Введение к работе
Актуальность работы.
Интенсивное развитие газовой и нефтяной промышленности в Дальневосточном федеральном округе Российской Федерации требует обеспечение бесперебойной транспортировки и переработки газонефтепродуктов с помощью трубопроводного транспорта большого диаметра и резервуаров для хранения нефтепродуктов. Возрастающее потребление газонефтепродуктов привело к необходимости увеличения рабочих параметров магистральных газопроводов, что, в свою очередь, обуславливают повышение требований к прочности и трещиностойкости сталей и их сварных соединений, для обеспечения требуемой надежности. К настоящему времени магистральные газопроводы и резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов Республики Саха (Якутия) практически выработали свой проектный ресурс. Как известно, длительная эксплуатация приводит к деградации металла трубопроводов и резервуаров, при этом повышается предел текучести, снижаются показатели пластичности (ударная вязкость, характеристики трещиностойкости и др.). В связи с этим особенную актуальность приобретает проблема оценки предельного состояния (остаточного ресурса) металлоконструкций для принятия решения о продлении срока эксплуатации, проведении частичного или капитального ремонта или же о прекращении эксплуатации.
Экспериментальные и теоретические аспекты проблемы оценки предельного состояния материалов и конструкций изучались в работах Н.А. Махутова, С.В. Серенсена, В.П. Ларионова, Н.П. Алешина, А.В. Лыглаева, В.В. Панасюка, Е.М. Морозова, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичева, А.Я. Красовского, В.Н. Красико, В.Н. Пермякова, Ю.И. Егорова, А.А. Griffith и др. Прогнозирование достижения предельного состояния конструкции осуществляется посредством комплексного расчетно-экспериментального определения конструкционной прочности. При этом методы оценки предельного состояния материалов дополняются методами расчетов в соответствии с моделями теории поврежденности, учитывающими изменение свойств и уровень поврежденности материалов, условий нагружения и работы объектов и др. Необходимость совместного учета изменения эксплуатационных параметров системы и механических характеристик материала, сопровождающееся накоплением в них поврежденности, существенно усложняет задачу определения предельного состояния. В частности, прогнозирование остаточного ресурса большинства магистральных трубопроводов и резервуаров большой емкости требует привлечения результатов вибродиагностики, дефектоскопического и неразрушающего контроля и т.д.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчета остаточного ресурса металлоконструкций, позволяющего учесть как условия эксплуатации, так и изменения структуры и свойств металла, происходящие при ее длительной эксплуатации.
При разработке метода исходили из положения, что предельное состояние металлоконструкции определяется по исчерпанию материалом ресурса пластичности, а основными причинами потери способности конструкционных сталей пластически деформироваться является достижение температуры вязко-хрупкого перехода и/или критического уровня поврежденности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка и реализация методики экспериментального исследования накопления поврежденности в конструкционных сталях.
-
Экспериментальная оценка потери пластичности конструкционных сталей при понижении температуры и испытаниях на малоцикловую усталость.
-
Установление корреляционных зависимостей между характеристиками потери пластичности и твердости материала.
-
Определение остаточного ресурса металлоконструкций по изменению характеристик потери пластичности.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
разработка и реализация методики экспериментального исследования накопления поврежденности в конструкционных сталях, основанная на имитационных циклических испытаниях;
установление закономерностей снижения пластичности путем построения предельных кривых потери пластичности;
введение и обоснование коэффициента потери пластичности (КПП) как показателя старения и деградации материала;
методика оценки остаточного ресурса конструкций эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера.
Практическая ценность:
Создание методики расчета остаточного ресурса металлоконструкций в процессе эксплуатации, позволяющего на объекте, находящемся под нагрузкой, оценить степень снижения пластичности металла в текущий момент времени эксплуатации путем проведения замеров методами неразрушающего контроля.
Внедрение результатов исследования.
Данные результаты использовались для расчетов и оценки остаточного ресурса технических устройств (газопроводы, резервуары и оборудования нефтяной и газовой промышленности) опасных производственных объектов, подконтрольных Ростехнадзору при подготовке заключений экспертиз промышленной безопасности.
Внедрение результатов исследований осуществлено в экспертной организации Ростехнадзора ЗАО НПП «ФизтехЭРА», производственных организациях ОАО «Сахатранснефтегаз», ОАО «Саханефтегазсбыт» и др.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы обеспечивается использованием широко апробированных и высокоточных методов испытаний, сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования, сопоставлением полученных результатов с опубликованными данными других авторов, практическим использованием результатов диссертационной работы при расчете остаточного ресурса технических устройств.
Личный вклад автора заключается в разработке и реализации методики оценки предельного состояния в конструкционных материалах, исследовании закономерностей разрушения конструкционных материалов от влияния низких температур и при малоцикловом нагружении, анализе, обобщении и внедрении экспериментальных результатов. В работах по проведению испытаний участвовали сотрудники лабораторий ИФТПС СО РАН, при проведении экспертиз промышленной безопасности резервуаров и магистральных газопроводов принимали участие сотрудники ЗАО НПП «ФизтехЭРА», которым автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на IX Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г.Красноярск, 2003 г.); Научно-производственном форуме «Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции газопроводов. Новые материалы и технологии» (г.Томск, 2005 г.); XIII, XIV международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций» (г.Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.); I, II, III, IV, V «Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата» (г.Якутск, 2002, 2004, 2006, 2008 и 2010 г.г.). Получен патент №2382351 от 20.02.2010 г. «Способ оценки потери пластичности по изменению микротвердости конструкционной стали» (рег. № 2008116017 от 22.04.2008)/ Иванов А.Р., Большаков А.М.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 36 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах.
Структура и обьем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Основное содержание и выводы изложены на 136 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 50 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 99 ссылок.
