СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ НА УДАР И РЕАБИЛИТАЦИИ ТРУБОПРОВОДА, ОСУЩЕСТВЛЯЕМЫЙ ПРИ ЕГО НАГРУЖЕНИИ ПОВЫШЕННЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2012 года по МПК G01M7/08 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к технологии испытаний трубопроводов, и направлено на повышение эффективности строительства и/или капитального ремонта трубопровода за счет оптимизации использования имеющихся труб. Согласно изобретению способ включает в себя нагружение участка трубопровода, состоящего как из новых труб, так и труб с незначительными трещиноподобными дефектами, ударным давлением в упругопластической зоне деформирования методом стресс-теста, последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления. При сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин. Критерии и условия отбора труб для их реабилитации и параметры гидравлического испытания на удар участка трубопровода определяют расчетным путем.

Изобретение относится к транспорту газа, нефти, нефтепродуктов по магистральным газопроводам, нефтепроводам и нефтепродуктопроводам, может быть использовано при гидравлических испытаниях повышенным давлением трубопроводов, включающих как линейные участки магистральных трубопроводов, так и системы технологических трубопроводов-обвязок компрессорных или насосных станций магистральных трубопроводов.

При испытании новых трубопроводов выявляются заводские дефекты и дефекты монтажа, а в процессе эксплуатации может происходить изменение свойств металла труб и развитие микродефектов вплоть до образования трещин критических размеров, что увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций на трубопроводах.

Для предотвращения аварийных разрушений трубопроводов в процессе эксплуатации осуществляют их обследование, производят комплексную оценку технического состояния труб, ремонт и реабилитацию трубопроводов.

Известен способ гидравлического испытания трубопровода, основанный на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в испытываемый трубопровод с давлением, равным давлению в источнике, с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры и давления воды [Инструкция VD TÜV 1051 «Гидроиспытания трубопроводов подземной прокладки методом измерения давления», с. 2-8, Изд. «Союз технического надзора Германии», 10.3834б, 4300, г.Эссен 1, 1980]. Указанный способ обеспечивает нагружение повышенным давлением трубопровода от давления, равного давлению в источнике, до давления, соответствующего напряжению растяжения, равному 95% от гарантированного минимального предела текучести в направлении по окружности трубы. Недостатком такого способа является то, что указанный способ не определяет механических свойств металла труб и не учитывает напряженно-деформированное состояние трубопровода при его нагружении давлением в упругопластической зоне деформирования труб до давления, вызывающего начало пластической деформации каждой трубы испытываемого трубопровода. По этим причинам указанный способ не учитывает динамику изменения давления и расхода воды при прохождении ударной волны вдоль трубопровода, что не позволяет определить параметры для его реабилитации.

Также известен способ гидравлического испытания и реабилитации трубопровода в полевых условиях, включающий нагнетание воды перекачивающей установкой из источника в трубопровод с давлением, равным давлению в источнике, с последующим подъемом давления до заданной величины, регистрацией расхода, температуры и давления [патент RU №2296310].

Недостатком такого способа является то, что способ не предусматривает нагружение труб ударным давлением в зависимости от скачка расхода при прохождении ударной волны вдоль трубопровода, что исключает возможность оценки несущей способности трубопровода и определения параметров испытания для реабилитации трубопровода.

Наиболее близким к предлагаемому способу гидравлического испытания и реабилитации трубопровода, осуществляемому при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, по технической сущности и достигаемому результату является способ гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода, осуществляемый при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, основанный на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в трубопровод с давлением, равным давлению в источнике с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры, давления воды, заключающийся в том, что участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля, рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода, в полость участка трубопровода нагнетают воду и производят его испытание повышенным давлением и реабилитацию труб с трещиноподобными дефектами [патент RU №2324160].

Недостатком такого способа является то, что способ не предусматривает ступенчатый подъем давления с последующим сбросом давления, осуществляемым с заданной скоростью для создания напряжения сжатия, препятствующего дальнейшему росту трещин в дефектных зонах металла труб, а также не учитывает изменение давления при распространении ударной волны вдоль участка трубопровода. В основу изобретения положена задача повышения эффективности строительства и/или капитальных ремонтов трубопроводов за счет:

- реабилитации и оптимального использования имеющихся труб с незначительными трещиноподобными дефектами путем их нагружения ударным давлением воды в упругопластической зоне деформирования с последующим сбросом давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления, что позволяет создать в дефектных зонах металла труб напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин;

- определения размеров дефектов и с их учетом оценки условий для реабилитации труб;

- учета величин скачков расхода и скачков давления при прохождении ударной волны вдоль участка трубопровода при определении действующих напряжений и деформаций в трубах.

Поставленные задачи достигаются тем, что в способе гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода, осуществляемом при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, основанном на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в участок трубопровода с давлением, равным давлению в источнике с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры, давления воды, заключающемся в том, что участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля, рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода, в полость участка трубопровода нагнетают воду и производят его испытания повышенным давлением и реабилитацию труб с трещиноподобными дефектами, согласно изобретению первоначально при заполнении водой из участка трубопровода удаляют воздух и участок трубопровода нагружают ударным давлением в упругопластической зоне деформирования труб методом стресс-теста, включающим ступенчатый подъем давления, осуществляемый с заданной скоростью и через заданные интервалы давления до величины давления, вызывающего в металле труб напряжения растяжения в окружном направлении до 110% от нормативного предела текучести, и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления, причем при сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин, и после достижения заданной величины остаточной деформации металла труб гидравлические испытания участка трубопровода на удар и его реабилитацию завершают.

После выбора испытательного участка трубопровода неразрушающими методами контроля для каждой трубы, имеющей трещиноподобные дефекты, по заданному алгоритму определяют размеры дефектов и с их учетом для каждой трубы в участке трубопровода рассчитывают фактические разрушающие нагрузки и соответствующие этим нагрузкам минимальное испытательное давление и максимальное испытательное давление, создающие в стенках труб напряжения растяжения в окружном направлении от 85% до 110% от предела текучести металла труб, и в процессе гидравлического испытания при заполнении водой в участке трубопровода поднимают давление до величины, равной минимальному испытательному давлению, с последующим добавлением воды в объеме, необходимом для упругопластического деформирования труб при сохранении заданного гарантированного запаса пластичности, причем условие отбора труб для реабилитации определяют по формуле

где σ_T - нормативный предел текучести металла трубы, МПа;

- относительное давление в трубе с номером i (i=1,2,3,…n);

P_i - абсолютное давление в трубе, МПа;

P_вx - давление на входе в участок трубопровода, МПа;

Р_100%σ - давление, соответствующее нормативному пределу текучести металла трубы, МПа;

- относительное расстояние до трубы;

x_i - продольная координата участка трубопровода, м;

L - общая протяженность участка трубопровода, м;

- относительное время испытаний;

ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

τ - время испытаний, с;

S - толщина стенки трубы, мм;

K_f - коэффициент ослабления трубы;

D_i - наружный диаметр трубы, мм;

i - порядковый номер трубы.

Предварительно до начала гидравлических испытаний рассчитывают характеристики работы перекачивающей установки и участка трубопровода при распространении ударной волны в трубах вдоль участка трубопровода, для каждой трубы устанавливают соответствующее ударным давлениям соотношение между скоростью подъема давления, пропорциональной скорости растяжения металла труб, и скоростью сброса давления, пропорциональной скорости сжатия металла труб, а величины ударных давлений и скачков расхода в трубах за фронтом ударной волны определяют по формуле

где - относительное давление в трубе с номером i (i=1,2,3,…n);

ρ - плотность воды, кг/м³;

ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

с - скорость распространения ударной волны, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

P_вх - давление на входе в участок трубопровода, МПа;

α, β - аппроксимирующие коэффициенты:

λ - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопровода;

D_вн - внутренний диаметр трубы, мм;

x_i - продольная координата участка трубопровода, м;

L - общая протяженность участка трубопровода, м;

Δh - разность высотных отметок на участке трубопровода, м.

Условия эксплуатации трубопроводов, имеющих длительную наработку и трещиноподобные дефекты, связанные с коррозией, утонением стенки труб, напряженно-деформированным состоянием, изменением механических свойств металла труб под воздействием эксплуатационных нагрузок, не дают возможность с заданной периодичностью и в нужных объемах контролировать изменение во времени механических свойств металла труб, их геометрии, поэтому принятая в изобретении физическая модель нагружения трубопровода при его гидравлическом испытании на удар основана на том, что, изменяя объем закачиваемой в трубопровод воды пропорционально приращению давления, в стенках труб, при прохождении ударной волны вдоль трубопровода, создаются деформации, пропорциональные напряжениям. И поскольку метод гидравлических испытаний при реабилитации трубопровода связан с напорной средой, а стресс-тест осуществляется в упругопластической зоне деформирования труб, то именно закономерности изменения параметров напорной среды и определяют уровень и распределение напряжений в трубах.

Поэтому при распределении труб и соединительных деталей трубопроводов, имеющих трещиноподобные дефекты, по категориям ремонтов, согласно изобретению для реабилитации отбирают трубы, имеющие дефекты, дальнейшее развитие которых можно остановить путем стресс-тестовых испытаний труб под действием ударных давлений, создающих в дефектных зонах металла труб кольцевые напряжения от 85% предела текучести металла в нижней точке трубопровода до 110% предела текучести металла труб в верхней точке трубопровода.

На фигуре 1 представлена схема двухосного напряженно-деформированного состояния трубопровода диаметром D_i с толщиной стенки S под действием внутреннего давления Р. На фигуре 1 приняты следующие условные обозначения: σ_к - кольцевые напряжения; σ_а - продольные напряжения; ξ_к - относительная деформация в окружном направлении; ξ_п - относительная деформация в осевом направлении; а - длина трещины; в - глубина трещины; D_i - наружный диаметр трубы; S - толщина стенки трубы.

Для трубопровода подземной прокладки (ξ_n=0, σ_п=µσ_t) связь между деформацией и напряжением представили в виде

где µ - коэффициент Пуассона;

Е - модуль упругости стали, МПа;

ξ_к - относительная деформация в окружном направлении, %;

σ_к - кольцевые напряжения, МПа.

Для определения кольцевых напряжений σ_к, возникающих в стенке трубы, имеющей дефекты в виде трещины длиной а (мм) и глубиной в (мм), под действием внутреннего давления Р, применили известную котельную формулу в виде

где σ_к - кольцевые напряжения, МПа;

Р_100%σ - давление, соответствующее нормативному пределу текучести металла трубы, МПа;

S - толщина стенки трубы, мм;

K_f - коэффициент ослабления трубы;

а - длина трещины, мм;

в - глубина трещины, мм;

D_i - наружный диаметр трубы, мм;

i - номер трубы.

С учетом формул 1, 4, а также распределения давлений по длине участка трубопровода и времени распространения ударной волны в процессе гидравлических испытаний участка трубопровода, с обеих сторон ограниченного заглушками или камерами, условия отбора труб, имеющих трещиноподобные дефекты, для реабилитации в изобретении представили в виде соотношения

где σ_T - нормативный предел текучести металла труб, МПа;

- относительное давление в трубе с номером i;

- относительное расстояние до трубы (отношение расстояния от начала участка до трубы с номером i трубопровода к общей протяженности участка трубопровода);

x_i - продольная координата участка трубопровода, м;

- относительное время испытаний (отношение произведения скорости воды в нагнетательном трубопроводе на время к общей протяженности участка трубопровода);

S - толщина стенки трубы, мм;

K_f - коэффициент ослабления трубы;

D_i - наружный диаметр трубы, мм;

i - порядковый номер трубы.

Относительное давление в трубе в момент времени прохождения ударной волны вдоль участка трубопровода, ограниченного заглушками или камерами, зависит от изменения расхода воды на «левой» и «правой» границах участка трубопровода в начале процесса заполнения его водой, то есть в момент гидравлического удара с максимальной величиной ударного давления. Скачок расхода на «правой» границе участка трубопровода длиной L при распространении возмущений в воде со скоростью С приведет к изменению расхода на «левой» границе q(0, t) в момент времени =1, где .

При этом в соответствии с формулой Н.Е.Жуковского скачок давления |Р| и скачок расхода |q| связаны соотношением

где Р_i - скачок давления в трубе с номером i, МПа;

q_i - скачок расхода в трубе с номером i, м³/сек;

с - скорость распространения в воде ударной волны в участке трубопровода, равная скорости звука, м/с.

Знаки (+) или (-) выбирают в соответствии с направлением движения волны. Величина скачка расхода |q| для волны, распространяющейся «влево», удовлетворяет соотношению

где Ф - коэффициент, отражающий влияние сил трения.

Перед фронтом волны Р_-=Р₀; q_-=0; |Р|=Р₊-Р₀; |q|=q₊-q_-=q₊

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления труб;

с - скорость распространения ударной волны в участке трубопровода, м/с;

D_вн - внутренний диаметр трубы, мм;

q₊ - расход воды за фронтом волны, м²/сек;

Р₊ - давление воды за фронтом волны, МПа;

q_- - расход воды перед фронтом волны, м²/сек;

Р_- - давление воды перед фронтом волны, МПа.

Уравнение 7 с учетом 6 и 8 представили в виде

В общем случае после линеаризации уравнения 9 в виде Ф=-αq-βP получили уравнение

Решение уравнения 10 представили в виде

где q - расход воды, м³/сек;

q₀ - производительность перекачивающей установки, м³/с;

α, β - аппроксимирующие коэффициенты:

λ - коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода;

ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

D_вн - внутренний диаметр трубы, мм;

с - скорость распространения ударной волны в участке трубопровода, м/с;

х_i - продольная координата по длине участка трубопровода, м;

L - общая протяженность участка трубопровода, м.

Левую и правую части уравнения 6 разделили на Р_вх и после совместного решения уравнений 11 и 6 формулу для расчета изменения ударного давления вдоль участка трубопровода в зависимости от изменения расхода воды представили в виде

где - относительное давление в трубе с номером i (i=1, 2, 3,…n);

ρ - плотность воды, кг/м³;

ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

с - скорость распространения ударной волны в участке трубопровода, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с² ;

Р_вх - давление на входе в участок трубопровода, МПа;

α, β - аппроксимирующие коэффициенты

λ - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопровода;

D_вн - внутренний диаметр трубы, мм;

х_i - продольная координата участка трубопровода, м;

L - общая протяженность участка трубопровода, м;

Δh - разность высотных отметок на участке трубопровода, м.

В предлагаемом способе гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода:

- нагружение участка трубопровода ударным давлением в упругопластической зоне деформирования труб путем ступенчатого подъема давления с заданной скоростью и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления, позволяет создать в металле труб, имеющих трещиноподобные дефекты, напряжения сжатия, что способствует созданию условий для предотвращения дальнейшего развития трещины;

- расчет по заданному алгоритму размеров дефектов, разрушающих нагрузок для каждой трубы, имеющей трещиноподобные дефекты, в отличие от прототипа позволяет определить соответствие каждой трубы условиям для испытаний, а также осуществить отбраковку труб для их ремонта или замены на новые;

- предварительные расчеты характеристик работы перекачивающей установки и участка трубопровода при распространении ударной волны в трубах вдоль участка трубопровода позволяют задать значения параметров регулирования работы перекачивающей установки и оптимальные параметры стресс-теста труб в упругопластической зоне деформирования, что, в свою очередь, в отличие от прототипа позволяет воздействовать на трубы ударными нагрузками, представляющими управляемые гидравлические удары, с сохранением гарантированного запаса пластичности труб.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода со ссылкой на иллюстрации на фигурах 2÷5.

На фигуре 2 представлена схема предлагаемого способа гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода, осуществляемого при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, где: 1 - участок трубопровода; 2 - камера испытаний; 3 - заглушка; 4 - источник воды; 5 - наполнительный насос; 6 - всасывающий трубопровод; 7 - расходомер; 8 - перекачивающая установка; 9 - нагнетательный трубопровод; 10 - продувочный трубопровод; 11 - преобразователь давления и температуры; 12 - измерительная лаборатория; 13 - сливной трубопровод; 14 - отстойник воды; 15 - кабельная линия; 16 - импульсная линия; 17 - кабель управления перекачивающей установкой; 18 - тензодатчики; 19 - кабельная линия.

На фигурах 3 и 4 в качестве примера реализации заявленных технических решений представлены графики, характеризующие динамику изменения рассчитанного по формуле 2 ударного давления в трубе №3149 (фигура 3) и трубе №2750 (фигура 4) при прохождении ударной волны в процессе нагружения участка трубопровода давлением воды: на оси ординат - отношение ударного давления к давлению на входе в участок трубопровода, на оси абсцисс - время. На графиках отмечены максимальные и минимальные абсолютные давления в трубах, а также начальное (минимальное испытательное) абсолютное давление на входе в участок трубопровода, равное 9,0 МПа, соответствующее напряжению 85% от предела текучести металла труб.

На фигуре 5 показаны графики параметров, измеренных на трубе №3149 в процессе прохождения ударной волны, а именно: скачка давления, пульсации давления и деформации в окружном направлении.

Предлагаемый способ гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода осуществили последовательным выполнением следующих операций (см. фигура 2).

На компрессорной станции, включающей пять параллельно соединенных газоперекачивающих агрегатов (ГПА), для капитального ремонта выделили участок трубопровода на выходе ГПА протяженностью 110 метров, наружным диаметром 1420 мм. Рабочее давление составляло 7,35 МПа.

Трубопровод смонтирован из девяти труб стали 10Г2ФБ (К60) с толщиной стенки 16 мм. Разность высотных отметок составила 1 метр.

Параметры статистического распределения Гаусса по механическим свойствам (в соответствии с сертификатами завода-изготовителя) для сталей в трубах участка трубопровода приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры статистического распределения Гаусса трубных сталей по механическим свойствам (марка 10Г2ФБ (К60), труба Харцизского трубопрокатного завода диаметром 1420*16 мм). Среднее значение (математическое ожидание) Относительное удлинение, % Параметры распределения Стандартное отклонение предела текучести/предела прочности (Кσ_T /Кσ_вр), МПа Смещение центра распределения (энтропия*) Н(Кσ_T)/Н(Кσ_вр), МПа Предел текучести σ_т, МПа Временное сопротивление σ_вр, МПа 460,85 617,4 20 19,85/29,4 6,38/6,95 * - энтропия распределения Гаусса

По результатам дефектоскопии, выполненной неразрушающими методами контроля, выявили дефекты, определили размеры дефектов труб и рассчитали коэффициенты ослабления K_f каждой трубы.

Результаты расчета коэффициентов ослабления труб приведены в таблице 2.

Таблица 2 Коэффициенты ослабления труб K_f Параметры дефектов Заводской номер трубы 4263 3149 2845 2781 2750 3700 3788 1184 4246 Глубина, мм 4,9 3,1 6,9 1,2 1,5 1,8 2,7 4,4 5,2 Длина, мм 82 64 150 15 41 21 52 106 85 K_f 0,31 0,19 0,43 0,08 0,09 0,11 0,17 0,27 0,33 1-K_f 0,69 0,81 0,57 0,92 0,91 0,89 0,83 0,73 0,67

Для оценки соответствия труб условиям для их реабилитации определили следующие параметры, входящие в формулы 1 и 2:

- Минимальное испытательное давление для бездефектных труб, вызывающее кольцевые напряжения, равные 85% предела текучести металла труб:

- Максимальное испытательное давление для бездефектных труб, вызывающее кольцевые напряжения, равные 110% предела текучести метала труб:

- Величину скорости подъема давления приняли, исходя из того, что шаг нагружения трубопровода давлением ограничен классом применяемых преобразователей давления. Например, при классе грузопоршневого манометра 0,1% и шаге нагружения давлением 0,01 МПа минимальное время регистрации давления между двумя соседними измерениями на манометре данного класса составляет 2 секунды.

Скорость подъема давления, обеспечивающая плавное нагружение труб в допустимой зоне упругопластической деформации, из условия ее соответствия нагрузке в расчете на 1% деформации, то есть и времени , соответствует .

При этом соответствующее значение скорости деформации при растяжении металла в окружном направлении рассчитали по формуле

где - скорость деформации металла;

µ - коэффициент Пуассона;

S - толщина стенки трубы, мм;

D_вн - внутренний диаметр трубы, мм;

Е - модуль упругости металла трубы, МПа;

- скорость подъема давления (0,3 МПа/мин).

Скорость деформации для бездефектных труб (K_f=0) составила

- Производительность перекачивающей установки для подъема давления на 2,7 МПа от минимального давления 9,0 МПа до максимального давления 11,7 МПа в участке трубопровода объемом 176,6 м³ составит

где V - геометрический объем участка трубопровода, м³;

- скорость подъема давления, МПа/мин;

ΔР - разность максимального и минимального испытательных давлений, МПа.

Определили время подъема испытательного давления от минимального до максимального в упругопластической зоне деформирования труб:

где V - геометрический объем участка трубопровода, м³;

q - производительность перекачивающей установки, м³/мин.

Скорость воды в нагнетательном трубопроводе диаметром 250 мм составит

где ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

q - производительность перекачивающей установки, м³/мин;

F - площадь поперечного сечения нагнетательного трубопровода, м².

Деформация бездефектных труб в окружном направлении в течение времени подъема давления от минимального до максимального составит 9×0,245 =2,19 мм, что по отношению к диаметру трубопровода составит .

- С учетом размеров дефектов рассчитали для каждой трубы участка трубопровода по формуле 4 величины напряжений, по формуле 13 - скорости деформирования и по формуле 2 - величины ударных давлений за фронтом волны.

Результаты расчета деформаций и напряжений в трубах участка трубопровода под испытательным давлением приведены в таблице 3.

Таблица 3 Деформации и напряжения в трубах участка трубопровода под испытательным давлением Параметр Заводской номер трубы 4263 3149 2845 2781 2750 3700 3788 1184 4246 Скорость деформации при 0,355 0,302 0,43 0,266 0,265 0,275 0,295 0,336 0,366 растяжении, мм/мин                   Скорость деформации при сжатии, мм/мин 0,426 0,363 0,516 0,319 0,318 0,33 0,354 0,4 0,439 Кольцевое                   напряжение, МПа 567,9 483,5 687,2 425,8 426,4 440,1 471,9 536,5 584,5 Отношение                   кольцевого                   напряжения к пределу 1,23 1,05 1,49 0,92 0,93 0,95 1,02 1,16 1,27 текучести                   Удлинение, % 0,246 0,21 0,298 0,184 0,185 0,19 0,2 0,232 0,253

С учетом данных, приведенных в таблице 3 и графиков (фигуры 3 и 4) изменения ударного давления в трубах №№3149, 2750, рассчитанного по формуле 2, для реабилитации отобрали трубы №№3149, 2781, 2750, 3700 и 3788, так как данные трубы отвечали условиям, соответствующим формуле 1, то есть величина кольцевых напряжений, действующих в стенках труб при их нагружении ударным давлением с деформированием в упругопластической зоне, не превышает 110% от нормативного предела текучести металла труб. После замены отбракованных труб, не соответствующих условиям реабилитации, участок трубопровода 1 для проведения гидравлических испытаний ограничили камерой испытаний 2 и с противоположной от камеры испытаний 2 стороны установили заглушку 3.

Полость участка трубопровода 1, нагнетательный трубопровод 9 и всасывающий трубопровод 6 перекачивающей установки 8 через наполнительный насос 5 соединили с источником воды 4.

Для удаления воздуха из полости участка трубопровода 1 при заполнении его водой смонтировали продувочный трубопровод 10, а для слива воды в отстойник 14 смонтировали сливной трубопровод 13. На камере испытаний 2 установили преобразователи температуры и давления 11, а на всасывающем трубопроводе 6 перекачивающей установки 8 смонтировали расходомер 7. На участке трубопровода 1 смонтировали тензодатчики 18. Преобразователи температуры и давления 11 импульсной линией 16, расходомер 7 кабелем 15 и тензодатчики 18 кабелем 19 соединили с измерительной лабораторией 12. Управление перекачивающей установкой 8 осуществляли по кабелю 17 из измерительной лаборатории 12. На первом этапе участок трубопровода 1 заполнили водой из источника 4 и через продувочный трубопровод 10 удалили воздух. Удаление воздуха завершили после выхода воды путем закрытия вентиля на продувочном трубопроводе 10 и в участок трубопровода 1 перекачивающей установкой 8 из источника 4 нагнетали воду до величины давления на входе в участок трубопровода, равного 9,0 МПа, характеризующего начальный этап деформирования труб в упругопластической области, при этом подъем давления осуществляли со скоростью 0,3 МПа/мин и в течение подъема давления непрерывно измеряли и контролировали температуру, давление, расход воды, а также деформацию. Стресс-тест труб участка трубопровода 1 осуществили последовательным выполнением следующих процедур:

- Путем сброса давления со скоростью 0,36 МПа/мин от давления 9,0 МПа до рабочего проектного давления 7,65 МПа в течение времени, равного 3,35 мин, создали напряжения сжатия с деформированием труб;

- Путем подъема давления от рабочего проектного 7,65 МПа до максимального испытательного давления, равного 11,7 МПа, создали в стенках труб напряжения растяжения с деформированием труб в упругопластической зоне. При этом для сохранения гарантированного запаса пластичности труб скорость подъема давления установили 0,42 МПа/мин, пропорциональной допустимой скорости деформирования труб 0,245 мм/мин с соответствующей относительной деформацией, равной 0,154%.

- Чередование циклов «сжатие-растяжение» путем сброса давления до величины 2,0 МПа с последующим подъемом давления до максимального испытательного давления, равного 11,7 МПа, и выдержкой в течение времени до выравнивания давления и температуры воды в участке трубопровода 1.

Гидравлические испытания на удар и реабилитацию участка трубопровода завершили при достижении допустимой величины относительной деформации 0,225%, после чего давление сбросили до 8,92 МПа, а величина остаточной относительной деформации составила 0,09%.

Для сравнения измеренных параметров и параметров, рассчитанных по формуле 2, на фигуре 5 показаны графики изменения скачка давления, пульсации давления и деформации труб в окружном направлении в трубе №3149. Скачок расхода при нагружении трубы №3149 привел к ударному скачку давления от 8,92 МПа до давления 9,68 МПа, при этом величина деформации в окружном направлении составила 0,225%. Измеренные параметры ударного скачка давления и деформации согласуются с соответствующими параметрами, рассчитанными по формуле 2 и приведенными в таблице 3. Таким образом, способ гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода, осуществляемый при его нагружении повышенным давлением, позволяет достичь заявленной цели: повышает эффективность строительства и/или капитального ремонта трубопроводов за счет использования имеющихся труб.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к технологии испытаний трубопроводов, и направлено на повышение эффективности строительства и/или капитального ремонта трубопровода за счет оптимизации использования имеющихся труб. Сущность изобретения: участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля. Рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода. Определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода. Первоначально при заполнении водой из участка трубопровода удаляют воздух. Участок трубопровода нагружают ударным давлением, включающим ступенчатый подъем давления, осуществляемый с заданной скоростью и через заданные интервалы давления до заданной величины давления, и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления. При сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин, и после достижения заданной величины остаточной деформации металла труб гидравлические испытания участка трубопровода на удар и его реабилитацию завершают. Технический результат: повышение эффективности строительства и/или капитального ремонта трубопроводов за счет использования имеющихся труб. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

1. Способ гидравлического испытания на удар и реабилитации трубопровода, осуществляемый при его нагружении повышенным давлением в полевых условиях, основанный на нагнетании воды перекачивающей установкой из источника в участок трубопровода с давлением, равным давлению в источнике с последующим подъемом давления до заданной величины и регистрацией расхода, температуры, давления воды, заключающийся в том, что участок трубопровода выбирают неразрушающими методами контроля, рассчитывают показатели механических свойств труб с учетом напряженно-деформированного состояния участка трубопровода, определяют параметры его нагружения повышенным давлением и отделяют камерами или заглушками от трубопровода, в полость участка трубопровода нагнетают воду и производят его испытания повышенным давлением и реабилитацию труб с трещиноподобными дефектами, отличающийся тем, что первоначально при заполнении водой из участка трубопровода удаляют воздух и участок трубопровода нагружают ударным давлением в упругопластической зоне деформирования труб методом стресс-теста, включающим ступенчатый подъем давления, осуществляемый с заданной скоростью и через заданные интервалы давления до величины давления, вызывающего в металле труб напряжения растяжения в окружном направлении до 110% от нормативного предела текучести, и последующий сброс давления со скоростью, превышающей скорость подъема давления, причем при сбросе давления в дефектных зонах металла труб создают напряжения сжатия, препятствующие дальнейшему росту трещин, и после достижения заданной величины остаточной деформации металла труб гидравлические испытания участка трубопровода на удар и его реабилитацию завершают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора испытательного участка трубопровода неразрушающими методами контроля для каждой трубы, имеющей трещиноподобные дефекты, по заданному алгоритму определяют размеры дефектов и с их учетом для каждой трубы в участке трубопровода рассчитывают фактические разрушающие нагрузки и соответствующие этим нагрузкам минимальное испытательное давление и максимальное испытательное давление, создающие в стенках труб напряжения растяжения в окружном направлении от 85% до 110% от предела текучести металла труб, и, в процессе гидравлического испытания при заполнении водой, в участке трубопровода поднимают давление до величины, равной минимальному испытательному давлению, с последующим добавлением воды в объеме, необходимом для упругопластического деформирования труб при сохранении заданного гарантированного запаса пластичности, причем условие отбора труб для реабилитации определяют по формуле:
где σ_T - нормативный предел текучести металла трубы, МПа;
- относительное давление в трубе с номером i (i=1, 2, 3,…n);
P_i - абсолютное давление в трубе, МПа;
P_вx - давление на входе в участок трубопровода, МПа;
Р100%σ - давление, соответствующее нормативному пределу текучести металла трубы, МПа;
- относительное расстояние до трубы;
х_i - продольная координата участка трубопровода, м;
L - общая протяженность участка трубопровода, м;
- относительное время испытания;
ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;
τ - время испытаний, с;
S - толщина стенки трубы, мм;
K_f - коэффициент ослабления трубы;
D_i - наружный диаметр трубы, мм;
i - порядковый номер трубы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно до начала гидравлических испытаний рассчитывают характеристики работы перекачивающей установки и участка трубопровода при распространении ударной волны в трубах вдоль участка трубопровода, для каждой трубы устанавливают соответствующее ударным давлениям соотношение между скоростью подъема давления, пропорциональной скорости растяжения металла труб, и скоростью сброса давления, пропорциональной скорости сжатия металла труб, а величины ударных давлений и скачков расхода в трубах за фронтом ударной волны определяют по формуле:

где - относительное давление в трубе с номером i (i=1, 2, 3, …n);
ρ - плотность воды, кг/м³;
ω - скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;
с - скорость распространения ударной волны, м/с;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
P_вx - давление на входе в участок трубопровода, МПа;
α, β - аппроксимирующие коэффициенты:
,

λ - коэффициент гидравлического сопротивления участка трубопровода;
D_вн - внутренний диаметр трубы, мм;
х_i - продольная координата участка трубопровода, м;
L - общая протяженность участка трубопровода, м;
Δh - разность высотных отметок на участке трубопровода, м.