Повышение достоверности результатов диагностики элементов сварных соединений магистральных газопроводов

 
 
 
 
Д. О. Буклешев, В. Н. Мельников, К. Ю. Шабанов 
 
 
 
 
 
ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ  
ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.644.07 
ББК 39.7 
Б90 
 
 
 
Рецензенты:  
член-корр. ГАН РАО, доктор физико-математических наук, доктор технических наук,  
профессор ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения»  
Волов В. Т.; 
доктор технических наук, академик МАНЭБ, профессор ФГБОУ ВО «Самарский  
государственный технический университет» Яговкин Н. Г.; 
кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет 
путей сообщения» Припутников А. П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Буклешев, Д. О. 
Б90  
Повышение достоверности результатов диагностики элементов сварных соединений магистральных газопроводов : монография / Д. О. Буклешев, В. Н. Мельников, К. Ю. Шабанов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 140 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1875-1 
 
Приведена разработка неразрушающего метода контроля, позволяющего повысить точность в определении наличия и характера дефектов в элементах сварных соединений магистральных газопроводов.
Для научных работников и специалистов, занимающихся вопросами эксплуатации магистральных газопроводов. 
УДК 621.644.07 
ББК 39.7 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1875-1 
© Буклешев Д. О., Мельников В. Н., Шабанов К. Ю., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ....................................................................................................................... 5 
1. Анализ механизма и основных причин формирования дефектов в 
сварных соединениях магистральных газопроводов и методов их диагностики 
. 8 
1.1. Анализ статистических данных о причинах возникновения аварий  
на магистральных газопроводах ................................................................................ 8 
1.2. Механизм формирования дефектов в элементах сварных соединений 
магистральных газопроводов ................................................................................... 14 
1.3. Классификация дефектов в элементах сварных соединений 
магистральных газопроводов и причин их образования 
....................................... 21 
1.4. Анализ методов диагностики качества сварных соединений 
магистральных газопроводов и возможностей используемого для этих целей 
оборудования ............................................................................................................. 28 
1.5. Выводы по первой главе 
.......................................................................... 31 
2. Концептуальные основы диагностики состояния сварных стыков 
магистральных газопроводов ................................................................................... 32 
2.1. Моделирование напряженно-деформированного состояния 
околошовных зон магистральных газопроводов ................................................... 32 
2.2. Формализация статической модели определения остаточных 
сварочных напряжений околошовных зон магистральных газопроводов .......... 34 
2.3. Разработка динамической модели напряженно-деформированного 
состояния околошовных зон магистральных газопроводов ................................  41 
2.4. Динамическая модель формирования трещин при нагрузке 
эксплуатации в околошовных зонах магистральных газопроводов .................... 52 
2.5. Выводы по второй главе 
.......................................................................... 59 
3. Разработка принципа, метода и способа диагностики сварных 
соединений магистральных газопроводов, находящихся в зоне действия 
блуждающих токов 
.................................................................................................... 60 
3.1. Принципы диагностики дефектов по наличию и координатам 
напряжений в ОШЗ ................................................................................................... 60 
3.2. Разработка метода диагностики околошовных зон магистральных 
газопроводов .............................................................................................................. 63 
3.3. Теоретическое обоснование метода ....................................................... 70 
3.3.1. Исследование зависимости скорости распространения ультразвука 
от степени НДС в трубной стали ОШЗ ................................................................... 70 
3.4. Разработка способа оценки величины внутренних напряжений в ОШЗ 
газопроводов при наличии блуждающих токов 
..................................................... 74 
ϯ

3.5. Лабораторное исследование метода и способа измерения величины 
внутренних напряжений в ОЩЗ газопроводов ...................................................... 78 
3.5.1. Применяемое оборудование................................................................. 78 
3.5.2. Подготовка образца контроля 
.............................................................. 81 
3.5.3. Настройка оборудования 
...................................................................... 82 
3.5.4. Результаты измерений .......................................................................... 85 
3.5.5. Обработка полученных результатов ................................................... 93 
3.5.6. Анализ результатов эксперимента .................................................... 114 
3.5.7. Вывод по третьей главе ...................................................................... 115 
4. Практический эксперимент применимости разработанного способа  
в зоне воздействия на газопровод блуждающих токов ....................................... 116 
4.1. Практический эксперимент применения способа при ремонте 
газопровода трассовых условиях 
........................................................................... 116 
4.1.1. Применяемое оборудование............................................................... 117 
4.1.2. Подготовка оборудования и объекта контроля 
................................ 117 
4.1.3. Методика проведения эксперимента ................................................ 119 
4.2. Результаты измерений и их обработка ................................................ 119 
4.3. Обработка полученных результатов .................................................... 124 
4.4. Анализ результатов эксперимента ....................................................... 127 
4.5. Выводы по четвёртой главе .................................................................. 128 
Основные результаты и выводы ............................................................................ 129 
Список использованных источников .................................................................... 131 
Приложение А 
.......................................................................................................... 137 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 



ϰ

ВВЕДЕНИЕ 

Актуальность темы исследования 
Важнейшей составной частью топливно-энергетического комплекса 
страны являются магистральные газопроводы. Основное их назначение состоит 
в обеспечении бесперебойного и безопасного транзита газа потребителям. Газопроводы являются объектами повышенной опасности, аварии на которых могут 
привести к невосполнимым потерям транспортируемого продукта, в результате 
нарушения газоснабжения предприятий и городов, уничтожению сельхозугодий 
и лесных массивов вследствие пожаров и взрывов, поражение людей в результате воздействия теплового излучения и избыточного давления воздушной и 
ударной волны. Наиболее значительный ущерб от последствий аварий происходит в пересечении магистральных газопроводов с железными дорогами и высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП).  
Основным фактором, определяющим безаварийность и безопасность работы магистрального газопровода является диагностика его технического состояния, определяемого наличием дефектов в металле труб, особенно, в сварных 
соединениях и околошовных зонах (ОШЗ) сварных стыков. Техническое состояние магистральных газопроводов в процессе эксплуатации определяется внутритрубной диагностикой. 
Диагностика сварных элементов после выполнения сварочных работ при 
сооружении магистрального газопровода и его капитальном ремонте проводится 
с наружной стороны газопровода методами неразрушающего контроля. Основными из них являются визуально-измерительный, рентгенографический и ультразвуковой. Методы диагностики имеют высокую выявляющую способность, 
точность обнаружения и установления характера дефектов. Наличие блуждающих токов в зонах пересечения газопроводов с железными дорогами и вблизи 
высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), вследствие намагниченности магистрального газопровода снижают точность результатов диагностики применяемыми способами, что требует разработки новых решений. Одним из них является измерение величины внутренних напряжений в сварных стыках с использованием ультразвука, который определяет наличие дефектов. 
 
 
 
 
 
 
ϱ

Объект исследования: элементы сварных соединений магистральных газопроводов. 
Предмет исследования: процесс диагностики околошовных зон сварных 
стыков магистральных газопроводов. 
 
Цель работы: 
Повышение надёжности и безаварийности эксплуатации магистральных 
газопроводов путем увеличения точности и достоверности диагностики методом 
определения напряженно-деформированного состояния металла элементов сварных соединений магистральных газопроводов. Для выполнения поставленной 
цели сформулированы и решены следующие задачи исследования: 
Проведен анализ причин аварийности магистральных газопроводов и методов их диагностики 
Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния элементов сварных соединений магистральных газопроводов. 
Разработан принцип и способ метод повышения точности диагностики 
способом определения координат и наличия напряжений в ОШЗ при намагниченности магистрального газопровода.  
Проведена экспериментальная проверка разработанных метода и способа. 
 
Разработка заключается в: 
1.В механизме формирования и классификации дефектов сварных соединений по степени опасности, которая позволяет более точно определить надежность сварных соединений. 
2.В созданной динамической модели образования, распределения и поведения внутренних напряжений в элементах сварных соединений магистральных 
газопроводов, которая позволяет исследовать процесс образования внутренних 
и остаточных напряжений, их изменение при воздействии температурного поля 
сварки, различных значениях внутренней нагрузки, возникающих при транспортировке газа, определении изменения напряженно-деформированного состояния 
металла при различных условиях работы газопровода. Модель, в отличие от известных позволяет определить изменение прочностных свойств металла трубной 
стали при разной величине внутренних напряжений. 
3.В принципе модифицированного метода и способа его реализации при 
диагностики сварных элементов магистральных газопроводов, отличающейся от 
существующих технологией процесса контроля тем, что позволяет повысить 
точность определения технического состояния ОШЗ магистральных газопроводов независимо от наличия блуждающих токов на 9,6 . 
ϲ

Теоретическая значимость 
 
Разработаны 
статическая 
и 
динамическая 
модели 
напряженнодеформированного состояния околошовных зон магистральных газопроводов, 
что позволяет исследовать образование в них  напряжений в процессе сварки при 
сооружении и ремонте магистральных газопроводов, оценить влияние их 
величины 
на 
изменение 
прочтностных 
свойств 
трубной 
стали 
и 
дефектообразование в процессе эксплуатации газопроводов и определять 
критическую величину напряжений,приводящей к разрушению сварного стыка.  
 
Практическая значимость 
 
Разработанный метод диагностики и способ его реализации позволяет повысить достоверность результатов контроля технического состояния магистральных газопроводов в зонах, характеризующихся наличием блуждающих токов, упростить процесс диагностики за счет снижения сложности обработки результатов.  
 
Методы исследования 
 
Теория прочности, упругости и пластичности позволили определить критический уровень нагрузки и величину напряжений, при которых происходит образование трещины в элементе сварного соединения. Использование теории вероятности и математической статистики позволило повысить достоверность результатов экспериментальных исследований. Использование математического 
аппарата дало возможность расчетным путем оценить влияние различных факторов на величину напряжений в ОШЗ. С помощью методов компьютерного моделирования и конечных элементов определены параметры напряженно-деформированного состояния околошовных зон при изменении режимов работы магистрального газопровода. Использование теории энергии формоизменения металлов позволило определить места предельных напряжений и спрогнозировать координаты разрушения материала с высокой достоверностью.  
 
Проведенные исследования в работе позволяют сформулировать: 
1. Механизм формирования дефектов сварных соединений и их классификация, учитывающий структурное состояние трубной стали, воздействие температурного поля сварки, изменения нагрузки перекачки газа, наличие дефектов 
металла элементов сварных соединений позволил определить причину образования дефектов и спрогнозировать их образование в процессе эксплуатации газопровода. 
ϳ

2. Динамическая модель процесса образования и изменения напряженнодеформированного состояния околошовных зон сварных стыков магистральных 
газопроводов, учитывающая характеристики трубной стали, ее механические 
свойства, долговечность и изменение свойств металла труб при разном количестве циклов нагрузки, наличии дефектов при различном распределении температурных полей, величин эквивалентных напряжений, температурном воздействии, внутренней нагрузки, давления газа в трубе, наличие остаточных сварных 
напряжений в элементах сварного шва.  
3. Принцип, метод определения технического состояния околошовных зон 
газопроводов и способ его реализации, позволяющий установить координаты 
зон концентрации напряжений, не зависимо от наличия в зоне залегания газопровода блуждающих токов и намагниченности трубопровода, что делает возможным повысить достоверность диагностики элементов сварных соединений магистральных газопроводов, особенно в зонах характеризующихся наличием блуждающих токов. 
 
1. Анализ механизма и основных причин формирования дефектов  
в сварных соединениях магистральных газопроводов и методов их 
диагностики 

1.1. Анализ статистических данных о причинах возникновения аварий 
 на магистральных газопроводах 
 
Под надёжностью магистрального газопровода (МГ) в общем смысле понимается свойство сохранять во времени в установленных пределах значения 
функциональных параметров: безотказности, долговечности и ремонтопригодности. 
По этой причине анализ видов причин аварий на МГ в зависимости от сроков его эксплуатации является основой для проведения исследований в области 
повышения их надёжности. Распределение аварий по причинам их возникновения на основе данных, публикуемых в официальных источниках, в ежегодных 
отчетах Ростехнадзораза 2008-2017 гг., приведенные в таблице 1.1.  
 
 
 
 
 
 
 
ϴ

Таблица 1.1 
Распределение аварий магистрального трубопроводного транспорта  
(газопроводов) по причинам возникновения за период 2008-2017 гг. 
 
Причина аварии 
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 
Конструктивные недостатки 
(брак изделия) 
1 
0 
0 
0 
3 
1 
0 
0 
0 
1 
Брак строительства 
4 
8 
2 
2 
6 
3 
0 
0 
3 
0 
Коррозия металла трубы 
15 
6 
6 
5 
6 
2 
6 
8 
5 
4 
Ошибочные действия  
персонала при эксплуатации 
0 
1 
0 
1 
0 
0 
1 
0 
0 
0 
Износ оборудования 
0 
0 
0 
1 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
Воздействие стихийных  
0 
0 
0 
1 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
явлений природного  
происхождения 
Механическое воздействие 
1 
1 
1 
4 
1 
3 
1 
2 
0 
0 
 
Ранги аварийности по причинам возникновения, а также вероятности возникновения аварий газопроводов по причинам приведены в таблице 1.2. Для 
этого рассчитаем суммарное количество аварий за 2008-2017 гг. 
 
Таблица 1.2 
Общее число аварий, ранги и вероятности аварий газопроводов  
по причинам возникновения за 2008-2017 гг. 
 
Причина аварии 
Число аварий за 
2008-2017 гг. 
Ранг 
Вероятность возникновения аварии 
Конструктивные недостатки 
(брак изделия) 
6 
4 
0,052 
Брак строительства 
28 
2 
0,241 
Коррозия металла трубы 
63 
1 
0,543 
Ошибочные действия персонала 
при эксплуатации 
3 
5 
0,026 
Износ оборудования 
1 
6 
0,009 
Воздействие стихийных явлений 
природного происхождения 
1 
6 
0,009 
Механическое воздействие 
14 
3 
0,121 
 
ϵ

Столбик «ранг» в таблице 1.2 обозначает величину частоты аварий по соответствующей причине, т. е. чем меньше ранг, тем больше частота. Таким образом, анализируя данные таблицы 1.2, можно сделать вывод, что наиболее часто 
встречающиеся дефекты, приводящие к аварии МГ (магистрального газопровода) это: 
1. Коррозия металла трубы, 
2. Брак строительства. 
Это положение подтверждает, что наибольшая вероятность возникновения 
аварий имеет место из-за коррозии металла трубы и наличия дефектов, которые 
составляет 54  и 24  от общего количества, т. е. в более, чем в половине случаев возникновения аварий за 10-летний период (рис. 1.1).  
 
 
 
Рис. 1.1. Вероятности возникновения аварий  
по причинам возникновения за 2008-2017 гг. 
 
На рис. 1.2 приведено распределение аварий на газопроводах по причине 
из возникновения. Объединенные данные по количеству аварий по причине 
внутренней и наружной коррозии, а также по дефектам труб и браку СМР приведены на рис. 1.3. 
Анализ их позволяет сделать вывод, что основной причиной аварий на газопроводах является брак строительно-монтажных работ (СМР) при ремонте и 
сооружении и коррозионное воздействие на трубы газопровода. 
 
ϭϬ