Цель нашего материала − прояснить вопросы, касающиеся использования гидростатических испытаний для проверки целостности трубопровода. Есть мнение, что такие испытания повреждают трубопровод, особенно если они выполняются на уровне 100% или более от указанного минимального предела текучести материала трубы. Эти специалисты утверждают, что если испытания и проводить, то они должны быть ограничены величиной около 90% предела текучести. Другие же эксперты настаивают, что трубопроводы следует периодически проверять повторно, чтобы убедиться в их исправности.
Реальность такова, что тестирование трубопровода должно проводиться на максимально возможном уровне предела текучести, который может быть осуществлен без создания многочисленных сбоев. Задача состоит в том, чтобы определить целесообразность тестирования, время его проведения, соответствующий уровень тестирования и логистику тестового уровня, которая максимально повысит эффективность теста.
Технология, позволяющая решать эти задачи, известна уже 30 лет, и пока не существует фактов, которые могут опровергнуть эту технологию. Проблема в том, что специалисты как «внутри» трубопроводной , так и за ее пределами не знают об этой технологии, забыли о ней или же предпочитают ее игнорировать.
Наша статья напоминает вам, что:
- Имеет смысл протестировать новый трубопровод как минимум на 100% предела текучести на самой высокой отметке в тестовом участке.
- Труба, которая соответствует указанному минимальному пределу текучести, вряд ли будет значительно расширяться, даже если максимальное испытательное давление составляет 110%.
- Если необходимо провести повторное гидростатическое испытание для подтверждения работоспособности трубопровода, в котором предположительно имеются дефекты и они увеличиваются со временем эксплуатации, следует использовать максимально возможный уровень испытательного давления.
- Если дефекты, зависящие от времени, могут быть надежно обнаружены с помощью встроенного средства контроля, предпочтительнее использовать именно средство контроля, а не гидростатическое испытание.
Примите во внимание ещё 2 момента:
- Когда трубопровод тестируется до уровня, превышающего 100% от предела текучести, следует составить график зависимости давления от объема, чтобы ограничить текучесть.
- Испытание может быть прекращено до достижения заданного начального давления, если это необходимо, чтобы ограничить количество перерывов в испытаниях до тех пор, пока качество, гарантированное испытанием, приемлемо для оператора трубопровода.
Что рекомендуют нормативные документы
- Длина испытательного участка должна быть ограничена, чтобы перепады высот внутри испытательного участка не превышали 90 м.
- Уровень давления для проверки целостности может быть выше уровня, необходимого для проверки максимального рабочего давления трубопровода. Если используется проверка целостности до уровня, превышающего 1,25 от максимального рабочего давления, она должна длиться не более 1/2 часа.Отношение давления гидроиспытания к рабочему давлению
Гипотеза ‘чем выше отношение испытательного давления к рабочему, тем эффективнее испытание’ подтверждается рисунком 1. На рисунке 1 представлен набор зависимостей давления разрушения от размера дефекта для конкретного диаметра, толщины стенки и марки трубы. Многочисленные испытания материалов для магистральных труб на протяжении многих лет подтвердили верность этих кривых. Каждая кривая представляет дефект с равномерным отношение глубины к толщине стенки. Приведены девять таких кривых (d/t в диапазоне от 0,1 до 0,9). Учитывайте максимальное рабочее давление (MOP) для трубопровода (уровень давления, соответствующий 72% от предела текучести).
Этот уровень давления представлен на рисунке 1 горизонтальной линией с надписью MOP. На ней не должно быть дефектов длиной более 250 мм и глубиной более 50% толщины стенки. Любой такой дефект привел бы к отказу в обслуживании.
Аналогично не может существовать дефекта длиной более 100 мм и глубиной более 70% толщины стенки, а также дефекта длиной более 400 мм и глубже, чем 40% толщины стенки.
Рисунок 1. Труба 720х9. Предел текучести 358 МПа.
Повышая уровень давления выше уровня MOP при гидростатическом испытании, оператор трубопровода может гарантировать отсутствие дефектов меньшего размера, чем те, которые могли бы разрушить трубу при MOP. Например, при уровне испытательного давления, эквивалентном 90% предела текучести, наибольшие сохранившиеся дефекты определены на рисунке 1 горизонтальной линией с надписью «90% пред тек». На этом уровне самый длинный сохранившийся дефект, проходящий через стену на 50%, может составлять всего около 110 мм. Сравните эту длину с длиной максимально возможного сквозного дефекта на 50% МОР: он составлял 250 мм.
В качестве альтернативы рассмотрим минимальную допустимую глубину при 90% предела текучести для дефекта длиной 250 мм. Допустимая глубина проникновения через стену составляет всего около 32%. Используя аналогичный процесс рассуждений, можно показать, что даже меньшие дефекты гарантируются испытаниями на 100% или 110% предела текучести (горизонтальные линии, проведенные при этих уровнях давления на рисунке 1).
Дело в том, что чем выше испытательное давление (выше MOP), тем меньше будут возможные остаточные дефекты. Этот факт означает больший разрыв между размерами дефектов, оставшихся после теста, и размерами дефектов, которые могли бы привести к отказу трубы. Если оставшиеся дефекты можно устранить с помощью циклов рабочего давления, то более высокое испытательное давление гарантирует, что этим мелким дефектам потребуется больше времени, чтобы вырасти до размера, который приведет к разрушению трубопровода. Таким образом, рисунок 1 служит доказательством справедливости гипотезы «чем выше отношение испытательного давления к рабочему, тем эффективнее испытание».
Тестирование на уровне выше 100% от предела текучести
Учитывая предыдущий аргумент в пользу тестирования на максимально возможном уровне, рассмотрим практические верхние пределы.
В случае нового трубопровода, построенного из современных высококачественных труб с высокой прочностью, максимальный уровень испытаний, как правило, может превышать 100% предела текучести. Причины, по которым это не приведет к значительному прогибу трубы, заключаются в следующем.
Во-первых, как показано на рисунке 2, средний предел текучести трубы обычно значительно превышает заданное минимальное значение. Очень немногие изделия будут иметь достаточно низкий предел текучести, чтобы обеспечить разрушение при 100% предела текучести.
Рисунок 2. Установленная нормальная кривая частоты распределения предела текучести
Во-вторых, когда подземный трубопровод находится под давлением, грунт удерживает его от сжатия в осевом направлении. Это вызывает осевое растягивающее напряжение, равное коэффициенту Пуассона, умноженному на кольцевое напряжение. Что это означает для тестирования, превышающего 100% предела текучести, показано на Рисунке 3.
Рисунок 3. Объяснение более высокого предела текучести с двухосными растягивающими напряжениями.
Испытание на растяжение, обычно используемое для оценки предела текучести трубы, представляет собой поперечный одноосный образец, предназначенный для проверки свойств растяжения в окружном направлении. Испытание такого образца показывает уникальное значение предела текучести при определенном значении приложенного напряжения. На рисунке 3 это значение представлено как 1,0 по отношению периферического растягивающего напряжения к одноосному пределу текучести (вертикальная ось). Отрицательные числа на горизонтальной оси представляют осевое сжимающее напряжение. Типичный материал трубы демонстрирует эллиптическую зависимость предела текучести при различных комбинациях двухосных напряжений. Как показано на рисунке 3, это приводит к текучести при более высоком значении отношения периферического растягивающего напряжения к одноосному пределу текучести, чем 1,0. При испытаниях труб, находящихся под давлением, соотношение для подземного трубопровода было обнаружено равным примерно 1,09. Таким образом, этот эффект также подавляет податливость при гидростатическом испытании трубопровода до уровня давления, превышающего 100% предела текучести.
Тестирование существующего трубопровода
Тестирование существующего трубопровода - это возможный способ продемонстрировать или повторно подтвердить его работоспособность. Однако повторное тестирование существующего трубопровода не обязательно является лучшим средством для достижения уверенности в его исправности. На это есть много причин.
Во-первых, оператор трубопровода, решивший повторно протестировать трубопровод, должен вывести его из эксплуатации и очистить от продукта. Время простоя приводит к потере дохода и сбоям в работе отправки продукта. Во-вторых, оператор должен получить пробную воду. Чтобы заполнить 48 км трубопровода из Ду400, оператору потребовалось бы почти 6400 м3 воды, что эквивалентно целому озеру. После испытания вода считается опасным материалом из-за того, что она загрязнена продуктом, оставшимся в трубопроводе. Кроме того, перерыв в тестировании, если такой произойдет, приведет к выбросу загрязненной воды в окружающую среду. Помимо этих вопросов, существуют и некоторые проблемные технические соображения.
Наиболее важная причина, по которой гидростатическое испытание может оказаться не лучшим способом проверки целостности существующего трубопровода, − то, что проверка в линии дефектоскопом часто является лучшей альтернативой. С точки зрения потери металла, вызванной коррозией, это почти наверняка так.
С точки зрения других типов дефектов соответствующая технология контроля в режиме реального времени быстро развивается, и в некоторых случаях она оказалась более эффективной, чем гидростатические испытания. Одним из примеров является использование инструмента «упругая волна» для обнаружения дефектов сварного шва в трубе, сваренной электродуговой сваркой. Другой пример − использование контроля утечки магнитного потока в поперечном поле для обнаружения аномалий продольного шва или в швах трубы, сваренной электрической контактной сваркой. В этих случаях конкретные инструменты выявили дефекты, которые были слишком малы, чтобы их мог обнаружить гидротест на любом разумном уровне вплоть до 110% предела текучести включительно. Поэтому, используя доводы выше, оператор трубопровода может обосновать использование инструмента вместо гидростатических испытаний.
Концепция использования встроенных инструментов для обнаружения дефектов неизменно поднимает вопрос о том, что дефекты могут не обнаружиться. Разумный ответ заключается в том, что вероятность необнаружения дефектов мала, но не равна нулю. В том же контексте следует также признать, что гидростатические испытания тоже не являются надежными. Одна из проблем при гидростатических испытаниях заключается в возможности изменения давления. Другая проблема заключается в том, что, поскольку гидростатические испытания могут оставлять дефекты, которые могли бы быть обнаружены при проверке в процессе эксплуатации, использование гидростатических испытаний часто демонстрирует работоспособность лишь в течение короткого периода времени, если существует механизм роста дефектов.
Практические соображения
Новые трубопроводные материалы, изготовленные в соответствии с соответствующими спецификациями при надлежащем контроле и испытаниях на заводе, не должны показывать сбои при испытаниях даже при уровнях давления, соответствующих 100% или более от предела текучести. Следовательно, нет причин не тестировать трубопровод, построенный из таких материалов, на уровнях, превышающих 100% предела текучести. Как было показано, чем выше отношение испытательного давления к рабочему, тем больше должно быть уверенности в том, что трубопровод исправен.
В случае существующих трубопроводов, особенно старых, такие уровни тестирования могут быть невозможны. Если в тестировании происходят многочисленные сбои, предел достоверности может быть подорван возможностью изменения давления. С другой стороны, в противовес низкому отношению испытательного давления к рабочему является тот факт, что такие испытания, по определению, обеспечивают более низкий уровень достоверности и сокращают время между повторными испытаниями, если проблема заключается в росте дефектов, зависящем от времени. Прежде всего, как уже упоминалось, использование соответствующего встроенного средства контроля всегда должно быть предпочтительнее, чем гидростатические испытания, если есть достаточная уверенность в способности инструмента обнаруживать существенные дефекты. Большая часть трубы в трубопроводе обычно является прочной. Следовательно, имеет смысл использовать метод, который позволит обнаружить и устранить критические дефекты, в отличие от тестирования всего трубопровода, когда в этом нет необходимости. В настоящее время промышленность имеет доступ к высоконадежным инструментам для устранения потерь металла, вызванных коррозией, и инструментам для обнаружения и классификации трещин, которые быстро развиваются. Как уже было отмечено, некоторые способы применения этих инструментов уже доказали свою ценность, и в этих случаях их использование вместо гидростатических испытаний имеет смысл.
Всегда полезно проводить тест на целостность в качестве теста «резкого максимума». Эта концепция известна уже много лет, но совсем недавно ее пропагандировали для борьбы с коррозионным растрескиванием под напряжением. Идея состоит в том, чтобы протестировать как можно более высокое давление, но удерживать его лишь короткое время: 5 минут уже являются хорошим результатом. Затем, если вы можете смириться с полученным результатом, проведите свой 8-часовой тест на уровне по крайней мере на 5% ниже предыдущего уровня тестирования. Испытание на резкий максимум устанавливает эффективное соотношение испытательного давления к рабочему; остальная часть испытания проводится только с целью проверки на наличие утечек и соответствия требованиям норм.
Резюме
Подведём итоги:
- Эффективность испытаний измеряется отношением испытательного давления к рабочему
- Встроенный контроль обычно предпочтительнее гидростатических испытаний.
- Для трубопроводов из современных материалов приемлемо тестирование на фактический предел текучести
- Перепады давления, если они происходят, могут повлиять на уверенность в эффективности теста − но обычно в незначительной степени.
- Сведение к минимуму циклов испытательного давления снижает вероятность изменения давления.
Если вам интересна тема гидростатических испытаний трубопроводов, расчёта объема воды, необходимой для заполнения части трубопровода под испытание, использование диаграмм для оценки величины изменения давления при изменении температуры воды для гидроиспытания и другие вопросы, связанные с правилами проектирования трубопроводов, обращайтесь к специалистам Группы компаний «Русский САПР».
Инженеры компании с удовольствием ответят на интересующие вас вопросы, а преподаватели ЧУ ДПО «Институт САПР и ГИС» проведут обучающие курсы и прочитают лекции.
Оставайтесь на нашем канале и узнавайте много нового.
Работайте с нами, работайте с удовольствием!
Автор: Наталья Гаврилина, инженер-прочнист в области трубопроводных систем и объектов гражданского проектирования, руководитель направления по системам инженерного анализа АО «Бюро САПР.