Способ испытания трубопровода на безопасное рабочее внутреннее давление с оценкой опасности существующих дефектов в трубопроводе и устройство для его осуществления

Предлагаемое изобретение относится к области испытания и диагностики трубопроводов. Техническим результатов является расширение возможности проведения испытаний трубопроводов, определение фактического безопасного рабочего внутреннего давления и оценка опасности существующих дефектов в трубопроводе. Способ испытания трубопроводов заключается в том, что устройство для испытания трубопровода помещают в трубопровод, последовательно перемещают вдоль трубопровода либо перемещают на конкретный участок трубопровода. На каждом шаге перемещения устройство создает на стенку трубопровода нагрузку, эквивалентную повышению внутреннего давления перекачиваемой среды. В процессе нагружения установленные на устройстве датчики регистрируют сигналы акустической эмиссии, параметры напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода, геометрических и температурных изменений. По параметрам нагружения трубопровода и зарегистрированным показаниям от датчиков определяется фактическое безопасное рабочее внутреннее давление для трубопровода и активность существующих дефектов в трубопроводе к подъему внутреннего давления прикачиваемой среды. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое к патентованию изобретение относится к области испытания и диагностики нефтегазопроводов (далее трубопроводов) и предназначено для определения величины безопасного рабочего внутреннего давления перекачиваемой среды с оценкой опасности существующих дефектов металла труб и сварных соединений трубопровода. Данное изобретение возможно использовать как при эксплуатации существующих, так и строительстве новых трубопроводов.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ситуация при эксплуатации действующих трубопроводов

При техническом диагностировании трубопроводов наибольшее внимание уделяют внутритрубным способам диагностирования (далее ВТД). Данный метод является основным для установления коррозионного и стресс-коррозионного состояния трубопроводов.

Известны магнитные и ультразвуковые внутритрубные дефектоскопы для обследования трубопроводов, такие как:

- ультразвуковые дефектоскопы «CD», «WM», магнитные дефектоскопы «MFL», «TFI» фирмы ОАО ЦТД «Диаскан» (Направление развития внутритрубной диагностики. И.А.Филоненко. Жур. «Трубопроводный транспорт нефти». 2010. №2. с.57-59);

- снаряд-дефектоскоп КОД-4М-1420у фирмы ОАО «АВТОГАЗ» (официальный сайт ОАО «АВТОГАЗ» www.avtogazprom.ru/3.html):

- дефектоскопы серии ДМТП на диаметры 219-1420 мм фирмы ПО «Спецнефтегаз». (Презентация ЗАО НПО «Спецнефтегаз»)

В соответствии с нормативными документами степень опасности дефектов определяется расчетным методом (Рекомендации по оценке работоспособности дефектных участков газопроводов. Р 51-31323949-42-99. Раздел 2.3 Расчет допускаемого рабочего давления)

При расчете учитываются геометрические размеры дефектов, механические свойства металла труб и нагрузка. По результатам оценки степени опасности определяется величина безопасного рабочего внутреннего давления в трубопроводе.

Данный подход к определению величины гарантированного рабочего внутреннего давления имеет ряд недостатков:

1. Поскольку метод внутритрубной дефектоскопии являются индикаторным методом, то точность определения типов, размеров дефектов зависит как от технических характеристик самого снаряда, так и от количества его пропусков в трубопроводе и опытности оператора, производящего расшифровку данных.

2. Для трубопроводов, не приспособленных для внутритрубной дефектоскопии, определение местоположения дефектных зон проводится косвенным методом (электрометрические измерения) с последующим подтверждением при вскрытии трубопровода. Данный способ определения дефектов на трубопроводе имеет низкий уровень достоверности и трудоемок при многочисленных вскрышных работах.

3. Известно, что детальный анализ действующих нагрузок и определение вызванного ими напряженного состояния стенки трубы подземного трубопровода требует учета большого числа параметров. Уровень и характер напряженно-деформированного состояния труб в зависимости от сезонных и других изменений действующих нагрузок может сильно колебаться, поэтому точный расчет его параметров затруднен (Коррозионное растрескивание под напряжением труб магистральных газопроводов: атлас / отв. Ред. А.Б.Арабей, З.Кношински. - М.: Наука, 2006., с.12-13).

Поэтому при оценке степени опасности дефектов учитывается нагрузка только от эксплуатационного внутреннего давления перекачиваемой среды, без учета фактических действующих нагрузок на дефектный участок трубопровода, к которым относятся:

- нагрузки, возникшие при укладке трубопровода;

- нагрузки, обусловленные нестабильными грунтами (подвижкой трубопровода вследствие оползней, влияния горных работ, карстовых явлений, всплытий и т.д.);

- сварочные напряжения (в области продольных и кольцевых швов);

- остаточные напряжения, возникшие в процессе изготовления труб (при формовке, экспандировании, дробеструйной обработке поверхности и др).

4. Также известно, что существует разброс механических свойств металла труб из низкоуглеродистых и низколегированных марок сталей. Так по результатам статистической обработки фактических сертификационных данных по трубам из марки стали 17ГС фактический разброс предела прочности составляет 52,8-63,4 кгс/мм², для марки стали Ст 20 сп разброс составляет 42-52 кгс/мм². (ВРД 39-1.11-014-2000 Методические указания по освидетельствованию и идентификации стальных труб для газонефтепроводов. - М.: ИРЦ Газпром, 2000. Приложение 3. Табл.3)

Таким образом, при оценке степени опасности дефектов и расчете величины безопасного рабочего внутреннего давления накладываются допущения, которые могут привести как к завышению расчетной величины безопасного рабочего давления, так и к ее занижению.

Следовательно, существует потребность в способе и устройстве, позволяющие определить фактическое безопасное рабочее внутреннее давление перекачиваемой среды в трубопроводе и определить наличие дефектов, рост которых зависит или будет зависит от величины внутреннего давления в период эксплуатации трубопровода.

2. Ситуация при вводе в эксплуатацию трубопроводов

При строительстве новых и реконструкции действующих магистральных трубопроводов до ввода в эксплуатацию проводятся испытания трубопроводов на прочность и проверка на герметичность.

Испытание производят после полной готовности участка или всего трубопровода, т.е. после полной его засыпки, обвалования или крепления на опорах, очистки полости, установки арматуры и приборов, катодных выводов (Магистральные трубопроводы. СНиП III-42-80. Раздел 11).

Испытания трубопроводов проводятся гидравлическим способом (рабочая среда - вода, незамерзающие жидкости), пневматическим способом (рабочая среда - природный газ, воздух) или комбинированным способом (рабочая среда - воздух и вода или газ и вода).

При испытания трубопроводов испытательное давление составляет 1,1 от рабочего давления, но не более гарантированного давления для используемых труб при строительстве трубопровода (Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Очистка полости и испытания. ВСН 011-88. Раздел 3).

Проводимые испытания трубопровода позволяют обнаружить существующие либо образованные сквозные дефекты в трубопроводе, возникшие в результате некачественных сварочно-монтажных работ, изоляционно-укладочных работ либо заводского брака труб.

Применяемая технология испытания трубопроводов имеет ряд недостатков, а именно:

1. при гидравлическом способе испытании трубопровода:

- необходимо иметь значительный запас воды;

- при пониженных температурах требуется депрессорные присадки, понижающие температуру замерзания;

- необходима очистка либо утилизация использованной рабочей среды (воды).

2. при пневматическом способе испытании трубопровода:

- создание заданного давления в объеме испытательного участка трубопровода сопряжено со значительными энергозатратами;

- использование пригодного газа в качестве рабочей среды может привести к взрыву либо пожару.

3. Для протяженного участка трубопровода, уложенного под землей, определение места сквозного дефекта (места утечки рабочей среды) является трудоемким процессом.

4. После устранения выявленного сквозного дефекта потребуются повторные испытания.

5. При испытаниях не выявляются дефекты, которые могут развиться в результате эксплуатации трубопровода (несквозные дефекты на момент проведения испытаний).

Следовательно, существует потребность в способе и устройстве, которые позволят при испытании трубопроводов:

- снизить материальные и энергетические затраты;

- не образовывать значительного количества отходов;

- снизить безопасность проведения испытаний;

- выполнять испытаний при любых климатических условиях;

- определять дефекты в трубопроводе, которые могут развиться в результате дальнейшей его эксплуатации.

Известен способ акустоэмиссионного контроля стенки трубопровода и устройство для его осуществления (Авторское свидетельство СССР 1777072, G01N 29/14, 1992), в соответствии с которым к стенке трубопровода изнутри присоединяют преобразователи, соединенные с акустикоэмиссионной аппаратурой, трубопровод нагружают изнутри сосредоточенными нагрузками с помощью системы кольцевых зон, регистрируют сигналы акустической эмиссии и по параметрам сигналов судят о степени повреждения трубопровода, при этом в ходе обследования устройство с преобразователями и кольцевыми зонами перемещают вдоль трубопровода.

Недостатками данного способа являются, то что:

- создаваемая нагрузка неэквивалентна реальным нагрузкам, возникающим в трубопроводе от внутреннего давления;

- проводится регистрация только акустических сигналов без оценки нагрузки самого трубопровода;

- отсутствует обратная связь между создаваемой нагрузкой и регистрируемыми акустическими сигналами.

Также известно устройство для испытания трубопровода под давлением (Патент RU 2387967), в соответствии с которым устройство, имеющее два уплотнения высокого давления, помещают внутрь трубопровода, в образованном между уплотнениями и внутренней поверхности стенки трубопровода испытательном объеме осуществляют повышение давления водой, при этом после восьми часов испытания уплотнения высокого давления перемещают на следующий участок трубопровода.

Недостатком данного способа является то, что:

- существует негерметичность испытательного объема, обусловлена образованием овальности трубопровода, уложенного в земле;

- в процессе испытания не регистрируется активность дефектов на подъем внутреннего давления;

- способ применим только для опорожненных трубопроводов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ испытания трубопроводов на безопасное рабочее внутреннее давление с оценкой опасности существующих дефектов в трубопроводе заключается в том, что устройство для испытания трубопровода помещают в трубопровод. Устройство последовательно перемещается вдоль трубопровода либо перемещается на конкретный участок трубопровода. На каждом шаге перемещения устройство производит испытание трубопровода, заключающееся в том, что создает на стенку трубопровода нагрузку, эквивалентную повышению внутреннего давления перекачиваемой среды. В процессе испытания установленные на устройстве датчики регистрируются сигналы акустической эмиссии, изменение напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода, геометрические и температурные параметры. По результатам нагружения и зарегистрированным показаниям датчиков определяется фактическая величина безопасного рабочего внутреннего давления в трубопроводе и оценивается опасность существующих дефектов на трубопроводе к подъему внутреннего рабочего давления.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение возможности проведения испытаний трубопровода, определение величины фактического безопасного рабочего внутреннего давления в трубопроводе и оценка опасности существующих дефектов в трубопроводе.

Технический результат (как способ) достигается тем, что в способе испытания трубопровода на безопасное рабочее внутреннее давление с оценкой опасности существующих дефектов в трубопроводе, устройство для испытания помещают в трубопровод, последовательно перемещают в нем, причем испытание трубопровода проводится без остановки технологического процесса транспортировки рабочей среды, при этом устройство создает на стенку трубопровода нагрузку, эквивалентную повышению внутреннего давления транспортируемой среды, в диапазоне от величины текущего внутреннего давления до величины, не превышающей паспортное испытательное давление для трубопровода, при этом нагружение проводиться ступенями, с выдержкой под нагрузкой, со скоростью, обеспечивающей отсутствие акустических помех (шумов), при этом в процессе нагружения устройство измеряет и регистрирует параметры, по меньшей мере, сигналов акустической эмиссии, напряженно-деформированного состояния стенки испытуемого трубопровода, геометрические параметры испытуемого трубопровода, температурные параметры транспортируемой среды, стенки трубопровода и параметры создаваемого нагружения, по зарегистрированным параметрам определяется фактическая величина безопасного рабочего внутреннего давления в трубопроводе и оценивается опасность существующих дефектов в испытуемом трубопроводе к подъему внутреннего рабочего давления.

Технический результат (как устройство) достигается тем, что устройство для осуществления способа испытания трубопровода на безопасное рабочее внутреннее давление с оценкой опасности существующих дефектов в трубопроводе представляет собой автономный роботизированный комплекс, снабженный средствами перемещения и позиционирования в трубопроводе, которое производится по заданной координате либо по маркеру установленного на внешний поверхности трубопровода, при этом устройство содержит, по меньшей мере, жесткий несущий корпус, камеру нагружения, камеру высокого давления, измерительные кольца с системой датчиков, систему регистрации параметров с энергонезависимой памятью, насос высокого давления, систему шлангов высокого давления, емкость с рабочей жидкостью, колесные опоры, источник автономной энергии, аварийную систему защиты, герметичные боксы, при этом корпус представляет собой полый цилиндр, наружным диаметром меньше внутреннего диаметра трубопровода и присоединенного к нему конфузора и диффузора, обеспечивающие плавное сужение проточного сечения, с установленными, по меньшей мере, двумя измерительными кольцами, обладающими возможностью постоянной ориентации по направлению действия сил гравитации, при этом измерительные кольца содержат, по меньшей мере, датчики для измерения параметров акустической эмиссии, напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода, геометрических размеров трубопровода, внутреннего давления в трубопроводе, температуры стенки и внутренней среды трубопровода, и расположены равномерно по периметру измерительного кольца, кроме того, датчики акустической эмиссии в процессе нагружения испытуемого трубопровода находятся в контакте с внутренней поверхностью стенки трубопровода, который осуществляется через поверхность акустического преобразователя датчика либо через звуковод, при этом, по меньшей мере, система регистрации параметров с энергонезависимой памятью и источник автономной энергии расположены в герметичных боксах, кроме того, на корпус установлена камера нагружения, изготовленная из эластичного материала, стойкого к механическим повреждениям, которая в процессе испытания равномерно прижмется к внутренней поверхности стенки трубопровода, при этом внутри камеры нагружения установлена, по меньшей мере, одна эластичная, герметичная камера высокого давления, соединенная системой шлангов высокого давления с насосом высокого давления и с емкостью рабочей жидкости, которая в процессе испытания создает нагрузку, передаваемую через камеру нагружения на внутреннюю поверхность стенки трубопровода, при этом камера нагружения, камера высокого давления, емкостью с рабочей жидкостью содержит систему компенсации от избыточного давления транспортируемой среды, кроме того, для контроля процесса нагружения испытуемого трубопровода используются датчики, включенные в систему аварийного прекращения процесса испытания при локализации критически опасных дефектов в трубопроводе.

К недостаткам заявляемого изобретения можно отнести - низкую производительность, связанную с нормированной скоростью нагружения трубопровода при испытаниях. Увеличение производительности заявляемого изобретения может быть реализовано увеличением длины устройства для испытания и (или) использованием нескольких последовательно соединенных устройств вместе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Приложенные чертежи иллюстрируют только типовой вариант осуществления данного изобретения, и, следовательно, их не следует рассматривать как единственную реализацию заявляемого способа, поскольку изобретение может допустить другие варианты осуществления, имеющие равную эффективность.

На Фиг.1 схематично показано предлагаемое устройство для испытания трубопроводов на гарантированное рабочее давление в процессе его перемещения в трубопроводе, где:

1 - корпус устройства;

2 - камера нагружения;

3 - камера высокого давления;

4 - измерительное кольцо с датчиками;

5 - бокс для размещения оборудования;

6 - колесные опоры;

7 - трубопровод.

На Фиг.2 показан один из измерительных колец с равномерно расположенными на нем измерительными датчиками:

7 - трубопровод;

8 - датчик акустической эмиссии;

9 - датчик напряженно-деформированного состояния с измерением температуры стенки трубы;

10 - датчик измерения геометрических размеров.

На Фиг.3 схематично показано положение предлагаемого устройства в процессе испытания участка трубопровода.

Описанный выше способ и устройство, составляющие единый замысел, отвечающие требованиям новизны, неочевидности и промышленной применимости, предлагаются к правовой защите патентом на изобретение.

1. Способ испытания трубопровода на безопасное рабочее внутреннее давление с оценкой опасности существующих дефектов в трубопроводе, заключающийся в том, что устройство для испытания помещают в трубопровод, последовательно перемещают в нем, отличающийся тем, что устройство создает на стенку трубопровода нагрузку, эквивалентную повышению внутреннего давления транспортируемой среды, в диапазоне от величины текущего внутреннего давления до величины испытательного давления, при этом испытание трубопровода проводят без остановки технологического процесса транспортировки рабочей среды, ступенями (поэтапно) с выдержкой под нагрузкой, со скоростью, при которой отсутствуют акустические помехи (шумы), с одновременным измерением и регистрацией параметров, по меньшей мере, сигналов акустической эмиссии, напряженно-деформированного состояния испытуемого трубопровода, температуры транспортируемой среды, стенки трубопровода и параметров создаваемого нагружения, по результатам зарегистрированных параметров определяют фактическую величину безопасного рабочего внутреннего давления для трубопровода и оценивают опасность существующих дефектов металла труб и сварных соединений в испытуемом трубопроводе.

2. Устройство для осуществления способа испытания трубопровода на безопасное рабочее внутреннее давление с оценкой опасности существующих дефектов в трубопроводе представляет собой автономный роботизированный комплекс, состоящий из жесткого несущего корпуса, выполненного в виде полого цилиндра с наружным диаметром меньше внутреннего диаметра трубопровода и присоединенного к нему конфузора и диффузора, обеспечивающих плавное сужение проточного сечения, средств перемещения и позиционирования в трубопроводе, средств измерений и энергонезависимой регистрации параметров испытаний трубопровода, источника автономной энергии, расположенного в герметичном корпусе, отличающееся тем, что содержит эластичную камеру нагружения, которая в процессе испытания равномерно прижимается к внутренней поверхности стенки трубопровода, при этом внутри камеры нагружения расположена, по меньшей мере, одна эластичная, герметичная камера высокого давления, соединенная с гидравлической системой управления процессом нагружения, которая в процессе испытания создает нагрузку, передаваемую через камеру нагружения на внутреннюю поверхность стенки трубопровода.