Способ повышения ресурса трубопроводов Российский патент 2023 года по МПК F16L1/00 G01N29/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к изготовлению и эксплуатации трубопроводов, а также к области неразрушающего контроля конструкционных материалов, и может быть использовано для определения остаточных механических напряжений в сварных соединениях трубопроводов и снижения этих остаточных напряжений.

Анализ осуществляемой эксплуатации трубопроводов показывает, что надежность трубопроводов является недостаточной. Известно, что возникновение протечки, например, взрывоопасного газа сопровождается его воспламенением и взрывом. Задачей, на решение которой направлено проектирование и эксплуатация трубопроводов, является предотвращение аварий, приводящих не только к экономическим потерям, но также и к катастрофам и смертельным случаям.

Одной из причин аварий и отказов на трубопроводах является пропуск в эксплуатацию трубопроводов со значимыми величинами остаточных напряжений. Так, например, наличие в трубопроводе локальных остаточных напряжений на уровне предела текучести способно сократить ресурс трубопровода в 10 и более раз, и перекрыть положительное влияние коэффициентов запаса прочности. При этом нормативные документы не предусматривают прямого измерения остаточных напряжений в трубопроводе и направлены на ограничение натягов, перемещений, измерение кривизны трубопровода, что направлено на уменьшение величины остаточных напряжений, но не исключает их появление и превышение значений, вызывающих существенное сокращение ресурса трубопроводов.

Обзор существующих методов измерения напряжений показывает, что в настоящее время накоплен большой арсенал методов и средств оценки механических напряжений, основанных на различных физических явлениях, в том числе:

- методы тензометрии, основанные на измерениях деформации путем контроля состояния чувствительных элементов, стационарно укрепляемых на поверхности объекта контроля;

- разрушающие механические методы, реализующие принцип упругой разгрузки;

- неразрушающие физические методы, основанные на измерении параметров самого объекта контроля, чувствительных к его напряженному состоянию.

Методы тензометрии обеспечивают оценку деформаций и напряжений конструкции по результатам измерений деформаций датчиков, стационарно укрепляемых на поверхности в каждой точке контроля напряжений. Их преимуществом являются метрологическая обеспеченность и высокая точность измерений.

Вместе с тем, применение этих методов для контроля монтажных напряжений (МН), в трубопроводе в процессе монтажа ограничено из-за необходимости обеспечения их целостности в период монтажа, что в условиях высоких температур и возможных динамических воздействий практически невозможно.

Использование тензометрии для контроля напряжений, возникающих при непроектных перемещениях в процессе эксплуатации, неэффективно из-за необходимости стационарной установки достаточно большого количества датчиков и поддержания их работоспособности в течение всего срока службы трубопровода.

Метод, реализующий принцип упругой разгрузки, предусматривает использование бесконтактных оптических измерений перемещений на кромке разгружающих отверстий, высверливаемых в контрольных точках трубопровода. Этот метод может обеспечить достаточно высокую точность измерения напряжений, но непригоден для использования на трубопроводах таких опасных производственных объектов, как АЭС, поскольку его применение требует нарушения целостности трубопровода.

Наибольший интерес для построения неразрушающих методик контроля напряжений представляют физические методы, основанные на измерении параметров самого объекта контроля, чувствительных к его напряженному состоянию. К таковым относятся радиационные, электромагнитные и акустические методы.

Для использования в производственных условиях пригодны акустические и электромагнитные методы, которые реализуются переносными портативными приборами с малогабаритными датчиками. При этом в отличие от методов тензометрии, не требуется нахождения датчиков на объекте непосредственно в процессе монтажа, сварки или эксплуатации.

Вопрос измерения напряжений с регламентированной погрешностью, учитывающей, в том числе, влияние технологического разброса структурных характеристик металла объекта контроля, решен для акустического метода измерения напряжений - метода акустоупругости, основанного на зависимости от напряжений скоростей распространения объемных упругих волн ультразвукового диапазона.

Метод акустоупругости обеспечивает выполнение измерений главных мембранных напряжений, в условиях одноосного или локально плоского двухосного напряженного состояния, возникающего в трубопроводах под воздействием МН (ГОСТ Р 52731-2007 «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования»).

Известен способ контроля напряжений на основе акустоупругости (патент РФ №2598980), выбранный в качестве прототипа. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение эхо-методом времен распространения продольных и поперечных упругих волн, при этом для оценки напряжений используются коэффициенты Пуассона ν₃₁ и ν₃₂ материала, определяемые через времена распространения продольных и поперечных упругих волн. В зонах трубопровода, где отсутствуют остаточные напряжения, имеет место линейная зависимость между коэффициентами Пуассона ν₃₁ и ν₃₂. Присутствие остаточных сварочных напряжений приводит к отклонению точек {ν₃₁; ν₃₂} от исходной линейной зависимости. По величине отклонения оценивают разность кольцевых и осевых напряжений 02-01.

Недостатками прототипа являются:

- отсутствуют указания на порядок практического применения результатов, полученных данным методом, для повышения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов;

- отсутствует обоснованная процедура выбора мест контроля напряжений;

- отсутствует процедура оценки результатов измерения, в частности порядок определения диапазона допустимых значений остаточных напряжений;

- не приведены методы снижения остаточных напряжений в случае превышения допустимых значений.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности работы трубопроводов и увеличение ресурса их работы за счет использования результатов неразрушающего контроля напряжений.

Техническим результатом является повышение ресурса трубопроводов на основе создания технологии определения допустимых значений остаточных напряжений, определения мест и метода измерения остаточных напряжений, определения способов снижения остаточных напряжений в случае, если их величина превышает допустимые значения. Указанный технический результат достигается тем, что в способ повышения ресурса трубопроводов, заключающемся в том, что на исследуемом участке трубопровода в каждой точке измеряют акустическим эхо-методом времена распространения продольных и поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, и на основании полученных данных определяют остаточные напряжения, согласно настоящему изобретению измерения проводят в точках установки опор или присоединения трубопровода к оборудованию или к другому трубопроводу, для точек, в которых провели измерения, определяют предельно допустимые величины остаточных напряжений по формуле:

где

[(σ_b)_м] - предельно допустимые величины остаточных напряжений,

[σ] - номинальное допускаемое напряжение, зависящее от марки стали трубопровода,

σ_m - мембранное напряжение в направлении оси трубопровода в точке измерения, зависящее от условий эксплуатации и определяемое из поверочного расчета прочности трубопровода,

(σ_b)_э - общие изгибные напряжения в точке измерения, зависящие от условий эксплуатации и определяемые из поверочного расчета прочности трубопровода,

после чего для каждой точки, в которой проводили измерения, полученные значения остаточных напряжений (σ_b)_м сравнивают с вычисленными предельно допустимыми остаточными напряжениями для этой точки [(σ_b)_м], и в случае, если в этой точке измеренное напряжение (σ_b)_м превышает предельно допустимое напряжение [(σ_b)_м], проводят мероприятия по снижению измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м].

Преимущественно в качестве мероприятий для снижения измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м], а способе повышения ресурса трубопроводов, применяют отжиг в точке, где измеренные напряжения превышают допустимые, при температуре, при которой предел текучести металла трубопровода ниже предельно допустимого остаточного напряжения, то есть напряжения [(σ_b)_м].

В качестве мероприятий для снижения измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м L может применяться изменение положения опоры или опор вдоль оси трубопровода или изменяют положение опоры или опор по высоте.

В качестве мероприятий для снижения измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м], могут применять врезку в трубопровод для снижения величины натяга до приемлемого уровня, вплоть до нуля.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема участка трубопровода, на фиг.2 - схема участка трубопровода с проводимым мероприятием по компенсации остаточных напряжений, на фиг.3 - схема участка трубопровода с другим вариантом проводимого мероприятия по компенсации остаточных напряжений, на фиг.4 - схема элемента врезки, фиг 5 - схема участка трубопровода с врезкой.

Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.

Сначала определяют место измерения остаточных напряжений методом акустоупругости. Места измерений следует выбирать из условия, что общие изгибные напряжения возникают в окрестности места приложения силы или момента. Такими местами являются опоры, точки присоединения оборудования или других трубопроводов.

Затем определяют значения допустимых остаточных напряжений. Остаточные монтажные напряжения относятся к общим изгибным напряжениям. Величина общих изгибных напряжений регламентируется при расчетах на сопротивление разрушению при действии статической нагрузки.

Известно, что при проведении расчетов на статическую прочность общие изгибные напряжения σ_b в сумме с мембранными напряжениями σ_m не должны превышать 1,3[σ], где [σ] - допустимая величина мембранных напряжений, равная меньшей величине из предела прочности, деленного на 2,6 - R_m/2,6, или предела текучести, деленного на 1,5 - R_p0,2/1,5.

То есть должно выполняться условие: σ_b+σ_m ≤ 1,3[σ].

При наличии монтажных изгибных напряжений, которые можно обозначить (σ_b)_м, с учетом наличия общих изгибных напряжений (σ_b)_э от действия эксплуатационных нагрузок указанное выше условие будет представлено в следующем виде:

Откуда максимально допустимое общее изгибное монтажное напряжение [(σ_b)_м] будет равно [(σ_b)_м] = 1,3 [σ] - (σ_b)_э - σ_m.

Таким образом, допустимая величина общего изгибного монтажного напряжения [(σ_b)_м] в каждой точке трубопровода определяется уравнением [(σ_b)_м] = 1,3 [σ] - (σ_b)_э - σ_m, в котором величины (σ_b)_э и σ_m напряжения в этой же точке трубопровода определяются из поверочного расчета прочности этого трубопровода.

Аналогично проводят измерение остаточных напряжений методом акустоупругости во всех опорах и местах подсоединения трубопровода к оборудованию или подсоединения другого трубопровода к рассматриваемому трубопроводу. В тех местах измерений, где остаточные напряжения выше допустимых значений, определенных по формуле [(σ_b)_м] = 1,3 [σ] - (σ_b)_э - σ_m, то есть (σ_b)_м > [(σ_b)_м] = 1,3 [σ] - (σ_b)_э - σ_m, проводят мероприятия по снижению остаточных напряжений до уровня ниже допустимых.

В случае, если величина остаточных напряжений превышает допустимые значения, то необходимо осуществить снижение остаточных напряжений до допустимых (приемлемых) значений одним из следующих способов. Такими способами могут быть:

- изменение положения опоры или опор смещением опор вдоль оси трубопровода;

- изменение положения опоры или опор смещением опор по высоте;

- отжиг остаточных напряжений;

- вставка в трубопровод.

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого изобретения, в том числе с использованием указанных выше способов снижения остаточных напряжений.

Трубопровод из стали ст3 (механические свойства приведены в таблице 1) диаметром Ду300 и толщиной стенки 30 мм (фиг.1). Трубопровод эксплуатируется при комнатной температуре и давлении р, определяемом по формуле:

р = (s2[σ])/(d+s) = (2×30×137,3) /(300+30) = 8238/330 = 24,96 МПа = 25 МПа, где номинальное допускаемое напряжение [σ] равно меньшему из R_m /2,6 или R_p0,2 /1,5, то есть меньшее из [σ] = 373/2,6 = 143,5 МПа и [σ] = 206/1,5 = 137,3 МПа.

Монтаж трубопровода начали с точки А, и, когда был смонтирован участок AD, обнаружилось, что расстояние между опорой и концом трубопровода составляет v=18mm, и для завершения монтажа требует выполнить натяг трубопровода на величину v.

Натяг конца трубопровода в точке D приведет к возникновению монтажных напряжений σ (σ_b)_м в точке С

Максимальное допустимое монтажное напряжение для монтируемого трубопровода равно (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м] = 1,3 [σ] - (σ_b)_э - σ_m,

при этом

(σ_b)_м = 120 МПа > [(σ_b)_м] = 1,3×137,3 - 0 - 68,7 = 109,8 МПа.

Для снижения напряжений в опоре С со 120 МПа до 109,8 МПа можно выполнить следующие действия.

Вариант 1

Увеличить пролет CD с 4 метров до 4,18 метров, сдвинув опору в точке С на 182 мм влево в точку С' (фиг.3).

Вариант 2

Поднять, как минимум, на w = 3 мм опору в точке С, что приведет к снижению натяга в точке D (перемещение в точку D') по отношению к точке С на 6 мм (фиг.2), то есть напряжения в точке С снизятся на 1/3, или станут равными 80 МПа, что приемлемо, так как ниже максимально допустимых остаточных напряжений.

При этом в точке В остаточные напряжения незначительно повысятся, но будут значительно ниже допустимых остаточных напряжений.

Вариант 3

Провести отжиг остаточных напряжений в точке С при температуре 400 градусов Цельсия, после которого напряжения в точке С снизятся до уровня предела текучести стали ст3 при 400°С, а именно 107 МПа, что ниже максимально допустимого монтажного напряжения, равного 109,8 МПа.

Вариант 4.

Справа от точки С сделать врезку (фиг.4) так, чтобы между концом трубопровода в точке D и опоры в точке О зазора не было (фиг.5). В этом случае натяг исчезает, а, следовательно, остаточные монтажные напряжения становятся равными нулю.

На всех фигурах точка опоры обозначена «О».

Таким образом, предлагаемый способ повышения ресурса трубопроводов путем определения и снижения остаточных напряжений в нем в процессе монтажа или во время эксплуатации позволяет повысить надежность работы трубопровода. Предлагаемое изобретение может быть использовано:

• на магистральных трубопроводах транспортирующих нефть, газ или другие продукты;

• на атомных или тепловых электростанциях, где существенной частью конструкций являются трубопроводы;

• на предприятиях других отраслей, где используются трубопроводы, работающие под давлением.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для определения остаточных механических напряжений в сварных соединениях трубопроводов и снижения этих остаточных напряжений. В способе повышения ресурса трубопроводов измеряют акустическим эхо-методом времена распространения продольных и поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы. На основании полученных данных определяют остаточные напряжения. Измерения проводят в точках установки опор, присоединения трубопровода к оборудованию или к другому трубопроводу. Для точек измерения напряжений определяют предельно допустимые величины остаточных напряжений по приведенному математическому выражению. Полученные значения остаточных напряжений (σ_b)_м сравнивают с вычисленными предельно допустимыми остаточными напряжениями для этой точки [(σ_b)_м]. В случае, если в этой точке измеренное напряжение (σ_b)_м превышает предельно допустимое напряжение [(σ_b)_м], проводят мероприятия по снижению измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)м]. Техническим результатом является повышение ресурса трубопроводов на основе создания технологии определения допустимых значений остаточных напряжений, определения мест и метода измерения остаточных напряжений. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ повышения ресурса трубопроводов, заключающийся в том, что на исследуемом участке трубопровода в каждой выбранной точке измеряют акустическим эхо-методом времена распространения продольных и поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, и на основании полученных данных определяют остаточные напряжения, отличающийся тем, что точки измерения напряжений соответствуют точкам установки опор или присоединения трубопровода к оборудованию или к другому трубопроводу, для точек измерения напряжений определяют предельно допустимые величины остаточных напряжений по формуле:

где

[(σ_b)_м] - предельно допустимые величины остаточных напряжений,

[σ] - номинальное допускаемое напряжение, зависящее от марки стали трубопровода,

σ_m - мембранное напряжение в направлении оси трубопровода в точке измерения, зависящее от условий эксплуатации и определяемое из поверочного расчета прочности трубопровода,

(σ_b)_э - общие изгибные напряжения в точке измерения, зависящие от условий эксплуатации и определяемые из поверочного расчета прочности трубопровода,

после чего для каждой точки, в которой проводили измерения, полученные значения остаточных напряжений (σ_b)_м сравнивают с вычисленными предельно допустимыми остаточными напряжениями для этой точки [(σ_b)_м], и в случае, если в этой точке измеренное напряжение (σ_b)_м превышает предельно допустимое напряжение [(σ_b)_м], проводят мероприятия по снижению измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м].

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве мероприятий для снижения измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м], применяют отжиг в точке, где измеренные напряжения превышают допустимые, при температуре, при которой предел текучести металла трубопровода ниже предельно допустимого остаточного напряжения, то есть напряжения [(σ_b)_м].

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве мероприятий для снижения измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м], применяют изменение положения опоры или опор вдоль оси трубопровода или изменяют положение опоры или опор по высоте.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве мероприятий для снижения измеренных напряжений до приемлемого уровня, то есть до уровня (σ_b)_м ≤ [(σ_b)_м], применяют врезку в трубопровод для снижения величины натяга до приемлемого уровня, вплоть до нуля.