Статья посвящена вопросам обоснования решения задачи — повышение надежности нефтепроводов за счет конструктивно-технологических факторов. Авторы предлагают в качестве решения такой задачи рассмотреть напряженно-деформированное состояние трубы в сечении соединения с запорной арматурой в условиях изменения давления в нефтепроводе, вызванное резким изменением технологического режима перекачки нефти.
Ключевые слова: нефтепровод, дефекты, старения металла, безопасность трубопроводных систем, напряженно-деформированное состояние
На магистральных нефтепроводах происходят отказы по различным причинам, катастрофы с разрывами труб и выбросом нефти. Совершенно исключить аварии невозможно, зависящие не только от технического состояния трубопроводов.
На данный момент состояние нефтепроводного транспорта в Западном Казахстане можно охарактеризовать длительным сроком эксплуатации ряда действующих магистральных нефтепроводов при существенном увеличении объемов перекачки нефти и сооружением новых мощных нефтепроводов, которые работают при повышенном давлении. Обеспечение эксплуатационной надежности магистральных нефтепроводов в условиях их длительной эксплуатации, увеличения объемов перекачки и повышения давления становится все более актуальным.
С увеличением объемов добычи нефти степень опасности многократно возрастает. Последствия от аварий также бывают несопоставимы.
При эксплуатации магистральных нефтепроводов не обходится без проблем и решения непростых технических задач. Очень многие проблемы напрямую связаны с условиями и особенностями эксплуатации современных магистральных нефтепроводов. В современных условиях работа трубопроводного транспорта нефти характеризуются некоторыми особенностями (рис.1).
Тарифы на транспорт нефти устанавливаются фиксированными и согласовываются с правительством страны.
С учетом указанных особенностей возникает ряд очевидных задач в стратегическом аспекте [1]:
‒ сохранение трубопроводной сети в исправном и работоспособном состоянии в течение длительного времени (не менее 100 лет);
‒ снижение вероятности аварий до реального минимума (полностью исключить их невозможно);
‒ оптимизация затрат на техническое обслуживание и ремонт за счет использования передовых технологий, технических средств, методов;
‒ существование в пределах правового поля (при ведении хозяйственной деятельности выполнять только юридически разрешенные операции), что особенно важно в условиях быстрого изменения экономических, политических, юридических взаимоотношений между странами, ассоциациями, компаниями.
Рис 1. Условия работы трубопроводного транспорта
Обеспечивая безаварийную работу нефтепроводов, необходима система мер по выявлению дефектов, связанных с недостатками их изготовления и старением. Если представить в общем виде такую систему, то она должна представлять систему мониторинга, которая обеспечивала бы получение информации о состоянии нефтепровода в режиме реального времени, что позволит принимать адекватные управленческие решения уже на стадии ввода нефтепровода в эксплуатацию.
Повреждения магистральных нефтепроводов вызываются действием двух групп факторов. Первая группа связана со снижением несущей способности нефтепровода, вторая — с увеличением нагрузок и воздействий. Снижение несущей способности нефтепровода может происходить из-за присутствия дефектов в стенке труб и старения металла. Факторы второй группы появляются при эксплуатации действующего нефтепровода (давление, напряжения от воздействий температур перекачиваемой нефти и окружающего трубу грунта, давление слоя грунта над трубой, различные статические и подвижные нагрузки, деформация земной поверхности на подрабатываемых территориях, сейсмические воздействия). Классификация причин аварий и повреждений на нефтепроводах представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Причины аварий и повреждений на нефтепроводах
Приемлемый вариант диагностической системы в целом сочетает [2]:
‒ средства эффективного анализа совокупности данных о состоянии магистрального нефтепровода;
‒ результаты условий эксплуатации, степени и характера дефектности труб и сварных швов, структурного состояния металла труб;
‒ комплексное моделирования кинетики развития процессов разрушения линейной части магистрального нефтепровода, обеспечивающую возможность прогнозирования долговечности локальных участков нефтепровода.
Прогнозирование аварий вплотную взаимодействует с оценкой надежности. Актуальной является задача оценки эффективности трубопроводных систем с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных аспектов с позиций оценки показателей надежности и безопасности.
Обеспечение надежности и безопасности нефтепроводов имеет комплексный характер и связано с поиском оптимальных решений экономических и инженерных задач. Для обеспечения экологической и промышленной безопасности магистрального нефтепровода необходимо внедрение новых технологий.
Если нефтепровод формально рассматривать как систему из последовательно соединенных элементов труб, то надежность такой системы будет ограничена в пространстве и времени. Ограничения в пространстве связаны с действием масштабного фактора. Чем больше диаметр нефтепровода и чем больше его протяженность, тем выше вероятность возникновения критических дефектов или повреждений, способных привести к разрушению нефтепровода. Ограничения во времени в большей степени связаны с накоплением повреждений в металле труб. Такие ограничения отчетливо проявляются в статистических оценках надежности (рисунок 3).
Рис. 3. Статистические оценки функции надежности нефтепроводов в зависимости от их диаметра и срока эксплуатации
Из рисунка 3 можно сделать выводы, что даже при небольших сроках эксплуатации нефтепроводы имеют недопустимо низкие показатели надежности.
Решение проблемы обеспечения безопасности трубопроводных систем при их эксплуатации может формироваться исходя из фактического состояния их безопасности, длительности эксплуатации сооружений и оборудования, режима эксплуатации, технического оснащения служб поддержания безопасности и надежности, конструктивных особенностей, характеристики окружающей среды и т. д.
Волны изменения давления в трубопроводе, гидравлические удары приводят к увеличению напряжений в стенке трубы и оборудования, снижениям ресурса магистральных нефтепроводов, а иной раз и к повреждениям оборудования и труб магистральных нефтепроводов [3].
Исследуя напряженно-деформированное состояние стенки трубы в сечении соединения трубопровода с запорной арматурой и подобными жесткими на деформацию конструкциями, при равенстве нулю радиальных перемещений w в указанном сечении, в наружной поверхности стенки трубы возникают сжимающие продольные напряжения, а во внутренней поверхности — растягивающие продольные напряжения.
Рис. 4. Расчетная схема деформации стенки трубопровода
Формула для определения напряжения изгиба 
имеет вид [4, 5]:
(1)
где 
кольцевые напряжения от действия рабочего давления р;
— безразмерный параметр напряжения изгиба.
Для стальных труб ν = 0,3.
Тогда
(2)
Расчеты показывают, что для стальных труб при любых значениях ∆p/p напряжения изгиба σи больше кольцевого напряжения σкц, возникающего от действия внутреннего давления примерно в 1,8 раза.
Анализируя возможности повышения надежности нефтепроводов за счет конструктивно-технологических факторов, можно сделать вывод, что теоретическая надежность нефтепровода равна произведению надежностей элементов.
По данным статистического анализа дефектности сварных соединений нефтепроводов расчетная надежность нефтепровода диаметром 500 мм протяженностью 1000 км (без учета накопления повреждений) составит 0,6–0,98.
Литература:
- Мазур И. И. Безопасность трубопроводных систем / И. И. Мазур, О. М. Иванцов. — М.: НК «Елима», 2004. — 104 с.
- Иванов В. И. Техническое диагностирование и оценка риска в нефтегазовой отрасли / В. И. Иванов, В. Н. Панчиков // Безопасность труда в промышленности. — 2012. — № 1. — С. 68–71.
- Курочкин В. В. Эксплуатационная долговечность нефтепроводов / В. В. Курочкин, Н. А. Малюшин, О. А. Степанов, А. А. Мороз. — М.: Недра, 2001. — 231 с.
- Гумеров А. Г. Повышение эффективности ремонтных работ на нефтепроводах [Текст] / А. Г. Гумеров, Х. А. Азметов, Н. С. Сарбалина, З. Х. Павлова // Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса: матер. научн.-практ. конф. 24 октября 2007 г. — Уфа, 2007. — С. 158–160.
- Павлова З. Х. Анализ напряженно-деформированного состояния стенки трубы в сечении соединения с запорной арматурой при изменениях технологического режима перекачки нефти в магистральном нефтепроводе / З. Х. Павлова // Нефтегазовое дело. — 2014. — № 12. — Т. 12. — С. 154–158.
