Техническое состояние трубопроводов тепловых сетей. (2008 г.)

Техническое состояние трубопроводов тепловых сетей.

Диагностика.

Научный руководитель работ  к.т.н. Самойлов Е.В.


Трубопроводы тепловых сетей - это важный элемент систем теплоснабжения городов.  С течением времени в процессе эксплуатации в основном за счет процессов коррозии происходит ухудшение технического состояния трубопроводов. Это служит причиной нарушения сплошности металла труб, сопровождающегося истечением теплоносителя - образование течей.

Наиболее эффективным способом предотвращения течей является своевременная замена ветхих участков трубопровода - перекладка.

Перед теплоснабжающими организациями стоит нелегкая задача, как в условиях ограниченного, а точнее крайне недостаточного, финансирования, повысить экономическую эффективность эксплуатации тепловых сетей и, в первую очередь, сократить число аварий - течей, с помощью течеискателя воды. Основываясь на действующих нормативных документах по оценке технического состояния труб, а именно критерии 20% утонения, организации ставят задачу о получении информации о фактической толщине стенки трубы по всей длине трубопровода на участке.

Однако, методов и средств замера толщины стенки трубы без вскрытия теплотрассы не существует. Для нефте и газопроводов используются внутритрубные снаряды, оснащенные устройствами замера толщины. Но, для трубопроводов тепловых сетей для широкомасштабного применения они не подходят из-за:

  • разнообразия диаметров труб, от 80 до 1000 и более мм,
  • большого числа поворотов, пройти которые снаряд не может.
Допустим, что метод замера существует. Тогда возникает новая задача: при обилии утонений стенки трубы более 20% на большом количестве участков, какие же из них являются наиболее опасными и требуют перекладки? На этой стадии нормативные документы предписывают осуществить расчет на прочность и по уровню и характеру распределения напряжений принять решение о дальнейшей эксплуатации.

Не анализируя существующие методы расчета трубопроводов, можно уверенно сказать, что полученные результаты будут обладать малой достоверностью, т.к. коррозии и разрушению подвержен не только металл трубы, но и конструктивные элементы, например скользящие опоры, что должно быть учтено при расчете. При  условиях задания фактических параметров состояния и работы элементов трубопровода расчет на прочность процедура сложная и не дешевая.

Решить данную проблему можно используя косвенные методы оценки напряжений. К ним относятся следующие методы диагностики: магнитные - магнитная томография, магнитное сканирование, метод остаточной намагниченности металла (метод Дубова); акустические - акустической эмиссии, акустическая томография.

Эти методы базируются на физических процессах позволяющих обнаружить, определить местоположение и оценить уровень локальных интервалов повышенных напряжений. При этом, утонение стенки трубы - это один из факторов, обуславливающих повышение напряжений в металла трубы.

За последнее время наибольшее распространение среди организаций эксплуатации тепловых сетей (более 100 организаций) получил метод Акустической томографии (разработчик Самойлов Е.В.), в первую очередь в силу доступности самостоятельного его применения. Этим методом (предыдущее название: акустический метод НПК «Вектор») диагностируются трубопроводы наземной и подземной, канальной и безканальной прокладки диаметром от 80 мм и более, находящиеся в режиме эксплуатации. Длина единичного участка от 40 до 300 м. Точность определения дефекта - 1% от базы постановки датчиков. Достоверность идентификации дефектов по параметру аварийно-опасности - 80%.

Метод оснащен:

  • нормативной базой - РД 153-34.0-20.673-2005;
  • приборным обеспечением - прибор «КурСАР»;
  • программным обеспечением - программа «Акустическая томография»;
  • организовано и проводится обучение персонала пользователя навыкам работы с оборудованием и программой.
Осуществив диагностику трубопроводов указанным методом, организация эксплуатации получает заключение:

  • о допустимости эксплуатации или необходимости перекладки. В первом случае дается информация об остаточном рабочем ресурсе;
  • рейтинг участков, требующих перекладку по параметру опасности возникновения течей, что позволяет обоснованно спланировать очередность перекладок с целью сокращения аварий;
  • схему участка с нанесением мест повышенной аварийно-опасности (характер распределения и уровень дефектов), что позволяет провести локальные ремонтные работы для предотвращения и поиска течей и продления рабочего ресурса.
Для любого метода диагностики, с точки зрения практического использования, важным является способность обнаруживать места утонения стенки трубы. Следует отметить, что при сопоставлении результатов диагностики и контролем толщины стенки трубы в месте дефекта (при шурфовке) возникают определенные трудности. Это связано с неравномерностью процесса коррозии и визуальный осмотр наружной поверхности не обязательно выводит на наибольший дефект. На серии фотографий рис.1 представлен процесс поиска места с наименьшей толщиной стенки трубы.

image1.jpeg image2.jpeg image3.jpeg image4.jpeg image5.jpeg image6.jpeg
Рис.1. Процесс замеров толщины стенки трубы на интервале,отмеченном по результатам диагностики, как критический дефект.

Дефект с значительным утонением стенки трубы удалось обнаружить только благодаря проведению серии замеров в различных местах.

Еще один пример оценки достоверности Акустической томографии. В этом году в г. Белгороде была осуществлена перекладка ранее продиагностированного участка трубопровода. Результат диагностики  обратной трубы представлен на рис.2, из которого видно, что на двух интервалах 50 -60 м и 130-170 существуют аварийно-опасные дефекты критического уровня.

image7.jpeg
Рис.2. Диагностика- результат. Дефекты критического уровня на интервалах 50-60 м и 130-150 м.

Непосредственно перед демонтажем, трубы на участке находились под давлением опрессовки. В этот момент было зафиксировано нарушение сплошности трубы в районе 130-150 м с малой интенсивностью водоизлива.

При визуальном осмотре труб на вскрытом участке, было установлено, что они покрыты антикоррозионным покрытием ОС 51-03, не имеющего (в основном) повреждений. Толщина стенки трубы составляла 6,5-7 мм. В местах возможного нарушения сплошности металла трубы обнаружено локальное нарушение покрытия и коррозия металла. При серии замеров толщина в месте коррозии составляла 6-6,5 мм. Видимого нарушения сплошности металла трубы (течи) не обнаружено.

image8.jpeg image9.jpeg

Рис.3. Место водоизлива при давлении опрессовки без видимого нарушения сплошности трубы



Только при сильном пристукивании удалось раскрыть микротрещину, через которую происходил водоизлив. В ее окрестности  толщина составила 3,2 мм.

Таким образом был подтвержден факт наличия дефектов критического уровня на интервале 130 - 150м. 

На интервале 50-60 м нарушения сплошности антикоррозионного покрытии и локальных мест коррозии обнаружено не было. Однако результаты диагностики указывают на присутствие аналогичных дефектов. Это подтверждается наличием ранее осуществленных ремонтных работ на отметках 30 и 70 м. 

Рассматриваемый метод Акустической томографии, а также другие акустические и магнитные методы диагностики, это более надежные, по сравнению с ультрозвуковой толщинометрией, методы обнаружения локального места утонения стенки трубы. Ведь толщиномером с диаметром датчика 5-10 мм и площадью охвата менее 1см2 надо «просветить» площадь по периметру и длине составляющую тысячи квадратных сантиметров, например для Ду300 и длине 1 м - площадь около 10 000 см2 !

При переходе от ранее используемого подхода оценки технического состояния трубопроводов на основание данных по локальным шурфовкам к результатам диагностики персонал эксплуатации тепловых сетей получает значительно больший объем информации о наличии дефектов и их уровне. Это облегчает процедуру принятия решения о необходимости капитального ремонта (перекладки), но возникает вопрос, какие участки перекладывать в первую очередь, а какие организация вынуждена оставить в эксплуатации с наименьшим ущербом, т.е. наименьшим числом образующихся впоследствии течей? В ранее разработанных нормативных документах ответа на этот вопрос нет.

При разработке метода Акустической томографии использован новый подход к оценке технического состояния труб. Он основан на акустическом свойстве дефектов на трубе излучать сигналы с определенными параметрами: частота, энергия, которые зависят от геометрических размеров дефекта (толщина стенки трубы, размер дефекта) и уровня нагрузки в этом месте. По уровню энергии сигнала эмиссии дефекты подразделены на критические и докритические. Можно было бы по известным закономерностям пересчитать энергию в уровень напряжений в месте дефекта, но учитывая разнообразие условий разрушения (образования течей) в местах интенсивной коррозии металла, а так же «точность» выделения и оценки уровня акустического сигнала, был использован другой подход: связь энергии сигнала эмиссии с вероятностью образования течи.

При разработке метода, на ранее продиагностированных участках трубопроводов, которых было более 200 (более 30 п.км), был осуществлен сбор информации о конкретных местах образования течей - на критических или докритических дефектах, а также где дефекты не были обнаружены. Были рассчитаны значения потока отказов для указанной градации дефектов по уровню акустического сигнала:

  • критические - 4 течи/п.км в год;
  • докритические - 1,7 течи/п.км в год;
  • удовлетворительное состояние (дефектов не обнаружено) - 0,15 течи/п.км в год.
Таким образом дано определение дефектов (критический, докритический) для данного акустического метода. Сумма интервалов для указанных типов сигналов умножается на соответствующее значение потока отказов - получается прогноз: сколько течей образуется на нем в течение года. Указанное значение по течам нормируется относительно длины участка и получается параметр для оценки технического состояния трубопровода - коэффициент аварийно-опасности.

Для заключения о возможности дальнейшей эксплуатации или необходимости капитального ремонта было определено пороговое значение коэффициента аварийно-опасности,  при превышении которого следует рассмотреть вопрос о перекладке.

В качестве примера, по результатам диагностики, приведенным на рис. 1, коэффициент аварийно опасности равен 1,38 при пороговом значении 1,0 - т.е. перекладка.

Осуществив диагностику и определив участки, требующие капитального ремонта, организации эксплуатации трубопроводов тепловых сетей предоставляется возможность выбора, на основании сравнения коэффициентов аврийно-оапасности, участков для первоочередной перекладки, которые характеризуются наибольшей вероятностью образования течи. Для участков, которые вынужденно оставлены в эксплуатации, организация имеет информацию о месте расположения наибольших дефектов (критические) и возможность осуществить профилактические ремонтные работы по предотвращению образования течей.

Ниже приведен пример эффективности использования результатов диагностики и проведения соответствующих ремонтных работ на трубопроводах тепловой сети в г. Кемерово.
image10.gif
Рис.4 Статистика по течам на участках проведения диагностики:
  • красным цветом - результат линейной экстраполяции (по данным 2002-2004 г.г.) - прогноз по течам;
  • зеленым - число течей по факту;
  • черным - добавлены течи на участках требующих перекладки, но оставленных в эксплуатации.

Видно, что в 2008 году число течей на подконтрольных диагностике участках снизалось на 40% по сравнению с  2004 г. и более чем в два раза по сравнению с прогнозом. 

Оценка осуществленная сотрудниками ряда организаций показала, что экономический эффект от продления срока эксплуатации трубопроводов составляет:

  • для магистральных теплосетей - около 1.5 млн.руб/п.км  в год, т.е. около 13% от стоимости нового теплопровода;
  • для разводящих - около 1,0 млн.руб/п.км в год, т.е около 15% от стоимости нового теплопровода.
Проведение профилактических ремонтных работ на наиболее аварийно-опасных интервалах, выявленных при диагностике, и предупреждение образования течей позволяет получить экономический эффект около 50 тыс.руб/п.км. для каждого продиагностированного участка.

Возможность предупредить возникновение течей путем обнаружения и последующего локального ремонта дефектных интервалов послужила причиной совершенствования метода Акустической томографии в направлении более детального выделения наиболее опасных дефектов. Исследования показали, что использование предыдущей модели прибора «КурСАР» и вновь созданного прибора «Какад», а также последних версий программ обработки акустических сигналов  позволяют получить более высокий показатель эффективности обнаружения дефектов (поток отказов):

  • для критических дефектов               - 6.3 течь/п.км в год;
  • для докритических                            - 2,4 течь/п.км в год.

С опытом организации работ по диагностике и эффективностью использования полученного результата можно ознакомиться в статьях:  

И.В. Гранкин, Д.Б. Домрачеев «Опыт применения акустической диагностики трубопроводов тепловых сетей», ж. «Новости теплоснабжения» №2, 2008;