Розрахунок ресурсу діючих сталевих трубопроводів по залишковій товщині стінки

Питання розрахунку залишкового ресурсу стальних трубопроводів, що діють, співзвучні з визначенням вихідної товщини стінки трубопроводу. Актуальність подібних завдань не підлягає сумніву більшості комунальних об'єктів у містах Укаїни, де в системах водопостачання традиційно застосовуються сталеві трубопроводи. Наприклад, при довжині трубопроводів міської водопровідної мережі Москви понад 11 тис. км близько 72% трубопроводів представлені сталевими трубами, 26% - чавунними і лише 2% - залізобетонними, поліетиленовими та полівінілхлоридними трубами. За нормативного терміну служби сталевих трубопроводів 20 років середній вік сталевих трубопроводів московського водопроводу становить 24 роки, чавунних — 41 рік. Ситуація, що склалася, призводить до зростання відмов трубопровідної мережі. Аналіз причин відмов трубопроводів показує, що ушкодженнями на сталевих трубах, що найбільш часто зустрічаються, є свищі, які викликані впливом зовнішньої і внутрішньої корозії труб. Найбільше аварій (приблизно 90%) посідає трубопроводи водопровідної мережі малих діаметрів (100-300 мм) через відносно малої товщини стінки труб.

Як заходи, що сприяють продовженню терміну служби старих сталевих трубопроводів, насамперед необхідно розглядати їх бестраншейний ремонт різними методами. Однак перш ніж здійснювати ремонтно-відновлювальні роботи та вибирати найбільш ефективний варіант реновації трубопроводів проектувальники повинні виявити їх залишковий ресурс, який багато в чому залежить від фізичного стану ділянки мережі на момент прийняття рішення про реновацію.

Під залишковим ресурсом (залишковим терміном служби) розуміється напрацювання трубопроводу від його діагностування до досягнення граничного стану. Залишковий ресурсслід відрізняти від часу подальшої діагностики технічного стану. Залишковий ресурс як випадкова величина характеризується чисельними параметром напрацювання та ймовірності того, що протягом цього напрацювання граничний стан не буде досягнуто.

Для визначення залишкового ресурсу потрібно знати:

визначальні технічний стан об'єкта параметри, зміна яких може призвести до граничного стану (наприклад, залишкову товщину стінки трубопроводу);
величину наступних параметрів на момент діагностування: внутрішньої корозії, що відбувається за рахунок зміни якісних показників води, що транспортується, що негативно впливає на внутрішні стінки трубопроводу; зовнішньої ґрунтової корозії, у тому числі в місцях порушення суцільності антикорозійного покриття; корозійної активності ґрунтів, що оточують трубопровід;
швидкість зміни перелічених вище параметрів протягом подальшого діагностування та експлуатації трубопровідної мережі.

Математично технічний стан об'єкта, для якого проводиться розрахунок залишкового ресурсу, може бути описано за допомогою лінійних, статечних, логарифмічних або експонентних залежностей. Наприклад, визначення залишкового ресурсу об'єкта при впливі загальної корозії найбільш прийнятна експоненційна модель.

Для сталевих міських водопровідних і напірних водовідвідних мереж найбільш прийнятною оцінкою стану є зменшення товщини (утонення) стінки в результаті загальної (фронтальної) та виразкової (пітингової) корозії, а також ерозійного зносу стінок трубопроводу, що транспортується рідиною до величини, нижче якої не забезпечується запас міцності.

Сутність проблеми оцінки залишкового ресурсу трубопроводу в часіЗалежно від товщини стінки полягає у комплексному аналізі зміни товщини стінки та впливу на ділянку трубопроводу зовнішніх обставин, навантажень та впливів, пов'язаних, зокрема, з місцем розташування трубопроводу по відношенню до транспортної інфраструктури, глибиною його залягання, наявністю підземних вод по трасі, характеристикою ґрунту , термінами експлуатації окремих ділянок мережі тощо, а також у зіставленні величин:

розрахункової необхідної товщини стінки трубопроводу dрозрах.
проектної товщини стінки dпроект (згідно з ГОСТом на відповідний діаметр труби і марку сталі);
залишкової товщини стінки dост (як результату прояву корозійних процесів на внутрішній та зовнішній поверхнях трубопроводу в часі).

Розрахункова мінімальна товщина стінки приймається на підставі спрощеного методу або комплексного розрахунку міцності з використанням даних по діаметрах трубопроводів і навколишнього оточення, а проектна товщина стінки визначається як товщина стінки труби заводського виготовлення, виконаної відповідно до ТУ. Залишкова товщина стінки відповідає її товщині після n-ї кількості років експлуатації ділянки трубопроводу. Вона визначається за результатами регулярної діагностики (товщинометрії) або спеціальних натурних діагностичних досліджень, що призначаються в екстрених ситуаціях.

При визначенні ресурсу трубопроводу використовуються такі розрахункові залежності:

для визначення середньої швидкості корозії V, мм/рік

де N - Термін експлуатації трубопроводу до моменту визначення товщини стінки, рік; d проект - проектна товщина стінки, мм;

для визначення залишкового ресурсу N ост , рік

де dост - залишкова товщина стінки, мм;dост * — залишкова товщина стінки, при якій не дотримуються встановлених граничних умов за першим граничним станом (допустимим розтягуючим напругою в лотку) або за другим граничним станом (допустимим деформаціям у склепінні).

Від величини залишкового ресурсу трубопроводу залежить метод його реновації.

Якщо трубопровід має досить великий залишковий ресурс (як правило, більше 10 років), то як метод його відновлення може розглядатися нанесення захисних набризкових покриттів (цементно-піщаного або полімерного). Ці покриття забезпечуватимуть герметичність трубної конструкції, але не підвищать її несучу здатність. У випадку, якщо трубопровід має значні свищеві пошкодження і величина його залишкового ресурсу значно менше 10 років, найбільш прийнятним методом бестраншейного ремонту може бути протягування трубопровід полімерної труби або накладання суцільного внутрішнього захисного покриття з полімерних матеріалів, що забезпечуватиме підвищення несучої здатності двошарової трубної конструкції .

Розрахунок залишкового ресурсу ділянки діючого старого сталевого трубопроводу по товщині стінки та швидкості корозії здійснюється за допомогою автоматизованої програми, перше діалогове вікно якої представлено на малюнку нижче.

Діалогове вікно

у разі відсутності інформації (висота грунтових вод над лотком труби) необхідне попереднє проведення інженерно-геологічних вишукувань (наприклад, шурфування), а за неможливості їх організації слід прийняти величину залягання вод рівною глибині залягання трубопроводу, що збільшить запас міцності;
об'ємна вага ґрунту визначається за типом превалюючого ґрунту вздовж траси трубопроводу (для піску —1,5 т/м 3; суглинка - 1,7; глини - 1,9; скельних порід - 2,1 т/м 3);
за відсутності відомостей про них необхідно проставити нулі (у разі розрахунок по виразковій корозії проводитися нічого очікувати).

Робота з програмним комплексом починається з натискання кнопки Вихідні дані та введення необхідної вихідної інформації, малюнок вище.

Після введення вихідних даних натискають кнопку Ok та на екрані дисплея знову з'являється перше діалогове вікно. При натисканні на відповідні кнопки на екрані з'являються результати розрахунку міцності за граничними станами і інформація про залишкову товщину стінки, яка забезпечує («ресурс не вичерпаний») або не забезпечує («ресурс вичерпаний») несучу здатність труби.

Як вихідні дані вхідної інформації (рисунок вище) подаються такі відомості:

зовнішній діаметр ділянки трубопроводу, м;
глибина залягання трубопроводу (від поверхні землі до лотка), м;
висота ґрунтових вод над лотком труби, м;
внутрішній тиск води у трубопроводі, м вод. ст. або т/м 2;
проектна (початкова) товщина стінки трубопроводу, мм;
залишкова товщина стінки трубопроводу (за даними діагностики), мм;
тривалість експлуатації трубопроводу до діагностики, років;
об'ємна вага матеріалу труби, т/м 3;
об'ємна вага ґрунту, т/м 3 ;
об'ємна вага води, що транспортується, т/м 3 ;
глибина дефекту у зоні максимальних пошкоджень, мм;
найбільший розмір (діаметр) корозійної виразки по верхній кромці дефекту, мм;
фактичний час з появи дефекту (за даними діагностики), років.

Як довідкові дані вхідної інформації вводяться такі відомості:

межа плинностісталі, МПа;
модуль пружності сталі, т/м 2;
модуль деформації ґрунтового масиву, т/м 2 ;
коефіцієнт Пуассона для сталі;
коефіцієнт Пуассона для ґрунту;
поздовжні граничні нахили земної поверхні;
поздовжні деформації земної поверхні.

Вихідна інформація подається у вигляді трьох форм:

форма 1 - результати розрахунку залишкового ресурсу при дії загальної корозії;
форма 2 - результати розрахунку залишкового ресурсу при впливі піттингової (виразкової) корозії;
форма 3 - Визначення залишкового ресурсу.

Форма 1 (вплив загальної корозії)

При складанні форми 1 використовуються результати розрахунку за першим граничним станом (міцності в лотку) -А, другому граничному стану (деформаціям у зводі) - Б і перевірці на стійкість з урахуванням пластичних деформацій - В.

А. Розрахунок за першим граничним станом передбачає визначення:

розтягує напруги від власної ваги труби, МПа;
стискаючих напруг від ґрунтових вод, МПа;
розтягує напруги від внутрішнього тиску води, МПа;
контактної напруги від гірського тиску з урахуванням колісних навантажень, МПа;
сумарних значень контактних та розтягуючих напруг (∑σ0), МПа.

Для детального аналізу динаміки зміни величин напруг вихідна інформація повинна включати відомості про наступні проміжні параметри розрахунку:

контактних напруг, т/м 2 : Q1, А1, S1
наведеній об'ємній вазі, т/м 3;
навантаженнях на контурі гірничого вироблення, т/м 2 :P0, P2

За результатами розрахунків за першим граничним станом робляться відповідні висновки:

залишкова товщина стінки забезпечує несучу здатність труби (∑σ0 Uп.накл і Uп.деф) ресурс вичерпаний.

В. За результатами перевірочних розрахунків на стійкість з урахуванням пластичних деформацій робляться висновки:

залишкова товщина стінки забезпечує несучу здатність труби (Ркр - Нв) - ресурс не вичерпаний;
залишкова товщина стінки не забезпечує несучу здатність труби (Ркр г: Q1, А1, S1
наведеній об'ємній вазі, т/м 3;
навантаженнях на контурі гірничого вироблення, т/м 2: Р0, Р2.

За результатами розрахунків за першим граничним станом робляться відповідні висновки:

залишкова товщина стінки забезпечує несучу здатність труби (Pфакт 0,75 σm для сталі, тобто 270 МПа) - ресурс вичерпаний.

Якщо ресурс трубопроводу вичерпано, то у вихідній формі 2 робиться загальний висновок: ресурс трубопроводу вичерпаний - потрібна його заміна.

У разі, якщо ресурс не вичерпано, проводиться розрахунок залишкового ресурсу з виведенням на принтер наступної інформації:

критична глибина дефекту при діючих напругах, мм;
швидкість зростання дефекту у площині труби, мм/рік;
середня швидкість загальної корозії, мм/рік;
сумарна швидкість корозії, мм/рік;
залишковий ресурс при піттинговій (виразковій) корозії, рік.

Форма 3 (визначення залишкового ресурсу)

Роздруківки за формою 3 повинні містити узагальнюючі висновки щодо залишкового ресурсу ділянки трубопроводу. Результуюча інформація відображає величину залишкового ресурсу трубопроводу при загальній (фронтальній) та виразковій (піттинговій) корозії. З порівняння отриманих величин автоматично вибирається найменше значення, що розглядається якзалишковий ресурс:

ресурс трубопроводу за загальної (фронтальної) корозії, рік;
ресурс трубопроводу при виразковій (піттинговій) корозії, рік;
найменший ресурс ділянки трубопроводу, рік.

У таблиці нижче представлено приблизне роздрукування результатів автоматизованого розрахунку.