Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации
Предложен новый подход к ремонту магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации. Подход базируется на четырех положениях: ранжирование дефектов по степени риск-отказа; безопасность выполнения сварочных работ на трубопроводе под давлением; применение различных вариантов ремонта св...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48434 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации / В.И. Махненко, В.С. Бут, О.И. Олейник // Проблемы прочности. — 2009. — № 5. — С. 86-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860264472561582080 |
|---|---|
| author | Махненко, В.И. Бут, В.С. Олейник, О.И. |
| author_facet | Махненко, В.И. Бут, В.С. Олейник, О.И. |
| citation_txt | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации / В.И. Махненко, В.С. Бут, О.И. Олейник // Проблемы прочности. — 2009. — № 5. — С. 86-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Предложен новый подход к ремонту магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации. Подход базируется на четырех положениях: ранжирование дефектов по степени риск-отказа; безопасность выполнения сварочных работ на трубопроводе под давлением; применение различных вариантов ремонта сваркой; оценка работоспособности ремонтных сварных конструкций. Применение данного подхода позволяет минимизировать риск-отказ трубопровода и спрогнозировать его работоспособность после ремонта сваркой.
Запропоновано новий підхід до ремонту магістральних трубопроводів зварюванням без виводу їх з експлуатації. Підхід базується на чотирьох положеннях: ранжування дефектів за ступенем ризик-відмови; безпека виконання зварювальних робіт на трубопроводі під тиском; використання різних варіантів ремонту зварюванням; оцінка працездатності ремонтних зварних конструкцій. Використання такого підходу дає можливість мінімізувати ризик-відмову трубопроводу і спрогнозувати його працездатність після ремонту зварюванням.
We propose a new approach to repair of the trunk pipelines by welding without removing them from operation. The approach is based on four concepts: ranging of defects by their failure risk degree, safety performance of welding operations on the pipeline under pressure, application of various welding repair options, and estimation of working capacity of the repaired welded structures. Application of such approach enables one to minimize risk of the pipeline failure and to predict its working capacity after repair by welding.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:59:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.72:621.643.054:620.191.33.001.18
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из
эксплуатации
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев, Украина
Предложен новый подход к ремонту магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из
эксплуатации. Подход базируется на четырех положениях: ранжирование дефектов по
степени риск-отказа; безопасность выполнения сварочных работ на трубопроводе под давле
нием; применение различных вариантов ремонта сваркой; оценка работоспособности ре
монтных сварных конструкций. Применение данного подхода позволяет минимизировать
риск-отказ трубопровода и спрогнозировать его работоспособность после ремонта свар
кой.
К л ю ч е в ы е с л о в а : трубопровод, сварка, ремонт, прочность, работоспособность.
Современные магистральные трубопроводы Украины - это дорогие соору
жения длительного срока эксплуатации, к безотказной работе которых выдви
гаются высокие требования.
Большую роль в обеспечении их надежной эксплуатации играют соответ
ствующая организация периодической технической диагностики состояния
элементов магистральных трубопроводов (МТ) и ремонт обнаруженных д е
фектов. Классический ремонт трубопровода, связанный с его остановкой,
очисткой и заменой дефектных участков, требует больших материально-тех
нических затрат и сопровождается значительными негативными экологичес
кими последствиями.
В связи с этим ремонтные работы на линейной части МТ стремятся
проводить без вывода их из эксплуатации. В Украине, начиная с 90-х годов
прошлого столетия, ряд организаций (ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины,
Ивано-Франковский НТУ нефти и газа и др.) совместно с ДК “Укртрансгаз”
усиленно работают в этом направлении.
Создана целая система методических мероприятий, обеспечивающих
эффективность и безопасность такого ремонта, особенно с применением
сварки. С некоторой условностью в этой системе можно выделить четыре
основных положения для линейной части МТ, периодически подвергаемых
внутритрубной диагностике:
поскольку согласно статистике в результате внутритрубной диагностики
МТ Украины обнаруживается около 5 0 0 0-6000 дефектов на каждые 100 км
длины (м еж ду компрессорными станциями), важным является их р а н ж и р о
вани е по ст епени р и ск -о т к а за и на основе этого разработка оптимального
графика ремонта;
наиболее эффективным ремонтом недопустимых дефектов несплош нос-
ти материала является сварка (наплавка) - рис. 1,а. Однако при этом очень
важно гарантировать безоп асн ост ь вы полнения свароч ны х р а б о т путем недо
пущения прожога стенки трубы и образования холодных трещин в материале;
© В. И. МАХНЕНКО, В. С. БУТ, О. И. ОЛЕЙНИК, 2009
86 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
если с применением сварки (наплавки) недопустимый дефект невозмож
но устранить, следует выбрать рац и о н а л ьн ы е конст рукт и вно-т ехн ологичес
ки е вариан т ы (бандаж, герметичная муфта, патрубок-муфта и др.) его устра
нения без вывода трубопровода из эксплуатации (рис. 1,б-г);
учитывая индивидуальность ремонта, в конкретных случаях должно
быть обосн ован и е раб о т о сп о со бн о ст и трубопровода после ремонта.
•*Р 9 т
- -
Рис. 1. Конструктивно-технологические варианты устранения дефекта: а - наплавка; б -
герметичная муфта; в - патрубок-муфта; г - байпасная линия (ТБ" )̂: 1 - переходной тройник;
2 - равнопроходной тройник; 3 - запорный кран; 4 - запорное устройство; 5 - байпас; 6 -
дефектный участок.
При ранжировании обнаруженных дефектов используются соответству
ющие модели классификации дефектов по типам, для которых имеются
математическое описание и критерии предельных состояний.
Дефекты трещ инообразной формы чаще всего на наружной либо внут
ренней поверхности схематизируются поверхностной полуэллиптической тре
щиной. Предельное состояние такого типа дефектов принято выражать при
статическом нагружении с помощью критерия хрупковязкого разрушения [1]
(рис. 2,а), в который входят измеряемые параметры: а, с - размеры трещины;
К 1с; о т , о в - механические свойства материала в зоне дефекта; п > 1 ,0 -
коэффициент безопасности при детерминированном подходе, учитывающий
стохастичность величин а, с, К 1с, о т , о в.
Критерий хрупковязкого разрушения имеет вид
У = / ( п Ь г ) - К Г( В , в ) п > 0, (1)
где
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 87
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
к г( в , в )
к г (в , в ) —- ^ — -;
к 1с
ч [(1 -0 ,14^2" 2 )[0,3 + 0,7 ехр(—0,65^6 " 6)] при Ьг <
{ (^ ) = | 0 п „ „ и <и>
_ 0 ге/ та^ ^ 0 в + 0 т
Ь г — , а ̂ < 2 ;
о г/ - напряжения, соответствующ ие пластической неустойчивости при дан
ном нагружении.
Рис. 2. Оценка состояния дефекта трещинообразной формы по критерию предельного
состояния (А, В, С, В - экспериментальные кривые для различных сталей [1, 2], Е - расчетная
кривая по зависимости (2)) - а и диаграмма статической коррозионной трещиностойкости
(Кьхсс - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений в статических усло
виях коррозионной трещиностойкости материала, I, II, III - характерные участки развития
трещины) - б.
При прогнозировании допустимости (недопустимости) обнаруженных
трещинообразных дефектов на определенный временной период эксплуа
тации Дг важно учитывать возможность их подрастания, т.е. начальные
размеры а — а 0 и 2 с — 2 с 0 в общ ем случае за отрезок времени Дг могут
увеличиваться:
а( Д г) — а 0 + ¥ а Д г , с( Дг) — с 0 + ¥ с A t , (3)
где ¥ а и ¥ с - скорости роста трещины, которые определяются, как правило,
в условиях коррозии величинами К 1 в соответствующ их точках контура
трещины.
Зависимость м еж ду V и К : при данных условиях коррозии (темпе
ратура, среда, материал трубы) устанавливается с помощью эксперименталь
ной диаграммы статической трещ иностойкости (рис. 2,б).
Широко распространены дефекты утонения стенки трубы, особенно при
наличии коррозионного повреждения. В соответствии с апробированным
подходом АР1 [1] (рис. 3) характеристиками такого типа дефектов являются
геометрические размеры: минимальная толщина д т |п ; линейные размеры 5
(вдоль оси трубы) и с (вдоль окружности), а также расчетная допускаемая
толщина [д р ] стенки трубы в данных условиях эксплуатации.
88 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, N 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
Rs
1,0
- Д О П У С ТИ М О
0,2
о 2 4 6
Рис. 3. Критерий предельного состояния для утонения стенки трубы.
Критерий предельного состояния, согласно рекомендациям API [1], за
писывается в виде
где V - скорость уменьшения толщины за счет коррозии; & - время;
R j ( ] = s , с ) - функция зависимости допускаемой величины д ̂ от линей
ных размеров 5 и с (? - вдоль образующ ей, с - по окружности трубы),
Здесь также достаточно стохастичными являются величины д min, s и с.
По изложенной процедуре можно рассмотреть также дефекты несплош-
ности канавочного типа, в виде питтингов и расслоений (blister). Для каждого
из них можно записать уравнение предельного состояния с учетом геометри
ческих размеров, стохастичность которых достаточно очевидна и во многом
определяется опытом оператора и разрешающей способностью измеритель
ной аппаратуры.
С учетом вышеизложенного при детерминированных оценках риска на
рушения целостности в зоне таких дефектов большое значение имеет пра
вильный выбор коэффициента безопасности п, что не так просто сделать.
Более гибким является подход, основанный на вероятностных методах,
поскольку плотность распределения стохастических величин, связанных с
линейными измерениями либо определением механических свойств мате
риала, достаточно надежно можно описать хорошо изученными законами
распределения типа усеченного нормального или Вейбулла.
Y = ( д min - vM t) - [д p] R j > 0, (4)
R s > f ( Я) при 0 ,3 4 7 5 < Я < 10 (рис. 3);
R s > 0,885 при Я >10;
- 0 ,7 3 5 8 9 + 10,511( c /D ) 2
R > ---- -------------------------^ ----—
c 1 + 13,838 ( c /D ) 2
при C D > 0,348.
ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2009, № 5 89
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
П ервы й вариан т . Усеченный нормальный закон (Лх < X < Б х ):
Р х =
1 1 ( X - X ^
2
х 5 X ^ 1
1
Ю (5)
где
X = 1
х (IX
л/ 2 л Ч х
ехр 1 X 1 X
I 2 "
2 Ч XЛ
X - математическое ожидание величины X ; Ч х - стандартное ее откло
нение.
В т орой вариан т . Описание компонент вектора X с помощью трехпара
метрического закона Вейбулла. Согласно последнему получим
Р ( X ) = 1 - ехр
X - X 0
(6)
где Р ( X ) - вероятность величины X ; X о, X ^ ^ X - параметры ее распре
деления.
На рис. 4 с использованием метода Монте-Карло построены вероятности
отказа во времени для каждого из десяти дефектов (пять трещин и пять
утонений), характеристики которых приведены в табл. 1, 2.
Т а б л и ц а 1
Характеристики обнаруженных трещинообразных дефектов
№
дефекта
]
Трещины (геометрия) Нагрузка
а,
мм
с,
мм
Ча,
мм
Л ,
мм
Чс,
мм
Ас,
мм
. т,
МПа
Ч.,
МПа
Аа,
МПа
1 1,6 20 1 0,6 2,0 16,0 235 10 225
2 1,6 50 1 0,6 4,0 46,0 235 10 225
3 1,6 200 1 0,6 4,0 196,0 235 10 225
4 1,6 200 1 0,6 4,0 196,0 117,5 10 107,5
5 1,6 600 1 0,6 4,0 596,0 117,5 10 107,5
Предполагается, что обнаруженные дефекты имеют место в агрессивной
среде (коррозия с наружной поверхности) в трубе, наружный диаметр кото
рой В = 1420 мм, при расчетной минимальной толщине стенки трубы [д р ] =
= 16 мм.
При наличии рассмотренных выше десяти дефектов важно оценить
вероятность отказа во времени, по крайней мере, одного (любого).
90 0556-17IX. Проблемы прочности, 2009, № 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
Т а б л и ц а 2
Характеристики обнаруженных дефектов утонения
№
дефекта
І
Утонения (геометрия)
мм
с,
мм
5
дизм,
ММ мм
А ,
мм
д̂изм:
мм
Ад >и̂зм
мм мм
Ас,
мм
6 40 500 11,5 2,0 20 0,5 10,5 5,0 250
7 40 500 12,0 2,0 20 0,5 11,0 5,0 250
8 100 500 12,0 2,0 50 0,5 11,0 5,0 250
9 150 500 15,5 2,0 75 0,5 14,5 5,0 250
10 150 500 16,0 2,0 75 0,5 15,0 5,0 250
р
а и |щы
Рис. 4. Вероятность отказа во времени при эксплуатации МТ: а - трещинообразные дефекты,
у = 1-5 (соответственно с = 20-600 мм) при а = 1,6 мм; б - дефекты утонения, у = 6-10 по
направлению с - (Рс) и я - (р ).
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 91
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
Для этого используем зависимость
к ( N )
P N (* ) = 1 - П ( 1 - Рп ) ехр -2 р п
п=1 ^ к+1 /
(7)
где П ( 1 - Р п ) - оператор умножения величин ( 1 - Р п); п = 1 ,2 , . . . , к при
п=1
Рп > 0,1
На рис. 5 приведена диаграмма изменения риск-отказа трубопровода в
зависимости от количества М отремонтированных наиболее опасных д е
фектов из общ его количества N = 10 (табл. 1, 2). В идно, что граница
P N ( М ) = 0,1 достигается в данном случае при ремонте восьми из десяти
дефектов, которые и необходимо устранить.
Рис. 5. Диаграмма риск-отказа для обоснования необходимого объема ремонта.
Таким образом, наиболее опасными являются трещинообразные дефекты
и их потенциальный рост при наличии коррозии, т.е. определение параметров
диаграммы статической коррозионной трещ иностойкости для трубных сталей
в условиях почвенной коррозии является актуальной задачей. В се это позво
ляет результаты внутритрубной диагностики использовать не только для
минимизации риск-отказа, но и при составлении оптимального графика р е
монта.
Учитывая, что по разным оценкам более 50% всех обнаруженных дефек
тов составляют коррозионно-механические повреждения, их устранение путем
восстановления стенки трубы наплавкой представляет интерес как метод
ремонта. При наплавке обеспечиваются оперативность устранения дефектов
и снижение стоимости самого ремонта, поскольку для его выполнения, кроме
сварочных, другие материалы не используются. О собенно актуален такой
к
92 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
метод ремонта на участках трубопроводов с изгибами, прогибами, взаимным
смещ ением труб вдоль продольной оси, а также при изменении проходного
диаметра (в таких случаях установка усиливающих конструкционных эле
ментов типа муфт и бандажей затруднена или практически невозможна).
Основными проблемами, с которыми сталкиваются при выполнении
наплавки (сварки) на действующ ем МТ под давлением, являются:
обеспечение условий безопасности и недопущение прожога стенки трубы;
обеспечение требуемых механических свойств наплавленного металла за
счет минимизации образования закалочных структур в зоне термического
влияния наплавки и недопущ ения появления трещин.
Установлено, что остаточная толщина стенки трубы Н , при которой
гарантируются отсутствие прожога и прорыв стенки внутренним давлением,
зависит от ряда факторов: сварочного тока I св; давления в трубе р , типа
транспортируемого сырья (нефть или газ) и скорости его перемещения Ш.
На рис. 6 приведены результаты расчета критического давления разру
шения р в зависимости от остаточной толщины стенки трубы Н из стали
17Г1С при наплавке язвенного коррозионного повреждения для различных
значений сварочного тока и скорости транспортировки продукта [2].
р, М П а
а
р, М П а
Рис. 6. Зависимость критического давления разрушения р от остаточной толщины стенки
трубы Н при устранении дефекта 1 = 20 мм для нефтепровода диаметром 1020 мм и
толщиной стенки д = 11 мм при скорости транспортировки нефти 6 (1, 3) и 2 м/с (2, 4) - а и
газопровода диаметром 1420 мм и толщиной стенки д = 18 мм при скорости транспортировки
газа 20 (1, з) и 6 м/с (2, 4) - б: 1, 2 - 1св = 90 А; 3, 4 - 1св = 120 А.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5 93
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
Видно, что критическое давление р возрастает с увеличением толщины
стенки трубы Н до определенных значений, выше которых механизм ее
разрушения от теплового воздействия сварочной дуги не реализуется, по
скольку резко понижается температура по толщине и повышается предел
текучести материала о т .
Обеспечение необходимых механических характеристик наплавленного
металла и недопущ ение образования трещин находятся в некотором противо
речии с требованием не допустить прожог стенки трубопровода. Это связано
с тем, что стремление минимизировать уровень тепловложения при наплавке,
т.е. понизить максимальную температуру на внутренней поверхности трубы,
приводит к быстрому охлаждению в зоне термического влияния за счет
выноса тепла транспортируемым продуктом. В результате этого, особенно на
магистральных трубопроводов, которые были построены ранее и имеют
высокий эквивалент углерода, могут образовываться неблагоприятные зака
лочные микроструктуры. В таких микроструктурах с повышенной твердос
тью (более 350 НУ), наличие водорода в наплавленном металле и дейст
вующих растягивающих усилий сущ ественно увеличивает риск образования
трещин [2].
Риск образования холодных трещин в трубной стали определяется пара
метром
Р р = 12Рсм + 18 н д , (8)
где Н - содержание диффузионного водорода (см ) на 100 г металла при
20° С; Р см - химический состав стали, например для стали 17Г1С имеем Р см =
= 0 ,2 2 ...0 ,3 1, для Х 65 - Р см < 0,335. Соответственно при Н д = 10 с м 3/100 г
для стали 17Г1С получим Р = 3 ,6 5 ...4 ,7 2 , для Х 65 - Р тр = 5,02.
Критические значения Р к*, при которых полагают сталь не склонной к
образованию холодных трещин, при толщине трубы д ~ 20 мм составляют
3,1...4 ,0 , т.е. для большинства современных трубных сталей следует считаться
с таким риском. Обычно подогрев до температуры 150° С перед сваркой в зоне
дефекта приводит к резкому снижению риска.
В случаях если по тем или иным причинам применение наплавки при
устранении дефектов невозможно на МТ под давлением (рис. 1,а), пред
лагается использовать ремонтные конструкции, которые усиливают стенку
трубы. Наиболее характерными конструкциями, связанными со сваркой, явля
ются герметичные муфты (рис. 1,б) и патрубок-муфта (рис. 1,в) [3].
Герметичные муфты устанавливаются при наличии коррозионно-механи
ческих повреждений глубиной не менее 50% толщины д, которые распо
ложены как в продольном, так и окружном направлении. При этом герме
тичность обеспечивается за счет наложения кольцевых угловых или про
резных (нахлесточно-стыковых) швов. Патрубок-муфта устанавливается на
участок трубы, где выявлены непротяженные трещинообразные дефекты. Для
этого после монтажа конструкции к торцу патрубка присоединяется запор
ный кран с установкой для механической врезки в стенку МТ под давлением.
Установка вырезает участок с дефектом, и запорный кран перекрывается.
94 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
Таким образом, дефект можно удалить без остановки эксплуатации МТ. В
случае невозможности дальнейшей эксплуатации отдельных протяженных
участков МТ допустима установка байпасной линии (рис. 1,г), которая позво
ляет эксплуатировать МТ при одновременном капитальном ремонте дефект
ной части.
Большой интерес представляет работоспособность конструктивно-техно
логических рекомендаций. Наиболее высокая работоспособность как при
статической, так и циклических нагрузках имеет место после ремонта по
варианту, показанному на рис. 1,а. Экспериментальные исследования свиде
тельствуют, что при качественном выполнении указанного ремонта стати
ческая прочность весьма близка к таковой для основного материала трубы.
Циклическая прочность всегда несколько ниже таковой для исходного мате
риала и мало отличается (особенно для многоцикловой усталости), для труб
из различных материалов. Допускаемые размахи окружных напряжений в
зоне ремонта на базе 2 - 106 цикл составляют ~ до 90 МПа, на базе 105 цикл -
~150 МПа, на базе (1,5...2 ,0) - 104 цикл размахи циклических нагрузок в
определенной степени зависят от прочности основного металла и равны
250...300 МПа.
Заметим, что для линейной части подземного магистрального трубо
провода такие циклические нагрузки маловероятны.
Представляет интерес работоспособность герметичной муфты и па
трубка-муфты. В связи с этим были проведены экспериментальные иссле
дования и разработаны методы расчета геометрических параметров, обеспе
чивающих статическую прочность таких конструкций в экстремальных усло
виях.
Для герметичной муфты (рис. 7) в качестве экстремального условия
принимается ее работа, когда зона прикрываемого дефекта потеряла герме
тичность, и газ (либо нефть) заполняет зазор м еж ду трубой и муфтой. Для
конкретных геометрических размеров численными методами определяются
изгибающ ие моменты М ъ и перерезывающие силы Q r в зоне сварных швов.
Рассчитываются коэффициент интенсивности напряжений K j и напря
жение о ref (reference stress) в вершине, примыкающей к сварному шву
острой полости, по формулам [2]:
для углового шва -
M b Q r 4 M b Q r
K j = 4 ,2 9 5 - з ^ + 0 ,5369 , о ref = ~ ^ + ^ ;
h h J h 2 h
для прорезного шва -
к 4M b , Q r
K 1 1,129 a 3/2 + V ^ ’ 0 ref a 2 + 2a ’
где М ь - изгибающ ие моменты; Q r - перерезывающие силы в шве; h, 2a -
размеры швов.
ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2009, N 5 95
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
Рис. 7. Схемы герметичной муфты (а) и нагружения от рабочего давления в щели 2р между
муфтой и трубой в угловом (б) и “прорезном” кольцевом шве (в).
Затем с использованием описанного выше двухпараметрического критерия
хрупковязкого разрушения и метода Монте-Карло при заданной стохастич-
ности размеров сварных швов И и 2а (табл. 3) рассчитываются вероятности
отказа для трубы: сталь 17Г1С, В = 1420 мм, д 1 = 20 мм, Р = 5,5 МПа. Длина
м уф ты 2Ь = 1 0 0 0 мм при угловых швах и 2Ь = 1000 + 2 -1 0 0 = 1 2 0 0 мм в случае
прорезных швов. Толщина муфты д 2 = д м изменяется в пределах 20...32 мм.
Рассмотрены два варианта величины сопротивления металла шва хрупкому
разрушению (I вариант - К 1с
охрупченного):
для основного металла, II вариант - К іс для
р ( К іс ) = 1 - ехр
К - К (9)
при К 0 = 20 МПа - м 1/2, ] = 4,0, К л = 107,5 МПа - м 1/2 для варианта I, К л =
1/2= 42 МПа - м для варианта II.
Результаты, приведенные в табл. 3, показывают, что для варианта I
вероятность разрушения Р 1 2 ~ 0 при д м = 28 мм и И = 26 мм для углового
шва и 2а = 28 мм для прорезного шва. Для варианта II (охрупчен материал
шва) имеем Р 1 2 ~ 0,11 при д м = 28 мм и И = 28 мм для углового шва и
д м = 28 мм и 2а = 28 мм для прорезного шва, т.е. эти швы примерно равно
ценны, однако объем наплавленного металла для углового шва составляет
~ 0 ,785 такового для прорезного шва. Преимущество прорезного шва состоит
в том, что при необходимости сечение 2а можно выполнить больше И.
96 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
Т а б л и ц а 3
Результаты расчета М, Цг, К 1, оге/ , р 2 для герметичной муфты
Угловые швы
дм, к, М ъ, Qr, К I, 0 ге/ ■ Р1,2
мм мм 2
МПа • мм МПа • мм МПа • м1/2 МПа I II
20 12 13780 274 46,4 405,6 0,3670 1,000
20 20 23435 319 36,8 250 0,0837 0,867
28 20 25174 345 39,5 269 0,2300 0,969
28 22 27160 352 37,0 240 0,0450 0,839
28 24 29000 358 34,7 216 0,0030 0,577
28 26 30656 362 32,6 195 0 0,295
28 28 32120 370 30,6 177 0 0,118
Прорезные швы
дм, 2а М ъ, Qr, К I, 0 ге/ ■ Р1,2
мм мм 2
МПа • мм МПа • мм МПа • м1/2 МПа I II
20 - - - - - - -
20 - - - - - - -
28 22 36915 447 38,5 327 0,7100 1,0000
28 24 37160 425 34,1 277 0,1730 0,9370
28 26 37351 405 30,4 238 0,0048 0,5310
28 28 37492 388 27,4 206 0 0,1090
28 30 37590 374 24,8 181 0 0,0045
28 32 37661 361 22,6 159 0 0
На рис. 8 приведена схема патрубка-муфты, который используется для
устранения трещин на внутренней поверхности трубопровода. П осле удале
ния дефектного участка трубы в патрубке создается усилие, соответствующее
давлению р в трубопроводе. Соответственно на внутренний сварной шов
вдоль окружности патрубка будет действовать перерезывающая сила на еди
ницу длины:
й 2 ^пат
Ж ~ 4 Г
— р — й— п( £ X (10)
л и в.ш
где р - рабочее давление; й пат - внутренний диаметр патрубка; й вш -
диаметр внутреннего шва; ц (£ ) - функция распределения вдоль окруж
ности сварного шва.
Согласно [4], максимальную величину 7](£ ) можно представить в виде
для поперечного сечения, совпадающего с осью патрубка:
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, N 5 91
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
10,6 й пат ( д + д
I ) = 0 ,9 + в пат 1 1 - 0 ,4 - - + 4,0-
*пат /
Соответственно получим
е г х = р - 0,9 +
В
1 - 0 ,4 -
д + д .
+ 4,0-
рпат /
Величины К I и а рассчитываются с использованием Q vmxx и далее как
для герметичной муфты.
В табл. 4 приведены результаты расчета вероятности отказа для внутрен
него сварного шва в зависимости от диаметра патрубка й пат = й и средних
размеров для трубы диаметром В = 1420 мм, д = 19 мм, д м = 28 мм. Видно,
что чем больше диаметр патрубка, тем больше должна быть толщина свар
ного шва. Для й = 500 мм имеем И ~ 14 мм, для й = 400 мм - И = 10 мм, для
й = 300 мм - И = 6 мм.
И
И
4 пат
Т а б л и ц а 4
Результаты расчета вероятности отказа Р для внутреннего сварного шва
й, мм И, мм Р
500 14,0 0,00054
13,0 0,02570
12,0 0,20900
400 10,0 0
9,0 0,00360
8,0 0,18900
300 6,0 0
5,5 0,00334
5,0 0,12000
Рис. 8. Конструкция для удаления трещин и других дефектов на внутренней поверхности
трубопровода под давлением: 1 - трубопровод; 2 - муфта; 3 - патрубок; 4 - фланец для
крепления механического устройства удаления зоны с трещиной 5 и глушения отвода; 6, 7 -
соответственно наружные и внутренние сварные швы приварки муфты.
98 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 5
Ремонт магистральных трубопроводов сваркой
В ы в о д ы
1. Разработана система технологий ремонта дефектов МТ без выведения
их из эксплуатации, которая включает:
методику ранжирования обнаруженных дефектов по степени их недопус
тимости и соответственно очередности устранения при разработке оптималь
ного графика ремонта;
мероприятия, которые гарантируют безопасность ремонта, особенно с
применением сварочных технологий;
конструктивно-технологические варианты ремонта в зависимости от
типа дефекта, его геометрических размеров, нагрузки участка трубопровода,
свойств материала трубы и т.п.;
методы оценки работоспособности МТ после ремонта.
2. Для устранения дефектов несплош ности материала в стенке трубо
провода самыми эффективными являются сварочные технологии по восста
новлению толщины стенки трубы наплавкой. Однако при глубоких пораже
ниях стенки применение таких технологий связано с повышенной опаснос
тью прожога, что следует учитывать при разработке оптимального графика
ремонта при наличии прогноза относительно кинетики роста дефектов во
времени.
3. Если по тем или иным причинам устранение дефекта несплошности
материала стенки трубопровода путем наплавки невозможно, предлагаются
ремонтные технологии, связанные с установкой соответствующих усилива
ющ их бандажей или герметичных муфт разной конструкции. Детально изу
чены вопросы взаимодействия таких конструкций со стенкой трубопровода
при наличии дефекта.
4. Самым сложным является ремонт под давлением недопустимых тре
щинообразных дефектов на внутренней поверхности МТ, поскольку для
предупреждения распространения трещины дефектный участок необходимо
удалить. Для таких дефектов разработана технология ремонта, основанная на
монтаже в зоне дефекта патрубка-муфты с запорной арматурой, через кото
рую механической установкой удаляется дефектный участок.
5. В случае технической или экономической нецелесообразности исполь
зования локальных методов ремонта для конкретного участка трубопровода
предусмотрен ремонт без выведения МТ из эксплуатации путем перекрытия
дефектного участка с помощью установки соответствующих запорных уст
ройств, отводов и байпасного трубопровода, после чего осуществляется заме
на дефектного участка вваркой соответствующей катушки.
6. На основе современных подходов механики разрушения разработаны
методы оценки работоспособности отремонтированных участков трубопро
водов при конкретных условиях эксплуатации.
Р е з ю м е
Запропоновано новий п ідхід до ремонту магістральних трубопроводів зва
рюванням без виводу їх з експлуатації. П ідхід базується на чотирьох поло
женнях: ранжування дефектів за ступенем ризик-відмови; безпека виконання
зварювальних робіт на трубопроводі під тиском; використання різних варіан
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2009, № 5 99
В. И. Махненко, В. С. Бут, О. И. Олейник
тів ремонту зварюванням; оцінка працездатності ремонтних зварних конст
рукцій. Використання такого п ідходу дає можливість мінімізувати ризик-
відмову трубопроводу і спрогнозувати його працездатність після ремонту
зварюванням.
1. F itn ess-fo r-S erv ice . American Petroleum Institute. Recom m ended Practice
579 (First ed.). - 2000. - 625 p.
2. М ахн енко В. И . Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и
узлов современных конструкций. - Киев: Наук. думка, 2006. - 618 с.
3. Б ут В. С., О лійник О. І. Стратегія розвитку технологій ремонту діючих
магістральних трубопроводів. Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації
конструкцій, споруд та машин // Збірник наукових статей за резуль
татами, отриманими в 2 0 0 4 -2 0 0 6 рр. - Київ: ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН
України, 2006. - С. 491 - 496.
4. П Н А Э Г -7 -0 0 2 -8 6 . Нормы расчета на прочность оборудования и трубо
проводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат,
1989. - 525 с.
Поступила 05. 01. 2009
100 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48434 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:59:03Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махненко, В.И. Бут, В.С. Олейник, О.И. 2013-08-19T14:47:16Z 2013-08-19T14:47:16Z 2009 Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации / В.И. Махненко, В.С. Бут, О.И. Олейник // Проблемы прочности. — 2009. — № 5. — С. 86-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48434 621.791.72:621.643.054:620.191.33.001.18 Предложен новый подход к ремонту магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации. Подход базируется на четырех положениях: ранжирование дефектов по степени риск-отказа; безопасность выполнения сварочных работ на трубопроводе под давлением; применение различных вариантов ремонта сваркой; оценка работоспособности ремонтных сварных конструкций. Применение данного подхода позволяет минимизировать риск-отказ трубопровода и спрогнозировать его работоспособность после ремонта сваркой. Запропоновано новий підхід до ремонту магістральних трубопроводів зварюванням без виводу їх з експлуатації. Підхід базується на чотирьох положеннях: ранжування дефектів за ступенем ризик-відмови; безпека виконання зварювальних робіт на трубопроводі під тиском; використання різних варіантів ремонту зварюванням; оцінка працездатності ремонтних зварних конструкцій. Використання такого підходу дає можливість мінімізувати ризик-відмову трубопроводу і спрогнозувати його працездатність після ремонту зварюванням. We propose a new approach to repair of the trunk pipelines by welding without removing them from operation. The approach is based on four concepts: ranging of defects by their failure risk degree, safety performance of welding operations on the pipeline under pressure, application of various welding repair options, and estimation of working capacity of the repaired welded structures. Application of such approach enables one to minimize risk of the pipeline failure and to predict its working capacity after repair by welding. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации Trunk Pipeline Repair by Welding with Non-Interrupted Pipeline Operation Article published earlier |
| spellingShingle | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации Махненко, В.И. Бут, В.С. Олейник, О.И. Научно-технический раздел |
| title | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации |
| title_alt | Trunk Pipeline Repair by Welding with Non-Interrupted Pipeline Operation |
| title_full | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации |
| title_fullStr | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации |
| title_full_unstemmed | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации |
| title_short | Ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации |
| title_sort | ремонт магистральных трубопроводов сваркой без вывода их из эксплуатации |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48434 |
| work_keys_str_mv | AT mahnenkovi remontmagistralʹnyhtruboprovodovsvarkoibezvyvodaihizékspluatacii AT butvs remontmagistralʹnyhtruboprovodovsvarkoibezvyvodaihizékspluatacii AT oleinikoi remontmagistralʹnyhtruboprovodovsvarkoibezvyvodaihizékspluatacii AT mahnenkovi trunkpipelinerepairbyweldingwithnoninterruptedpipelineoperation AT butvs trunkpipelinerepairbyweldingwithnoninterruptedpipelineoperation AT oleinikoi trunkpipelinerepairbyweldingwithnoninterruptedpipelineoperation |