semenova

навигация

главная
статьи
    трубопроводы
    базы данных
    образование
гостевая
ссылки

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ: ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ИЗОЛЯЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ ПРОЦЕССАМИ КОРРОЗИИ
И.И. Семенова


Тренажер - средство приобретения навыков, знаний, инструмент тренинга. С развитием компьютерных технологий использование тренажеров стало целесообразным и выгодным.
Актуальным является использование тренажерных систем в нефтегазовой промышленности, особенно в области транспортировки углеводородов. Аварийность на объектах транспортировки нефти и газа приводит к масштабному экологическому и экономическому ущербу. К тому же большое число участков "трубы" выработали свой ресурс [1] и необходима их полная замена. В условиях дефицита финансовых средств решение этой задачи в ближайшее время проблематично. Единственный путь сохранить существующую инфраструктуру транспортировки углеводородного сырья - изменить режимы работы перекачиваемых систем. За счет подбора режимов транспортировки нефти и газа можно продлить срок службы "трубы". Реализация этой идеи требует повысить квалификацию персонала, обеспечивающего перекачку продукта. Наиболее эффективно процесс приобретения необходимых навыков реализуется средствами тренажерного комплекса.
В качестве базового набора моделей используют модели оценки долговечности трубопровода с учетом влияния равномерной коррозии, внутреннего и внешнего давления. В качестве "проигрываемых" данных выбирается любое сочетание значений и диапазонов значений параметров систем, что позволяет выявить и усвоить взаимосвязь между параметрами и их влияния на долговечность трубопровода в целом.
Определение скорости внутренней и внешней коррозии выводится из базового уравнения [2]:
,(1)
где V - молярный объем металла (равный 7,1 см3 для стали с плотностью 7800 кг/мЗ);
R - универсальная газовая постоянная (R =8,314 Дж/(моль?К)); Т - абсолютная температура, К; - среднее напряжение, МПа; V и - соответственно скорости коррозии напряженного и ненапряженного металла, мм/год.
Значение устанавливается экспериментально при заданных условиях коррозионного воздействия среды и температуры.
Приведем несколько моделей определения времени до наступления предельного состояния трубы t (единица измерения - год) при различных начальных условиях в области упругих деформаций.
??? Возможны варианты использования толстостенных и тонкостенных труб. Первые отличаются от вторых …
1. Состояние толстостенной трубы под действием внутреннего и внешнего давления описывается формулами Ламе [2]:
;
; (2)
,
где - соответственно нормальные окружные, радиальные и осевые напряжения, т.е. проекции соответствующих напряжений на нормаль и поверхности трубы; - внутренний радиус трубы, мм; - наружный радиус трубы, мм; r - радиус произвольного слоя трубы (); - внутренне давление коррозийно-активной среды, МПа; - наружное давление коррозийно-активной среды, МПа.
Искомый параметр t, выражается с учетом (1) и (2):
(3)
где
- начальная скорость внутренней коррозии, мм/год; - начальная скорость наружной коррозии, мм/год; - среднее напряжение в предельном состоянии, МПа; - среднее напряжение в предельном состоянии, МПа; - среднее напряжение, МПа; - коэффициент использования несущей способности, безразм.
2. Толстостенные трубы под действием продольной силы, испытывают одноосное напряженное состояние при коррозии с внутренней поверхности:
, (4)
где - приращение внутреннего радиуса трубы, мм;
и характеризуется показателем долговечности:
(5)
3. Толстостенные трубы, нагруженные внутренним давлением агрессивной среды и продольной силой Q, наличие которой не изменяет величину окружных и радиальных напряжений в стенке трубы:
, (6)
, (7)
4. Тонкостенные трубы под действием внутреннего и внешнего давления коррозионных сред
Для длинной трубы (плоская деформация) под действием внутреннего и внешнего давлений напряженное состояние рассчитывают по следующим формулам:
; ; , (8)
??? где r - средний радиус трубы; - коэффициент Пуассона, безразм.
(9)
Представленные в [2] формулы динамики напряжений и скорости коррозии труб позволяет производить расчеты таких параметров, как: срок службы трубопровода в зависимости от коррозионной активности металла и , начальной толщины стенки и значения коэффициента использования несущей способности ; допустимые значения начальной скорости коррозии и при заданном (нормативном) сроке службы и ; начальная толщина стенок из условия обеспечения заданного срока службы при известных значениях - предел текучести, , , и ; коэффициент использования несущей способности при заданных значениях , - параметр толстостенности трубы в предельном состоянии, , , , и ; предельно допускаемое напряжение (т.е. выбирать марку стали с определенными физико-химическими свойствами) по величине нагрузки и заданным параметрам , , , .
Но представленные модели работают в области постоянных внешнего и внутреннего давления. В них также не учитывается влияние на время до разрушения трубы таких параметров , как: изоляционное покрытие, катодная защита, сезонные перепады температур и влажности, скачков внутреннего давления, а также не введено временной задержки развития коррозии (коррозионные дефекты, как правило, появляются не в начальный момент эксплуатации).
Введем в базовую модель (3) неучтенные параметры.
Влияние покрытий на процессы коррозии определим по их физико-химическим характеристикам и толщине нанесения на трубу. По данным [3], полученным в результате исследования трех видов покрытия (см. табл. 1.) следует, что зависимость между скоростью коррозии (а значит и степенью защищенности) трубы и толщиной покрытия не является прямо пропорциональной (зависит от свойств материала покрытия).

Таблица 1.
Коррозия трубопроводной стали в почве после трех лет испытаний

Вид изоляционного покрытия и толщина , мм Потери, г/дм2
Без покрытия 5,0250
Битуморезиновое:
3,00 0,0522
6,00 0,0010
Полихлорвиниловое:
Однослойное 0,35 0,0350
Двухслойное 0,70 0,0243
Полиэтиленовое:
Однослойное 0,35 0,0549
Двухслойное 0,70 0,0360

Экспоненциальная зависимость вида
(10)
удовлетворяет результатам испытаний при соответствующих коэффициентах a и b для каждого типа покрытия и при условии использования не более 3-х слоев изоляции. При скорость коррозии должна стремиться к 0, а формула (10) этого условия не отражает, хотя уменьшается в несколько тысяч раз по сравнению с . Выбор формулы (10) обоснован тем, что на практике использование даже более 3-х слоев изоляции экономически неоправданно [4], а при изменении толщины изоляции в этих пределах формула удовлетворяет всем требованиям уменьшения скорости коррозии.
Для нахождения параметров формулы для каждого вида покрытия необходимо решить три системы линейных уравнений. Системы состоят из двух уравнений, значения и которых соответствуют испытаниям с одним и двумя слоями изоляции. Значение для всех уравнений является одним и тем же и равно скорости коррозии в испытании без использования изоляции.
Решив системы уравнений, получим три зависимости для битуморезинового, ПХВ и полиэтиленового покрытия соответственно:
(11)
(12)
(13)
Введем обозначение:
(14)
Тогда формула (3) после преобразований запишется в виде:
(15)
Сравним результаты вычислений по формуле (3) без учета влияния изоляционного покрытия на скорость коррозии и по формуле (15) с учетом влияния изоляционного покрытия:
Исходные данные:
= 3?10 МПа; = 0.2 МПа; =500?700 мм; =0,2 мм/год - начальная скорость внутренней коррозии без учета механических напряжений; =12 мм - начальная толщина трубы ; =0,2; T=293 К; V=7 см3; R =8,314 Дж/моль.К; =0,5.


Рис. 1. Долговечность трубопровода без изоляционного покрытия
(=0 мм).

Рис 2. Долговечность трубопровода с битуморезиновым покрытием при =3 мм.

Сравнивая результаты, представленные на рис. 1 и 2, можно видеть, что учет в модели такого параметра, как изоляционное покрытие, существенно влияет на величину времени до наступления предельного состояния. В тренажерном комплексе, используя модели (3) и (15), обучаемый сможет проводить сравнительный анализ результатов вычислений, перебирать комбинации параметров для определения оптимального сочетания и т.п.


Литература

1. Епифанцев Б.Н., Семенова И.И. Об одной возможности продления срока службы трубопроводного транспорта// Омский научный вестник.-1999.-Вып.6.-С. 24-25.
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. Зиневич А.Н., Глазков В.Н., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии.- М.: Недра, 1975.- 288 с.
4. Бородавкин П.П. Подземные трубопроводы.- М.


Copyright © 2006 design: vasin anton