На правах рукописи

Зубаилов Гаджиахмед Исмаилович ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Специальности:

25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2007

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Институт проблем транспорта энергоресурсов (ГУП ИПТЭР), г. Уфа Научный руководитель - доктор технических наук Гумеров Кабир Мухаметович Научный консультант - доктор технических наук Пашков Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Ямалеев Ким Масгутович - кандидат технических наук, доцент Худяков Михаил Александрович Ведущее предприятие - ЗАО Научно-технический центр Технология, экспертиза и надёжность, г. Уфа

Защита состоится 25 января 2008 г. в 15оо часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП Институт проблем транспорта энергоресурсов по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП Институт проблем транспорта энергоресурсов.

Автореферат разослан 24 декабря 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Л.П. Худякова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Роль газораспределительных сетей для народного хозяйства и населения страны трудно переоценить. По этим сетям доставляется природный газ непосредственным потребителям: металлургическим комбинатам, электростанциям, другим промышленным, бытовым предприятиям, многомиллионному населению страны. Газоснабжение является таким же необходимым атрибутом современной цивилизации, как электро- и водоснабжение, транспорт и связь. Протяжённость трубопроводов газораспределительных сетей в России сегодня превышает 840 тысяч км. Из них трубопроводы протяженностью более 380 тысяч км являются подземными стальными и испытывают помимо рабочих нагрузок коррозионноагрессивное воздействие грунта и блуждающих токов. Срок эксплуатации этих трубопроводов в южных и центральных регионах страны достиг 50Е55 лет. Заменить их в массовом порядке практически нереально. Возможности ремонта также сильно ограничены, особенно в густонаселённых районах. Продолжать эксплуатацию трубопроводов без достаточного обоснования их безопасности недопустимо.

С принятием Федерального закона О промышленной безопасности опасных производственных объектов актуальность данной проблемы обострилась. Стали обязательными обследование и экспертиза безопасности трубопроводов со сроком эксплуатации 40 и более лет. Однако, как оказалось, нормативная база для организации таких работ была очень слаба.

Действовавший документ, который регламентировал порядок обследования и принятия решения о продлении срока эксплуатации трубопроводов (РД 204 РСФСР 3.3-87), основывался на так называемой балльной оценке технических характеристик трубопровода. Продлеваемый срок эксплуатации хотя и определялся по шкале набранных баллов, но сильно зависел от субъективного мнения человека, производящего оценку. Расчёты остаточного ресурса с учётом реальных механизмов и физических явлений, происходящих с трубопроводом в заданных условиях, не выполнялись.

Чтобы ликвидировать этот и другие недостатки, был разработан РД 12-411-2002 Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов, который отвечал духу времени и предусматривал оценку остаточного ресурса расчётным путём на основе результатов приборного обследования трубопроводов с учётом происходящих деградационных процессов. В разработке документа принимал участие и автор настоящей диссертационной работы. С созданием в стране Системы промышленной безопасности данный документ получил очень широкую известность и распространение. С момента его утверждения до сегодняшнего дня накоплен колоссальный опыт диагностики газораспределительных трубопроводов. Проблемой занимались десятки экспертных организаций и диагностических центров. Только ОАО ГИПРОНИИГАЗ обследовало более 1,6 тыс. км газопроводов со сроком службы более 40 лет и определило расчётным путём остаточный срок службы от 2 до 17 лет в зависимости от износа.

Опыт показал, что данный документ действительно является прогрессивным. Но накопилось достаточно много частных вопросов, замечаний, предложений, которые высказывались известными учёными на разных форумах и опубликованы в научных изданиях. Предложения появились и у самих разработчиков данного документа. Некоторые требования документа оказались излишне консервативными, другие потребовали корректировки. Таким образом, появилась необходимость обобщить накопленный опыт, проанализировать предложения и усовершенствовать научные основы обследования и экспертизы безопасности газопроводов.

Опасность старых газопроводов в том, что они проложены в населённых пунктах, входят в жилые дома и предприятия. Хотя давление и снижено, сам газ остаётся опасным продуктом, горючим и взрывоопасным.

Можно себе представить последствия некачественной диагностики и экспертизы подземных газопроводов большого города, где много коммуникаций, и по ним газ легко может проникнуть и накопиться внутри здания.

После этого любая искра приведёт к взрыву всего здания. Такие примеры, к сожалению, имеются.

Диагностика и ремонт газораспределительных сетей встречаются с множеством проблем, в том числе из-за сложностей трассы, насыщенности другими коммуникациями, наличия множества помех электрического и магнитного происхождения, недостаточной изученности некоторых проблем с научной точки зрения.

В настоящей работе, не претендуя на окончательное решение всех проблем в области безопасности газораспределительных систем, делается попытка решить значительную часть из них. Для этого поставлены следующие цель и задачи.

Цель работы - усовершенствовать методы обеспечения безопасности длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов газораспределительных систем.

Основные задачи

исследований:

1) выполнить анализ источников опасности при эксплуатации длительно эксплуатируемых трубопроводов газораспределительных систем с учётом накопленного опыта диагностики;

2) изучить динамику изменения свойств металла труб в условиях эксплуатации газораспределительных систем;

3) изучить динамику изменения защитных свойств изоляционного покрытия газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации;

4) усовершенствовать методы оценки безопасности и допустимых условий эксплуатации газопроводов по результатам диагностики;

5) разработать предложения по обеспечению эффективности диагностики и безопасности дальнейшей эксплуатации газораспределительных трубопроводов.

Методы решения поставленных задач Использованы прогрессивные методы и достижения в области диагностики, математическое моделирование физических процессов, положения теорий прочности и механики разрушения.

При изучении свойств металла труб применялись методы механических испытаний в разных режимах и проводились металлографические исследования с использованием оптических и электронных микроскопов.

Основой для решения поставленных задач явились труды отраслевых институтов (ОАО ГИПРОНИИГАЗ, ООО ВНИИГАЗ, ГУП ИПТЭР, УраНИТИ), работы ведущих ученых в данной области: П.П. Бородавкина, В.В. Харионовского, В.С. Волкова, Ю.И. Пашкова, А.Л. Шурайца, Р.С. Зайнуллина, К.М. Ямалеева, А.С. Надршина, А.Г. Сираева и других.

В работе использованы и обобщены результаты обследования трубопроводов газораспределительных систем в разных регионах страны (Саратовской, Московской и Нижегородской областях, Республике Башкортостан). Также использованы результаты многолетних исследований динамики изменения свойств металла труб и сварных элементов при длительном воздействии нагрузок, полученные в трёх научных школах: Уфимской, Челябинской, Саратовской, в том числе при непосредственном участии автора диссертации.

Научная новизна 1. Установлены закономерности старения металла трубопроводов газораспределительных систем. Показано, что изначально большие запасы прочности распределительных газопроводов практически полностью компенсируют снижение безопасности от эффектов старения металла и позволяют без изменения рабочих давлений эксплуатировать их длительное время.

2. Методом математического моделирования установлено, что существует предельно допустимое расстояние между станциями катодной защиты (СКЗ), которое обеспечивает уровень защитных потенциалов в нормативных пределах на всём участке трубопровода. Это расстояние уменьшается с уменьшением переходного сопротивления изоляции, диаметра и толщины стенки трубопровода.

3. Методом конечных элементов решена задача о распределении напряжений в окрестности сингулярных точек стыкового соединения с усилением формы при предельно малом радиусе перехода от шва к основному металлу. Получена расчётная формула для коэффициента интенсивности напряжений (КИН) и разработан подход к оценке статической прочности на основе положений механики разрушения. Установлено, что на газораспределительных трубопроводах повышение усиления выше нормы не вызывает падения прочности и безопасности ниже допустимого уровня.

На защиту выносятся:

1) закономерности старения и износа трубопроводов газораспределительных систем при длительной эксплуатации;

2) усовершенствованные методы оценки технического состояния и остаточного ресурса безопасной эксплуатации распределительных газопроводов;

3) методы диагностики, оценки состояния изоляционного покрытия, повышения эффективности катодной защиты распределительных газопроводов;

4) новые закономерности распределения напряжений в стыковых сварных соединениях с усилением формы шва;

5) рекомендации по обеспечению безопасности ремонта действующих трубопроводов системы газораспределения;

6) общая методология управления безопасностью газораспределительных трубопроводов при длительной эксплуатации, основанная на усовершенствованных методах диагностики и ремонта.

Практическая ценность и реализация результатов работы 1. На основе анализа опыта длительной эксплуатации и результатов диагностики трубопроводов системы газоснабжения установлено, что:

- изначально большие запасы прочности газопроводов компенсируют снижение прочности вследствие эффектов старения металла труб и появления коррозионных дефектов;

- опасность представляет потеря герметичности трубопровода с выходом газа в замкнутое пространство.

2. Разработан подход, позволяющий рассчитать допустимый уровень рабочего давления трубопроводов с учётом эффектов старения металла и роста коррозионных дефектов.

3. Показано, что путём установки дополнительных СКЗ возможно добиться полной защиты трубопроводов с изношенной изоляцией от коррозии и одновременно снизить энергозатраты на электрохимическую защиту (ЭХЗ).

4. Усовершенствована методика оценки остаточного ресурса газораспределительных трубопроводов по результатам обследования металла труб и определения переходного сопротивления изоляции.

5. Предложен безогневой метод ремонта дефектных участков действующих газопроводов, основанный на формировании композитной изоляционно-силовой оболочки разработки ГУП ИПТЭР, обеспечивающий безопасность работ при ремонте.

Результаты исследований использованы при обследовании и экспертизе промышленной безопасности газораспределительных трубопроводов общей протяжённостью более 1,6 тыс. км в Саратовской, Ростовской, Оренбургской, Нижегородской и других областях.

Результаты работы использованы при разработке следующих отраслевых нормативных документов:

- Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов (РД 12-411-01);

- Инструкция по технологии ремонта стальных газопроводов без снижения давления. - Саратов: ОАО ГИПРОНИИГАЗ, 2005.

В настоящее время на стадии апробации находится новая редакция документа о порядке диагностики газораспределительных трубопроводов, где использованы результаты настоящей работы.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на научно-технических, научно-практических конференциях, конгрессах и семинарах по проблемам строительства и безопасной эксплуатации объектов трубопроводного транспорта, в том числе:

1) научно-практической конференции Проблемы и пути эффективного освоения и использования ресурсов природного и нефтяного газа (Томск, 2002 г.);

2) научно-технической конференции Научно-технические проблемы совершенствования и развития системы газоснабжения (Саратов, 2004 г.);

3) научно-практической конференции Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа (Уфа, 2007 г.);

4) научно-практической конференции Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса (Уфа, 2007 г.);

5) международной учебно-научно-практической конференции Трубопроводный транспорт - 2007 (Уфа, 2007 г.);

6) научно-практической конференции Нефтегазовый сервис - ключ к рациональному использованию энергоресурсов (Уфа, 2007 г.).

Публикации По материалам работы опубликованы 15 научных трудов.

Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 16 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУП ИПТЭР и ОАО ГИПРОНИИГАЗ, руководителям Волкову Владимиру Семёновичу, Пашкову Юрию Ивановичу и Гумерову Кабиру Мухаметовичу за помощь и советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации. Сформулированы цель работы и основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные защищаемые положения.

В первой главе рассматриваются актуальные проблемы обеспечения длительной безопасности трубопроводов газораспределительных систем, которые вытекают из их особенностей, условий эксплуатации, а также качества нормативной базы.