 38 тыс. км по территории Украины. Поэтому проблемой ремонта трубопроводов уже в суверенный период занимаются как научные, так и производственные организации. В частности, украинские ученые разработали систему ремонта трубопроводов без вывода их из эксплуатации «Разработка и внедрение технологий ремонта магистральных трубопроводов под давлением». Авторы этой научной разработки: Михаил Беккер — главный инженер ДК «Укртрансгаз» Национальной акционерной компании «Нафтогаз Украины», Виктор Бут — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Роман Говдяк — кандидат технических наук, председатель правления ОАО «Укргазпроект», Михаил Дрогомирецкий — начальник управления по эксплуатации магистральных газопроводов и газораспределительных станций ДК «Укртрансгаз», Василий Ивасив — доктор технических наук, профессор, директор Института нефтегазовой энергетики и экологии Ивано-Франковского национального технического университета нефти и газа, Валерий Коток — заместитель главного инженера по автоматизации Института транспорта газа ДК «Укртрансгаз», Анатолий Мандра — директор управления магистральных газопроводов «Черкассытрансгаз» ДК «Укртрансгаз», Владимир Махненко — академик НАНУ, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом Института электросварки им.
Е.О.Патона НАНУ, Любомир Шлапак — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сварка трубопроводов и конструкций» Ивано-Франковского национального технического университета нефти и газа.

Работа состоит из двух частей. Первая часть освещает указанные составляющие системы с позиций применения сварочных ремонтных технологий, а вторая связана с использованием современных ремонтных технологий без сварки.

Участие в разработке указанной системы ремонта трубопроводов под давлением заинтересованных эксплуатирующих организаций, а именно — ДК «Укртрансгаз»,
АО «Укртранснефть» и других, обеспечило ее внедрение в практику. Экономический эффект только за период 1999—2007 годов составил 342,5 млн. грн.

Технология ремонта магистральных трубопроводов под давлением разработана с учетом оценки степени недопустимости выявленных дефектов. Этот вопрос рассматривается в работе на основе современной концепции «прогнозирование и предупреждение», пришедшей на смену старой концепции «обнаружил — устраняй». Новая концепция, известная на Западе под названием the fitness for purpose или the fitness for service, предусматривает вопрос о степени допустимости или степени недопустимости выявленных дефектов решать на основе конкретных данных мониторинга загруженности и данных технической диагностики путем прогнозирования поведения конструкции с дефектами на следующий срок эксплуатации, а в случае прогнозируемого отказа — разработать меры по его предупреждению. Подобная идеология обычно повышает требования как к организации и качеству технической диагностики, так и к методам прогнозирования возможности отказов и их предупреждению на следующий период эксплуатации. Однако при этом значительно возрастает объективность в оценке состояния и принятии решений, создаются возможности для непрерывного усовершенствования на основе современных достижений в механике деформации и разрушения, в вычислительной математике и числовых методах, в вероятностных методах и методах риск-анализа.

Условия безопасности при ремонте магистральной трубы с применением сварочных технологий

Ремонт магистрального трубопровода без вывода его из эксплуатации, то есть при давлении внутри трубы на уровне рабочего, требует гарантированных средств безопасности, особенно в случае применения ручной дуговой сварки плавлением — самого удобного и доступного метода сварки в полевых условиях ремонта. Опасность ремонтных работ на трубопроводе под давлением связана прежде всего с риском получить сквозную нецелостность с выходом под давлением газа или нефти с вытекающими из этого риска последствиями.

Такой риск обусловлен двумя различными механизмами. Первый определяется чрезмерным истончением стенки в зоне дефекта в процессе его технологической обработки (зачистка, шлифование, сварка), а второй связан с проблемой свариваемости трубных сталей в жестких условиях, то есть их склонностью к образованию в соответствующих условиях охлаждения в зоне термического влияния (ЗТВ) низкопластичных закалочных микроструктур и холодных трещин. При ремонтном сваривании МТ жесткость условий обусловлена стремлением использовать минимальную погонную энергию в сочетании с высокими напряжениями в стенке трубы от рабочего давления и довольно высокого содержания диффузного водорода в основном металле, что обусловлено спецификой транспортировки углеводорода (экспериментальный факт, установленный сотрудниками академика И.Походни).

В результате экспериментальных и расчетных исследований, выполненных авторами работы, были установлены условия безопасного ремонта как с позиций минимальных толщин при указанных выше технологических операциях обработки дефектного участка, так и с позиций свариваемости. В частности показано, что при режимах дуговой сварки, соответствующих сварочному току не выше 110—120 А, гарантируется отсутствие прожигания и прорыва стенки внутренним давлением при определенной минимальной толщине стенки трубы в зоне сваривания, которая зависит от давления в трубе, типа транспортируемого углеводорода (газа или нефти) и скорости его движения.

В пределах этой разработки в зависимости от характера и параметров дефектов предлагается целый ряд разнообразных конструктивно-технологических вариантов ремонта без применения сварки непосредственно для устранения недопустимых дефектов нецелостности материала трубопровода завариванием или наплавлением дефектного участка. Конечно, предлагается простейшее решение, в частности шлифование с целью перевода дефектов типа поверхностных трещин в допустимые канавочные дефекты (дефекты локального истончения). Аналогичная операция предлагается и для дефектов расслоения типа блистеров. Если в результате шлифования удается получить дефект истончения допустимых размеров, то ремонт на этом заканчивается. При недопустимости заваривания или наплавления предлагаются различные варианты решений в виде бандажей и муфт разнообразной конструкции, которые будут усиливать трубопровод в зоне дефекта. Конструктивно-технологические вопросы по каждому из предложенных вариантов решений детально проработаны. Есть соответствующие патенты на эти разработки.

Работоспособность отремонтированных дефектов магистрального трубопровода без вывода его из эксплуатации

Это — ключевой вопрос, поскольку надежность работы МТ — один из основных факторов его эксплуатационной эффективности. В частности, на основе проведенных экспериментальных исследований как авторами работы, так и в других организациях, в том числе и в ряде зарубежных, было показано, что ремонт сваркой непосредственно разных дефектов истончения на действующем трубопроводе при обеспечении условий свариваемости практически не влияет на статическую прочность.

При циклических нагрузках заваренные (заплавленные) дефекты после ремонта в зависимости от уровня размаха прикладываемых напряжений, как правило, менее долговечны по сравнению с основным металлом стенки трубы. Эта долговечность практически не зависит от прочностных свойств используемых трубных сталей и составляет: не менее 15000 циклов при размахе номинальных напряжений в зоне заваренного дефекта на уровне 250—300 МПа; 100 тыс. циклов при размахе номинальных напряжений на уровне 130—140 МПа и 2 млн. циклов при размахе номинальных напряжений на уровне 45—50 МПа.

Применение довольно простой механической обработки поверхности заваренного (заплавленного) дефекта путем шлифования зоны перехода к основному металлу позволяет повысить в 1,5 раза приведенные показатели долговечности.

Эти данные показывают, что для основной массы подземных магистральных трубопроводов, где циклические нагрузки в основном связаны с изменением рабочего давления по техническим причинам на компрессорной станции, для отремонтированных непосредственно завариванием (наплавлением) дефектных участков в стенке трубопровода риск инициирования усталостных повреждений очень незначителен. Исследования, выполненные для сварных напустотных соединений приваривания муфт и тройников к стенке трубопроводов показали, что острая пустота, прилегающая к сварному шву, при соответствующих размерах сварного шва, которые определяются при наиболее неблагоприятных условиях загрузки пустоты рабочим давлением, не склонна к заметному подрастанию вглубь металла сварного шва в случае циклического изменения рабочего давления от максимального до нулевого на базе порядка 104 циклов. Это гарантирует высокую надежность указанных ремонтных конструкций в эксплуатации с учетом периодического контроля их состояния во время очередных технических диагностик соответствующих участков магистрального трубопровода.

С учетом изложенного были разработаны расчетные алгоритмы проектирования бандажей, герметичных муфт, тройников для отводов и соответствующих сварных соединений, обеспечивающих сохранение целостности при максимальной статической нагрузке, отвечающей определенному участку МТ.

В проектной документации на строительство МТ такая информация закладывается на основе соответствующих обследований трассы проектируемого трубопровода и учитывается в расчетных толщинах стенок труб. Однако в ряде случаев возможны не предусмотренные проектом завышения нагрузки, что желательно учитывать при ремонтных работах. С этой целью предлагается в опасных районах проводить мониторинг нагрузки с учетом ремонтных конструкций, в частности многослойных бандажей, которые разрабатываются специально для указанных районов эксплуатации. Были выполнены соответствующие исследования и созданы надежные датчики деформаций, с помощью которых проводится мониторинг нагрузки в реальных условиях эксплуатации отремонтированных участков трубопровода в горных условиях, а также в условиях интенсивных подземных разработок.

Вторая часть научной разработки связана с технологиями ремонта дефектов нецелостности материала магистральных трубопроводов без вывода их из эксплуатации на основе стальных сварных муфт и композитных бандажей, то есть для условий, когда сварочные технологии ремонта по тем или иным причинам применять нельзя.

В этой части особое внимание уделено научным исследованиям по разработке эффективных ремонтных конструкций в виде многослойных бандажей из высокопрочных неметаллических материалов, которые могут использоваться для ремонта поверхностных дефектов трубопроводов без полной остановки перекачивания продукта. Проведены теоретические исследования и разработана технология изготовления композитных бандажей путем многослойного наматывания стеклопластиковой ткани на трубу. Чтобы обеспечить возможность перераспределения нагрузок между трубой и композитным бандажом при дальнейшей нагрузке трубопровода внутренним давлением, нужно создать надежное сцепление композитного бандажа с металлом трубы и его деформирование вместе с ним без скольжения на поверхности металла. За счет более эффективного выполнения композитных бандажей, определения реальных физико-механических характеристик можно добиться частичного или полного восстановления несущей способности дефектного участка трубопровода.

Для достижения этой цели была разработана уточненная математическая модель для оценки прочности системы «трубо­провод — композитный бандаж», позволяющая определить конструктивные параметры композитного бандажа в зависимости от повреждаемости материала трубы, натяжения армирующей ленты и геометрических параметров дефектов.

Впервые установлено, что при конструировании композитных бандажей для ремонта МТ необходимо учитывать ориентацию максимальных напряжений, которые могут произойти в трубопроводе при образовании дефектов в металле трубы относительно преобладающей ориентации волокна в композите. На основе выполненных экспериментальных исследований на полномасштабных моделях были получены новые данные о физико-механических характеристиках композита, установлено значительное влияние на их значение температурного фактора и статических нагрузок. Впервые показано, что при определении конструктивных параметров композитных бандажей необходимо учитывать влияние температурно-временных факторов, анизотропии и поврежденности материала труб на показатели прочности системы «трубопровод — композитный бандаж».

Полученные новые научные результаты и выполненные экспериментальные исследования позволили оптимизировать конструктивные параметры композитных бандажей при применении для ремонта дефектных участков МТ. Экспериментально установлена эффективность бандажирования как при однократной перегрузке, так и в случае циклической нагрузки с амплитудами напряжений, возникающих в эксплуатационных условиях. При этом открытым остается вопрос послеремонтного контроля технического состояния отремонтированных участков трубопроводов. Остаточный ресурс отремонтированного участка МТ регламентируется прежде всего процессом накопления усталостного повреждения или превышения критических деформаций.

Проблему оценки остаточного ресурса и индикации накопленных усталостных повреждений наиболее целесообразно решать путем создания специального индикатора нагруженности, который является локальной моделью конструкции относительно ее усталостных характеристик.

Поэтому на участках ремонта магистральных газопроводов после бандажирования с непрогнозируемым изменением нагруженности целесообразно устанавливать вставки или накладки с индикаторами нагруженности для уточнения их остаточного ресурса в процессе дальнейшей эксплуатации. Кроме определения остаточного ресурса, с помощью индикаторов можно выполнять качественное или количественное определение степени нагруженности отдельных участков МГ в эксплуатационных условиях.

Также была разработана автоматизированная система оперативного контроля (АСОК) технического состояния трубопровода под давлением после ремонта, базирующаяся на современных программно-технических средствах, моделях и методах обработки информации и состоящая из девяти подсистем. При возникновении аварийной ситуации АСОК передает соответствующую информацию и действующие АСК ТП магистральным трубопроводам (КС, ЛВУМГ, УМГ), где принимаются дополнительные меры по локализации развития аварийной ситуации.

Кроме того, были разработаны средства автоматизации, методы и способы обработки, контроля, анализа и предоставления информации оператору, которые были защищены патентами Украины на изобретения и полезные модели и внедрены в производство для обеспечения и поддержки высокого уровня надежности эксплуатации ГТС Украины.

С учетом вышесказанного «Разработка и внедрение технологий ремонта магистральных трубопроводов под давлением» безусловно актуальна, отвечает уровню мировых достижений, а ее авторы заслуживают присуждения Государственной премии Украины в области науки и техники в 2008 году.