Объектам линейной части магистральных газопроводов на пересечениях через искусственные препятствия назначают, как правило [15], высшую или повышенную категорию участка, ввиду их высокой ответственности при транспорте углеводородов. Аварии на данных объектах не только наносят урон окружающей среде, но и могут привести к человеческим жертвам в момент движения транспорта и работе действующей магистрали на переходе. Согласно современным нормативным требованиям [15], конструкция перехода магистрального трубопровода через искусственные препятствия представляет собой рабочий трубопровод с опорно-направляющими кольцами, который заключают в специальный защитный металлический футляр, оборудованный системой герметичных манжет, вытяжных свечей и отводных трубок для обеспечения отвода углеводородов от полотна дороги в случае аварийной ситуации. В свою очередь сам футляр выполняет защитные и сохранные функции рабочего трубопровода от воздействия нагрузок подвижного транспорта, грунтового давления, коррозионного влияния агрессивных сред и блуждающих токов.
Футляры изготавливают из материалов, отвечающих условиям прочности, долговечности и надежности. Как показывает опыт эксплуатации, футляры из металлических труб не обеспечивают требуемый срок службы и требуют вспомогательных способов защиты от агрессивных свойств грунтов и блуждающих токов. Согласно статистическим данным [2, 4], разрушение газопроводов и футляров на искусственных переходах вследствие коррозионных язв составляет 45 % от общего числа возможных дефектов (рис. 1).
Анилизируя существующие варианты, решением данной проблемы на стадиях строительства и эксплутации переходов может послужить вариант использования композитных кожухов в качестве защитных конструкций рабочего трубопровода, обладающих коррозионной стойкостью, прочностью и устойчивостью к эсплуатационным нагрузкам и воздействиям.
В данной статье рассмотрен вопрос эффективности работы неметаллического защитного футляра магистрального газопровода на переходе через автомобильную дорогу при разгерметизации рабочего трубопровода.
Теоретическая часть
Проблема повышения надежности переходов магистральных газопроводов через искусственные препятствия обусловлена критериями, которые имеют экономическое, политическое и социальное значение. Один из критериев характеризует подобные объекты как представляющие высокую опасность для окружающей среды, следующий обусловлен высоким уровнем напряженно-деформированного состояния тела трубы на данных участках, последний характеризует данные объекты как трудно ремонтируемые [2].
Анализ теоретических исследований [2, 4, 8] позволяет выявить основные причины, которые приводят к возникновению аварийных ситуаций на переходах МГ через железные и автомобильные дороги:
- разрушения тела трубы вследствие коррозии, активно развивающейся под воздействием среды в межтрубном пространстве «футляр – труба»;
- наличие и скопление углеводородных фракций в межтрубном пространстве;
- деформации, вызванные изменением температуры окружающей среды, изменением грунтовых условий (смещение грунта, карстовые процессы, обводнения), наличием постоянных нагрузок от подвижного транспорта;
- утечка газа как результат возникновения и развития механических дефектов тела трубы и защитного футляра.
Большую долю среди вышеуказанных причин получили коррозионные дефекты рабочего трубопровода и футляра, которые возникают как результат негерметичности межтрубного пространства на этапе строительства и эксплуатации. Дефекты основного металла рабочей трубы и защитного футляра перехода магистрального газопровода приводит к появлению в нем дополнительных напряжений.
К началу 2010 г. в ПАО «Газпром» состояние переходов МГ через искусственные препятствия можно описать путем деления всех переходов на те, что соответствуют нормативным требованиям (категория А), и те, что имеют отклонения (категория Б) (рис. 2).
Остальные переходы, которые не входят в данные категории и имеют отработанный ресурс, должны подлежать ликвидации.
При соблюдении нормативных требований в процессе строительно-монтажных работ заявленный срок службы перехода составляет 50 и более лет [1, 3]. Однако вследствие различия параметров переходов, их загруженности, инженерно-геологических условий их эксплуатации и продолжительности работы развитие коррозионных повреждений тела трубы на переходах существенно отличаются. Поэтому некоторые переходы после 10-летия эксплуатации имеют удовлетворительное состояние, а другие нет.
Существующие проектные решения, направленные на снижение риска аварий на переходах МГ с автомобильными и железными дорогами, включают в себя следующие аспекты:
- размещение дополнительного количества запорной арматуры на переходе;
- повышение качества участка МГ на переходе;
- применение специализированного защитного футляра;
- ограничении углов пересечения МГ и дороги.
Оценка технического состояния переходов МГ через искусственные препятствия свидетельствует о принятии нетрадиционных методов увеличения ресурса переходов и повышения их эксплуатационной надежности, поскольку типовые решения обеспечения надежности переходов исчерпали свои возможности.
Классическая схема МГ на пересечении с автомобильной дорогой (рис. 3) включает в себя защитный металлический футляр (кожух) на переходе, диаметр которого определен расчетом, но не менее чем на 200 мм больше наружного диаметра газопровода.
С течением ряда лет есть вероятность возникновения негерметичности футляра из-за износа устройств для защиты межтрубного пространства (90 % случаев) либо некачественного монтажа футляра.
Таким образом, происходит доступ воды и кислорода, которые способствуют развитию коррозии трубопровода. Несмотря на систему электрохимзащиты, образовавшаяся негерметичность между футляром и рабочим трубопроводом приводит сначала к коррозии внутренней поверхности футляра, а затем внешней поверхности стенки самого трубопровода. По статистическим данным, разрушение газопроводов вследствие коррозионных язв составляет 45–51 % от общего числа возможных дефектов (рис. 4).
Общая схема разрушения футляров на переходах через искусственные препятствия может развиваться по следующим причинам (рис. 5):
- защитный ток не может достичь трубопровода;
- футляр становится жертвенным анодом и корродирует изнутри;
- электрохимическая коррозия повреждает сам футляр.
В результате развития сквозной коррозии происходит:
- утечка продукта, существенно увеличивается вероятность взрыва внутри футляра (газ);
- остановка перекачки на длительный срок (ввиду большого объема строительно-монтажных работ на переходе);
- загрязнение окружающей среды, что влечет за собой крупные штрафы.
Для предотвращения подобных аварий разработан ряд средств, которые рассчитаны на ликвидацию подобных инцидентов. Современные средства защиты футляров представляют собой:
- использование полиуретановых спейсеров на рабочем трубопроводе;
- изоляцию труб;
- герметизацию футляра и рабочей трубы;
- систему электрохимзащиты и мониторинг переходов и линейной части газопроводов.
На эффективную работу данных средств защиты оказывает существенное влияние человеческий фактор и условия местности прокладки конкретного перехода.
Традиционная конструктивная схема переходов, как показывает практика, не обладает высокой надежностью, что проявляется в виде развития внутренних коррозионных процессов на внутренней полости защитного футляра за счет негерметичности межтрубного пространства. Данная ситуация возникает в период эксплуатации перехода из-за выхода из работы манжет, перепадов температуры окружающей среды и, как следствие, возникновение конденсата в межтрубном пространстве, влекущем за собой развитие коррозионных процессов. На этапе строительно-монтажных работ вследствие сложности выполнения операции по герметизации межтрубного пространства довольно часто уже закладываются ошибочные действия по установке манжет, которые влекут за собой те же последствия, что при эксплуатации.
Традиционная конструкция футляра подвергается не только коррозионному фактору, но и изменению геометрии самого кожуха вследствие длительного времени эксплуатации и нагрузок от проезжающего транспорта, продавливанию опорно-направляющих колец, что влечет за собой возникновение тесного контакта рабочей трубы и кожуха. Данные контакты приводят к возникновению дефектов тела рабочего трубопровода, передачи ему электрического потенциала и дальнейшему разрушению самого трубопровода. К тому же металлический защитный кожух нуждается в периодическом диагностировании, проведение которого на сегодняшний день не является возможным даже с появлением высокочувствительных диагностических устройств. Поэтому традиционная схема конструкции перехода физически и морально устарела, а ввиду появления новых конструкционных материалов требует внедрения технически надежных решений.
Патентные разработки в свою очередь не получили практического применения ввиду своей конструктивной сложности, наличия большого числа металлических элементов, подвергающихся коррозионному фактору.
На сегодняшний день одной из передовых конструктивных разработок в области защитных конструкций переходов газопроводов через искусственные препятствия для сетей низкого давления являются стеклопластиковые защитные футляры, выполненные согласно модели по пат. РФ № 133248 [17], учитывая ТУ 22.21.10-010-71653326-2017 и требования СП 62.13330.2011* Газораспределительные системы.
Для подтверждения положительной характеристики неметаллических футляров в табл. 1 представлено сравнение физических свойств защитного стеклопластикового футляра относительно металлического на участке перехода газопровода через искусственные препятствия.
Однако на сегодняшний день данная конструкция перехода имеет ограниченное применение: только для газопроводов диаметром до 400 мм (сети низкого давления), ввиду отличительных параметров магистральных газопроводов, связанных с большими диаметрами и давлениями, высокими требованиями к ним, повышенной опасности и категорийности объектов, отсутствия экспериментальных исследований в области поведения стеклопластиковых труб больших диаметров.
Таким образом, обоснованию применения стеклопластиковых футляров для магистральных газопроводов диаметром от 530–1420 мм на переходах через искусственные препятствия посвящена экспериментальная часть работы.
Методы исследования
Для достижения указанной цели в работе были использованы теоретические методы исследования в области поиска оптимальной конструкции неметаллического кожуха, пригодного для эксплуатации на переходе МГ при пересечении искусственных препятствий. Произведен анализ полученных сведений и привязка к конкретным параметрам, применен эмпирический подход для моделирования нестационарных процессов в межтрубном пространстве «труба – футляр» магистрального газопровода на переходе через автомобильную дорогу в программном комплексе COMSOL Multiphysics.
Для исследования надежности конструкции защитного футляра магистрального газопровода проведено компьютерное моделирование разрыва трубопровода на переходе через автодорогу, которое проводилось с целью определения влияния высокого давления и скорости потока газа, истекающего через разрыв в трубопроводе на защитный кожух из стали и стеклопластика.
Граничные условия для выполнения моделирования.
Магистральный газопровод имеет следующие параметры:
- диаметр – 1420 мм;
- толщина стенки – 33,4 мм;
- категория трубопровода – К65;
- материал – сталь 09Г2С;
- перекачиваемый продукт – природный газ;
- рабочее давление – 11,8 МПа (120 кгс/см2).
В месте пересечения с автодорогой газопровод помещен в защитный кожух.
Защитный кожух имеет следующие параметры:
- диаметр – 1720 мм;
- толщина стенки – 16/30 мм;
- материал – сталь 09Г2С/стеклопластик;
- длина – 63 м.
Основные механические свойства стали и стеклопластика представлены в табл. 2 [5, 6].
Свойства материалов стали для трубопровода и стеклопластика для кожуха задаются в соответствии с табл. 2 и прописываются в свойствах модели в библиотеке материалов.
Автодорога принята IV категории, согласно СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги», шириной проезжей части 10 м. Свойства дорожного покрытия при моделировании не учитываются в связи с низким влиянием на трубопровод, грунт представляет собой суглинок средней плотности.
Газопровод располагается под землей на глубине 1 м от верхней образующей кожуха, в районе пересечения автодороги в защитном кожухе глубина залегания составляет 2,2 м. В исходном состоянии трубопровод и кожух касаются друг друга по нижней образующей.
Модель геометрии расчетной модели сформирована в Компас-3Dv19 и представлена на рис. 6 [7].
На рис. 7 изображены трубопровод и кожух в разрезе.
За место порыва и выхода газа примем точку, соответствующую 12 ч циферблата (рис. 8) [8].
Создание конечно-элементной модели защитного кожуха трубопровода. Расчетная модель была разбита на тетраэдры, состоящие из четырех углов. Общая вычислительная размерность расчетной модели кожуха составила 23 669 узлов, число конечных элементов – 71 458 (рис. 9) [7].
Для построения конечно-элементной модели задания граничных условий и расчета напряженно-деформированного состояния в программе Компас-3Dv19 был выбран раздел APM FEM и расчетный модуль статического конструкционного анализа, используемый для трехмерного моделирования осесимметричных конструкций и для решения задач механики деформируемого твердого тела в статической постановке [7, 16, 17].
Контактное взаимодействие по нижним образующим защитного кожуха и трубопровода приводит к неравномерному распределению напряжений, что в свою очередь требует построения соответствующей сетки конечных элементов. Необходимо отметить, что все элементы, в том числе и в зоне наибольшего сгущения, имеют форму, близкую к квадрату, что обеспечивает сходимость вычислений [16, 17].
Для определения полей давления и скоростей потока газа в полости, образованной внешней поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью кожуха, использовался модуль CFD (вычислительная гидродинамика), интерфейс TurbulentFlow (турбулентный поток) в COMSOL Multiphysic s – универсальной среде численного моделирования систем, устройств и процессов во всех областях проектирования, производства и научных исследований.
Турбулентность в этом интерфейсе моделируется на основе стандартной модели турбулентности k-ε (k – кинематическая энергия турбулентности, ε – скорость диссипации кинетической энергии) с ограничениями по реализуемости [9, 10].
Результаты расчетов показывают, что после разрыва металла труба соприкасается о нижнюю образующую кожуха вследствие воздействия струи газа высокого давления в верхней части трубопровода и кожуха.
На стенку кожуха начинает воздействовать давление газа, истекающего из точки порыва ввиду высокого давления в газопроводе.
Расчеты показывают, что максимальная скорость потока газа, истекающего через поврежденный участок газопровода, находится в области прямо над точкой порыва, но при этом практически мгновенно замедляется в четыре раза и на выходе из-под полости кожуха значение скорости падает до значений ориентировочно 1–2 м/с (рис. 10, 11, 12) [10].
Воздействие давления ведет себя аналогичным способом.
Отношение инерционных сил к силам вязкого трения в газе достигает своего пикового значения (около 5000) в области вокруг зоны над точкой разрыва трубопровода и достигает значения в несколько сотен на выходе из-под полости кожуха (рис. 13).
В ходе проведения дальнейшего моделирования и развития процесса нагнетания давления из поврежденного участка трубопровода и возрастания давления газа на внутреннюю стенку кожуха от 0 до 3,0 МПа был выполнен сравнительный анализ поведения защитного кожуха из стали и стеклопластика. Иллюстрации общей картины развития процесса напряжения, перемещения и деформирования защитного кожуха приведены на рис. 14–16 [7].
Из представленных в табл. 3, 4, данных видно, что при одинаковых условиях нагружения эквивалентные напряжения, возникающие в кожухе из стеклопластика, ниже, чем эквивалентные напряжения, возникающие в стальном кожухе, при этом суммарные деформации и перемещения кожуха из стеклопластика превышают те же параметры для стального кожуха. Склонность к деформации стеклопластика связана с пластичностью входящих в стеклопластик веществ – стекловолокнистого наполнителя и полимеров. Данные свойства позволяют стеклопластику при больших деформациях сохранять гораздо большую устойчивость к напряжениям, чем стальные конструкции [6, 11–13].
По результатам проведенного исследования можно заключить следующее:
1. Сравнительный анализ существующих конструктивных решений переходов магистральных трубопроводов через автомобильную дорогу показал, что оптимальным защитным кожухом для устройства перехода МГ является стеклопластиковый защитный футляр, характеризующийся своей высокой коррозионной стойкостью и прочностными свойствами.
2. На основании проведенного компьютерного моделирования нестационарных процессов в межтрубном пространстве «труба – футляр» на переходе через автомобильную дорогу сделан вывод:
- напряжения в стенке защитного кожуха из стеклопластика ниже, чем в стальной конструкции, что положительно влияет на прочность материала при аварийной ситуации;
- деформации и перемещения в стеклопластиковом корпусе выше, чем аналогичные параметры у стального кожуха, что связано с пластичностью входящих в стеклопластик веществ.
Таким образом, развитие направления по применению стеклопластиковых защитных кожухов при оборудовании переходов магистральных газопроводов под автомобильными и железными дорогами является актуальной задачей. Исследуемая конструкция подтвердила свою работоспособность и эффективность. Дальнейшие исследования должны быть направлены на разработку технологии установки таких защитных конструкций, поскольку стандартные бестраншейные методы могут не подойти по причине чрезмерной пластичности материала.
