Представлена методика определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефтепроводов на основе анализа режима нагружения, принципа линейного накопления повреждений и концентрации напряжений в сварных соединениях и дефектах труб.
Для оценки остаточного ресурса нефтепроводов с дефектами стенок труб, работающих при несимметричном нагружении, предлагается воспользоваться правилом линейного накопления повреждений [1, 3], которое основано на следующих предположениях:
- Воздействие циклических напряжений некоторой амплитуды приводит к усталостному повреждению нефтепровода, величина которого определяется числом циклов воздействия напряжений этой амплитуды аi в течение всего срока эксплуатации нефтепровода, а также полным числом циклов до разрушения.
- Воздействие в некоторой последовательности напряжений различной амплитуды приводит к накоплению повреждений, причем полная поврежденность равна сумме приращений поврежденностей, производимых воздействием напряжений каждой отдельной амплитуды аi.
- Когда полная накопленная поврежденность достигает некоторой критической величины, происходит усталостное разрушение нефтепровода.
В случае, когда нефтепровод испытывает сложное нагружение (N1 циклов с рабочим давлением P1 и перепадом давлений ΔP1 - режим 1, N2 циклов с рабочим давлением P2 и перепадом ΔP2 - режим 2, … Ni циклов с рабочим давлением Pi и перепадом ΔPi – режим i), суммарное повреждение за один год определяется с использованием правила линейного накопления повреждений по формуле:
Уровень накопленных повреждений П за все время эксплуатации определяется как сумма ежегодных повреждений нефтепровода в течение всего срока эксплуатации по формуле:
Числа циклов нагружения нефтепровода перепадами рабочего давления N1, N2, …Ni при различных режимах определяются следующим образом:
1. Выбираются данные о суточных колебаниях рабочего давления в нефтепроводе на участках, наиболее подверженных цикличности нагружения (например, на входе или выходе насосной станции) за каждый день календарного года в течение 2-3 лет, при которых наблюдалась наибольшая нестабильность в работе, т.е. большее число остановок и пусков, максимальная загруженность нефтепровода, наибольшее значение максимальных давлений в нефтепроводе.
2. Строятся осциллограммы изменения рабочего давления в нефтепроводе за каждый год (рис. 1), и определяется общее число циклов нагружения в каждом году.
3. Выполняется приведение несимметричного процесса нагружения нефтепровода к эквивалентному отнулевому. Для этого процесс нагружения нефтепровода рабочим давлением представляется как блоковый. С помощью компьютерной программы перепады (размахи) рабочих давлений классифицируются в соответствии со следующим алгоритмом:
- определяются размахи внутренних давлений для рассматриваемого процесса нагружения и выбираются наибольший и наименьший из них (ΔРmax и ΔРmin);
- определяется длина интервала возможных значений размахов (dн = ΔРmax - ΔРmin);
- интервал возможных значений размахов делится на 10 (к примеру) классов; выбор количества классов не имеет принципиального значения, поскольку количество классов в программе определяется как «const» и может быть изменено в любой момент;
- подсчитываются частоты попадания размахов внутренних давлений в соответствующие классы за контрольный период (в данном случае, за год);
- приведение размахов циклов давлений к эквивалентному отнулевому виду производится по соотношению [1, 4]:
В результате использования данной компьютерной программы получаются блоковые диаграммы частот попадания размахов рабочих давлений в соответствующие классы (с 1 по 10) за каждый рассматриваемый год при различных уровнях оптимизма (kno = 0; 0,5; 1). Классы с 1 по 10 соответствуют десяти режимам нагружения нефтепровода перепадами рабочих давлений: 1 класс – режим № 1, при котором нефтепровод нагружается перепадом рабочих давлений ΔР1 с частотой нагружения в год n1, и т.д. Пример блоковых диаграмм приведен на рис. 2.
4. По диаграммам определяются частоты попадания размахов рабочих давлений в соответствующие классы (с 1 по 10) за каждый год при различных уровнях оптимизма (kno = 0; 0,5; 1). Частоты на диаграммах выражены в относительных единицах от общего числа циклов нагружения в год. Результаты анализа блоковых диаграмм частот нагружения представляются в таблицах.
