О проблеме определения расчетной и отбраковочной толщин стенки магистральных и промысловых трубо-ов
Данную статью я хотел опубликовать в каком-либо отраслевом научно-технических издании для того, чтобы с ней мог ознакомиться самый широкий круг специалистов. Однако три ведущих издания отказались от ее публикации, т.к. посчитали статью слишком большой, стиль изложения ненаучным, а проблему не актуальной. Четвёртое издание, причем достаточно авторитетное, пока не дало свой ответ, т.к. находится между жизнью и смертью. Тем не менее проблема нормативного беспредела является объективной реальностью и с ним надо как то бороться. Поэтому я в преддверии дня смеха решил выложить статью в открытый доступ - надеюсь будет весело. Статья содержит огромное количество формул, опубликовать который в ЖЖ не представляется возможным, поэтому тут будет упубликовано лишь ее начало, а полный вариант статьи можно скачать по ссылке: https://yadi.sk/i/MKR6NinCXzum6Q
Аннотация:
Определение расчетной и отбраковочной толщин стенки труб является самым ответственным этапом проектирования магистральных и промысловых трубопроводов. Действующие нормативные документы, регламентирующие этот вопрос, содержат ряд ошибочных и противоречивых положений, не позволяющих проектировщикам принимать грамотные и рациональные технические решения. Одной из основных причин создавшейся ситуации является утрата реального государственного контроля за актуальностью и качеством разработки нормативной документации в области проектирования и строительства трубопроводов. В статье подробно рассмотрена история развития норм расчета магистральных и промысловых трубопроводов на прочность с целью выявления источника сегодняшних проблем и предложены возможные пути по их устранению.
Ключевые слова:
Расчет трубопроводов на прочность, расчетная толщина стенки, отбраковочная толщина стенки, магистральные и промысловые трубопроводы.
Магистральные и промысловые трубопроводы являются сравнительно простыми инженерными сооружениями, но несмотря на это определение их основных конструктивных параметров является достаточно сложной задачей. Причина этого кроется не в отсутствии необходимых знаний и опыта у нынешнего поколения инженеров-проектировщиков, а в обилии всевозможных нормативных документов и федеральных законов, многие положения которых не проработаны должным образом и противоречат друг другу.
В настоящее время государственный контроль за актуальностью нормативных документов является формальным. Запущенный около десяти лет назад процесс актуализации норм идет, но на деле он больше напоминает переписывание монахами древних летописей в своих кельях при свете лучины, чем работу научных коллективов. Помимо того, что сам летописец описывает произошедшие события через призму собственного, не всегда объективного, восприятия, так еще и монахи при переписывании умудряются привнести в летописи новые неточности или даже умышленно исказить историю. При каждом последующем переписывании количество ошибок множится и в конце концов мы уже не знаем где правда, а где вымысел.
Вопреки всякой логике выход новых норм с некоторых пор не отменяет автоматически действие старых. Например, в 2014 году был выпущен ГОСТ Р 55990-2014 [5], предназначенный для проектирования промысловых трубопроводов, который по идее должен был бы заменить устаревший СП 34-116-97 [15], но по факту до недавнего времени действовали оба этих документа. Абсурдность ситуации усугубилась 17 июня 2017 года, когда был введен в действие новый свод правил для проектирования промысловых трубопроводов СП 284.1325800.2016 [18], который является практически точной копией СП 34-116-97, но так же как и ГОСТ Р 55990-2014, не отменял его действия.
К великой радости проектировщиков очередная нормативная коллизия продлилась не долго - спустя всего лишь месяц, 26 июля 2017 года, вышел приказ № 673 Минэнерго России об отмене СП 34-116-97, правда с весьма странной формулировкой - «Признать не подлежащим применению приказ Минтопэнерго России №441 от 23 декабря 1997 года «Об утверждении и введении в действие Инструкции по проектированию, строительству и реконструкции промысловых трубопроводов», как будто все эти годы проектировщики применяли в своей работе приказ, а не инструкцию СП 34-116-97. Чиновники видимо уже не понимают, что любой приказ можно отменить только до момента его исполнения, а после нормативный документ существует уже независимо от приказа и отменить в таком случае можно только сам нормативный документ, а приказ о введении его в действие отменять бессмысленно ибо он уже выполнен. Но тем не менее в настоящее время считается, что СП 34-116-97 отменен.
Изначально СП 284.1325800.2016 разрабатывался в техническом комитете по стандартизации ТК-465 «Строительство» Росстандарта как «Актуализированная редакция СП 34-116-97» и именно под таким названием он рассылался для ознакомления и сбора замечаний по заинтересованным организациям, но в окончательном варианте он внезапно превратился в самостоятельный документ - в предисловии к новому стандарту сказано, что он введен впервые, а его прародитель СП 34-116-97 в тексте нового стандарта нигде не упоминается. При знакомстве с СП 284.1325800.2016 становится очевидным, что его разработкой занимались теоретики, имеющие смутное представление о проектировании, строительстве или эксплуатации промысловых трубопроводов - все ошибки и противоречия, которые присутствовали в СП 34-116-97, никуда не исчезли и перешли в неизменном виде в новый стандарт. Отрадно лишь то, что каких-либо новых косяков в стандарте не появилось. К сожалению, методы актуализации СП 34-116-97, являются типичными для ТК-465 и ранее уже имели место при переработке ряда других нормативных документов [34].
Во многих случаях при принятии технических решений приходится руководствоваться не столько расчётными формулами, т. к. соответствующих расчетных методик попросту не существует, сколько опытом строительства и эксплуатации аналогичных объектов. Однако правильные с точки зрения здравого смысла или даже проверенные опытом проектные решения зачастую невозможно обосновать из-за наличия в нормах бредовых требований к проектируемым объектам. Для того, чтобы проект прошел экспертизу, проектировщики вынуждены использовать наиболее жесткий вариант из всех когда-либо существовавших норм. Особенно сложно приходится проектировщикам при проектировании объектов трубопроводного транспорта ПАО «Газпром», когда приходится учитывать требования и государственных норм [4, 5, 16, 17, 18, 22], и достаточно сырых внутренних СТО «Газпром» [19, 20], а также ряда устаревших нормативных документов [1, 2, 6], которые по какой-то неведомой причине продолжают действовать. Всё это накладывает определенные ограничения на применение разумных проектных решений.
При разработке новых норм или новых редакций старых норм их недостатки устраняются крайне редко, т.к. нынешнее поколение разработчиков норм зачастую не знает откуда появилось то или иное требование и можно ли его изменить или вовсе отменить. Но хуже всего то, что при актуализации старых норм разработчики умудряются привнести в них новые ошибки. Несмотря на то, что проекты новых норм обычно рассылаются по заинтересованным организациям и далее ведется сбор замечаний и предложений, фактически повлиять на их содержание очень сложно. Разработчики норм либо придерживаются заранее выбранной линии и гнут ее до конца, пытаясь реализовать свои научные и творческие амбиции, либо пытаются ограничиться лишь косметическими изменениями и не затрагивают наиболее острых вопросов, дабы не брать на себя ответственность. В результате на сегодняшний день мы имеем огромное количество действующих нормативных документов по проектированию магистральных и промысловых трубопроводов, многие положения которых противоречат друг другу.
Очевидно, что сложившаяся ситуация требует наискорейшего исправления, и прежде всего необходимо подвергнуть беспристрастному анализу все существующие и существовавшие ранее нормы проектирования трубопроводов с целью выявления содержащихся в них ошибок и противоречий. В рамках одной статьи невозможно осветить все аспекты определения основных конструктивных параметров трубопроводов, поэтому коснемся лишь проблемы определения расчетной и отбраковочной толщин стенки магистральных и промысловых трубопроводов. Данная проблема является наиболее острой, т. к. толщина стенки трубы является самым важным конструктивным параметром трубопровода, определяющим его надежность и металлоемкость, а, следовательно, и стоимость сооружения и последующей эксплуатации.
Основные принципы расчета напорных трубопроводов на прочность известны давно и они достаточно просты. С момента появления первых трубопроводов и по настоящее время нормы их расчета непрерывно менялись. Это происходило по разным причинам - как объективным (получение новых опытных и статистических данных, появление новых сталей и технологий производства труб), так и в угоду моде, существовавшей в период разработки этих норм. Тот факт, что нормы расчета менялись, вовсе не означает, что они совершенствовались - практика показала, что некоторые пути их развития оказались тупиковыми.
Некоторые принципы расчета трубопроводов продолжают жить даже после того, как неоднократно была установлена их ошибочность. Например, до сих пор при определении толщины стенки трубы и минимального радиуса упругого изгиба «горячих» трубопроводов (под «горячими» понимаются трубопроводы, в которых при переходе в рабочий режим появляются существенные продольные осевые сжимающие усилия. Это характерно для трубопроводов, разница между температурой эксплуатации и температурой строительства которых превышает 40ºС) проектировщики учитывают не только величину внутреннего давления, но и температурный перепад между температурой эксплуатации и температурой строительства. При этом широко используется морально устаревшая программа ОКП-86, в которой реализована весьма спорная методика расчета трубопроводов с учетом упругопластической работы металла труб, изложенная в [26]. На основании результатов расчета в программе ОКП-86 в качестве расчетной принимается толщина стенки трубы, при которой выполняются условия прочности для заданного температурного перепада и радиуса упругого изгиба трубопровода, и далее трубопровод проектируется без оглядки на продольные усилия, возникающие в трубопроводе под действием положительного температурного перепада. «Благодаря» такому подходу к проектированию не иссякает поток сообщений о новых случаях потери трубопроводами продольной устойчивости с выходом на поверхность в виде изящных арок (рис.1).
Рис.1 Арка на промысловом газопроводе
Проектировщики старой закалки наивно полагают, что расчет в ОКП-86 является гарантией правильности принятых в проекте технических решений и даже предъявляют распечатку с исходными данными и результатами расчета в качестве доказательства своей правоты при разборе подобных случаев. Все это происходит несмотря на то, что и практически, и теоретически установлено, что при температурном перепаде вплоть до 150ºС осевые продольные напряжения не оказывают какого-либо влияния на прочность трубопроводов [30, 38], а потеря продольной устойчивости происходит гораздо раньше, чем напряжения в трубопроводе достигают величины расчетных сопротивлений. Искоренить порочную практику применения программы ОКП-86 среди сотрудников проектных организаций пока никак не удается.
В современной учебной и справочной литературе расчетные формулы преподносятся как нечто, данное свыше, без всяких выводов и пояснений. При этом, как правило, для пущей важности особо подчеркивается, что расчет трубопроводов в нашей стране ведется по самому прогрессивному в мире методу предельных состояний, как будто этот факт имеет хоть какое-то значение - на самом деле это лишь попытка авторов прикрыть собственную неосведомленность в данном вопросе. Не удивительно, что после такой подачи информации ни у кого не возникает желания подвергнуть нормы расчета хоть какому-то критическому анализу. Впоследствии, если при расчетах проектировщики получают неадекватный результат, то списывают это не на несовершенство норм, а на то, что они сами чего-то недопонимают, зарабатывая тем самым комплекс неполноценности.
Какие-либо пояснения к формулам давались лишь в старых книгах и справочных пособиях, которые были выпущены до середины 70-х годов. Кроме того, в те годы в отраслевых периодических изданиях печаталось большое количество статей по методам расчета трубопроводов, а результаты научных и экспериментальных исследований публиковались в научно-технических сборниках, которые распространялись по всем проектным институтам страны, что способствовало поддержанию высокого технического уровня инженеров-проектировщиков. Даже сейчас большая часть изложенной в этих источниках информации представляет не только историческую, но и практическую ценность. Очень много информации по расчету трубопроводов приведено в справочниках [26] и [27], которые по сути являются пособиями к СНиПам «Магистральные трубопроводы», однако уровень подготовки выпускников нефтегазовых ВУЗов не позволяет им понять большую часть содержащегося в них материала.
Многие моменты в нормативной документации в части норм расчёта на прочность и устойчивость на момент принятия стандартов не были проработаны должным образом, стандарты выпускались в том виде, в каком мы их знаем, а решение накопившихся проблем переносилось на более поздний срок в надежде на то, что со временем появятся какие-либо новые опытные данные или теоретические наработки. Как правило они появлялись и входили в новые стандарты - так было каждый раз с момента выхода СНиП II-Д.10-62, но с распадом советской экономики, когда в совершенствовании норм расчёта было заинтересовано прежде всего государство, ничего принципиально нового с момента выхода СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы» в нормах расчёта не появилось, хотя попытки что-то поменять были. К сожалению, менялось совершенно не то, что необходимо было менять. Отметим основные вехи развития норм расчета магистральных и промысловых трубопроводов.
С полным вариантом статьи можно познакомиться по ссылке: https://yadi.sk/i/MKR6NinCXzum6Q
Список литературы
1. ВСН 51-3/2.38-85 Проектирование промысловых стальных трубопроводов. (Во время подготовки статьи к печати ВСН 51-3/2.38-85 был отменен приказом Минэнерго России №776 от 17 сентября 2018 г.)
2. ВНТП 3-85 Нормы технологического проектирования объектов сбора, транспорта, подготовки нефти, газа и воды нефтяных месторождений.
3. ГОСТ 32388 - 2013 Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия. - М.: Стандартинформ, 2014.
4. ГОСТ Р 55989 - 2014 Магистральные газопроводы. Нормы проектирования на давление свыше10 МПа. Основные требования. - М.: Стандартинформ, 2015.
5. ГОСТ Р 55990 - 2014 Месторождения нефтяные и газонефтяные. Промысловые трубопроводы. Нормы проектирования. - М.: Стандартинформ, 2015.
6. РД 39-132-94 Правила по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов. (Во время подготовки статьи к печати РД 39-132-94 был отменен приказом Минэнерго России №687 от 22 августа 2018 г., но его положения, касающиеся расчета отбраковочной толщины стенки в неизменном виде перешли в [23].)
7. РУ-68 Руководящие указания по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке технологических трубопроводов с давлением до 100 кгс/см2. РУ-68 : Утв. ... 28 июня 1969 г. / М-во нефтеперерабатывающей и нефтехим. пром-сти СССР. Ниж.-Волж. филиал ГрозНИИ. - Волгоград : Ниж.-Волж. кн. изд-во, 1970. - 286 с. : черт.; 20 см.
8. РУ-75 Руководящие указания по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке технологических трубопроводов под давлением до 100 кг/см2 (Взамен РУ-68) - М.: Недра, 1980.
9. СН 186 - 61 Указания по расчету магистральных стальных трубопроводов для транспортирования газа, нефти и нефтепродуктов.
10. СН 373 - 67 Указания по расчету стальных трубопроводов различного назначения. - М.: Стройиздат, 1971.
11. СНиП II-Д.10-62 Магистральные трубопроводы. Нормы проектирования - М.: Госстройиздат, 1963.
12. СНиП II-45-75 Магистральные трубопроводы - М.: Стройиздат, 1975.
13. СНиП 2.04.12-86 Стальные трубопроводы - М.: Стройиздат, 1986.
14. СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1998.
15. СП 34-116-97 Инструкция по проектированию, строительству и реконструкции промысловых нефтегазопроводов.
16. СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*. - М.: Госстрой, ФАУ «ФЦС», 2012.
17. СП 86.13330.2014 Магистральные трубопроводы. Актуализированная СНиП III-42-80*- М.: Минстрой России, 2014.
18. СП 284.1325800.2016 Трубопроводы промысловые для нефти и газа. Правила проектирования и производства работ.
19. СТО Газпром 2-2.1-249-2008 Магистральные газопроводы.
20. СТО Газпром 2-2.1-383-2009 Нормы проектирования промысловых трубопроводов.
21. СТО Газпром 2-2.1-973-2015 Нормы проектирования технологических внутриплощадочных и внутрицеховых трубопроводов.
22. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности». Серия 08. Выпуск 19. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2016.
23. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасной эксплуатации внутрипромысловых трубопроводов». Утверждены приказом федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 30 ноября 2017 года.
24. Анучкин М.П. Прочность сварных магистральных трубопроводов. М. Гостоптехиздат, 1963.
25. Анучкин М.П., Бабенко Д.П. Магистральные трубопроводы целесообразно рассчитывать по величине предела текучести. «Строительство трубопроводов», 1974, №2, стр. 28.
26. Айнбиндер А.Б. Расчёт магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие. - М.: Недра, 1991.
27. Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчёт магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. Справочное пособие. М.: Недра, 1982.
28. Айнбиндер А.Б. Методика определения толщины стенки трубопровода от внутреннего давления на основе критерия предельных состояний (предложения по изменению норм проектирования). «Наука и техника в газовой промышленности», 2010, №4, стр. 111.
29. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство). - М.: Недра, 1982, 384.
30. Варшицкий В.М., Козырев О.А. Влияние положительного температурного перепада на предельное состояние разрушения подземного трубопровода // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2013, №1, с.30 - 31
31. Васильев Г.Г., Сенцов С.И., Иванцова С.Г., Леонович И.А. О развитии нормативных требований к промысловым трубопроводам для нефти и газа // Трубопроводный транспорт: теория и практика - 2017, №1, стр.78 - 83.
32. Виноградов С.В. Расчёт на прочность стальных тонкостенных трубопроводов: Тематический научно-технический обзор. М.: ВНИИЭгазпром, 1972.
33. ВНИИСТ: 70 лет по пути достижений и побед // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2018, №2, стр. 52 - 59.
34. Еремеев В.Е. Когда отрасли теплоизоляционных материалов ждать качественных стандартнов? // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2017, №2, стр. .
35. Иванцов О.М., Харионовский В.В., Черний В.П. Сопоставление методик расчёта магистральных трубопроводов по нормам России, США, Канады и европейских стран. -М.: Газпром, 1996.
36. Камерштейн А.Г. Условия работы стальных трубопроводов и резервы их несущей способности. - М.:Стройиздат, 1966.
37. Камерштейн А.Г., Рождественский В.В., Ручимский М.Н. Расчёт трубопроводов на прочность: Справочная книга. Изд.2, перераб. и дополн. - М.:Недра, 1969.
38. Кузема И.Д., Ободовский Б.А., Артюх Г.В., Сушев В.В. Определение параметров испытания спиральношовных труб диаметром 1020 мм. // Строительство трубопроводов - 1967, №12, стр.17-19.
39. Леонович И.А., Клышников И.Н., Садова И.Л. О некоторых вопросах расчета толщин стенки трубопроводов нефти и газа в российской федерации // Трубопроводный транспорт: теория и практика - 2018, №1, стр.8-11.
40. Лимарь О.В., Фоминых В.А. Построение диаграммы растяжения металла труб по их нормативным характеристикам // Трубопроводный транспорт: теория и практика - 2017, №3, стр.34-37.
41. Лисин Ю.В., Махутов Н.А., Неганов Д.А., Варшицкий В.М. Комплексный анализ запасов прочности трубопроводов и базовых механических свойств трубных сталей. «Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов», 2017, №1.
42. Маянц Ю.А. Формула Барлоу. «Научно-технический вестник ОАО «НК Роснефть» », 2011.
43. Неганов Д.А., Масликов С.Н., Сергаев А.А., Эрмиш С.В. Применение данных внутритрубной диагностики для расчета несущей способности трубопроводов с использованием уточненного коэффициента надежности // Нефтяное хозяйство. - 2017, №08, с.130 - 133.
44. Петров И.П. Расчет магистральных трубопроводов на прочность по предельным состояниям. «Строительство трубопроводов», 1974, №4, стр. 34.
45. Пособие по выбору основных параметров, определяющих конструктивное решение подземных трубопроводов. Комплекс программ для ЭВМ ЕС. М.:изд. ВНИИСТ, 1988.
46. Пособие по расчёту подземных трубопроводов при произвольном очертании оси с несовмещёнными углами поворота, закреплённых грузами и анкерами. Программа Прут-88 для ЭВМ ЕС. М.:изд. ВНИИСТ, 1989.
47. Соколов С.М., Лимарь О.В. Расчет и проверка прочности надземных магистральных трубопроводов. «Нефтяное хозяйство», 2009, №6.
48. Спиридонов В.В., Айнбиндер А.Б. Учитывать сложно-напряжённое состояние металла при расчёте трубопроводных систем. «Строительство трубопроводов», 1967, №8, стр. 37.
49. Феодосьев. Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов. - М: Наука, 1975.