Анализ причин повреждения трубопроводов тепловых сетей

На сегодняшний день в системах теплоснабжения возникает ряд проблем, обусловленных большой протяженностью тепловых сетей, устареванием и износом систем, что в свою очередь приводит к значительным теплопотерям. Так же необходимо отметить некачественное техническое обслуживание и несвоевременный ремонт, низкое качество тепловой изоляции трубопроводов, повреждения теплопроводов, невозможность постоянного визуального контроля за состоянием тепловой сети в процессе его эксплуатации. В этой связи актуальным является изучение причин повреждения трубопроводов. Цель работы заключается в систематизации имеющихся данных об основных причинах повреждений трубопроводов тепловых сетей.

Известно, что из всей системы теплоснабжения примерно 80% трубопроводов тепловых сетей превысило срок безаварийной службы, а более 30% находится в аварийном состоянии и требует незамедлительного ремонта [1].

Перед обследованием трубопровода производят анализ технической документации, где одним из направлений является анализ результатов отказа. Для разработки мероприятий, позволяющих предотвратить отказы, необходимо знать их причины, которые могут быть следующими [2]:

• -    Технологические - все отказы, связанные с качеством металла труб и их сваркой.

• -    Дефекты монтажа и ремонта.

• -    Эксплуатационные - все отказы, связанные с неудовлетворительной эксплуатацией.

• -    Отработка ресурса - отказы, связанные с утонением стенки труб при равномерной атмосферной коррозии, а также внутренней коррозии труб без нарушения режима подготовки теплоносителя.

Основными факторами, вызывающими дефекты в трубопроводах, являются: воздействие агрессивной среды и нагрузок выше расчетных параметров, старение и разрушение материала в ходе эксплуатации. Дефекты формируются на всех этапах жизненного цикла трубопроводов тепловых сетей:

• -    Плавление металла и получение отливок (усадочные раковины, неметаллические и шлаковые включения, газовая пористость и др.).

• -    Обработка давлением (закаты, расслоения и др.).

• -    В результате химико-термической, термической, механической и электрохимической обработки (прожоги, трещины, обезуглероживание).

• -    В ходе соединения металлов при пайке, сварке, склепывании (трещины, непровары).

Также источник дефектов может скрываться в процессах, протекающих при хранении, транспортировки и эксплуатации за счет деградации материала трубопровода. К процессам деградации относятся коррозия, естественное старение, охрупчивание (водородное старение) и изнашивание, которые являются основными причинами потери прочности материалов.

Наиболее часто в основе формирования дефектов лежит нарушение режима сварного процесса, в результате чего образуются непровары, сквозные свищи, подрезы, раковины, подповерхностные дефекты сварных соединений [3].

Дефекты такого типа приводят к возникновению некомпенсированных напряжений вокруг сварного шва и могут приводить к дальнейшему разрушению за счет значительного снижения прочностных характеристик материала в период эксплуатации. Виды дефектов и их процентное содержание представлены на рисунках 1.1 и 1.2.

Согласно рисункам, среди дефектов сварных соединений наибольшее число повреждений является внутренними - 65%, обнаружение которых возможно только с применением специализированных методов неразрушающего контроля.

• ■ Дефекты сварных соединений

  Процентное соотношение, от общего числа

  

  В Прочее

  ■ Дефекты основного металла

  ■ Дефекты запорно-регулирующей арматуры

  ■ Износ металла

  ■ Дефекты опорных конструкций

  ■ Дефекты монтажа

  Рисунок 1.1 - Процентное соотношение дефектов [3].

  
  

  Дефекты основного метала ■ Вмятины/Гофры 22%     4 ■ Расслоения ■    Трещины 51%    ■ Риски ■    Сквозное отверстие ■    Коррозии

  Дефекты сварных соединений ■ - .             «Внутренние дефекты «Непровар 14%         '                  «Подрез 65% ■ Нарушение 1 %                               геометрии сварных соединений ■ Свищи

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

  - Негерметичность соединений

  ■ Дефекты конструкции

  - Дефекты крепежа

  
  
  

  ■ Врезка в шов/Фасованные детали

  » Отсутствие перехода диаметров

  • Недопустимые расстояния до других объектов

  • Применение ненормативных элементов

  • Отсутствие патрона

  Рисунок 1.2 - Виды дефектов по категориям [3]

  
  

Смещение кромок/Излом осей

Такие дефекты образуют центры концентрации напряжений в сварном шве, а в совокупности с повреждениями типа трещин и свищей приводят к зарождению разрушений.

Дефекты прокладки трубопроводов зачастую связаны с разрушением опорных конструкций и невыполнению ими задачи распределения нагрузок, вследствие чего в местах провисания существует вероятность возникновения дефектов металла. Согласно рисунку 1.2 часто образуются дефекты при монтаже трубопроводов тепловых сетей за счет излома осей и смещения кромок сварных швов - 27%. Дефекты монтажа также возникают при нарушении требований к расположению трубопроводов относительно строительных конструкций и других объектов - 22%.

Среди дефектов материала трубопроводов 51% занимают гофры и вмятины эксплуатационного происхождения. В настоящее время не герметичность соединений составляет 46% дефектов запорной арматуры, а нарушения, связанные с отсутствием крепежа - 33%, что свидетельствует о высокой степени риска нарушения требований к герметичности всей конструкции в целом.

Кроме того, важным является анализ причин повреждения компенсаторов и опор. Например, для компенсации температурных расширений используются сальниковые компенсаторы. Конструкция сальникового компенсатора состоит из стакана и корпуса, герметичность которого обеспечивается набивкой. Основной дефект сальниковых компенсаторов - изнашивание набивки и потеря упругости. Возникает застойная зона, где скапливается теплоноситель, который приводит к язвенной коррозии. Любые ограничения перемещения трубопроводов не предусмотренные проектом, вызывают нерасчетные (повышенные) компенсационные напряжения, которые могут привезти к деформации П-образных компенсаторов, а так же трещинам на трубах в районе компенсаторов. При резком изменении скоростей потока, происходит возникновение волны давления, которая распространяется в жидкости, и образует гидроудар. Сильфонные компенсаторы используют для компенсации прямых участков трубопроводов, они допускают несносность трубопроводов и выпускаются с тепловой изоляцией сильфонов и наружным закрытым кожухом. Общий недостаток данных компенсаторов - не обеспечивается гидроизоляция подвижной части компенсатора, а закрытие кожухом создает внутри компенсатора повышенную влажность. Такая конструкция приводит к намоканию тепловой изоляции и, как следствие, к усиленной коррозии. Известны случаи сползания трубопроводов со скользящих опор. Такие дефекты приводят к нерасчетным (повышенным) весовым нагрузкам, что способствует прогибу труб и, как следствие, в местах максимального прогиба – к стояночной коррозии. Давление в трубопроводе, одна из важных характеристик, требующих расчета. Резкие скачки давления, пагубно отражаются на компенсаторах, выводя их из рабочего положения [4].

Неотъемлемой частью в конструкции трубопровода является, неподвижная опора. Она должна обеспечивать неподвижность закрепления точки трубопровода от усилий самокомпенсаций и, возникающих при самых неблагоприятных случаях в процессе эксплуатации, дополнительных напряжений. Коррозионные повреждения элементов опоры, приводят к разрушениям сварных соединений по линии сплавления приварки закрепляемых на трубе элементов опоры. Такие разрушения приводит к возникновению дополнительных напряжений и, как следствие, к потере конструктивной прочности трубопровода.

Таким образом, использование трубопроводов тепловых сетей требует обследования технического состояния, выявления остаточного ресурса безопасности эксплуатации, анализа работоспособности и экономической эффективности, с последующей модернизацией и перевооружением проблемных участков.