Tlaková reparácia je metóda zhodnocujúca technický stav prevádzkovaných potrubí. Je súčasne diagnostickou i sanačnou metódou, ktorá má schopnosť chyby v stene potrubia nielen lokalizovať, ale aj stabilizovať. Jej využitím je možné overiť ďalšiu spoľahlivú a bezpečnú prevádzku potrubí.

Prirodzenou snahou prevádzkovateľa potrubia je predĺženie životnosti starších potrubí a zhodnocovanie ich technického stavu na kvalitatívnu úroveň blízku úrovni v čase výstavby.

V oceľovom materiáli plášťa väčšiny starších potrubí sú však chyby rôzneho pôvodu a významu (obr. 1). Tieto chyby síce možno na niektorých potrubiach pomerne náročným detekčným zariadením lokalizovať, často je však ich oprava vzhľadom na dostupnosť a veľký počet lokalizovaných chýb komplikovaná a nákladná. Na potrubiach, ktoré nie sú technicky prispôsobené na prechod inšpekčného valca, však vôbec nie je možné vykonať lokalizáciu týmto spôsobom.

Jednou z metód, ktorá má schopnosť z hľadiska prevádzky potrubia priaznivo ovplyvniť veľké množstvo chýb vyskytujúcich sa v stenách dlhodobo prevádzkovaných potrubí, je tlaková reparácia. Je to diagnostická a zároveň sanačná metóda so schopnosťou chyby potrubia lokalizovať (obr. 2) a prípadne ich stabilizovať.

Na obr. 3, 4 a 5 sú príklady typických porúch, ktoré možno metódou tlakovej reparácie stabilizovať. Tlaková reparácia sa vykonáva na oceľových potrubiach po dlhšom čase ich prevádzkovania bez ohľadu na dimenziu, profil, tlakovú úroveň a typ použitých rúr. Metóda predstavuje progresívnu hĺbkovú integrálnu revíziu potrubia na vyššej technickej úrovni, než v súčasnosti konvenčne zaužívané postupy.

Súbor opatrení na prípravu a výkon takej zložitej metódy preverovania vlastností zariadenia, akou je tlaková reparácia, vyhovuje v SR bezpečnostno-technickým kritériám posudzovaných predovšetkým v zmysle základných národných bezpečnostných predpisov. [1, 2]

Technický stav potrubia preverený tlakovou reparáciou, súvisiacimi skúškami a zásahmi, je porovnateľný s novo vybudovaným potrubím podľa súčasných technických predpisov. Spoločnosť SEPS, a. s., používa metodiku tlakovej reparácie schválenú na základe odborného stanoviska Technickej inšpekcie SR, a .s., k bezpečnosti vyhradeného technického zariadenia. [3]

Komplex činností, ktoré s diagnostikou vlastností potrubí súvisia, vedie k:

• identifikácii kritických miest a chybných prvkov potrubí;

• následnej sanácii kritických miest a chybných prvkov (výmena alebo oprava);

• stabilizácii chýb, ktoré sú v budúcej prevádzke potrubia potenciálne nebezpečné.

Realizácia súboru týchto bezpečnostno-technických opatrení svojou povahou vedie ku komplexnému zabezpečeniu ďalšej spoľahlivej prevádzky potrubia.

Princíp a prínosy tlakovej reparácie

Analógiou tlakovej reparácie na dlhodobo prevádzkovaných potrubiach je do určitej miery tzv.„stress test", ktorý sa v niektorých prípadoch používa najmä na nových potrubiach. Zásadným rozdielom je, že pri tlakovej reparácii je potrebné aplikovať celý rad odlišných metodických postupov vzhľadom na prevádzkový režim a lokálne okrajové podmienky potrubného systému.

Princípom metódy je zaťaženie potrubia vysokým hydraulickým tlakom až na úroveň blízku dosiahnutiu tzv. integrálnej (t. j. po celej dĺžke potrubia) medze klzu základného materiálu steny potrubia. Priblíženie sa k hodnote tejto integrálnej medze klzu znamená, že v prevažnej časti objemu ocele príslušného úseku potrubia bola pri tlakovaní dosiahnutá plastická deformácia.

Pri dosiahnutí tohto stavu dochádza pri chybe v stene rúry k týmto mechanizmom:

- Chyby s veľkosťou, ktorá je nadkritická vzhľadom na odvodenú veľkosť reparačného tlaku (tzv. „nadkritické chyby"), sa otvoria; miesto s poruchou sa vyhľadá, odhalí a nahradí novou rúrou. Dôsledkom pôsobenia hydraulického tlaku vodou, je otvorenie poruchy bezpečné a vzhľadom na podmienky, za ktorých sa tlaková reparácia vykonáva, nehrozí v stene rúry rozvoj katastrofálneho lomu významnej dĺžky.

- Tzv. „ostré" chyby typu trhlín podkritickej veľkosti sa otupia a vzniká dlhodobá plastická bariéra, blokujúca ďalší rozvoj chyby, teda prerastanie únavovým mechanizmom, spôsobeným nízkocyklickým namáhaním v dôsledku zmien tlaku média v potrubí, ako aj statickým zaťažením v dôsledku pretlaku média. Dĺžka doby, počas ktorej je rozvoj chýb blokovaný, závisí od charakteru chýb a veľkosti reparačného tlaku. Všeobecne platí, že vyšší tlak pôsobí na vyššiu odolnosť materiálu steny potrubia voči cyklickému namáhaniu – nejde však o priamu úmeru.

- Chyby, ktoré nie sú „ostré" – nesprávna geometria zvarov, korózne úbytky a vypukliny sa často vyznačujú vysokou hladinou vnútorného pnutia v základnom materiáli.

Taktiež technologické postupy: skružovanie, zváranie a montážne činnosti, ako aj dodatočné vplyvy okolitého prostredia sú procesmi, ktoré vnášajú do materiálu potrubia neželané vnútorné pnutia. Vplyvom vysokého zaťaženia steny potrubia pri reparácii dochádza k zníženiu alebo k úplnej eliminácii týchto napätí.

Pri tlakovej reparácii dochádza k priaznivému ovplyvňovaniu týchto charakteristík potrubia a jeho materiálu:

- Stanovenie integrálnej medze klzu reparovaného úseku potrubia, a teda preverenie skutočnej miery jeho bezpečnosti.

- Zníženie a prerozdelenie vnútorných pnutí, ktoré vznikli v stenách rúr pri ich výrobe. Tieto pnutia môžu lokálne dosahovať až hodnotu medzu klzu, čo je veľmi nepriaznivé najmä pri cyklickom zaťažení počas prevádzky. Vytvára sa tu priestor na možnosť šírenia trhlín a vznik korózie pod napätím.

- Zníženie a prerozdelenie napätí, ktoré vznikli pri výstavbe.

- Prerozdelenie špičiek napätí v mieste koncentrátorov napätia – vrubov.

- Zníženie špičiek napätí vo väčších oblastiach steny potrubia, napr. zvar a jeho tepelne ovplyvnená oblasť, ovalita, deformácia a eliminácia vzniku trhlín spôsobených koróziou pod napätím a šírenia únavových trhlín.

- Prerozdelenie nepriaznivých koncentrátorov napätia pri chybách typu plošných alebo jamkových koróznych napadnutí.

- Zablokovanie rozvoja podkritických, ale rastuschopných ostrých trhlín vytvorením plastickej zóny na ich čele a vznikom tlakových napätí v tejto zóne po odľahčení.

- Čiastočné zablokovanie rastu trhlín podkritickej veľkosti spôsobených koróziou pod napätím, ktoré sú inak problematicky identifikovateľné.

- Identifikácia chýb kritickej veľkosti ich otvorením s tým, že sa tieto miesta pomerne ľahko vyhľadajú a opravia štandardnými metódami, napr. výrezom potrubia.

- Zvýšenie hodnôt vrubovej a lomovej húževnatosti pri nízkouhlíkových oceliach v súlade so závermi výskumnej úlohy. [4]

Cieľom tlakovej reparácie je okrem overenia aktuálneho technického stavu potrubia vytvoriť predovšetkým podmienky na jeho ďalšiu bezpečnú prevádzku odstránením zjavných chýb a dlhodobou stabilizáciou ďalšieho šírenia ostatných chýb v stene potrubia. Výkon tlakovej reparácie navyše umožňuje vykonať:

- Overenie zvyškovej životnosti základného materiálu oceľovej rúry po tlakovej reparácii vykonaním skúšok cyklického namáhania na úrovni prevádzkového tlaku (skúšky sa vykonávajú na skúšobnej vzorke z jestvujúceho potrubia v laboratóriu).

- Posúdenie degradácie materiálu potrubia oproti pôvodnej norme (návrhu, konštrukcii a pod.).

- Stanovenie kritických rozmerov trhliny, napr. ako podkladu pre zadávanie špecifikácií budúcich vnútorných inšpekcií (len v prípade diaľkovodných potrubí priechodných pre inšpekčný valec) a pod.

Dôvody aplikácie tlakovej reparácie

Podľa v súčasnosti platných noriem je prevádzkovateľ povinný zabezpečovať kontrolu technického stavu potrubia, napr. vhodnou diagnostikou pri príležitosti jeho prevádzkovej revízie. Deklaráciu bezpečnej a spoľahlivej prevádzky potrubia, ktoré sa už dlhší čas prevádzkovalo, však nie je možné komplexne preukázať konvenčnou hydraulickou tlakovou skúškou, teda skúšobným tlakom s konštantne stanoveným súčiniteľom bezpečnosti, pretože:

- Tlaková skúška je určená na preukázanie spôsobilosti nového potrubia vybudovaného z rúr, svojou kvalitou v plnej miere zodpovedajúcich požiadavkám súčasne platnej normy. Je samozrejmé, že kvalita v minulosti vyrábaných rúr použitých na výstavbu potrubia by požiadavkám tejto normy nevyhovovala. Rovnako požiadavky na kontrolu montážnych zvarov boli v čase montáže potrubia nižšie, než sú prípustné podľa súčasných predpisov pre výstavbu. Druhým dôvodom je, že hladina skúšobného tlaku tlakovej skúšky zodpovedá statickému prevereniu únosnosti novovybudovaného potrubia bez zvažovania dôsledkov akýchkoľvek únavových a ďalších degradačných procesov v základnom materiáli.

- Pri tlakovej skúške, aplikovanej na dlhodobo prevádzkovanom potrubí, teda nemôže dôjsť k dostatočnému uvoľneniu zostatkových napätí vnesených do základného materiálu v čase výroby, zvárania a montáže potrubia alebo k otvoreniu všetkých prípadných výrobných či prevádzkových chýb, ktoré by mohli negatívne ovplyvniť integritu potrubia a tým aj jeho budúcu prevádzkovú bezpečnosť a spoľahlivosť.

- Výsledky konvenčnej tlakovej skúšky len konštatujú okamžitý stav únosnosti potrubia, ale nepreukazujú skutočnú hodnotu súčiniteľa bezpečnosti s dlhodobým pôsobením. Tlaková reparácia je preukaznou metódou zhodnotenia aktuálneho technického stavu potrubia a jeho spôsobilosti pre budúcu bezpečnú a spoľahlivú prevádzku. Uskutočňuje sa pri podstatne vyšších tlakoch ako konvenčná tlaková skúška.

Základnými atribútmi tejto integrálnej metódy sú:

- stabilizácia chýb v základnom materiáli potrubia,

- komplexná diagnostika aktuálnej integrity potrubia,

- preklasifikácia tlakovej úrovne overením maximálneho dovoleného prevádzkového tlaku (Maximal Available Operation Pressure - MAOP).

Stabilizácia chýb v materiáli potrubia

Účinky tlakovej reparácie umožňujú v záujme vylepšenia bezpečnostno-technických parametrov základného materiálu potrubia niektoré chyby stabilizovať. Stabilizácia šírenia chýb sa dosiahne vytvorením hydraulického pretlaku na úroveň integrálnej medze plasticity základného materiálu steny potrubia, pričom maximálna úroveň hodnoty pretlaku sa vo vyhodnotení reparácie vyjadruje konkrétnym násobkom nominálneho (PN), resp. prevádzkového (OP) pretlaku. K tejto maximálnej dosiahnutej hodnote pretlaku je teda preukázaná lineárna závislosť medzi integrálnou deformáciou steny potrubia a napätím v stene potrubia. Práve lineárny priebeh svedčí o značnej miere odbúrania vnútorného pnutia vneseného do potrubia jeho výrobou, kladením, zváraním či prevádzkovými zásahmi a vplyvmi.

Lokálne miesta s vnútorným pnutím prejdú v priebehu tlakovania plastickým stavom so spevnením materiálu, ktorý sa pri ďalšom zaťažovaní správa už ako pružný. Prirodzene, dochádza k vyčerpaniu určitej časti plastickej rezervy materiálu, ktoré je však zanedbateľné a už pri návrhu reparačného tlaku sa berie do úvahy.

Preklasifikácia tlakovej úrovne potrubia overením MAOP

Na základe dosiahnutého reparačného tlaku možno definovať skutočnú hodnotu integrálnej medze klzu potrubného materiálu, ktorá je spolu s požadovanou hodnotou súčiniteľa bezpečnosti vzhľadom na prevádzkový tlak východiskom pre stanovenie podmienok ďalšej prevádzky potrubia, osobitne však maximálneho dovoleného prevádzkového tlaku (MAOP) stanoveného, resp. požadovaného pre budúcu prevádzku potrubia.

Tento maximálny prevádzkový tlak môže byť aj ekvivalentom k pretlaku overenom „stress testom", ktorý vyjadruje skutočnú hodnotu súčiniteľa bezpečnosti, t. j. pomer medzi tlakom pri skutočnej medzi klzu a prevádzkovým pretlakom. Skutočná hodnota súčiniteľa bezpečnosti je zvyčajne vyššia ako požadovaná a vyjadruje teda mieru možnosti preklasifikovania potrubia na vyššiu tlakovú úroveň.

Bezprostrednou podmienkou preklasifikovania tlakovej triedy potrubia je, samozrejme, skutočnosť, aby v potrubnom systéme inštalované zariadenia, predovšetkým armatúry, boli konštruované a navrhnuté už pre novú tlakovú hladinu. Tieto prvky sa obvykle vymieňajú už počas prípravných prác predchádzajúcich výkonu samotnej tlakovej reparácie.

V prípade zvyšovania tlakovej úrovne potrubia, z ktorého sú napojené odbočky, musí byť preverená tlaková úroveň aj v týchto odbočkách (prípojkách). Vzhľadom na to, že odbočka má väčšinou menšiu dimenziu ako hlavné potrubie, bude aj reparačný tlak odbočky nepriamo úmerne vyšší.

Komplexná diagnostika aktuálnej integrity potrubia

Vzhľadom na účinok tlakovej reparácie býva jej aplikácia často a cielene súčasťou komplexnej diagnostiky vysokotlakových potrubí. Komplexná diagnostika aktuálnej integrity potrubia sa môže realizovať v rámci tzv. celkovej rehabilitácie potrubia, a to za podmienok výkonu a zabezpečenia určitej skupiny odborných činností.

Význam zhodnocovania technického stavu potrubí metódou tlakovej reparácie

V súčasnosti využívané aktívne spôsoby technického zabezpečenia prevádzkovej bezpečnosti potrubí, napr.:

• dodatočným osadením oceľových chráničiek,

• návrhom hrubšej steny potrubia vedúceho cez určité lokality,

• dodatočné zosilňovanie steny potrubia lokálnou opravou – osadzovaním oceľových objímok alebo kompozitných bandáží možno z pohľadu ich účinku hodnotiť ako lokálne a z pohľadu riadenia integrity potrubia ako obmedzené.

V súčasnosti zaužívané pasívne (diagnostické) spôsoby kontroly technického stavu potrubí, napr.:

• kontrola inšpekčnými valcami alebo inými inšpekčnými zariadeniami, ak je potrubie pre takýto prechod upravené,

• konvenčné NDT kontroly realizované v tzv. vybraných miestach možno z pohľadu účinku hodnotiť ako doplňujúce a monitorujúce.

Z hľadiska technických možností súčasných technológií a vývoja chýb v stene potrubia môžeme tieto spôsoby kontroly hodnotiť ako nekomplexné a dočasné.

Zhodnocovanie technického stavu potrubí metódou tlakovej reparácie je vďaka jej aktívnym účinkom a opatreniam komplexným a integrálnym spôsobom technického zabezpečenia. S preverením materiálových vlastností potrubia integrálnou skúškou priamo súvisí bezpečnosť a spoľahlivosť jeho ďalšej prevádzky.

Vzhľadom na skutočnosť, že samotná tlaková reparácia je diagnostickou a zároveň opravnou (reparačnou) metódou, podľa najnovších poznatkov technických možností možno konštatovať, že preverením a zároveň zhodnotením technického stavu potrubia touto metódou je dosiahnutá a objektívne preukázaná maximálna miera stupňa bezpečnosti ďalšej prevádzky potrubia vo vzťahu k jeho okoliu.

Použitá literatúra:

[1] Zákon č. 124/2006 Z. z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a o zmene a doplnení niektorých zákonov,

[2] Vyhláška MPSVaR č. 508/2009 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti na zaistenie bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci s technickými zariadeniami tlakovými, zdvíhacími, elektrickými a plynovými a ktorou sa ustanovujú technické zariadenia, ktoré sa považujú za vyhradené technické zariadenia,

[3] Bezpečnostno-technická metodika pre opravu existujúcich oceľových vysokotlakových potrubí do DN1400 a do PN250 metódou tlakovej reparácie overením maximálneho dovoleného prevádzkového tlaku – MAOP (ev. č. SEPSREP-Z-1, apríl 2006),

[4] GAJDOŠ, L.; ŠPERL, M.: Lomové a lomově-mechanické vlastnosti ocelí pro výrobu vysokotlakých svařovaných trubek. Zpráva výzkumného projektu MPO č. FT-TA/091, ÚTAM AVČR, únor 2005,

[5] PAŘÍZEK, P.; PILÁT, J.: Zhodnotenie technického stavu VTL plynovodov metódou tlakovej reparácie. I. časť: Význam tlakovej reparácie, Slovgas 2/2009, str. 29 – 31

TEXT/FOTO Jan Vytřísal, Petr Pařízek, SEPS, Bratislava, CEPS, Praha

Lektoroval: doc. Ing. Miroslav Rakyta, PhD.