Трубникам ставят трудные задачи

   Георгий Иванович Макаров, доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научной работе ООО «Институт ВНИИСТ» встретился с корреспондентом «Нефть и газ Евразия» и рассказал о новых идеях и технологиях в отрасли.

НГЕ: Каковы современные тенденции в области строительства магистральных трубопроводов?
Георгий Макаров: Стратегия научно-технической политики развития трубопроводного транспорта нефти, основанная на обеспечении надежности и долговечности при эксплуатации на весь срок службы, предполагает создание магистральных трубопроводов нового поколения с увеличенным ресурсом работы на 20–25 лет большим, чем у ныне действующих трубопроводов. Реализация поставленной задачи требует принятия комплекса новых организационно-технических и конструкторско-технологических решений для всех этапов жизненного цикла объектов системы трубопроводного транспорта нефти.

   ОАО ВНИИСТ является разработчиком «Концепции повышения надежности объектов трубопроводного транспорта нефти» ОАО «АК "Транснефть"», в которой обосновываются основные направления НИОКР по внедрению новых технологий, технических средств, конструкций и материалов, обеспечивающих повышение надежности и экологической безопасности всех элементов системы трубопроводного транспорта нефти.

   Примером успешного решения проблемы обеспечения надежности и безопасности магистральных нефтепроводов нового поколения является создание специализированной базы нормативно-технической документации для проектирования и строительства такого особо сложного объекта, как трубопроводная система «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО)». Сегодня база НТД ВСТО содержит более 140 документов (специальные технические требования, регламенты и т.п.). Технические требования являются первичным звеном всей технологической цепочки проектирования и строительства объекта.

ВСТО – экзамен для трубников

   Необходимость создания специализированных нормативно-технических комплексов связана с использованием рабочих параметров нефтепровода, которые превышают значения, регламентируемые СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы» (рабочее давление может достигать на отдельных участках 12,5 МПа, а уровень сейсмического воздействия прогнозируется свыше 9 баллов). Комплекс документов НТД ВСТО содержит также требования к проектированию и строительству нефтепровода в сложных природно-климатических условиях:
– на участках многолетнемерзлых и скальных грунтов;
– на участках с курумами и погребенными льдами;
– на переходах через водные преграды больших и малых рек;
– на участках пересечений оползней и активных тектонических разломов.

НГЕ: Какие новые идеи и технологические наработки используются при строительстве ВСТО?
Макаров: Проект этого нефтепровода вобрал в себя самые последние достижения в области строительства трубопроводов, мониторинга технического состояния, АСУ ТП, технологии изготовления труб, защитных покрытий, выполнения сварочно-монтажных работ. Большинство новых примененных технических решений и использованных технологий определили тенденции развития трубопроводного транспорта на значительную перспективу и сформировали требования к трубопроводам нового поколения.

   Прежде всего, это касается использования труб принципиально нового уровня качества и применения автоматической сварки при выполнении кольцевых стыков по поточно-разделенной технологии.

   Впервые введены такие ранее не регламентировавшиеся требования, как полосчатость структуры и размер зерна, загрязненность неметаллическими включениями, требования по ударной вязкости образцов с острым надрезом KCV при температуре минус 40 0C. Регламентирован неразрушающий контроль основного металла и заводских сварных швов труб. С целью повышения технологичности сварочно-монтажных работ введены повышенные требования к геометрии свариваемых кромок, специальные требования по температурным режимам сварки (индукционный подогрев и ограничение величины погонной энергии при сварке), ужесточены требования к качеству поверхности труб. Введено новое требование к обязательному механическому экспандированию труб по всей длине, что ранее не выполнялось на ряде заводов.

Технологическая перестройка

НГЕ: Российским производителям труб удалось соответствовать столь высоким требованиям?
Макаров: Следует отметить, что разработанные ВНИИСТом повышенные требования к трубам для ВСТО стимулировали внедрение новых технологий на отечественных металлургических и трубных заводах, способствовали техническому перевооружению и повышению культуры производства в трубной отрасли, переходу на новые технологии, например, конверторные способы непрерывной разливки стали.

   В проекте ВСТО применены трубы хладостойкого исполнения диаметром 1 067-1 220 мм с толщиной стенки 18-27 мм из сталей классов прочности К56, К60, К65 и К70 на давление до 14,0 МПа, предназначенные для безопасной эксплуатации при уровнях сейсмического воздействия свыше 9 баллов.

   В целях повышения надежности нефтепровода ВСТО были также разработаны специальные технические требования на основные виды оборудования: запорную, регулирующую и предохранительную арматуру, насосное оборудование, камеры запуска и приема средств очистки и диагностики. Принципиально новым подходом является требование сохранения прочности, герметичности и работоспособности при сейсмических воздействиях. Все оборудование в сейсмостойком исполнении должно сохранять прочность, герметичность и работоспособность во время и после воздействия 9-бального землетрясения. При сейсмическом воздействии в 10 баллов оборудование должно сохранить только прочность и герметичность.

   Впервые в технических требованиях предусмотрены сертификационные испытания запорной арматуры на сейсмостойкость на специализированном стенде с имитацией сейсмического воздействия интенсивностью до 10 баллов по шкале MSK-64 и проверки работоспособности шиберных задвижек после испытания на сейсмостойкость. Аналогичные требования предъявляются к регулирующей и предохранительной арматуре.

НГЕ: Требования к сварке изменились?
Макаров: Да, причем существенно. Совершенствование способов автоматической сварки кольцевых монтажных стыков труб и появление в последние годы новых образцов высокопроизводительного сварочного оборудования определили тенденцию практически полного отказа от ручной дуговой сварки при выполнении сварочно-монтажных работ и переход на единую технологию автоматической сварки порошковыми проволоками в среде защитных газов. При этом подходе отпадает необходимость в использовании трубосварочных баз.

   При строительстве магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан» используется поточно-разделенная технология автоматической сварки порошковыми проволоками в среде защитных газов высокопроизводительными сварочными головками М300-С. Поточно-разделенная технология производства работ предполагает одновременное использование сварочно-монтажной колонной нескольких рабочих мест – сварочных установок, размещенных в отдельных палатках (по числу выполняемых сварочных проходов: корневых, горячих, заполняющих и облицовочных швов). На каждом рабочем месте осуществляется сварка только одного типа шва, на выполнение которого настроены параметры и режимы двух сварочных головок, двигающихся по периметру стыка в разных направлениях. После завершения очередного цикла выполнения швов на каждом из рабочих мест вся сварочно-монтажная колонна перемещается на один шаг. Производительность выполнения работ сварочно-монтажной колонны может достигать 90-100 стыков в сутки. Все операторы установок автоматической сварки головками М300-С, допущенные к работе при строительстве нефтепровода ВСТО, прошли переобучение в Школе сварщиков ВНИИСТ.

Антикоррозийная защита на полвека

НГЕ: Расскажите о разработанной в вашем институте «малолюдной технологии»?
Макаров: Появление насосов с частотно-регулируемым приводом, а также появившиеся новые возможности использования микропроцессоров стимулировали переход к реализации принципов «малолюдной технологии» единой автоматизированной системы управления работой магистрального нефтепровода, основным достоинством которой является минимизация количества аварийных ситуаций, вызванных неверными действиями персонала. ВНИИСТом разработаны специальные технические требования на насосные агрегаты, устанавливающие повышенные требования к магистральным насосным агрегатам с рабочим давлением на 10 МПа и высоким значением КПД насоса (86-89,5%) в сейсмостойком исполнении. Требования по обеспечению высокой надежности насосных агрегатов предусматривают:
наработку на отказ – 40 000 часов (при условии замены через 16 500 часов торцовых уплотнений и через 25 000 часов – замены подшипников);
ресурс до капитального ремонта – 63 000 часов.  В рамках реализации концепции «малолюдной технологии» единой автоматизированной системы управления работой магистрального нефтепровода разработан пакет нормативных документов, содержащих специальные технические требования к элементной базе системы управления и мониторинга, включающей:
системы автоматики, телемеханики и технологической связи;
блок-боксы пунктов контроля и управления с защитой от несанкционированного доступа;
датчики мониторинга технического состояния: блоки-индикаторы скорости коррозии, сейсмодатчики и сейсмостанции, «интеллектуальные» вставки контроля напряженно-деформированного состояния стенки трубы, глубинные реперы для контроля смещения грунтовых масс при оползневых процессах, датчики системы обнаружения утечек, датчики прохождения средств очистки и диагностики;
датчики охранной и пожарной сигнализации и защиты оборудования от несанкционированного доступа (для вантузов, колодцев, станций катодной защиты). Концепция «малолюдной технологии» единой автоматизированной системы управления работой магистрального нефтепровода включает следующие подходы:
обеспечение бесперебойности электропитания (подключение к вдольтрассовой ЛЭП и использование резервных источников питания для всего оборудования);
резервирование всего сетевого оборудования, серверов, процессорных модулей программируемых логических контроллеров;
построение информационных сетей Ethernet на основе протокола, построенного по кольцевому принципу (технология с самовосстановлением сети).

   Единая автоматизированная система управления строится по блочно-модульному принципу: территориально-диспетчерский пункт – пункт контроля и управления – датчики КИП и автоматики. Новым техническим решением является использование блок-боксов пунктов контроля и управления, представляющих собой полностью автономный автоматический агрегат с высокой степенью защиты и живучести.

НГЕ: Как решается сейчас проблема защиты от коррозии трубопроводов?
Макаров: Основной тенденцией в области защитных покрытий труб для строящихся трубопроводов является отказ от трассовых технологий нанесения покрытий и переход к использованию труб только с заводской изоляцией. ВНИИСТом разработаны требования к трубам с трехслойным заводским изоляционным покрытием на основе экструдированного полиэтилена толщиной 3 мм, а также требования к трубам с заводской теплоизоляцией из пенополиуретана для магистральных нефтепроводов большого диаметра. Монтажные кольцевые стыки после сварки таких труб изолируют с помощью термоусаживающихся манжет. Все изоляционные материалы предварительно проходят комплекс специальных сертификационных испытаний в Испытательном центре ВНИИСТ, где подтверждается их соответствие разработанным требованиям. Можно сказать, что проблема коррозии для новых трубопроводов практически решена. Покрытия, нанесенные в соответствии с нашими требованиями, обеспечат защиту от коррозии на весь регламентный срок службы трубопровода (45-50 лет).

Трубы нового поколения

НГЕ: А что можно сказать по поводу ранее построенных трубопроводов?
Макаров: На сегодняшний день компания ОАО «АК «Транснефть» эксплуатирует около 50 000 км магистральных нефтепроводов диаметром от 420 до 1 220 мм, из которых значительная часть была построена в советское время. В рамках программы «Технического перевооружения, реконструкции и капитального ремонта (ТПР и КР)» осуществляется плановая замена участков трубопроводов с целью приведения их в нормативное состояние. Например, замена трубопроводов, сваренных с подкладными кольцами – втулка внутри препятствует проходу современных внутритрубных диагностических снарядов.
ВНИИСТом разработан новый подход к оценке технического состояния трубопроводов по результатам внутритрубной диагностики и обследования, предполагающий оценку опасности каждого выявленного дефекта (или комбинации дефектов) в зависимости от напряженно-деформированного состояния в области дефекта, уровня действующих нагрузок и свойств материала и сварных соединений на данный момент времени эксплуатации.
Разработанный ВНИИСТом для ОАО «АК «Транснефть» ОСТ «Стандарт отрасли. Нефтепроводы магистральные. Определение прочности и долговечности труб и сварных соединений с дефектами» использует метод расчета конструкций с дефектами на прочность и долговечность на основе теоретических упругопластических решений соответствующих краевых задач механики разрушения. При этом в качестве исходных данных используются механические характеристики металла труб и сварных соединений магистральных нефтепроводов, определенные по результатам испытаний стандартных и специальных образцов, вырезанных из диагностируемых участков трубопроводов.

НГЕ: Сверхнормативная эксплуатация трубопроводов нередко приводит к плачевным последствиям. Как минимизировать аварийные риски?
Макаров: В отличие от нефтепроводов магистральные газопроводы подвержены еще и «стресс-коррозии». Эта проблема возникла в 90-е годы, когда значительная часть используемого парка магистральных газопроводов, построенных еще в 60-е и 70-е годы, в основном, выработала свой плановый ресурс. Механизм коррозионного растрескивания под напряжением обусловлен взаимодействием двух факторов: действием агрессивной среды и механических напряжений в стенке трубы. На сегодняшний день не существует законченного математического описания этого механизма, что не позволяет обоснованно задавать дополнительные требования к металлу труб и сварных соединений. Наиболее эффективным способом защиты от «стресс-коррозии» является качественная антикоррозионная защита, в том числе нанесение внутренних покрытий на трубы и сварные соединения.

НГЕ: Над какими новыми, перспективными разработками трудятся специалисты вашего института?
Макаров: Я бы выделил два новых направления в области обеспечения надежности и безопасности магистральных трубопроводов:
– создание труб нового поколения с повышенными эксплуатационными характеристиками;
– вероятностный анализ безопасности (ВАБ), позволяющий обеспечить высокие уровни проектной надежности за счет использования дополнительных (сверхнормативных) технических решений при прокладке трубопроводов на особо ответственных участках (на переходах через водные преграды, вблизи особо охраняемых природных объектов и т.п.).
Требования к трубам нового поколения, разработанные ВНИИСТом, предусматривают регламентацию гораздо большего количества параметров – эксплуатационных характеристик, устанавливающих дополнительные требования по характеристикам вязкости разрушения, пластичности, твердости, свойствам сварных соединений. Такие трубы нового поколения позволят в дальнейшем уменьшить величину коэффициентов запаса надежности по материалу для этих категорий труб. При проектировании трубопроводов из этих труб при прочих равных условиях требуемая по расчету толщина стенки труб уменьшится на 5 - 10 %.