 |
Kezdőlap-Home
Page |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
II. évfolyam 4. szám 2001. október
[HUN] - Magyar cikk
|
SZÉNHIDROGÉNSZÁLLÍTÓ CSŐTÁVVEZETÉK-SZAKASZOK RONCSOLÁSOS VIZSGÁLATAINAK TAPASZTALATAI Dr. Török Imre Dr. Nagy Gyula Dr. Lukács János Miskolci Egyetem Gépészmérnöki Kar
1. Bevezetés Hibák nélküli szénhidrogénszállító csőtávvezetékek nem léteznek sem szerte a világban [1], így Magyarországon sem [2]. Ez az állítás akkor is igaz, ha egy roncsolásmentes vizsgálat után az üzemeltető hibamentesnek tekinti a vezetéket, vezetékszakaszt. Indokként elegendő azt az objektív tényt megemlíteni, hogy a hibák kimutathatósága a különböző vizsgálati módszerekkel nem 100%-os [3], [4].A kimutatott hiba biztonságos üzemeltetésre gyakorolt hatásának, veszélyességének megítélése az üzemeltetők természetes igénye. Ennek segítségével tudnak dönteni az adott hiba sorsáról, a szükséges és elégséges intézkedésekről, s tudnak felkészülni a különböző hibákkal való tartós együttélésre. E megközelítésnek a középpontjában – a kor követelményeinek megfelelően – a célra való alkalmasság (fitness for purpose), tágabb értelemben pedig a szerkezetintegritás (structural integrity) koncepciója áll [5-8]. Egy hiba veszélyességének megítéléséhez, esetleges osztályba, csoportba sorolásához – s azon keresztül egy vezeték vagy vezetékszakasz jellemzőinek megadásához – olyan minősítő algoritmus(ok)ra van szükség, amely(ek) elméleti megfontolások birtokában, kísérleti (alap)adatokra támaszkodva képes(ek) a felvetődő kérdések megválaszolására. A legismertebb algoritmusokat, illetve szabályokat viszonylag egyszerű, könnyen kezelhető formában előírások és szabványok tartalmazzák. Ezek mellett számos kísérlet, próbálkozás ismert az egyes hibák árnyaltabb megközelítésére, veszélyességük szabatosabb megítélésére. A célra való alkalmasság koncepciója magába foglalja azt is, hogy egy hiba észlelése esetén nem szükségszerű az, hogy annak azonnali javítása legyen az üzemeltető első gondolata. Ez annak ellenére igaz, hogy a vonatkozó ágazati [9], abból következően pedig üzemeltetői előírások ezt a filozófiát nem tükrözik vissza maradéktalanul. A hibák veszélyességének (műszaki-kritikai) átértékelése nélkül elvégzett javítás ugyanis indokolatlan és gazdaságtalan lehet, szélsőséges esetben a javítás többet árthat mint használhat (újabb hibák, járulékos feszültségek keletkezése stb.). Megjegyezzük, hogy hibák nélküli nyomástartó edények, csövek, csővezeték-szakaszok vizsgálata is indokolt lehet, például olyan összetett terhelések, illetve szerkezeti kialakítások esetén, amikor a méretezés, ellenőrzés jelentős bizonytalansággal végezhető csak el, illetve amikor összehasonlító vizsgálatok ezt igénylik. A szénhidrogénszállító csőtávvezetékeken előforduló hibákat – támaszkodva nemzetközi és hazai irodalmi forrásokra, továbbá saját tapasztalatainkra – csoportosítottuk, összefoglaltuk legfőbb jellemzőiket [10]. A hibák megjelenési formája alapján képzett főcsoportok a következők:
Az egyes főcsoportokban található hibákat alcsoportokba soroltuk (például: B) főcsoporton belül c) helyi korrózió), s azokon belül további megkülönböztetéseket tettünk (például: a B) főcsoporton belüli c) alcsoportban iii) hosszirányú korrózió). A [10] közleményben rendszerezett hibákat hazai és nemzetközi előírások és értékelő módszerek figyelembevételével elemeztük, valamint – üzemi körülményeket modellezve – kísérleti csősza kaszokon vizsgáltuk azok viselkedését.Közleményünk célja mindezek figyelembevételével kettős:
2. Kísérleti csőszakaszok vizsgálatának technikai háttere Nyomástartó rendszerek, kísérleti csőszakaszok vizsgálattechnikai kérdéseivel, a vizsgálati háttér fejlesztésével több éve foglalkozik Tanszékünk. A több lépésben kifejlesztett és összeállított vizsgálati rendszer felépítését az 1. ábrán követhetjük nyomon.
1. ábra: A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén üzemelő, 100 bar maximális nyomásig használható csővezeték és nyomástartó edény vizsgáló rendszer vázlataA rendszer fő egységei az alábbiak:
A feltüntetett hidraulikus szivattyúrendszer a vizsgált kísérleti csőszakaszban maximum 10 MPa (100 bar) nyomást képes előidézni, amely terhelés esetünkben kvázistatikus és ismétlődő is lehet. A nyomást előidéző rendszer a hidraulikus aggregáttól a bemenő oldalon 21 MPa olajnyomást kap, amely működteti a szervoszelepet és a hidraulikus szabályozó elemeket.A rendszer egy hidraulikus és egy villamos zárt, szabályozott kört alkotva alkalmas 10 MPa nyomáshatárig – tetszőleges terhelési függvény alapján – a kísérleti csőszakaszt nyomás alá helyezni, a nyomás fel- és lefutását szabályozni, tág frekvencia tartományban. A véglezárókkal ellátott és kísérleti vizsgálatokra összeállított kísérleti csőszakaszokat a vizsgálógödörben történő elhelyezés után vízzel kell feltölteni. Gondosan el kell végezni a rendszer légtelenítését, amely kiterjed a kísérleti csőszakaszra, a nyomócsőre, a hidraulikus szivattyú nyomó oldalára és a közbenső csatlakozókra egyaránt. A vezérlő elektronika segítésével a dugattyú szélső helyzetbe állítható, amely biztosítja teljes elmozdulás estén a maximális, 10 MPa-os üzemi nyomást. Miután e helyzetben elvégezzük a nullázást, bekapcsoljuk a hidraulikus magasnyomást és ezzel működőképessé tehetjük a rendszert. Egy-egy kísérleti csőszakaszt előre meghatározott terhelési függvény alapján helyezhetünk nyomás alá, amelynek paramétereit alapvetően a cső anyagának minősége, geometriája és üzemi nyomásviszonyai határozzák meg. A 100 bar-nál nagyobb nyomásigényű vizsgálatokhoz kiépítésre került egy másik, maximum 70 MPa (700 bar) nyomásig használható rendszer is. Ennek felépítését szemlélteti a 2. ábra. A rendszer működése – röviden – a következők szerint foglalható össze. A hidraulikus tápegység (1) 35 MPa maximális nyomású olajat állít elő, amelyet megfelelő szabályozó szelepeken (2) keresztül lehet a munkahenger (3) olaj oldalára vezetni. Ezen tandem henger vízoldali egysége csatlakozik a vizsgált csőszakaszhoz (4) biztosítva a kívánt nyomást, ami maximum 70 MPa lehet. Amennyiben a vizsgált csőszakasz tágulása nagyobb, mint a vízoldali henger-térfogat (2.5 liter) a végálláskapcsoló jelzésére a dugattyúk visszaállnak a kiindulási helyzetbe, miközben a hálózatból vizet vesz fel a rendszer. A nyomás jelentősebb csökkenését ezen idő alatt egy visszacsapószelep akadályozza meg. Kismértékű nyomásesés bekövetkezik, amely elengedhetetlen a visszacsapószelep helyzetének megváltoztatásához. A nyomás időbeli változását a szabályozó szelepeken keresztül egy számítógép (5) vezérli. Ugyanez az eszköz gyűjti és tárolja a mért értékeket is. A számítógépen különböző nyomás-idő függvények generálhatók, amelyek szerint a nyomás fokozható, ismétlődő igénybevételű vizsgálat végezhető.
2. ábra: A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén üzemelő, 700 bar maximális nyomásig használható csővezeték és nyomástartó edény vizsgáló rendszer vázlata3. Kísérleti csőszakaszok vizsgálatának tapasztalatai A kísérleti csőszakaszok kialakításába a jelenleg üzemelő csővezetékek azon anyagkategóriáit, anyagminőségeit vontuk be, amelyeket a szénhidrogénszállító csőtávvezeték anyagaiul szerte a világon – így Magyarországon is – alkalma znak. Ennek megfelelően vizsgáltunk mind varrat nélküli, mind különleges követelményű, spirálvarratos acélcsöveket [11, 12]. A kísérletek lefolytatásához a csőátmérőt (D) és a falvastagságot (s), a járatos csőátmérő-falvastagság összetartozó értékek alapján választottuk meg, így kísérleteket végeztünk a D = 159-610 mm csőátmérő és az s = 5-8 mm falvastagság tartományban. A vizsgált csövek, illetve csőszakaszok között voltak olyanok, amelyek
Az egyes kísérleti csőszakaszoknál alkalmazott terhelési függvény (nyomásciklus) értékeit az egyes anyagkategóriák esetén úgy jelöljük ki, hogy azok igazodjanak a jelenleg üzemelő vezetékek nyomásviszonyaihoz. Így az egyes anyagcsoportba tartozó kísérleti csőszakaszok esetén 4.8 MPa-ra (48 bar), 5.7 MPa-ra (57 bar), illetve 6.4 MPa-ra (64 bar) választottuk a terhelő nyomást. A vezérlő egységhez csatlakoztatott X-Y író segítségével minden esetben rögzítettük a megvalósult nyomásfüggvényt.A vizsgálatokhoz elkészített kísérleti csőszakaszokat előzetesen úgy vizsgálatuk, hogy az első kísérleti nyomásciklust mindig az eredeti kiépített csőszakaszon, a feltárt hibákat tartalmazó – tehát mesterséges hibák nélküli – állapo tban hajtottuk végre.Ezt követően, részben a már kialakult sérült helyeken, részben az új, általunk kijelölt helyeken, különböző méretű (mélység, hossz) helyi – döntően forgácsolással kialakított –, modellezett hibákat helyeztünk el. A kísérleti csőszakaszok ismételt vizsgálatára így természetes és mesterséges hibákkal, az egyes anyagminőségekre, pontosabban anyagkategóriákra alkalmazott nyomáscikl usokkal került sor. A modellezett hibák kialakításánál figyelembevettük a csővezetékekben előforduló hibák [10] típusait, a haváriák statisztikai adatait, illetve a bevezetőben megfogalmazott céljainkat.A vizsgált kísérleti csőszakaszok jellemző méreteit, meglévő kiinduló és modellezett hibáit, az esetleges javításokat, nyomásciklusainak számát az 1. táblázatban fogl altuk össze.Az egyes kísérleti csőszakaszokon – az egymást követő nyomásciklusok között – mindenkor részletesen lemértük a kialakított új hibahelyeken a modellezett hibák méreteit, s azokat rendre feldolgoztuk. A 3. ábrán azokat az eredményeket foglaljuk össze példaként, amelyeket természetes és mesterséges hibákat tartalmazó, NA 400-as kísérleti csőszakaszok vizsgálata során kaptunk.
3. ábra: NA 400-as kísérleti csőszakaszok vizsgálatának eredményei A folytonos vonal az ASME [16] előírás szerinti határgörbe, a szaggatott vonal pedig a kísérletekkel megállapított tönkremeneteli vonal. A két vonal összehasonlítása egyértelműen igazolja az üzemelő vezetékek terhelhetőségében lévő tartalékokat. 1. táblázat: A vizsgált kísérleti csőszakaszok jellegzetességei
A KCsSz26. jelű csőszakasz terhelésének nyomás-idő diagramját mutatja be példaként a 4. ábra. Látható, hogy a 64 bar maximális nyomáson üzemelő csőszakasz tönkremenetele körülbelül 135 bar-nál következett be. A diagramon egyúttal jól megfigyelhető a 64 bar-os nyomás 3 perc-es (180 s-os) tartása, valamint a jelentős feltágulások miatt szükséges vízfelvételeknél bekövetkező nyomásváltozások megjelenése.
4. ábra: A KCsSz26. jelű csőszakasz terhelésének nyomás-idő diagramja A csővezetéken előforduló hibákat hazai és nemzetközi előírások, értékelő módszerek figyelembevételével elemeztük, továbbá az 1. táblázatban feltüntetett számú kísérleti csőszakaszon vizsgáltuk a hibák viselkedését. Így támaszkodva mind elméleti megfontolásokra, mind a kísérleti csőszakaszok (járatos átmérő, falvastagság és nyomástartományban 26 kísérleti csőszakaszon közel 150 nyomásciklus mellett 442 hiba) vizsgálata során nyert tapasztalatokra a szénhidrogénszállító csőtávvezetékeken előforduló hibák határértékeinek kijelölésére – hibaosztályonként – részletes javaslatot dolgoztunk ki [17]. A meg nem engedhető hibák javítására különböző (hegesztéses és hegesztés nélküli) módszerek adaptálására és kidolgozására került sor, amelyeket javított kísérleti csőszakaszok vizsgálatával ellenőriztünk. A KCsSz16. és a KCsSz17. jelű – műhibákkal terhelt – csőszakaszok olyanok voltak, amelyek CLOCK SPRING és PIPE GUARD javítótekercsekkel kerültek megerősítésre. A vizsgálatra előkészített kísérleti csőszakaszt a 5. ábra, az előírások szerint felhelyezett CLOCK SPRING javítótekercset pedig az 6. ábra szemlélteti.
5. ábra: A KCsSz16. jelű, vizsgálatra előkészített csőszakasz
6. ábra: CLOCK SPRING javítótekercses erősítés a KCsSz16. jelű csőszakaszon A KCsSz18.-KCsSz21. kísérleti csőszakaszok vizsgálatsorozatának célja javítás nélküli és javítótekerccsel erősített csőszakaszok viselkedésének összehasonlítása volt. A kísérletsorozat egy-egy jellegzetes momentumát mutatják be a 7-11. ábrák.
7. ábra: Javítás nélküli csőszakasz (KCsSz20.) a vizsgáló gödörben
8. ábra: PIPE GUARD javítótekerccsel erősített kísérleti csőszakasz a vizsgáló gödörben
9. ábra: A felrepedt spirálvarratos cső a repesztőkísérlet után (KCsSz.18.)
10. ábra: A cső és a PIPE GUARD javító tekercs a repesztőkísérlet után (KCsSz19.)
11. ábra: A törésig terhelt KCsSz18. (1) és a KCsSz19. (1T) csőszakaszok nyomás-térfogatváltozás diagramjai A két diagram összevetéséből megállapítható, hogy a megerősített csőszakasz képlékeny alakváltozása (feltágulása) mintegy 20%-kal nagyobb nyomásértéknél kezdődött. Ez igazolja, hogy a PIPE GUARD javítótekerccsel megerősített, üzemelő csővezeték szakaszok folyáshatárra vonatkozó biztonsági tényezője nő. A kísérletek eredményeit a [18] közleményben részletezett végeselemes számítások is alátámasztják.
4. Összegzés A szénhidrogénszállító csőtávvezetékek mindig tartalmaznak hibákat, amelyek különböző hatással lehetnek üzemeltetésükre. Így az üzemeltetést végző szakemberek természetes igénye a hibák veszélyességének megítélésére való t örekvés. Ebben kiemelt szerepet kapnak a repesztőkísérletek, amelyek segítségével modellezni lehet a valós viszonyokat, továbbá össze lehet hasonlítani a különböző javítási módszereket.
5. Köszönetnyilvánítás Szerzők köszönetüket fejezik ki a MOL Rt. illetékeseinek a kísérletekhez szükséges csőszálak biztosításáért, valamint az Oktatási Minisztériumnak a szerteágazó kutatómunka támogatásáért (MKM FKFP 1285/97).
6. Irodalom
EIBER, R. J.; JONES, D. J.: Topical Report on An analysis of reportable incidents for natural gas transmission and gathering lines June 1984 through 1990. NG-18 Report No. 200, Battelle, Colombus, 1992. VEHOFSITS, I.: Szénhidrogén-szállító távvezetékek diagnosztikai vizsgálata. Gépgyártástechnológia, (38) 1998/6. p. 49-53. NDE Handbook. Ed.: BOVING, K. G. Butterworths, 1989. ROMVÁRI, P.; SPEIER, P.; TÓTH, L.: Varrathibák kimutathatóságát befolyásoló tényezők. V. Roncsolásmentes Anyagvizsgáló Szeminárium, Gyula, 1985. május 30-június 1. Különlenyomat, p. 1-9. PICARD, A. C.: Component lifing. Materials Science and Technology, September 1987. Vol. 3, p. 743-749. CLYNE, A. et al.: Lifetime for a pipeline. The Pipeline Pigging Conference, 15-17 June, 1999, Stavanger. p. 1-10. HOPKINS, P.; LAMB, M.: Incorporating intelligent pigging into your Pipeline Integrity Management System. Onshore Pipeline Conference, 8-9 December, 1997, Berlin. p. 1-24. RIETJENS, P.; PIJNACKER HORDIJK, A.; KORNALIJNSLIJPER, R.: Pipeline integrity management. The 7th International Cooloquium on High Pressure Pipeline Reliability after a Long Time Operation, 17-18 March, 1998, Praha. p. 1-10. Gáz- és olajipari műszaki biztonsági szabályzat. V. Fejezet. Budapest, 1980. LUKÁCS, J.; TÖRÖK, I.; NAGY, GY.: Szénhidrogénszállító csővezetékeken előforduló hibák csoportosítása, jellemzői. Gépgyártástechnológia, (37) 1997/5. p. 27-29. MSZ 99 – 81: Varrat nélküli acélcsövek méretei és számított tömege. MSZ 3778 – 85: Különleges követelményű, spirálvarratos acélcső. MLLIN, L. J.: CLOCK SPRING the future of pipeline repair. International Conference and Exhibition on Pipeline Rehabilitation and Maintenance, 3-6 May 1997, Abu Dhabi. p. 1-18. Zárójelentés Meghibásodott csővezetékek hegesztés nélküli javítására szolgáló eljárás fejlesztése (II. ütem) című kutatási munkáról. TÖRÖK, I.; LUKÁCS, J.; NAGY, GY.: Concept of expert system for safety operation of hydro-carbon transporting pipelines. Publications of the University of Miskolc, Series C. Mechanical Engineering, Vol. 46. (1996) No. 1. p. 229-243. ASME B31G-1991: Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines. A supplement to ASME B31 code for pressure piping. TÖRÖK, I.; LUKÁCS, J.; NAGY, GY.: Szénhidrogénszállító csőtávvezetékeken előforduló hibák megengedett határértékeinek kísérleti vizsgálata. Gépgyártástechnológia, (38) 1998/6. p. 45-48. SÁRKÖZI, L.; TÖRÖK, I.: Strength analysis of high pressure steel pipes reinforced by composite layers. Journal of Computational and Applied Mechanics, Vol. 1., No. 1., (2000), pp. 81-90.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A 
