Расчет ресурса действующих стальных трубопроводов по остаточной толщине стенки

12 мая 2016 г.

Вопросы расчета остаточного ресурса действующих стальных трубопроводов созвучны с определением исходной толщины стенки трубопровода. Актуальность подобных задач не подлежит сомнению для большинства коммунальных объектов в городах России, где в системах водоснабжения традиционно применяются стальные трубопроводы. Например, при протяженности трубопроводов городской водопроводной сети Москвы более 11 тыс. км около 72% трубопроводов представлены стальными трубами, 26% — чугунными и лишь 2% — железобетонными, полиэтиленовыми и поливинилхлоридными трубами. При нормативном сроке службы стальных трубопроводов 20 лет средний возраст стальных трубопроводов московского водопровода составляет 24 года, чугунных — 41 год. Сложившаяся ситуация приводит к росту отказов трубопроводной сети. Анализ причин отказов трубопроводов показывает, что наиболее часто встречающимися повреждениями на стальных трубах являются свищи, которые вызваны воздействием внешней и внутренней коррозии труб. Наибольшее количество аварий (примерно 90%) приходится на трубопроводы водопроводной сети малых диаметров (100-300 мм) по причине относительно малой толщины стенки труб.

В качестве мероприятий, содействующих продлению срока службы старых стальных трубопроводов, прежде всего, необходимо рассматривать их бестраншейный ремонт различными методами. Однако прежде чем осуществлять ремонтно-восстановительные работы и выбирать наиболее эффективный вариант реновации трубопроводов проектировщики должны выявить их остаточный ресурс, во многом зависящий от физического состояния участка сети на момент принятия решения о реновации.

Под остаточным ресурсом (остаточным сроком службы) понимается наработка трубопровода от момента его диагностирования до достижения предельного состояния. Остаточный ресурс следует отличать от времени последующей диагностики технического состояния. Остаточный ресурс как случайная величина характеризуется численными параметром наработки и вероятности того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто.

Для определения остаточного ресурса необходимо знать:

  • определяющие техническое состояние объекта параметры, изменение которых может привести к предельному состоянию (например, остаточную толщину стенки трубопровода);
  • величину следующих параметров на момент диагностирования: внутренней коррозии, происходящей за счет изменения качественных показателей транспортируемой воды, негативно воздействующей на внутренние стенки трубопровода; наружной почвенной коррозии, в том числе в местах нарушения сплошности антикоррозионного покрытия; коррозионной активности грунтов, окружающих трубопровод;
  • скорость изменения перечисленных выше параметров в течение дальнейшего диагностирования и эксплуатации трубопроводной сети.

Математически техническое состояние объекта, для которого производится расчет остаточного ресурса, может быть описано с помощью линейных, степенных, логарифмических или экспоненциальных зависимостей. Например, для определения остаточного ресурса объекта при воздействии общей коррозии наиболее приемлема экспоненциальная модель.

Для стальных городских водопроводных и напорных водоотводящих сетей наиболее приемлемой оценкой состояния является уменьшение толщины (утонение) стенки в результате общей (фронтальной) и язвенной (питинговой) коррозии, а также эрозионного износа стенок трубопровода транспортируемой жидкостью до величины, ниже которой не обеспечивается запас прочности.

Сущность проблемы оценки остаточного ресурса трубопровода во времени в зависимости от толщины стенки состоит в комплексном анализе изменения толщины стенки и влияния на участок трубопровода внешних обстоятельств, нагрузок и воздействий, связанных, в частности, с местом расположения трубопровода по отношению к транспортной инфраструктуре, глубиной его залегания, наличием подземных вод по трассе, характеристикой грунта, сроками эксплуатации отдельных участков сети и т. д., а также в сопоставлении величин:

  • расчетной требуемой толщины стенки трубопровода dрасч.тр
  • проектной толщины стенки dпрoeкт (согласно ГОСТ на соответствующий диаметр трубы и марку стали);
  • остаточной толщины стенки dост (как результата проявления коррозионных процессов на внутренней и внешней поверхностях трубопровода во времени).

Расчетная минимальная толщина стенки принимается на основании упрощенного метода или комплексного прочностного расчета с использованием данных по диаметрам трубопроводов и окружающей обстановке, а проектная толщина стенки определяется как толщина стенки трубы заводского изготовления, выполненной в соответствии с ТУ. Остаточная толщина стенки соответствует ее толщине после n-го количества лет эксплуатации участка трубопровода. Она определяется по результатам регулярной диагностики (толщинометрии) или специальных натурных диагностических исследований, назначаемых в экстренных ситуациях.

При определении ресурса трубопровода используются следующие расчетные зависимости:

  • для определения средней скорости коррозии V, мм/год

V=(dпроект -dост) / N [год],

где N — срок эксплуатации трубопровода до момента определения толщины стенки, год; dпроект — проектная толщина стенки, мм;

  • для определения остаточного ресурса Nост, год

Nост =(dост - dост*) / К [ год],

где dост — остаточная толщины стенки, мм; dост* — остаточная толщина стенки, при которой не соблюдаются установленные граничные условия по первому предельному состоянию (допустимым растягивающим напряжениям в лотке) или по второму предельному состоянию (допустимым деформациям в своде).

От величины остаточного ресурса трубопровода напрямую зависит метод его реновации.

Если трубопровод имеет достаточно большой остаточный ресурс (как правило, более 10 лет), то в качестве метода его восстановления может рассматриваться нанесение набрызговых защитных покрытий (цементно-песчаного или полимерного). Эти покрытия будут обеспечивать герметичность трубной конструкции, но не повысят ее несущую способность. В случае, если трубопровод имеет значительные свищевые повреждения и величина его остаточного ресурса значительно менее 10 лет, наиболее приемлемым методом бестраншейного ремонта может являться протягивание в трубопровод полимерной трубы или наложение сплошного внутреннего защитного покрытия из полимерных материалов, что будет обеспечивать повышение несущей способности двухслойной трубной конструкции.

Расчет остаточного ресурса участка действующего ветхого стального трубопровода по толщине стенки и скорости коррозии осуществляется с помощью автоматизированной программы, первое диалоговое окно которой представлено на рисунке ниже.

Диалоговое окно

3.28

Примечания:

  • в случае отсутствия информации по (высота грунтовых вод над лотком трубы) необходимо предварительное проведение инженерно-геологических изысканий (например, шурфования), а при невозможности их организации следует принять величину залегания вод равной глубине залегания трубопровода, что увеличит запас прочности;
  • объемный вес грунта определяется по типу превалирующего грунта вдоль трассы трубопровода (для песка — 1,5 т/м3; суглинка — 1,7; глины — 1,9; скальных пород — 2,1 т/м3);
  • при отсутствии сведений них необходимо проставить нули (в данном случае расчет по язвенной коррозии производиться не будет).

Работа с программным комплексом начинается с нажатия кнопки Исходные данные и ввода требуемой исходной информации, рисунок выше.

После введения исходных данных нажимают кнопку Ok и на экране дисплея снова появляется первое диалоговое окно. При нажатии на соответствующие кнопки на экране появляются результаты прочностного расчета по предельным состояниям и информация об остаточной толщине стенки, которая обеспечивает («ресурс не исчерпан») или не обеспечивает («ресурс исчерпан») несущую способность трубы.

В качестве исходных данных входной информации (рисунок выше) представляются следующие сведения:

  • внешний диаметр участка трубопровода, м;
  • глубина залегания трубопровода (от поверхности земли до лотка), м;
  • высота грунтовых вод над лотком трубы, м;
  • внутреннее давление воды в трубопроводе, м вод. ст. или т/м2;
  • проектная (начальная) толщина стенки трубопровода, мм;
  • остаточная толщина стенки трубопровода (по данным диагностики), мм;
  • продолжительность эксплуатации трубопровода до диагностики, лет;
  • объемный вес материала трубы, т/м3;
  • объемный вес грунта, т/м3;
  • объемный вес транспортируемой воды, т/м3;
  • глубина дефекта в зоне максимальных повреждений, мм;
  • наибольший размер (диаметр) коррозионной язвы по верхней кромке дефекта, мм;
  • фактическое время с момента появления дефекта (по данным диагностики), лет.

В качестве справочных данных входной информации вводятся следующие сведения:

  • предел текучести стали, МПа;
  • модуль упругости стали, т/м2;
  • модуль деформации грунтового массива, т/м2;
  • коэффициент Пуассона для стали;
  • коэффициент Пуассона для грунта;
  • продольные предельные наклоны земной поверхности;
  • продольные деформации земной поверхности.

Выходная информация представляется в виде трех форм:

  • форма 1 — результаты расчета остаточного ресурса при воздействии общей коррозии;
  • форма 2 — результаты расчета остаточного ресурса при воздействии питтинговой (язвенной) коррозии;
  • форма 3 — определение остаточного ресурса.

Форма 1 (воздействие общей коррозии)

При составлении формы 1 используются результаты расчета по первому предельному состоянию (прочности в лотке) —А, второму предельному состоянию (деформациям в своде) — Б и проверке на устойчивость с учетом пластических деформаций — В.

А. Расчет по первому предельному состоянию предусматривает определение:

  • растягивающих напряжений от собственного веса трубы, МПа;
  • сжимающих напряжений от грунтовых вод, МПа;
  • растягивающих напряжений от внутреннего давления воды, МПа;
  • контактных напряжений от горного давления с учетом колесных нагрузок, МПа;
  • суммарных значений контактных и растягивающих напряжений (∑σ0), МПа.

Для детального анализа динамики изменения величин напряжений выходная информация также должна включать сведения о следующих промежуточных параметрах расчета:

  • контактных напряжениях, т/м2: Q1, А1, S1
  • приведенном объемном весе, т/м3;
  • нагрузках на контуре горной выработки, т/м:P0, P2

По результатам расчетов по первому предельному состоянию делаются соответствующие выводы:

  • остаточная толщина стенки обеспечивает несущую способность трубы (∑σ0<Ry для стали, т.е. 270 МПа) — ресурс не исчерпан;
  • остаточная толщина стенки не обеспечивает несущую способность трубы (∑σ0<Ry для стали, т. е. 270 МПа) — ресурс исчерпан.

Б. Расчет по второму предельному состоянию предусматривает определение деформаций в своде:

  • от собственного веса трубы, м;
  • от внешнего давления грунтовых вод, м;
  • от внутреннего давления с учетом наличия грунтовой воды, м;
  • от горного давления с учетом колесных нагрузок, м;
  • суммарных деформаций (∑U), м.

Выводу на печать подлежат также расчетные данные по допустимым наклонам (Uп.накл) и деформации земной поверхности (Uп.деф), м.

По результатам расчетов по второму предельному состоянию делаются выводы:

  • остаточная толщина стенки обеспечивает несущую способность трубы (∑U<Uп.накл и Uп.деф) — ресурс не исчерпан;
  • остаточная толщина стенки не обеспечивает несущую способность трубы (∑U>Uп.накл и Uп.деф) — ресурс исчерпан.

В. По результатам проверочных расчетов на устойчивость с учетом пластических деформаций делаются выводы:

  • остаточная толщина стенки обеспечивает несущую способность трубы (Ркр > Нв) — ресурс не исчерпан;
  • остаточная толщина стенки не обеспечивает несущую способность трубы (Ркр < Нв) — ресурс исчерпан.

Если хотя бы по одному из трех состояний (А, Б, В) ресурс исчерпан, то в выходной форме 1 делается общий вывод: ресурс трубопровода исчерпан — требуется его замена.

В случае, если ресурс не исчерпан, производится расчет остаточного ресурса с выводом на распечатку следующей информации:

  • средняя скорость коррозии, мм/год;
  • предельно допустимая толщина стенки (с учетом трех предельных состояний), мм;
  • ожидаемая величина остаточного ресурса при общей коррозии, год.

Форма 2 (воздействие питтинговой (язвенной) коррозии)

При составлении формы 2 должны быть учтены исходные паспортные данные по глубине дефекта в зоне максимальных повреждений, наибольшим размерам (диаметрам) коррозионных язв по верхней кромке дефекта и фактическому времени с момента появления дефекта (по данным диагностики). Если данная информация отсутствует, то форма 2 обнуляется, и расчет не производится.

При составлении формы 2 используются результаты расчета по первому предельному состоянию (прочности в лотке) с учетом остаточной толщины стенки, являющейся следствием влияния питтинговой (язвенной) коррозии.

Расчет, по первому предельному состоянию предусматривает определение:

  • растягивающих кольцевых напряжений от собственного веса трубы, МПа;
  • кольцевых напряжений от грунтовых вод, МПа;
  • кольцевых напряжений от внутреннего давления воды, МПа;
  • контактных напряжений от горного давления с учетом колесных нагрузок, МПа;
  • суммарных значений кольцевых напряжений (∑Pфакт ), МПа.

Для детального анализа динамики изменения величин напряжений выходная информация также должна включать сведения о следующих промежуточных параметрах расчета:

  • контактных напряжениях, т/мг: Q1, А1, S1
  • приведенном объемном весе, т/м3;
  • нагрузках на контуре горной выработки, т/м2: Р0, Р2.

По результатам расчетов по первому предельному состоянию делаются соответствующие выводы:

  • остаточная толщина стенки обеспечивает несущую способность трубы (∑Pфакт < 0,75 σm для стали, т. е. 270 МПа) — ресурс не исчерпан;
  • остаточная толщина стенки не обеспечивает несущую способность трубы (∑Pфакт > 0,75 σm для стали, т. е. 270 МПа) — ресурс исчерпан.

Если ресурс трубопровода исчерпан, то в выходной форме 2 делается общий вывод: ресурс трубопровода исчерпан — требуется его замена.

В случае, если ресурс не исчерпан, производится расчет остаточного ресурса с выводом на принтер следующей информации:

  • критическая глубина дефекта при действующих напряжениях, мм;
  • скорость роста дефекта в плоскости трубы, мм/год;
  • средняя скорость общей коррозии, мм/ год;
  • суммарная скорость коррозии, мм/год;
  • остаточный ресурс при питтинговой (язвенной) коррозии, год.

Форма 3 (определение остаточного ресурса)

Распечатки по форме 3 должны содержать обобщающие выводы по остаточному ресурсу участка трубопровода. Результирующая информация отражает величину остаточного ресурса трубопровода при общей (фронтальной) и язвенной (питтинговой) коррозии. На основании сравнения полученных величин автоматически выбирается наименьшее значение, которое рассматривается как остаточный ресурс:

  • ресурс трубопровода при общей (фронтальной) коррозии, год;
  • ресурс трубопровода при язвенной (питтинговой) коррозии, год;
  • наименьший ресурс участка трубопровода, год. 

В таблице ниже представлена примерная распечатка результатов автоматизированного расчета.

Распечатка результатов по форме №3

Форма № 3

Определение остаточного ресурса

Ресурс трубопровода при общей (фронтальной) коррозии = 0,00 лет

Ресурс трубопровода при язвенной (питтинговой) коррозии = 2,64 года

Наименьший ресурс трубопровода = 0,00 лет

Полученные данные являются базовыми для принятия решения о дальнейшей эксплуатации действующего трубопровода.

На практике при исследовании состояния участков сети объекты с нулевым остаточным ресурсом рассматриваются как первоочередные для восстановления (реконструкции), а с ненулевым — как потенциальные для ремонтно-восстановительных работ в отдаленной перспективе.

В рассматриваемом примере стальной трубопровод должен подлежать замене или реновации, например, путем предварительного разрушения и протаскивания на место старого трубопровода (с помощью бестраншейной технологии) полимерной трубы идентичного диаметра. Другой бестраншейной технологией может служить протаскивание полимерной трубы меньшего диаметра в старую без ее разрушения или, как альтернатива, нанесение на внутреннюю поверхность старого трубопровода полимерного рукава (чулка) с соответствующей толщиной стенки. После полимеризации плотно прилегающего к стенке рукава старого трубопровода образуется самостоятельная двухслойная несущая конструкция, противодействующая всем нагрузкам на восстановленный трубопровод.