Оценка прочности промысловых и технологических трубопроводов морских нефтегазовых сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.18, кандидат технических наук Ушин, Николай Васильевич

• Ушин, Николай Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ушин, Николай Васильевич

Введение

Оглавление:

Глава I. Оценка работоспособности промысловых и технологических трубопроводов морских нефтегазовых сооружений.

1.1. Состояние проблемы.

1.2. Выбор расчетно-экспериментального подхода для исследований.

1.3. Техническая диагностика трубопроводных систем.

Глава II. Исследование прочности трубопроводных систем

2.1. Исследование коэффициентов концентрации напряжений в трубопроводах с дефектами.

2.2. Выбор критериев прочности.

2.3. Трубопроводы из полимерных и композиционных материалов.

Глава III. Разработка методики оценки ресурса эксплуатации трубопроводов.

3.1. Работоспособность трубопроводных систем при динамическом нагружении.

3.2. Влияние различных дефектов на работоспособность конструкций.

3.3. Техническая диагностика и оценка ресурса технологических трубопроводов узлов редуцирования.

3.4. Методика оценки остаточного ресурса технологических трубопроводов

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка прочности промысловых и технологических трубопроводов морских нефтегазовых сооружений»

Континентальный шельф России содержит в своих недрах огромные, пока полностью не оцененные запасы углеводородного сырья. Поэтому современный этап развития нефтегазовой отрасли страны характеризуется становлением морской отрасли нефтедобычи. При этом целесообразно максимально использовать опыт освоения «сухопутных» месторождений и существующей системы транспорта нефти и газа, а также методологию освоения месторождений Каспия, Азовского и Южно-Китайского («Белый тигр») морей, шельфа Сахалина и Балтийского моря.

Наиболее важным, с точки зрения обеспечения надежности при эксплуатации морских нефтегазовых сооружений являются промысловые и технологические трубопроводные системы. Последнее объясняется сложностью конфигурации технологических трубопроводных систем, «тяжелыми» условиями эксплуатации, затруднениями при проведении обслуживания и ремонта, отсутствием достоверных критериев для оценки прочности и т.д. Основными особенностями эксплуатации морских промысловых и технологических трубопроводов являются:

- высокий уровень коррозии стали трубопроводов морских сооружений, особенно в зонах, смачиваемых морской водой;

- динамические нагрузки на системы трубопроводов, обусловленные многочастотными гидродинамическими пульсациями и гидравлическими ударами при сборе и транспорте углеводородов;

- требования полного исключения аварий трубопроводных систем из-за возможного экологического ущерба окружающей среде и огромных затрат на ликвидацию аварий.

Из изложенного следует, что задача оценки прочности морских промысловых и технологических трубопроводов современна и актуальна.

Основной целью работы явилось решение поставленной научнотехнической задачи. Для этого последовательно проведены разработки и исследования в части:

- разработки методик математического моделирования задач определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов в статической постановке с учетом возможных дефектов в трубе;

- проведения экспериментальных работ по техническому диагностированию трубопроводных систем с целью выявления типовых дефектов в процессе эксплуатации;

- исследования работоспособности трубопроводных систем при различных динамических режимах нагружения;

- обоснования критерия прочности трубопровода и методики оценки остаточного ресурса эксплуатации трубопровода;

- оценки возможности применения труб из перспективных полимерных и композиционных материалов.

На защиту автором выносятся следующие положения:

- предложенный подход для комплексного диагностического сопровождения промысловых и технологических трубопроводных систем;

- полученный и обоснованный критерий прочности технологических трубопроводов;

- критерий «рассогласования» резонансных режимов при динамическом нагружении трубопроводов за счет газодинамических процессов рабочего тела и других возмущений;

- установленные закономерности поведения коэффициентов концентрации в дефектах трубопроводных систем из типовых трубных сталей.

Основными научными результатами, полученными в работе, являются:

- предложенный экспериментально-теоретический подход для исследования концентрации напряжений в трубопроводных системах с дефектами, основанный на техническом диагностировании трубы прямыми измерениями и последующим конечноэлементном анализе напряжений с обязательным учетом упруго-пластических свойств трубной стали;

- впервые полученная универсальная регрессионная модель расчетного напряжения в вершине коррозионного дефекта в зависимости от базовых геометрических параметров дефекта: глубины, ширины и длины для имеющихся типоразмеров трубопроводов;

- теоретически установленный и экспериментально подтвержденный факт подавления процессов трещинообразования для трубопроводов при использовании низколегированных сталей с пределом текучести 380.430 МПа и коэффициентом интенсивности напряжений 60. 150 МПа-м1/2 в стандартных условиях;

- предложенная вероятностная оценка для рассогласования частот собственных колебаний транспортируемого газа (нефти) и трубы, исходя из нежелательности динамических нагрузок на трубопроводные системы с амплитудой виброскоростей более 10 мм/с.

Практическая значимость работы состоит в решении задач, позволяющих:

- исследовать концентрацию напряжений в трубопроводных системах в зонах выявленных техническим диагностированием дефектов, отклонениях от проектных параметров трубопроводной обвязки и т.п.;

- давать рекомендации по ремонту отдельных элементов трубопроводных систем;

- оценивать прочность промысловых и технологических трубопроводов;

- разрабатывать технические мероприятия по повышению работоспособности трубопроводов: снижению уровня действующих динамических компонент напряжений и деформаций, использованию полимерных труб и демпферов, оптимальному конструктивному оформлению трубопроводной системы и т.п.

Основные результаты работы в виде разработанных методических подходов непосредственно внедрены в практику проектирования и эксплуатации трубопроводных систем «сухопутных» и морских нефтегазовых сооружений: использованы на газораспределительных и компрессорных станциях ООО «Мострансгаз», а также в ОАО «Сахалинморнефтегаз» и на месторождениях Черного моря.

Отдельные результаты работы поэтапно докладывались на международных деловых встречах «Диагностика» в 2002 и 2003 г.г.; научно-технической конференции «Социально-экономические проблемы развития региона», Ижевск, 2002 г.; III Всероссийской конференции «Информация, инновации, инвестиции», Пермь, 2003 г.; XXII Российской школе по проблемам науки и технологии, Миасс, 2003 г. и других.

Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. В первой главе изложено состояние решаемой проблемы и поставлены цели и задачи на собственные исследования. Сделан выбор расчетно-экспериментального подхода для исследований. Предлагается техническую диагностику трубопроводных систем осуществлять общепринятыми средствами с прямыми измерениями напряжений (предпочтительно использование комплексов основанных на магнитошумовом методе измерений). Математическое моделирование конструкций и процессов проводится методом конечных элементов при использовании как собственных программных комплексов, так и универсальной системы ANSYS версии 8.0.

Заключение диссертации по теме «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых», Ушин, Николай Васильевич

6. Результаты работы в виде отраслевых руководящих документов, критериальных оценок прочности и остаточного ресурса трубопроводов используются как для «сухопутных» газотранспортных сооружений в ОАО «Газпром», так и морских нефтегазоввых объектов в ОАО «Сахалинморнефтегаз», на арктическом шельфе (Байдарацкая губа) и Черном море.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ушин, Николай Васильевич, 2005 год

1. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Шадрин О.Б. Подводные трубопроводы. - М.: Недра, 1979. - 415 с.

2. Гусейнов Ч.С., Иванец В.К., Иванец Д.В. Обустройство морских нефтегазовых месторождений. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. - 608 с.

3. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. -М.: Недра, 2000.-467 с.

4. Литвин И.Е., Аликин В.Н. Оценка показателей надежности магистральных трубопроводов. М.: Недра, 2003. - 167 с.

5. Якубович В.А. Диагностическое обслуживание трубопроводных систем компрессорных цехов газотранспортных и газодобывающих предприятий. Автореф. дисс. соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. - 53 с.

6. Гриценко А.И., Харченко Ю.А., Клапчук О.В. Гидродинамика газожидкостных смесей в скважинах и трубопроводах. М.: Недра, 1994.-279 с.

7. Харченко Ю.А. Энергосберегающие системы сбора углеводородов на месторождениях континентального шельфа. Автореф. дисс. соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. -47 с.

8. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И. Теория и практика предупреждения осложнений и ремонта скважин при их строительстве и эксплуатации: Справ, пособие: в 6 т. М.: Недра, 2004. - Т. 6. - 447 с.

9. Алехин М.И., Будников В.Ф., Щербина М.М. О причинах коррозионного разрушения оборудования на участках термических методов добычи нефти// Сб. науч. тр. Вопросы технологии и техники добычи нефти термическим методами. М.: ВНИИОЭНГ, 1989. - с. 3944.

10. Аварии и несчастные случаи в нефтяной и газовой промышленности России/ Под ред. Ю.А. Дадонова, В.Я. Кершенбаума. М.: Техно-нефтегаз, 2001. - 2-1 с.

11. Скугорова Л.П. Материалы для сооружений газонефтепроводов и хранилищ . М.: Недра, 1975. - 320 с.

12. Амиров А.Д. Техника и технология освоения и эксплуатации глубоких скважин. М.: Недра, 1970. - 247 с.

13. Горяинов Ю.А., Федоров А.С., Васильев Г.Г. и др. Морские трубопроводы. — М.: Недра, 2001. 131 с.М.Новаковский В.М.Преодоление коррозии — важнейшая задача науки/ М-лы II межд. конгресса «Защита-95». М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1995. - с.74-79.

14. Полянский Р.П., Пастернак В.И. Трубы для нефтяной и газовой промышленности за рубежом. М.: Недра, 1979. - 215 с.

15. Козаченко А.Б., Никишин В.И., Поршаков Б.П. Энергетика трубопроводного транспорта газов. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001. - 400 с.

16. Положение по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов/ В.М. Клищевская, Н.В. Ушин, Н.И. Цыбулько и др. ВРД 39-1.10-069-2002-М.: РАО ГАЗПРОМ, 2003. -94 с.

17. Метод конечных элементов в задачах нефтегазопромысловой механики/ В.Н. Аликин, И.Е. Литвин, С.М. Щербаков, В.П. Бородавкин. М.: Недра, 1992. - 288 с.

18. Чигарёв В.А., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.

19. Гриценко А.И., Хачатурян С.А. Газодинамические процессы в трубопроводах и борьба с шумом на компрессорных станциях. М.: Недра, 2002.-335 с.

20. Наука и высокие технологии России на рубеже третьего тысячелетия/ Под ред. B.JI. Макарова и А.Е. Варшавского. М.: Наука, 2001. - 636 с.

21. Макеев В.П., Ершов Н.П. Конструкции из композиционных материалов в современной технике// Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. № 3. - 1978. - с. 245-248.

22. Якубович В.А. О возможности возникновения высокочастотной вибрации трубопроводной обвязки ГПА при резонансах КС// В сб. Доклады XXI межд. сем. «Диагностика оборудования компрессорных станций. Светлогорск: сентябрь 2002 г., ИРЦ ГАЗПРОМ, с. 94-98.

23. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.

24. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.-344 с.

25. Басов. ANSYS в примерах и задачах/ Под общей редакцией Д.Г. Красковского. М.: Компьютер-Пресс, 2002. - 224 с.

26. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

27. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1984. - 245 с.

28. Каталог технологического оборудования действующих газораспределительных станций магистральных газопроводов с рекомендациями по .реконструкции и модернизации. РАО «Газпром», ДАО «Оргэнергогаз». М.: ИРЦ Газпром, 1994. - 72 с.

29. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986.-560 с.

30. Морозов A.M., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. - 256 с.

31. Иванцов О.М., Харитонов В.И. Надежность магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1978. - 217 с.

32. Сиратори М., Миеси Г., Мацумта X. Вычислительная механика разрушения. М.: Мир, 1986. - 334 с.

33. Захаров М.Н., Лукьянов В.А. Прочность сосудов и трубопроводов с дефектами стенок в нефтегазовых производствах. — М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. 216 с.

34. Броск Д. Основы механики разрушения. М.: Высшая школа, 1980. -368 с.

35. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. — М.: Машиностроение, 1981. -272 с.

36. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов под давлением. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 288 с.

37. Денис Руди М. Оценка допустимости коррозионных дефектов// Трубопроводный транспорт нефти. 1997. - № 4. - с. 28-34.

38. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. -239 с.

39. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Транспорт, 1980.-246 с.

40. Дорошко С.М. Контроль и диагностирование технического состояния газотрубопроводных двигателей по вибрационным параметрам. М.: Транспорт, 1984. - 128 с.

41. Синюков A.M., Бородавкин П.П., Литвин И.Е. Основы расчёта надёжности и оптимизации коэффициентов запаса прочности основныхнесущих элементов магистральных трубопроводов. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 242 с.

42. Ушин Н.В., Литвин И.Е., Аликин В.Н. Оценка прочности технологических трубопроводов, подверженных коррозии/М-лы XXII Российской школы по проблемам науки и технологий. Миасс, 2003. -с. 45.

43. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. -М.: Машиностроение, 1968. 191 с.

44. Методика определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений. ОСТ 153-39.4010-2002. Уфа.: 2002. - 57 с.

45. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов. М.: Наука, 1972.-328 с.

46. Критерии прочности и расчёт механической надёжности конструкций/В.Н. Аликин, П.В. Анохин, Г.Л. Колмогоров, И.Е. Литвин. Пермь.: ПГТУ, 1999. - 158 с.

47. Капур К., Ламберсон Л. Надёжность и проектирование систем. — М.: Мир, 1980.-606 с.

48. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

49. Волков Б.Е., Судаков Р.С., Сырицин Т.А. Основы теории надёжности ракетных двигателей. — М.: Машиностроение, 1974. — 399 с.

50. Лавендел Э.Э. Расчёт резинотехнических изделий. " М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

51. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов/Под ред. А.К. Дерцакяна. Л.: Недра, 1977. - 519 с.

52. Магистральные трубопроводы. Строительные нормы и правила СНиП 2.05.06.-85*. М.: ЦИТП Госстроя, 1997. - 52 с.

53. Нормы проектирования и строительства морского газопровода. Ведомственные нормы ВН 39-1.9-005-98. М.: ИРЦ Газпром, 1998. -32 с.

54. Гудрамович B.C., Переверзев Е.С. Несущая способность и долговечность элементов конструкций. — Киев.: Наукова думка, 1981. -176 с.

55. Горянов Ю.А., Резуненко В.И., Фёдоров А.С., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия Турция: исследование т-руб на смятие//Газовая промышленность. - 1999. - №8. - с. 1. - с. 5 - 16.

56. Горянов Ю.А., Резуненко В.И., Фёдоров А.С., Фейгин Б.Л. Газопровод Россия Турция: защита глубоководного участка от лавинного смятияуУГазовая промышленность. — 1999. №5. - с. 82 - 83.

57. Иванцов О.М., Харионовский В.В., Черний В.П. Сопоставление методик расчёта магистральных трубопроводов по нормам России, США, Канады и европейских стран. -М.: ИРЦ Газпром, 1997. 51 с.

58. Кодолов В.И., Кибенко В.Д. Основы технологии переработки полимерных материалов. Ижевск.: Ижевск, мех. институт, 1991. -190 с.

59. Ершов Н.П. Состояние и перспективы развития расчётно-экспериментальных работ в области проектирования тонкостенных конструкций из композиционных материалов//Механика композиционных материалов. №1. - 1998. - с. 86-92.

60. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчёт многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1984. — 264 с.

61. Баженов В.А., Гольденблат И.И., Копнов В.А., Поспелов А.Д., Синюков A.M. Пластинки и оболочки из стеклопластика. М.: Высшая школа, 1970.-408 с.

62. Аугусти Г., Баратта А., Кашпати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. - 584 с.

63. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и низкотермическом малоцикловом разрушении. М.: Наука, 1979. — 295 с.

64. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

65. Харченко Ю.А. Классификация гидродинамических процессов в однотрубных системах сбора нефти и газа//Нефтяное хозяйство №8. -2004.-с. 118-122.

66. Якубович В.А. Снижение резонансных вибраций оборудывания компрессорных станций//Обз. инф. сер. «Машины и нефтяное оборудование». М.: ВНИИОЭНГ, 1979. - 67 с.

67. Образцов И.Ф., Савельев JI.M., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. — М.: Высшая школа, 1985. 392 с.

68. Притула В.А. Катодная защита от коррозии. M-JL: Госэнергоиздат, 1962.-254 с.

69. Жук Н.П. Коррозия и защита металлов. М.: Машгиз, 1957. - 331 с.

70. Зиневич A.M., Глазков В.И., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии. М.: Недра, 1975. - 288 с.

71. Стрижевский И.В., Зиневич A.M., Никольский К.К., Глазков В.И. Защита металлических сооружений от подземной коррозии. М.: Недра, 1981.-293 с.

72. РД 153-39.4-091-01 «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии. С-Пб.: 2002. - 240 с.

73. ВСН 012-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приёмка работ. Часть I. М.: 1988 28 с.

74. РД 34.17.302-97. Котлы паровые водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды. Сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения. М.: 1997.

75. Аликин В.Н. Разработка рецептур, освоение технологий производства конструкций из термореактивного циклически стойкого полиуретана//Химическая технология. № 9. - 2000, с. 28-33.

76. РД 12-411-01. Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных трубопроводов. М.: Гостехнадзор,2002.- 120 с.

77. ГОСТ 9.602.-89.* Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. М.: 1989.

78. Кривошеин Б.Л., Тугунов П.И. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. — М.: Наука, 1985. 324 с.

79. Указания по расчёту параметров электрохимической защиты подземных коммуникаций компрессионных станций. РМ 51-11-75. -М.: Мингазпром, 1975. 50 с.

80. ВРД 39-1.10-069-2002. Положение по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных трубопроводов. М.:2003. 94 с.

81. Цикерман Л.Я. Долгосрочный прогноз опасности грунтовой коррозии металлов. М.: Недра, 1966. - 175 с.

82. Бекман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии. М.: Металлургия, 1984.-495 с.

83. Методика комплексной коррозионной диагностики распределительных газопроводов. М.: Газпром, 2003. - 70 с.

84. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. ГОСТ 27.002-89. М.: Изд-во Стандартов, 1990. - 37 с.

85. Гумеров А.Г., Зайнуллин Р.С. Безопасность нефтепроводов. М.: Недра, 2000.-310 с.

86. Харионовский В.В. Диагностика и ресурс газопроводов: состояние и перспективы//Газовая промышленность. 1995. - №11.- с. 28-30.

87. Аликин В.Н., Милёхин Ю.М., Пак З.П. Пороха. Топлива. Заряды. Том I. Методы математического моделирования для исследования зарядов твердого топлива. М.: Химия, 2003. - 216 с.

88. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчёт элементов конструкций на прочность. -М.: Машиностроение, 1990. 448с.

89. Методика расчёта технологических трубопроводов компрессорных станций М.: ВНИИГАЗ, 1992. - 53 с.

90. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1990-448 с.

91. Ржаницин А.Р. Теория расчёта строительных конструкций на надёжность. М.: Стройиздат, 1986. - 386 с.

92. Чирков В.П. Вопросы надёжности механических систем. — М.: Знание, 1981.-121 с.

93. Фомин Я.А. Теория случайных процессов. М.: Наука, 1969. - 387 с.

94. Критерии прочности и надёжность конструкций/Н.В. У шин, В.Н. Аликин, И.Е. Литвин, С.Г. Сесюнин, М.И. Соколовский. М.: Недра, -2005.-211 с.

95. Гольденблат И.И, Бажанов В.А., Копнов В.А. Длительная прочность в машиностроении. М.: Машиностроение, 1977. - 218 с.

96. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. — М.: Машиностроение, 1964. 308 с.

97. Зайнуллин Р.С. Гумеров А.Г. Повышение ресурса нефтепроводов. -М.: Недра, 2000.-494 с.

98. Братухин А.Г., Решетников Ю.Е., Иноземцев А.А. Основы технологии создания газотрубных двигателей. М.: Авиатехинформ, 1999. - 554 с.

99. Обухов А.С. Расчёт на прочность конструкций из стеклопластика и пластмасс в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. -М.: Машиностроение, 1978. 148 с.