Современная практика расчета трубопроводов на прочность при проектировании не учитывает возможность возникновения или развития дефектов, включая трещины и их образование в процессе эксплуатации [1], трубопроводы проектируются как «бездефектные» конструкции. Для раннего определения потенциально опасных участков действующих газопроводов предлагаются методы мониторинга [2].
Известны работы, в которых на стадии проектирования магистральных газопроводов (МГ) предлагается учитывать остаточное напряженно-деформированное состояние (НДС) в трубах, а также разрабатываются методы оценки показателей надежности, старения и ресурса трубопроводных систем [3].
При формовке трубы из горячекатаного листа происходит повышение механических свойств стали – предела текучести
что приводит к снижению вязкой составляющей излома стали, то есть к уменьшению энергоемкости разрушения трубы.
В настоящее время назрела необходимость в разработке методов оценки ресурса труб с учетом фактического технического состояния (ТС) и временного фактора повреждаемости материала.
Основы метода ресурсного проектирования объектов техносферы впервые были сформулированы в работе [5], в которой на основе анализа мониторинга состояния технического объекта в процессе эксплуатации были разработаны основные требования к работоспособности в штатных, аварийных и катастрофических ситуациях.
Был также разработан научно-методический подход к проблеме раннего распознавания ресурса магистральной трубы нефтегазопровода. В сертификате качества трубы было предложено указывать исходный ресурс
в виде условного параметра [6].
Предложенный подход раскрывает возможности построения системы мониторинга (СМ) трубопровода, управления ресурсом и рисками на основе ведения истории преобразования структуры металла при производстве и эксплуатации трубы, измерения рабочих полей НДС и температуры, передачи полученной информации в базу данных (БД) и их обработки, позволяющие избежать несоизмеримых с ее стоимостью убытков от техногенных катастроф на нефтегазопроводах.
Механические свойства и остаточное НДС металла готовой трубы, определяющие ресурс магистральной трубы нефтегазопровода, формируются последовательно по технологическим переделам процесса изготовления трубной продукции (рис. 1).
Рисунок. 1. Схема сквозной технологии изготовления трубы, формирования НДС и ресурса металла труб
Непрерывнолитую заготовку после нагрева до высокой температуры прокатывают на стане за несколько проходов. При этом обжатия металла сопровождаются процессом его рекристаллизации. В итоге получается лист с мелким зерном, обеспечивающим заданный комплекс механических свойств, и некоторые остаточные напряжения прокатанного металла [7]. При формовке ТБД и её электросварке, а также при гидравлическом испытании готовой трубы появляются дополнительные напряжения.
Применение при непрерывной разливке погружного стакана новой конструкции обеспечивает получение более однородной макроструктуры слябовой заготовки [8]. А использование новой диаграммы рекристаллизации аустенита при непрерывной горячей прокатке полос позволяет использовать скрытые резервы обрабатываемого металла по структуре [9].
Цель данной работы – разработка путей решения взаимосвязи «технология – структура – свойства», приоритетной задачи эксплуатирующей трубопроводы организации, формирования системы управления безопасностью, ресурсом и рисками с использованием единой автоматизированной системы контроля и мониторинга.
Цель данной работы – разработка путей повышения ресурса магистральной трубы нефтегазопровода на основе установления взаимосвязи «технология – структура – свойства» и использования единой автоматизированной системы контроля и мониторинга трубопровода.
Новые тенденции обеспечения ресурса трубы
В настоящее время формирование теории безопасности промышленных объектов характеризуется переходом от концепции «нулевого риска» (использование коэффициентов запаса по прочности, ресурсу и живучести) к концепции «приемлемого риска», что предполагает использование параметров, позволяющих вести управление ресурсом и рисками. В работе [6] определены единые параметры, которые одинаково применимы для контроля ТС при производственном процессе и эксплуатации трубы: НДС; температура и ресурс.
В работе [3] по результатам экспериментальных исследований показано, что для обеспечения длительной прочности трубной стали рабочие напряжения не должны превышать предел упругости (рис. 2).
Рисунок. 2. Диаграмма растяжения пластичного металла [3]
Выше предела упругости и ниже условного предела текучести установлено наличие области микропластической деформации. Вследствие этого представляется насущным рассмотреть и внести в сертификат качества на трубы параметр.
Раннее прогнозирование деградации структуры металла возможно еще на стадии изготовления трубы, на основе рассмотрения взаимосвязей между значениями управляющих параметров технологии и характеристик материала, отвечающих за сопротивление разрушению [10].
Наследственно-технологическая дефектность
«Наследственно-технологическая дефектность» обнаруживает себя в металле листовой заготовки, так как уже содержит остаточные напряжения, связанные с деформационным наклепом и режимом термообработки. При формовке труб большого диаметра (ТБД) после контролируемой прокатки происходит дополнительный рост остаточного напряжения. Согласно результатам расчетных и экспериментальных исследований остаточного напряжения составляют –50…+320 МПа. Встречаются отдельные точки на трубе с остаточным напряжением до 500 МПа. На наружной поверхности наблюдаются области с повышенными значениями наследственного остаточного напряжения и овальности, которое в последствии нейтрализуется при экспандирование трубы [11].
Известно, что вследствие деформационного старения трубных сталей повышается отношения бт/бв, что снижает показатели пластичности и длительной прочности металла [12]. Показано, что процесс старения связан с диффузией атомов углерода из пересыщенного твердого раствора феррита на границы зерен и образованием частиц карбидов [13].
Применительно к жизненному циклу металлоизделия целесообразно рассматривать ресурс «проектный», «исходный» и «остаточный». Последовательное снижение ресурса связано с зарождением и ростом дефектов в местах структурных несовершенств металла трубы. На рис. 3 приведена схема зависимости вероятности дефектных состояний ТБД от времени эксплуатации.
Рисунок. 3. График изменения вероятности дефектности ТБД во времени в режимах штатного и аварийного состояний [8]
Допуски на рабочие поля напряжений и времени τ разделяют штатное, аварийное и катастрофическое состояния МГ. При достижении кривой 1 точки A, снижая давление газа, можно перейти к кривой 1`, а при достижении точки C – к кривой 1``. При достижении области аварийного состояния (отрезки 2, 2`) необходимо проведение более точного анализа и расчета вероятности рисков и с последующим назначением ремонта или замены ТБД. Выход за предельный уровень (точка K) означает отказ [14]. В процессе эксплуатации трубопровода под воздействием рабочих напряжений и температуры во времени происходит накопление повреждений по некоторой траектории (рис. 4).
Рисунок. 4. Диаграммы рабочего поля , (а) и прогнозирования эксплуатационного и безопасного остаточного ресурсов по наличию и росту размера d дефектов (б) [5]
Технические условия проведения расчетно-экспериментальных исследований
По результатам создания «цифрового двойника изделия» и моделирования процесса непрерывного литья стальных слябов с использованием погружного разливочного стакана с эксцентричными отверстиями показана возможность увеличения скорости кристаллизации за счет лучшего перемешивания расплава и увеличения теплообмена в кристаллизаторе [7]. В результате опытно-промышленного опробования получены непрерывнолитые заготовки из стали Ст3сп и Сталь 20 с более мелкой однородной макроструктурой. При этом осевая ликвация уменьшилась на 1–1,5 балла. Средние значения ударной вязкости в листовом прокате на 11–31 % превышают значения для стального проката, полученного из слябов, разлитых по традиционной технологии [8].
Измельчение структуры и снижение ее разнозернистости в процессе горячей прокатки способствуют повышению предела текучести, ударной вязкости и замедлению коррозии горячекатаной полосовой стали в агрессивной среде [15, 16].
В качестве количественной оценки разнозернистости часто используют коэффициент вариации распределения размеров зерна феррита
где
среднеквадратическое отклонение размера зерна от его среднего значения,
d – среднее значение размера зерна.
Однако результаты металлографического исследования образцов от производимых по действующей технологии полос из стали Ст3сп показали, что значения лежат в пределах 0,59–0,67. Для однородной же структуры (ГОСТ 5639–82) это значение составляет 0,50 ± 0,02.
Наличие разнозернистости в горячекатаном листе, при среднем значении действующего напряжения ниже предела упругости, может привести к возникновению локального напряжения, превышающего предел текучести металла и разрушению ТБД. Локальное напряжение с учетом поправки на разнозернистость:
Для горячей прокатки стальных полос с минимальной разнозернистостью и улучшенными механическими свойствами было предложено новое техническое решение – ¾ - непрерывный широкополосный стан горячей прокатки полос низкоуглеродистой стали [17].
Для расчета ресурса ТБД передоложен новый вариант кинетической модели длительной прочности металлов в виде структурно-феноменологического подхода к построению теории больших необратимых деформаций. В условиях термомеханического нагружения ресурс можно рассчитать по формуле [18]:
Формирование параметров однородной структуры и механических свойств материала ТБД является одним из основных решений для получения требуемых в проекте значений
для заданных условий транспортирования. Тогда должны быть созданы заводской эталон структуры металла и нормативные условия производства ТБД.
Исследования, посвященные определению остаточного ресурса металла показывают, что наиболее достоверным методом оценки деградации структуры и механических свойств является сопоставление результатов испытаний металла в исходном состоянии и в состаренном при эксплуатации состоянии. Но так, как в существующей практике отсутствуют данные исходного состояния, а применение данных аварийного запаса или сертификатов качества ранее поставленных ТБД могут дать не точные значения, как и использование не прямых способов измерения напряжения металла (например, с помощью коэрцитивной силы), то это может привести к ошибке в расчетах. Предлагаемая далее методика исключает получение ошибки. Методика включает в себя:
- Определение наследственно-технологических повреждений и оценку параметров рабочих полей и температуры по окончании последней операции на заводе-изготовителе с последующей фиксацией в сертификате качества и БД.
- Изменение параметров рабочих полей и температуры, накопленных за время эксплуатации, по кривой роста размера d дефектов. Зная эту кривую, можно оценить остаточный запас по наличию области микропластической деформации и соответствующее время.
Анализ полученных значений параметров рабочих полей и температуры и определение режима состояния с последующим расчетом вероятности рисков
Вот как будет выглядеть работа системы мониторинга (СМ): пока на экране монитора в окне программы СМ ТС трубопровода видны в зеленом цвете параметры рабочих полей и температуры металла ТБД – работа в штатном режиме. Если желтый цвет, значит внимание – «аварийное» состояние, при этом программа предложит поддержку принятия решения по восстановлению устойчивости и целостности, ТО, ремонту или замене трубы, если красный цвет – «катастрофическое» состояние, остановка работы транспортировки.
Система мониторинга трубопровода
Наибольшие перспективы применения на протяженных участках (до нескольких десятков километров) МГ имеет система мониторинга (СМ), построенная на основе волоконно-оптической системы (ВОС), работающая на эффекте вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна [19]. СМ на базе волоконно-оптических датчиков впервые в РФ получила применение в виде ВОС геотехнического мониторинга ТС на газопроводе «Сахалин-Хабаровск-Владивосток». Недостаток системы состоит в том, что она является индикатором изменения НДС и температуры и не позволяет оценивать величину изменения этих параметров остаточного ресурса в стенке ТБД во времени. В настоящее время этот недостаток устраняется.
Новый проект «Интеллектуальная труба» с использованием распределённой сенсорной системы, позволяет контролировать параметры рабочих полей и температуры на всей поверхности трубы, совершенствовать технические требования к ТБД с учетом новых геологических, климатических и сейсмических условий на территориях к востоку от Уральских гор.
Интеллектуальная труба – это труба с размещенным на поверхности металла слоем полимерной композитной панели (КП) с чувствительным элементом (ЧЭ) устройства считывания и передачи сигнала амплитудно-временных воздействий (рис. 5).
Рисунок. 5. Схема элемента КП с ЧЭ для оценки значений рабочих полей напряжения и температуры t: 1 – механолюминесцентные сенсоры; 2 – матрица композита; 3 – волоконно-оптическая сеть; 4 – блок обработки и анализа сигнала [22]
Интеллектуальной средой является КП с ЧЭ и представляет собой армированную волокнами матрицу. Для контроля рабочих полей и температуры предложено встраивать в структуру матрицы композита ЧЭ – механолюминесцентные сенсоры [20]. Сенсор ЧЭ с использованием математической модели создает выходной световой поток в зависимости от длительности и величины рабочих полей и температуры (рис. 6). Математическая модель позволяет выполнять обратное преобразование – по световому потоку восстановить параметры входных рабочих полей и температуры.
Рисунок. 6. Существующая (а) и инновационная (б) схемы покрытия труб:
1 – труба; 2 – эпоксидный праймер; 3 – адгезив; 4 – слой полиэтилена; 5 – эпоксидный 2-х компонентный праймер; 6 – композиционная панель с чувствительным элементом
Задача достоверного прогнозирования ТБД выполняется с помощью математического моделирования, расчета деформации ек и деградации металла путем построения стохастической модели поврежденности и расчета рисков с учетом информации из заводской БД и полученных данных «Интеллектуальной трубы» (см. рис. 3).
Проект создает возможность решения обратной задачи – моделирование и ресурсное формирование свойств металлоизделия «от дефектов» (в западной литературе strain-based design «проектирование на основе деформации»), когда задается настройка технологического оборудования согласно требований контроля рабочих полей и температуры что позволит отследить наследственную дефектацию на каждом металлургическом переделе и себестоимость изготовления металлоизделия. Таким образом, на основе «ресурсного проектирования» разработаны методология стратегического управления технологией предприятия и научно-методологическое обоснование создания единой отраслевой инженерно-технической платформы знаний и БД, включающие метрологически определяемые параметры дефектности, НДС и температуры металлоизделий.
Выводы
- Представляется насущным внести в сертификат качества на трубы параметр «предел упругости», превышение которого может приводить к микропластической деформации материала и разрушению трубы.
- Предложено на протяжении жизненного цикла металлоизделия последовательно рассматривать «проектный ресурс», «исходный ресурс» и «остаточный ресурс».
- Представлена разработанная стратегия управления эксплуатацией магистральных трубопроводов с использованием контроля единых параметров (напряженно-деформированного состояния, температуры, ресурса), учета повреждаемости и модели накопления усталостных повреждений. Это определяет три области их технического состояния – штатное, аварийное и катастрофическое, с возможностью продления остаточного ресурса за счет снижения давления газа, ремонта или замена трубы.
- Наличие разнозернистости в исходном горячекатаном листе, при среднем значении действующего напряжения ниже предела упругости, может привести к возникновению локального напряжения, превышающего предел текучести металла, и разрушению трубы. Величина локального напряжения может быть определена поправкой на разнозернистость металла.
- Предложено новое техническое решение – ¾-непрерывный широкополосный стан горячей прокатки стальных полос с минимальной разнозернистостью и улучшенными механическими свойствами.
- Для расчета ресурса трубы большого диаметра может быть использован новый вариант кинетической модели длительной прочности металлов в виде структурно-феноменологического подхода к построению теории больших необратимых деформаций.
- Новый проект «Интеллектуальная труба», с использованием распределённой сенсорной системы, позволяет контролировать параметры рабочих полей напряжения и температуры на всей поверхности трубы.
Литература
1. СНиП 2-05.06-85*. Магистральные трубопроводы. М.: ФГУП ЦПП, 2005. 60 с.
2. Бувалый Г.Е., Завершинский В.С. Методы построения систем мониторинга и диагностики оборудования и средств автоматизации газовых промыслов с учетом требований нормативной документации ПАО «ГАЗПРОМ» // Газовая промышленность. 2017. № 3 (749). С. 85–91.
3. Чувильдеев В.Н., Вирясова Н.Н. Деформация и разрушение конструкционных материалов: проблемы старения и ресурса. Учебное пособие / Под общей ред. В.Н. Чувильдеева. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2010. 67 с.
4. Барабошкин К.А. Исследование и разработка сквозной технологии производства электросварных труб группы прочности К55 с заданным комплексом механических свойств: автореф. дис. … канд. техн. наук: 2.6.4. Череповец, 2024. 23 с.
5. Махутов Н.А., Резников Д.О., Геденин М.М. и др. Пришло время перейти на идеологию «ресурсного проектирования», материалы совещания рабочей группы по разработке стандартов // Деловая слава России. М.: Славица, 2016. С. 2–3.
6. Алдунин А.В., Игнатьев Н.Ю., Котов В.В. Раннее распознавание ресурса трубы магистрального нефтегазопровода // Газовая промышленность. 2021. № 3 (813). С. 88–95.
7. Пышминцев И.Ю. Упрочнение листовых сталей для холодного формоизменения. Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2004. 160 с.
8. Стулов В.В., Матысик В.А., Новикова Т.В. и др. Разработка нового способа разливки слябовых заготовок на МНЛЗ. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ Дальневосточного отделения РАН, 2008. 158 с.
9. Алдунин А.В., Русаков А.Д., Трайно А.И. Исследование и разработка технологий производства стальных полос. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 170 с.
10. Кудря А.В., Соколовская Э.А. Прогноз разрушения материалов с неоднородной структурой // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. № 12. С. 1334–1346.
11. Коликов А.П., Звонарев Д.Ю., Галимов М.Р. Оценка НДС металла на основе математического моделирования при производстве ТБД // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 9. С. 706–712.
12. Мишетьян А.Р. Особенности механизмов разрушения и деформационного старения в зависимости от структурного состояния низколегированных трубных сталей: автореф. дис. … канд. техн. наук: 2.6.1. М., 2021. С. 28–43.
13. Чувильдеев В.Н. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей магистральных газопроводов // Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов: Сб. трудов науч.-практ. семинара. Н. Новгород: Университетская книга, 2006. С. 18–58.
14. Зорин Н. Е. Экспериментальная оценка работоспособности труб магистральных трубопроводов при циклическом нагружении: автореф. дис. … канд. техн. наук: 25.00.19. М., 2010. 22 с.
15. Эфрон Л.И., Морозов Ю.Д., Голи-Оглу Е.А. Влияние режимов контролируемой прокатки на измельчение структуры и комплекс механических свойств низкоуглеродистых микролегированных сталей // Сталь. 2011. № 5. С. 67-72.
16. Соколов Р.А. и др. Определение взаимосвязи фактора разнозернистости и скорости коррозии конструкционной стали // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2020. Т. 22. № 3. С. 106–125.
17. Патент 2483815 РФ, МПК B21B. 1/26. ¾-непрерывный широкополосный стан с бесконечной горячей прокаткой тонких полос низкоуглеродистой стали / Алдунин А.В. // Бюл. 2013. № 16.
18. Грешнов В.М., Шайхутдинов Р.И., Пучкова И.В. Кинетическая физико-феноменологическая модель длительной прочности металлов // Прикладная механика и техническая физика. 2017. Т. 58. Вып. 1. С. 189–198.
19. Смирнов С.В. Волоконно-оптические технологии для морских нефтегазовых месторождений // Нефтегаз. 2017. № 8(68). С.72-78.
20. Макарова Н.Ю., Шахтарин Б.И. Система мониторинга напряженно-деформированного состояния композиционных конструкций на основе механолюминесцентных сенсоров // Научный вестник МТТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. Т. 20. № 5. С. 154–157.
