Способ определения остаточного ресурса трубопровода

Изобретение относится к диагностике трубопроводов для оценки их остаточного ресурса. Способ определения остаточного ресурса трубопровода может быть применен для определения остаточного ресурса трубопровода в напорных трубопроводах круглого сечения. Исходными данными для определения остаточного ресурса являются относительные деформации, получаемые с экстензометров, и величины давления внутри трубопровода, получаемые с датчиков давления. Способ определения остаточного ресурса трубопровода заключается в том, что в трубопроводе выявляют зону с потенциально пониженным ресурсом, в этой зоне определяют место, устанавливаются экстензометры и датчик давления, на основе показаний которых непрерывно производится расчет остаточного ресурса.

 

Изобретение относится к диагностике трубопроводов и может быть использовано при оценке остаточного ресурса трубопроводов в процессе эксплуатации.

Известен способ определения остаточного ресурса металла труб магистрального трубопровода, предназначенных для повторного использования (патент РФ №2226681, кл. G01N 3/00, от 19.08.2002 г.). Такой способ включает в себя контроль неразрушающими методами, изготовление образцов, проведение механических испытаний и определение остаточного ресурса. При этом трубы распределяют в партию одной марки стали, одного диаметра и толщины стенки, отбирают от партии трубы с максимальными диаметрами, выбирают из них неразрушающими методами контроля трубу с максимальными средними значениями твердости и коэрцитивной силы для изготовления образцов и проведения механических испытаний двух равных групп образцов, одну из которых предварительно подвергают термообработке, а остаточный ресурс достижения нормативных значений механических свойств металла труб определяют расчетным путем.

Основным недостатком данного способа является косвенный характер определения остаточного ресурса и связанные с ним значительные погрешности.

Известен способ определения остаточного ресурса трубопроводов (патент РФ №2413195, кл. G01N 3/00, от 20.07.2009 г.), относящийся к обеспечению безопасной эксплуатации трубопроводов длительной эксплуатации в нефтяной и газовой промышленности. Из контролируемого участка вырезают образцы, свидетельствующие о ресурсе трубопровода. Образцы вырезают из наименее подверженных износу участков трубопровода, причем половину образцов подвергают отжигу, а вторую половину оставляют в исходном состоянии. Обе части образцов - исходный (отожженный) и неотожженный - подвергают испытаниям (статическим и усталостным) и проводят сравнительный анализ, а по результатам испытаний определяют по формуле остаточный ресурс.

Недостатками данного способа является большая трудоемкость и разрушающий метод определения остаточного ресурса трубопроводов.

Известен способ диагностики технического состояния магистрального трубопровода (патент РФ №2423644, кл. F17D 5/06, от 23.09.2009 г.). Способ относится к трубопроводному транспорту и может быть использован для прогнозирования появления опасного состояния магистрального трубопровода, например при переходах магистрального трубопровода через дороги или в местах пересечений нескольких трубопроводов. Способ диагностики технического состояния магистрального трубопровода заключается в контроле с помощью датчика линейных деформаций величины напряженно-деформированного состояния трубопровода, а с помощью датчика акустической эмиссии - уровня акустической эмиссии от развивающихся дефектов трубопровода. Величину напряженно-деформированного состояния трубопровода и уровень акустической эмиссии от развивающихся дефектов трубопровода измеряют одновременно с последующим определением величины коэффициента корреляции между измеренными величинами и при превышении коэффициентом корреляции заданного порогового значения диагностируют угрозу опасного состояния магистрального трубопровода.

Недостатком данного способа является низкая точность прогнозирования остаточного ресурса магистрального трубопровода.

Цель изобретения - снижение трудоемкости и повышение точности определения времени до разрушения трубопровода.

Цель достигают тем, что в трубопроводе выявляют зону с потенциально пониженным ресурсом, в этой зоне определяют место установки датчика давления и четырех розеток экстензометров, на основе показаний которых непрерывно производится расчет остаточного ресурса сечения трубопровода.

Исходными данными для определения остаточного ресурса являются относительные деформации, получаемые с экстензометров, и величины давления внутри трубопровода, получаемые с датчика давления.

Расчет остаточного ресурса трубопровода производится следующим образом.

Для каждой из четырех розеток экстензометров, установленных в исследуемом сечении, решается система уравнений:

где ε₀ - относительная деформация, измеренная экстензометром, направленным вдоль оси трубы;

ε₉₀ - относительная деформация, измеренная экстензометром, направленным по касательной к диаметру трубы;

ε₄₅ - относительная деформация, измеренная экстензометром в направлении 45° к оси трубы;

ε_t - относительная деформация трубы в окружном направлении;

ε_z - относительная деформация трубы в осевом направлении;

ε_r - относительная деформация трубы в радиальном направлении;

γ - относительная деформация кручения трубы.

В данной системе известными являются величины ε₀, ε₉₀ и ε₄₅, которые измеряются экстензометрами. Решив данную систему, вычисляются величины относительных деформаций ε_z, ε_t и γ на наружной поверхности трубы (при радиусе R) для четырех точек данной поверхности. Таким образом, в результате рассчитываются 12 величин относительных деформаций, а именно ε_z1,2,3,4, ε_t1,2,3,4 и γ_1,2,3,4, где индексы 1-4 обозначают номер точки, в которой получено значение деформации. Причем введем обозначения таким образом, что точки 1 и 3 противоположны друг другу, соответственно точки 2 и 4 также противоположны друг другу.

Далее находится распределение деформаций по наружной и внутренней поверхностям трубы из следующих уравнений:

где μ - коэффициент Пуассона;

Е - модуль Юнга, МПа;

р - избыточное давление в трубе, МПа;

r - внутренний радиус трубы, мм;

R - наружный радиус трубы, мм;

ϕ - угловая координата, рад;

ε_э(R,ϕ) - эквивалентная относительная деформация для наружной поверхности трубы;

ε_э(r,ϕ) - эквивалентная относительная деформация для внутренней поверхности трубы.

За положительное направление угловой координаты принято направление от точки 2 к точке 1 по кратчайшему пути. При этом ϕ=0 в точке 2.

Затем вычисляется эквивалентная относительная деформация для наружной и внутренней поверхностей трубы:

Для вычисления по приведенным выше функциям (12) и (13) необходимо определить n точек наружной и внутренней поверхности сечения исследуемого трубопровода. Для каждой из этих точек по результатам предыдущих циклов расчета находятся локальные максимумы и минимумы эквивалентной относительной деформации ε_max,j и ε_min,j, где j=1…n. Затем вычисляются характеристики локального цикла нагружения в каждой из точек:

где ε_max - локальный максимум по времени эквивалентной относительной деформации;

ε_min - локальный минимум по времени эквивалентной относительной деформации.

Затем находится эквивалентная относительная деформация цикла ε_эц для каждой точки:

где σ_-1 - предел выносливости при симметричном цикле, МПа;

σ₀ - предел выносливости при пульсирующем цикле, МПа.

Число циклов N_эц для каждой точки внутренней и наружной поверхности, которое может выдержать участок трубопровода при данном типе нагружения, определяется из уравнения Морроу-Мэнсона:

Здесь:

- ε_ƒ - усталостная вязкость (значение амплитуды пластической деформации, при котором разрушение (отказ) произойдет в ходе одного полуцикла нагружения при условии отсутствия упругих деформаций)

-ψ - относительное сужение материала при разрыве;

- σ_ƒ - усталостная прочность (значение амплитуды напряжений, при котором разрушение (отказ) произойдет в ходе одного полуцикла нагружения при условии отсутствия пластических деформаций)

- b - экспонента усталостной прочности (экспонента Басквина)

- с - экспонента усталостной вязкости

Далее вычисляем накопленные повреждения в каждой точке:

где - величина накопленных повреждений, определяемая в ходе текущего цикла расчета;

- величина накопленных повреждений, определенная в ходе предыдущего цикла расчета.

Из вычисленных величин накопленных повреждений для каждой из отдельных точек внутренней и наружной поверхностей трубопровода в данном сечении находится максимум:

Величина израсходованного ресурса в часах для исследуемого трубопровода в данном сечении определяется согласно выражению:

где T_{службы.норм} - нормативный срок службы трубопровода, ч.

Величина остаточного ресурса определяется согласно выражению:

Пример осуществления изобретения.

Дан участок трубопровода длиной 4,5 м круглого сечения, диаметром Д_у=100 мм (R=57 мм, r=50 мм). Характеристики материала трубы (сталь 20):

Е=212000 МПа;

μ=0,33;

σ_-1=193 МПа;

σ₀=320 МПа;

ψ=0,5;

σ_в=412МПа.

В среднем сечении трубопровода установлены четыре розетки экстензометров и один датчик давления. В начальный момент времени все относительные деформации равны нулю.

В среднем участке исследуемого трубопровода приложена нагрузка, изменяющаяся циклически от 0 до 9450 Н, которая создает изгибное усилие, что соответствует прогибу трубопровода в средней части на 0-25 мм соответственно. При этом рассматривается 2⋅10⁸ циклов нагружения трубопровода.

При этом величины относительной деформации, зарегистрированные розеткой экстензометров при максимальном прогибе, соответствуют:

Величина давления в трубопроводе равнялась 0,5 МПа.

Для розеток №1 и №2 после подстановки величин ε₀, ε₄₅ и ε₉₀ из (1)-(3) получаем:

и ее решение:

ε_z=7,0⋅10^-4;

ε_t=-3,5⋅10^-6;

γ=-6,23⋅10^-7.

Для розеток №3 и №4 система уравнений будет выглядеть следующим образом:

и ее решение:

ε_z=-7,0⋅10^-4;

ε_t=3,5⋅10^-6;

γ=3,77⋅10^-7.

В результате решения приведенных выше систем уравнений получена совокупность относительных деформаций ε_z, ε_t и γ из 12 величин:

Подстановкой этих значений в (4)-(11) получаем следующую систему уравнений:

.

Далее находятся эквивалентные относительные деформации для наружной и внутренней поверхностей трубы согласно (12)-(13):

;

На наружной и внутренней поверхности сечения исследуемого трубопровода выбираем 8 точек (n=8), отстоящие друг от друга на 45 градусов (или π/4). Поскольку рассматривается первый цикл расчета, то для всех точек ε_min,j=0, a ε_max,j равняется значению функции ε_э(R, ϕ) для наружной поверхности и ε_э(r, ϕ) для внутренней поверхности. Эти значения равны:

Таким образом, при подстановке этих значений в (14)-(15), получаем следующие результаты:

Для уравнения Морроу-Мэнсона коэффициенты согласно (18)-(21) равны:

Количество циклов N_эц для каждой рассматриваемой точки трубопровода, рассчитанное по (17), составляет:

Накопленные повреждения, согласно (22), в каждой точке составляют:

Как видно из этих данных, максимальная величина накопленных повреждений наблюдается в точке №6 и составляет для одного полуцикла нагружения:

.

Величина израсходованного ресурса в часах по (24), учитывая, что нормативный срок службы составляет 25 лет (ГОСТ 27751-2014), то есть 25⋅8760=219 000 ч, а количество полуциклов нагружения N_цп равно 4⋅10⁸:

Величина остаточного ресурса Т_ост согласно (25) составляет:

219000 ч - 152950 ч = 66050 ч или 7,5 года.

Таким образом, предложенный способ позволяет полнее использовать ресурс трубопровода без риска его отказа.

Способ определения остаточного ресурса трубопровода, при котором исходными данными для определения израсходованного ресурса являются относительные деформации и величины давления внутри трубопровода, отличающийся тем, что в трубопроводе выявляют зону с потенциально пониженным ресурсом, в этой зоне определяют место установки датчика давления и экстензометров, на основе показаний которых непрерывно производится расчет остаточного ресурса согласно выражению:

T_ост=T_{службы.норм}-T,

где T_{службы.норм} - нормативный срок службы трубопровода;

Т - величина израсходованного ресурса в данном сечении трубопровода, которая определяется согласно выражению:

- накопленные повреждения:

- величина накопленных повреждений, определяемая в ходе текущего цикла расчета;

- величина накопленных повреждений, определенная в ходе предыдущего цикла расчета;

N_эц - число циклов, которое может выдержать участок трубопровода при данном типе нагружения, определяется из уравнения Морроу-Мэнсона:

где - усталостная вязкость (значение амплитуды пластической деформации, при котором разрушение (отказ) произойдет в ходе одного полуцикла нагружения при условии отсутствия упругих деформаций)

ψ - относительное сужение материала при разрыве;

- усталостная прочность (значение амплитуды напряжений, при котором разрушение (отказ) произойдет в ходе одного полуцикла нагружения при условии отсутствия пластических деформаций)

b - экспонента усталостной прочности (экспонента Басквина)

с - экспонента усталостной вязкости