semenova

навигация

главная
статьи
    трубопроводы
    базы данных
    образование
гостевая
ссылки

Алгоритм оценки скорости внутренней и наружной коррозии магистральных трубопроводов по результатам аппаратной диагностики.
Семенова И.И. (кафедра АСОИУ, ОмГТУ)


На сегодняшний день основным источником энергии являются углеводороды. Наиболее экономичным видом транспорта нефти и газа являются магистральные трубопроводы. Но при всей привлекательности использования магистральных трубопроводов существует опасность аварий, которые наносят как экологический, так и экономический ущерб. Один из способов предотвращения аварий - прогнозирование аварийной ситуации. При этом около 25-30% аварий происходят по причине коррозионных дефектов металла трубы. Поэтому, если знать скорость коррозии наружной и внутренней поверхности, можно оценить время надежной эксплуатации трубопровода и момент времени, с которого вероятность аварий повышается на порядок.

Поскольку линейная часть магистрального трубопровода является объектом с распределенными параметрами, что обусловлено ее значительной протяженностью, то эти параметры имеют существенный разброс (большую зону неопределенности). При этом техническое состояние линейной части оказывается чувствительным к вариациям внешних условий (флуктуации температуры, давления перекачки продукта, концентрации химических реагентов коррозии, электрических токов и т.д.) и внутренних причин (флуктуации химического состава материала труб, прочностных свойств, состаренности металла труб и т.д.) [1].

Поэтому расчеты необходимо вести для единицы длины трубы и аппроксимировать их для участка трубопровода между сварными швами (это порядка 10,5 метров).

В модели определения скорости коррозии, которая берется за основу расчетов [2],

где V - молярный объем металла (равный 7,1 см3/моль для стали с плотностью 7800 кг/мЗ); R =8,314 Дж/(моль К); Т - абсолютная температура, К; бср - среднее напряжение, МПа,-
присутствует параметр vo - скорость коррозии в ненапряженном металле, мм/год. Данная величина определяется путем лабораторных испытаний образцов металла трубы. Но на предприятиях, занимающихся обслуживанием магистральных трубопроводов, может не быть специального оборудования для проведения исследований, а заказ данной работы сторонней организации может повлечь большие временные и экономические затраты. Поэтому необходимо данную величину определять другим способом. Такой способ видится в использовании результатов аппаратной диагностики, которые приведены к табличным данным, содержащим номер участка трубопровода и потери массы металла в результате коррозии. Имея такие данные, за весь период работы участка трубопровода (с момента ввода в эксплуатацию и до аппаратной диагностики) определяются режимы эксплуатации и вид напряженного состояния трубы, далее, согласно представленной ниже блок-схемы (рис. 1), выполняется определение начальных скоростей внутренней и наружной коррозии в ненапряженном металле v и v .

По полученным данным проводится прогноз дальнейшего поведения коррозионных дефектов с учетом реальных факторов, определяется "запас прочности" трубопровода (время безопасной эксплуатации при том же режиме) или подбираются параметры работы трубы для увеличения безопасного срока эксплуатации.

В качестве исходных данных об участке трубопроводе используются: дата ввода в эксплуатации, дата замен изоляционного покрытия, pв - внутреннее давление в МПа либо база данных по значениям давления на данном участке за исследуемый период эксплуатации, pн - давление наружное в МПа, Вв - внутренний диаметр трубы в мм, бт - предел текучести в МПа, so - исходная толщина стенки трубы в мм, Fн - отношение средних напряжений в начальный и конечный момент исследования, Т - абсолютная температура в К, V - молярный объем металла в см3/моль, тип и толщина изоляционного слоя ? в мм, параметры катодной защиты.

Из результатов аппаратной диагностики используются следующие данные: дата проведения диагностики, глубины наружного и внутреннего коррозионных дефектов Sн.э и Sв.э в мм, состояние изоляции в % износа, состояние катодной защиты.

Также определяются следующие входные параметры для настройки "чувствительности модели": предполагаемые исходные v и v , Ht и Htпр - шаг по времени и шаг по времени проверочный, в годах, HV 0в ,HV 0н - шаги увел/уменьшения начальной внутренней и наружной скорости коррозии в мм/год, Еps , Еps1 - погрешность и проверочная погрешность между расчетными и реальными значениями глубин каверн, коэффициенты поправки шагов увеличения/ уменьшения скоростей коррозии.

Рис. 1. (начало) Блок-схема определение скоростей внутренней и наружной коррозии по результатам аппаратной диагностики магистральных трубопроводов.

Рис. 1. (продолжение) Блок-схема определение скоростей внутренней и наружной коррозии по результатам аппаратной диагностики магистральных трубопроводов.

Рис. 1. (окончание) Блок-схема определение скоростей внутренней и наружной коррозии по результатам аппаратной диагностики магистральных трубопроводов.

где Sв и Sн - текущие внутренняя и наружная глубины каверн, расчетные, мм; tтек - текущее время в годах; rв , rн - внутренний и наружный радиус трубы на текущий момент.

Укрупненные блоки, представленные на рис. 1.:

Блок 1: "Дата ввода в эксплуатацию; дата проведения диагностики; определение дополнительных параметров".

Под определением дополнительных параметров понимается:
- определение вида действующих нагрузок с учетом тонкостенности/ толстостенности трубы;
- определение толщины изоляционного покрытия, мм; срок годности, лет; промежутки времени, через которые проводилась замена изоляционного покрытия; определение функции разрушения изоляционного слоя;
- определение параметров катодной защиты;
- среднесезонные температуры наружной среды;
- параметры функции переменного давления или база данных значений давления за период эксплуатации.

Блок 2: "Расчет tэ ".

Под расчетом tэ понимается определение количества лет в эксплуатации магистрального трубопровода с момента ввода в эксплуатацию по дату проведения аппаратной диагностики.

Блок 3: "Расчет бср, vв, vн".

Расчетное время приравнивается к нулю. Далее выполняются расчеты в цикле, пока расчетное время не сравняется со временем от начала эксплуатации до аппаратного обследования. В каждом цикле определяется среднее напряжение бср (МПа) на текущий момент времени, определяются скорости наружной коррозии vв (мм/год) и внутренней коррозии vн (мм/год) в напряженном металле трубы на данном участке времени, определяется изменение глубин наружной и внутренней коррозионных каверн [2] на данном участке времени, который численно равен величине шага увеличения времени.

Блок 4: "Расчет бср, vв, vн".

Данный блок выполняется аналогично предыдущему с той лишь разницей, что в качестве вместо шага по времени Ht используется шаг по времени проверочный Htпр .

Блок 5: "Корректировка предполагаемых начальных скоростей коррозии".

В зависимости от знака разности между расчетной и реальной глубиной каверн, выполняется изменение предполагаемой начальной скорости коррозии. Если модуль разности между расчетной и реальной глубиной внутренней каверны больше проверочной погрешности, а знак получаемой разности "+", то vов уменьшается на НV 0в, в противном случае, если знак получаемой разности "-", то vов увеличивается на НV 0в. Аналогичные действия выполняются по отношению к наружному дефекту.

Блок 6: "Корректировка НV 0в, НV 0н, vов, vон и поправок погрешностей".

Если расчетная глубина каверны получается со знаком минус, то шаг увеличения/ уменьшения начальной скорости коррозии уменьшается в два раза. Такая проверка выполняется для внутреннего и наружного дефекта.

Для ускорения процесса расчета первоначальные шаги увеличения/ уменьшения начальной скорости коррозии задаются "более грубыми". В процессе расчета проверяем попадание модуля разности расчетной и реальной глубины каверны в области приближения к результату с заданной погрешностью Eps(мм). После попадания в первую область приближения шаг увеличения/ уменьшения начальной скорости коррозии уменьшается в два раза. В дальнейших циклах будет проверяться попадание во вторую, третью… области приближения, пока модуль разности расчетной и реальной глубины каверны не станет меньше Eps. Подобная последовательность операций выполняется отдельно для наружной и внутренней каверн.

В зависимости от знака разности между расчетной и реальной глубиной каверн, выполняется изменение предполагаемой начальной скорости коррозии. Если модуль разности между расчетной и реальной глубиной внутренней каверны больше погрешности, а знак получаемой разности "+", то vов уменьшается на НV 0в, при этом, прежде чем изменить vов, проверятся разность vов - НV 0в. Если разность меньше нуля, то выполняется корректировка НV 0в.

Если модуль разности между расчетной и реальной глубиной внутренней каверны больше погрешности, а знак получаемой разности "-", то vов увеличивается на НV 0в. Аналогичные действия выполняются по отношению к наружному дефекту.

Приведем пример расчета на основе алгоритма (рис. 2).

Рис. 2. Определение начальных внутренней и наружной скоростей коррозии по результатам аппаратной диагностики.

В качестве модели расчета среднего напряжения в стенках трубы используется формула, выведенная из уравнений Ламе [2]. В качестве базового уравнения определения скорости коррозии используется формула (1), которая модифицируется при учете влияния изоляционного покрытия [3], катодной защиты, температурных перепадов и т.п. Трубопровод относится к толстостенным трубам. Из рис. 2 видно, что за время эксплуатации tэ =15,76438 лет начальные скорости наружной и внутренней коррозии были определены. Начальная внутренняя скорость коррозии vов =0,1959 мм/год, начальная наружная скорость коррозии vон =0,11613 мм/год.

По полученным данным проводится прогноз дальнейшего поведения коррозионных дефектов с учетом реальных данных, что позволяет оценить "запас прочности" трубопровода (в данном случае, время безопасной эксплуатации при том же режиме).

Рис. 3. Результаты моделирования времени работы трубы до наступления предельного состояния с применением различных теорий определения начала текучести материала.

Если проводить расчет долговечности, взяв за основу оценки предела коэффициент несущей способности (на рис. 3 график отображен сплошной тонкой линией), то при данных (рис. 2) время до наступления предельного состояния t=29,5925 лет или до начала апреля 2009 года.

Если проводить расчет долговечности, взяв за основу определение предельного напряжения согласно четвертой теории упругости (на рис. 3 график отображен сплошной жирной линией), то при данных (рис. 2) время до наступления предельного состояния составит t=28,627 лет или до последней декады апреля 2008 года.

Из двух величин выберем нижнюю границу (t=28,627 лет). В это время и далее вероятность аварии на трубопроводе существенно повышается и необходимо продумать мероприятия по профилактическим работам и предупреждению возможной аварии

Таким образом, с учетом надежности рассчитанных участков магистральных трубопроводов можно определить приоритеты в очередности профилактического осмотра участков трубопровода, подобрать параметры эксплуатации, при которых срок безопасной эксплуатации будет существенно продлен.


Литература
  1. Старение труб нефтепроводов/ Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С., Ямалеев К.М., Росляков А.В.- М.: Недра, 1995.- 218 с.
  2. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозийного износа/ Гутман Э.М., Зайнуллин Р.С., Шаталов А.Т. и др.- М.: Недра, 1984.- 76 с.- (Сер.: Надежность и качество).
  3. Семенова И.И. Компьютерные тренажеры в нефтегазовой отрасли: оценка долговечности магистральных трубопроводов с изоляционным покрытием, обусловленной процессами коррозии.- Омский гос. техн. ун-т.- Омск, 2001.- 8 с.: ил.- Библиогр.: 4 назв. - Деп. в ВИНИТИ 06.04.2001, № 892-В2001.

Copyright © 2006 design: vasin anton