Оценки допустимых дефектов в металле труб и сварных швах морских подводных трубопроводов

Морские подводные трубопроводы (МПТ) широко распространены в мире для безопасной транспортировки нефти и газа. Несмотря на многолетний опыт проектирования и эксплуатации МПТ, в них возникают повреждения, отказы и даже аварии. Изучение повреждений трубопроводов важно для выявления закономерностей их образования и снижения риска их повторений, а также выбора наилучшего способа ремонта в зависимости от появляющихся глобальных и локальных дефектов основного металла труб, металла сварных швов и зоны термического влияния. При этом отчеты с доступной информацией об изменениях за конкретный период времени эксплуатации МПТ исходного состояния с выявленными и допустимыми дефектами на стадии укладки и испытаний МПТ за последующий конкретный период времени эксплуатации МПТ должны служить основой для практической проверки расчетного прогнозирования.

Задача оценки допустимого срока эксплуатации трубопровода с дефектами в общем виде не может быть решена без анализа причин появления дефектов, а выяснить эти причины на основе данных дефектоскопии не всегда представляется возможным. Очевидно, что оценка разрешенного размера дефекта должна исходить из того, что дефект допустим не только на момент контроля, но и будет допустимым на момент следующей диагностики.

Для выполнения оценки допустимости дефекта на определенный срок эксплуатации необходимо ранжировать уровни опасности, вызванные конкретными возможными типами дефектов с учетом условий эксплуатации и, принимая во внимание статистические данные об обнаруженных повреждениях и инцидентах за годы эксплуатации МПТ.

С увеличением сроков эксплуатации (МПТ) транспортировки нефти и газа возрастает актуальность вопросов выявления и определения уровней дефектности металла труб МПТ и сварных швов для оценки их технического состояния и своевременного применения ремонтных технологий, позволяющих продлить ресурс эксплуатируемых МПТ, обеспечить их длительную работоспособность в эксплуатационных условиях.

Сложность адекватной расчетной оценки опасности дефектов труб МПТ на сегодняшний день связана с наличием нескольких подходов и расчетных методик, учитывающих специфику эксплуатации МПТ. Однозначное решение вышеупомянутой задачи осложнено отсутствием единообразия в нормативно-технических документах, регламентирующих порядок оценки технического состояния труб с дефектами, в методиках оценки прочности и долговечности труб с дефектами.

К факторам, благоприятствующим образованию и развитию дефектов в процессе эксплуатации МТ, относят: коррозионно-активные среды (окружающая трубопровод вода или грунт, в который заглублен МПТ на дне, а также транспортируемый продукт), цикличность давления трубопровода, наличие блуждающих токов, тип и срок эксплуатации антикоррозионного покрытия, внешние нагрузки и воздействия.

Статистические данные о повреждениях и инцидентах, приведенные в норвежском документе рекомендованной практики [4], показывают, что наибольшая часть обнаруженных повреждений связана с коррозией труб. Например, коррозией вызваны 27% повреждений в Северном море и 40% - в Мексиканском заливе из всех инцидентов МПТ, указанных в отчетах за период 2001 по 2012 годы. Принимая во внимание большой процент коррозионных повреждений, рассмотрим в качестве примера рекомендуемые варианты оценки коррозионного износа.

Оценку допустимости потери металла вследствие поверхностной коррозии труб в нормативных документах рекомендуют проводить по минимальному давлению разрушения трубы при утонении стенки на части длины. Представленные в литературных источниках и нормативных документах зависимости допустимой относительной глубины дефекта [h/t] от заданной относительной протяженности дефекта LDt, где h - глубина коррозии, t – исходная толщина трубы, L – длина дефекта вдоль трубы диаметром D, различаются двумя подходами. Первый подход, рекомендованный в ряде нормативных документах [1], [2], [6], представляет так называемый детерминированный подход по оценке опасности коррозионного износа с позиций обеспечения прочности, с однозначно заданными размерами дефектов, нагрузками и характеристиками механических свойств металла труб. Второй подход учитывает реальные условия, при которых всегда имеют место погрешность измерений размеров коррозионного дефекта при внутритрубной диагностике, а также случайные вариации и статистические рассеяния расчетных переменных, нарушающих однозначность оценок опасности дефектов [3], [5].

В работе [5] рассматривается подход определения допустимых размеров дефектов с учетом вероятности R_f негативных последствий аварий подводного трубопровода, масштаб которых определяется классом опасности. Количественные экономические и экологические оценки ущербов не рассматриваются. По статистическим данным основными причинами отказов подводных трубопроводов являются: механические повреждения (зацепления якорями и тралами, падения тяжелых предметов); коррозия, а также процессы старения; строительные дефекты и дефекты металла труб.

В работе [5] сделан обзор аварий МПТ с частотой и последствиями их возникновения, на основе которых можно задать классы опасности (табл.1) с учетом риска аварий, определяемых вероятностью R_f.

Таблица 1 – Классы опасности разрушения подводных трубопроводов

В этом случае дополнительно вводятся коэффициент безопасности, учитывающий отмеченные выше случайные вариации размеров дефектов, и коэффициент, зависящий от класса опасности, точности диагностирования и уровня достоверности.

В настоящей статье сравнительный численный анализ результатов допустимых уровней дефектности при поверхностной коррозии выполнен по формулам, соответствующих указаниям документов [2] и [6], [3] и [5], [2]. Расчеты выполнены по разработанной программе в Visual Studio Express 2013 Desktop Windows для МПТ транспортировки газа и нефти из сталей X65 и X52 с исходными данными, указанными в табл.2. В расчётах принято положение о недопустимости в любом случае дефектов глубиной более 80 % толщины стенки трубы.

Таблица 2. Исходные данные, принятые в расчетах

В соответствии с детерминированным подходом формулы согласно [2] и [6] задают зависимости глубины потери металла от длины пораженного коррозией участка, не принимая во внимание фактор риска и разброс измерений. Формулы [3] и [5], учитывают как класс опасности, так и точность измерения. На рис. 1 представлены линии предельных размеров коррозионных дефектов в МПТ из стали Х65 (табл.2) в виде зависимости относительной глубины ht от относительной длины LD∙t. Точки, соответствующие реально измеренным дефектам, и располагающиеся выше линий зависимости ht от LD∙t   свидетельствуют о недопустимости дефектов определенных размеров.

Предлагаемая оценка Российского морского регистра судоходства (РС)  в действующем Руководстве МПТ (линия «в») [1] не допускает глубину коррозии более чем на половину толщины стенки в данном случае, как для коротких дефектов, так и для дефектов очень большой длины. При этом по сравнению с рекомендованной практикой DNVGL [3] и руководством британского института стандартов [2], как  и межгосударственного стандарта по системам газоснабжения [6] методика РС дает наименьшую оценку по глубине металла для трех представленных на рисунке 1 методик.

Наиболее консервативные результаты дает формула [5]. На рис.2 представлена диаграмма допустимой потери металла МПТ из стали Х65 для всех 4-х классов опасности при высокой точности измерений.

На основе получаемых диаграмм при постоянной скорости коррозии можно оценить расчетный срок безопасной эксплуатации МПТ (ресурс) до планового ремонта. Остаточный ресурс МПТ по критерию поверхностной коррозии зависит от скорости роста коррозионных дефектов вглубь металла стенки трубы Vcorrh и скорости распространения коррозионных повреждений по поверхности металла трубы в продольном направлении VcorrL. По опытным данным скорость роста коррозии в длину может превышать скорость роста в глубину по толщине в 20-100 раз. Если скорость коррозии основана на предыдущих данных контроля, то эта оценка может быть использована для одинаковых и подобных условий эксплуатации.

Средняя скорость коррозии Vcorrh, мм/год, может определяться по статистическим данным внутритрубной диагностики в разные моменты времени.

На основе анализа опытных данных рассматривают три прогнозируемых значения постоянной скорости коррозии в случаях различных нарушений изоляции труб: малая скорость коррозии ­ Vcorrh=0,1 мм/год, средняя скорость коррозии ­ Vcorrh=0,3 мм/год, высокая скорость коррозии ­ Vcorrh=0,5 мм/год.

На рис.3 для МПТ из стали Х52 графически показано в абсолютных размерах влияние методики оценки уровня дефектности по глубине h при постоянной скорости коррозии на интервал времени, в течение которого сохранится работоспособное состояние МПТ. Например, при высокой средней скорости коррозии Vcorrh=0,5 мм/год получаем при рабочем давлении наименьший интервал исправного состояния при малых длинах дефектов τ=hVcorrh=50,5=10 лет, а при поверхностной коррозии вдоль трубы длиной порядка 1,4 м работоспособное состояние сохранится не менее 9 лет, т.к. асимптотически красная линия 4 выходит на размер не ниже h=4,5 мм. Этот результат получен при среднем втором классе опасности и среднеквадратическом отклонении  S[h/t] = 0,05, что составляет погрешность ориентировочно от 0,5 мм до 0,8 мм в зависимости от метода измерений. По действующему положению РС вышеуказанный срок получается 15,9 лет согласно линии 3 на рис.3.

Таким образом, наиболее приемлемые результаты получены по формуле [5] с учетом вероятности возникновения негативных последствий. На рис. 4 представлены кривые предельных уровней дефектов при низком, среднем и высоком классе опасности при точном измерении. Причем, чем больше погрешность измерений, тем расчетные кривые допустимых размеров располагаться ниже по шкале h.

Представленные результаты по оценке опасности только одного параметра ­коррозионной потери металла показывают, что расчетный срок безопасной эксплуатации может существенно отличаться в зависимости от выбранного нормативного документа и принятой методики, Наиболее приемлемые результаты достигаются при учете разброса данных и погрешностей измерения, а также путем введения уже на стадии проектирования МПТ классов опасности, основанных на риске аварий, для дальнейшей оценки безопасности МПТ на стадии эксплуатации, принимая во внимание конкретный класс опасности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по техническому наблюдению за постройкой и эксплуатацией морских подводных трубопроводов. НД № 2-030301-002  Российский морской регистр судоходства, Санкт-Петербург, 2017. ­ 87 с.
2. BS 7910. Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures. British Standards Institution, 2007. ­ 297 p.
3. DNVGL-RP-F101-2017 Corroded Pipelines, DNV GL AS, 2017 – 123 p.
4. DNVGL-RP-F116 Integrity management of submarine pipeline systems, DNV GL AS, 2017 – 189 p.
5. Lepikhin A, Leschenko V., Makhutov N. Defects Assessment in Subsea Pipelines by Risk Criteria. DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.94851.
6. ГОСТ 34027—2016. Магистральная трубопроводная транспортировка газа. Механическая безопасность. Назначение срока безопасной эксплуатации линейной части магистрального газопровода. М.: Стандартинформ, 2017  ­ 77 с.