Čtyřicet let spolupráce ÚTAM AV ČR, v. v. i., s plynárenskými podniky

Počátky spolupráce Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, v. v. i., (ÚTAM) s plynárenskými podniky lze datovat do doby, kdy se plynofikace stala vedle jaderných elektráren jedním z hlavních řešení energetické strategie vyspělých technických států. Konkrétně lze spolupráci popsat jako řešení problematiky spolehlivého a bezpečného provozu plynovodů, jak dálkových (tranzitních), tak distribučních. Potřeba systematického studia poškození velkých svařovaných ocelových plynovodů během jejich provozu se ukázala již na začátku sedmdesátých let minulého století, a to v souvislosti se zjištěním malých trhlin ve stěně některých trubek tranzitního plynovodu z Ruska do západních a jižních států Evropy.

V této době se také vytvořil a formoval tým akademických i provozních odborníků okolo prof. Jaroslava Němce, DrSc., držitele Národní ceny Česká hlava 2004, který se intenzivně zapojil do spolupráce se všemi hlavními tuzemskými plynárenskými společnostmi v oblasti zajišťování provozní spolehlivosti a bezpečnosti plynovodů. Na počátku devadesátých let minulého století se stává ÚTAM jednou z hlavních vědeckých institucí, která díky nezištné spolupráci s ČVUT Praha a SVÚM, a. s., je dodnes zárukou úspěchů na poli gnozeologickém i praktickém. Jen zpětná vazba mezi praktickým a teoretickým životem přináší požadované výsledky. Z praxe byly řešeny mnohé problémy podniků jako RWE Transgas, regionálních plynárenských společností i společnosti CEPS, a. s., která kromě jiných servisních činností realizuje již řadu let rehabilitace plynovodů. Tato metoda je dlouhodobě s úspěchem prováděna v naší plynárenské rozvodné síti a ÚTAM se aktivně podílí na mnoha lomově-mechanických analýzách rehabilitovaných potrubí. Pod pojmem rehabilitace plynovodu se skrývá řízené přetížení konkrétního úseku potrubí tlakem vody načerpané do trub. Důsledkem je otupení čel možných podkritických trhlin ve stěně plynovodu, zvětšení plastické oblasti na jejich čele s následným vznikem tlakových zbytkových napětí, které brání jejich dalšímu růstu. V konečném efektu se trhliny zablokují a zvýší se tím provozní spolehlivost plynovodu a prodlouží jeho životnost. Pokud se pro reparační tlak, který je vyšší než tlak provozní, stane nějaká trhlina při rehabilitaci nadkritickou, dojde k jejímu nestabilnímu šíření, a tedy k lomu. Tím se odhalí slabá místa v rehabilitovaném úseku plynovodu a poškozená část s otevřenou trhlinou se nahradí novou trubkou.

Velmi širokou oblastí, v které pracovníci ÚTAM významně pomáhají při realizaci rehabilitačních postupů, je lomová analýza plynovodních úseků, včetně experimentálního výzkumu statických i lomově-mechanických vlastností materiálu vyšetřovaného potrubí. Výsledkem je určení jeho lomové houževnatosti, která rozhoduje o kritických velikostech eventuálních ostrých defektů typu trhlin ve stěně potrubí. Zásadním přínosem pracovníků ÚTAM k porozumění mechanismům chování trhlin ve stěně potrubí při jeho rehabilitaci byla aplikace lomově-mechanického přístupu na proces tlakové reparace potrubí, zejména identifikace iniciační hodnoty J integrálu J_in jako parametru určujícího mezní hodnotu přetížení. Dle tohoto přístupu lze určit podmínky, kdy je rehabilitace pozitivní (má maximální ozdravný účinek na poškozené potrubí), a dále podmínky, kdy reparační tlak zhoršuje provozní spolehlivost plynovodního potrubí v důsledku zvětšení trhliny.

Dalším významným tématem, kterým se ÚTAM v souvislosti s rehabilitacemi plynovodů také zabýval, je otázka úniku vody z tlakovaného potrubí. Svými teoretickými pracemi jsme ukázali, že měřením časového úniku vody při rehabilitaci lze přibližně určit velikost eventuální průchozí trhliny. Je-li navíc známa kritická délka trhliny pro požadovaný přetlak, můžeme tuto délku spojit s časovým množstvím unikající vody a bezpečný provoz tlakového potrubního systému pak kontrolovat na základě požadavku, aby zjištěný časový únik vody pro daný tlak nepřesáhl jistou hodnotu, odpovídající kritické délce průchozí trhliny.

Systém plynovodního potrubí lze s jistou nadsázkou přirovnat k živému organismu, který žije svým životem. Jeho zdraví je „ohrožováno“ mnoha faktory. Mezi velmi poškozující je zařazena koroze, vysoké lokální mechanické namáhání a únavové poškození. Stejně jako živý organismus se i trubky rodí s různými vadami, které jsou během života buď nepodstatné, nebo naopak vedou k vážným problémům. Některá poškození a vady vznikají až během provozu nebo při montáži. Z mechanického hlediska je potrubí tenkostěnná válcová skořepina s hlavním tahovým membránovým napětím v obvodovém směru. Základní mechanické namáhání stěn plynovodu vzniká vlivem přetlaku přepravovaného plynu. Další namáhání vznikají vlivem deformace podloží, dilatací potrubí při změnách teploty přepravovaného plynu, lokálním zatížením vnějšími silami (např. přejezdy aut) a také vnitřním pnutím materiálu vyvolaným technologií výroby, pokládky a montáže plynovodu. Lze tedy konstatovat, že skutečné namáhání plynovodního potrubí je poměrně složité. To ovšem není vše. Představa o konstantním zatížení plynovodu je dosti idealizovaná. Ve skutečnosti je charakter zatížení cyklický s vysokou střední složkou a nízkou amplitudou. To je způsobeno nerovnoměrným odběrem plynu v průběhu dne. Přetlak v potrubí během dne vlivem odběru plynu klesá a v noci při poklesu odběru opět stoupne.

Nejslabším konstrukčním článkem plynovodů jsou, jako u většiny technických děl, svarové spoje. Systém plynovodu je složen z jednotlivých trub svařených obvodovými svary. Jednotlivé trubky lze rozdělit podle technologie jejich výroby na spirálně nebo podélně svařované a bezešvé. Většinou jde o stovky kilometrů svarů, které mohou být zdrojem mnoha vad, a tím může být ohrožena provozuschopnost plynovodu. Jeden z velmi zajímavých a podstatných výzkumů ÚTAM prováděných v souvislosti s touto problematikou byl výzkum vlivu defektů ve svaru na životnost plynovodů.

Vzhledem k povaze a nebezpečnosti přepravovaného média je snahou všech provozovatelů zachovat maximální bezpečnost a provozuschopnost plynovodů. Provoz plynovodů je samozřejmě upraven mnoha předpisy a normami a jeho bezpečnost je zajišťována pravidelným servisem a diagnostikou. I přes veškeré úsilí však dochází ojediněle k haváriím. Havárie plynovodu je vždy spojena s velkou explozí vlivem akumulované energie ve stlačeném plynu a s možným rizikem následného zahoření. Je jasné, že taková událost představuje vždy obrovské ekonomické a ekologické škody s rizikem ohrožení života obyvatelstva (obr. 1).

Samozřejmostí práce ve výzkumu by mělo být experimentální ověření teoreticky dosažených výsledků. Tento přístup je také aplikován v ÚTAM. Abychom si např. ověřili vypočtenou předpověď lomového tlaku v poškozeném potrubí, musíme provést laboratorní zkoušky s reálným trubním tělesem (obr. 2).

Za další zajímavý případ řešený z praxe lze považovat požadavek společnosti RWE Transgas z roku 2001, jenž se týkal vlivu sedání zeminy nad opuštěným důlním dílem v blízkosti obce Čejč na změny napjatosti a provozní spolehlivosti plynovodu DN700 z materiálu ČSN 413030. Byla určena přídavná podélná tahová napětí v potrubí jak při lokálním propadu zeminy pod potrubím, tak i při sedání celé poddolované oblasti a jejich vliv na mezní délku trhliny. Získané výsledky umožnily podniku RWE Transgas identifikovat a vyměnit nejnebezpečnější část tohoto úseku, a tím zvýšit provozní spolehlivost plynovodu v poddolované oblasti.

Pracovníci ÚTAM se každoročně aktivně účastní odborných kolokvií Bezpečnost a spolehlivost plynovodů, organizovaných Českým plynárenským svazem. Ve svých příspěvcích informují o nejnovějších vědeckých výsledcích, které mají přímý či nepřímý dopad na bezpečnost plynovodů a na zvyšování jejich spolehlivosti. V rámci kolokvií již proslovili více než 20 příspěvků, které se setkaly s velkým zájmem účastníků a z nichž mnohé byly později publikovány v časopisecké formě. Významným výstupem výzkumných prací, uskutečněných během řady let, bylo vydání dvou monografií. Je to jednak „Spolehlivost plynovodních potrubí“, která vyšla ve vydavatelství ČVUT r. 2000, a dále „Structural Integrity of Pressure Pipelines“, která byla sponzorována společností RWE Transgas a vyšla r. 2004 v nakladatelství PRAAM. V publikacích jsou shrnuty výsledky a zkušenosti vyplývající ze studia poruch plynovodů a z teoretického a experimentálního výzkumu poškozujících a degradačních procesů v plynovodních potrubích na jedné straně a odolnosti těchto potrubí proti poškození a katastrofickým lomům na straně druhé. Také je zde zpracována metodika hodnocení pevnostní spolehlivosti plynovodů a podmínky rehabilitačních postupů přetížením pro prodloužení jejich zbytkové životnosti.

Tato práce byla podporována v rámci výzkumného záměru AVOZ 20710524.