Estymacja niezawodności strukturalnej gazociągów stalowych w okresie eksploatacji w oparciu o wyniki inspekcji tłokami pomiarowymi

Maciej Witek

Zeszyt 82

Monografia niniejsza poświęcona jest omówieniu wyników badań dotyczących wpływu korozji elektrochemicznej rur stalowych, stwierdzonej w efekcie diagnostyki z wykorzystaniem technologii rozproszenia osiowo zorientowanego strumienia magnetycznego, na niezawodność strukturalną gazociągów wysokiego ciśnienia. Inspekcje tłokami pomiarowymi są najbardziej efektywną metodą diagnostyczną ze względu na możliwość wykrycia i zwymiarowania ubytków materiału ścianki rurociągu podziemnego, a ich zastosowanie nie wymaga czasowego ograniczenia transportu gazu. Badaniom poddano gazociąg o średnicy DN 700, maksymalnym ciśnieniu roboczym MOP = 8.4 MPa, wykonany ze stali podwyższonej wytrzymałości gatunku L555M z ubytkami korozyjnymi ścianki stwierdzonymi na podstawie dwóch inspekcji: pierwszej po 13 latach użytkowania oraz ponownej po kolejnych 12 latach eksploatacji. Stalowa cienkościenna powłoka cylindryczna z defektami, obciążona ciśnieniem wewnętrznym gazu, ulega uszkodzeniu w wyniku wystąpienia jednego z trzech stanów granicznych: powstania nieszczelności, przełomu plastycznego pozostałej grubości ścianki lub rozerwania, które rozszerza się w sposób niestabilny w kierunku osiowym poza obszar defektu lub wzdłuż spoiny, jeśli mamy spiralnie spawany sposób wykonania rur. Ze względu na niskie ryzyko wzrostu głębokości wad objętościowych przez cały przekrój ścianki wynikające z postępu korozji w kierunku promieniowym, stwierdzone na podstawie danych z dwóch inspekcji, jak również niewielkie konsekwencje dla otoczenia małej nieszczelności gazociągu możliwej do wykrycia z powierzchni ziemi oraz jej naprawy bez ograniczenia transportu gazu, w niniejszej pracy uwzględnione zostało jedynie kryterium przełomu plastycznego w miejscach częściowych ubytków ścianki rury. Niezawodność strukturalna podziemnych sieci uzbrojenia terenu w okresie użytkowania liczonym w dziesiątkach lat, może być analizowana jako proces stochastyczny polegający na losowym stopniu degradacji elementów poddanych obciążeniu. Znane z literatury algorytmy oceny zawodności infrastruktury technicznej można podzielić na metody oparte o funkcje zmiennych losowych lub teorię zmiennych losowych, którą zastosowano w niniejszej monografii. W celu estymacji prawdopodobieństwa awarii w długim okresie użytkowania, wykorzystano stan graniczny oparty o różnicę ciśnienia pęknięcia plastycznego rur z defektami ścianki oraz wartości oczekiwanej ciśnienia roboczego gazu, przy uwzględnieniu parametrów wpływających na wytrzymałość konstrukcji jako zmiennych losowych. Prognozowanie postępu korozji ścianki podziemnego rurociągu stalowego może odbywać się na podstawie zależności liniowych lub nieliniowych. W niniejszych studiach, do określenia prędkości korozji elektrochemicznej w kierunku promieniowym, zastosowano zależności nieliniowe ze współczynnikami stochastycznymi, które analizowano w czterech scenariuszach. Wyznaczenia parametru funkcji eksponencjalnej rozkładu głębokości uszkodzeń ścianki dokonano na podstawie danych z dwóch inspekcji. W monografii wykazano zasadność poszukiwań alternatywnych i mniej skomplikowanych obliczeniowo metod oceny niezawodności rurociągów stalowych do zastosowań inżynierskich, bazujących na wynikach diagnostyki tłokami pomiarowymi. W badaniach oceny wpływu ubytków materiału ścianki na prawdopodobieństwo awarii rurociągu wykorzystano teorię nośności granicznej. W pracy przedstawiono algorytm obliczania prawdopodobieństwa awarii, oparty o eksponencjalną funkcję rozkładu głębokości uszkodzeń ścianki czynnego gazociągu, stwierdzonych w wyniku kilkukrotnej diagnostyki. W obliczeniach została uwzględniona liczba hipotetycznych ubytków materiału niewykrytych przez tłoki pomiarowe, wyznaczona na podstawie danych z inspekcji, jak również wzięto pod uwagę prawdopodobieństwo detekcji niedoskonałych urządzeń działających na zasadzie rozproszenia strumienia magnetycznego. Opracowana metoda uwzględnia całkowitą liczbę ubytków jako populację o rozkładzie eksponencjalnym głębokości defektów, nie rozważa natomiast indywidualnie każdego uszkodzenia ścianki. Zastosowane podejście do obliczeń jest, według najlepszej wiedzy autora, jedną z pierwszych prób wyznaczenia niezawodności strukturalnej rurociągów podziemnych podlegających procesowi degradacji korozyjnej z wykorzystaniem tej metodologii.

Słowa kluczowe: inspekcje czynnych gazociągów (ang. in-line inspection); diagnostyka tłokami MFL (ang. MFL diagnostics tools); niepewność wskazań urządzeń inspekcyjnych (ang. inspection equipment uncertainty); postęp korozji (ang. corrorion growth rate); stal wysokowytrzymała (ang. high strength steel); ciśnienie pęknięcia plastycznego ścianki (ang. pipe wall plastic collapse); stan graniczny awarii (ang. failure limit state); niezawodność strukturalna (ang. structural reliability).