Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ методов прочностного расчета проектируемых магистральных трубопроводов 7
1.1 Дифференциальный метод расчета допускаемых напряжений в элементах конструкций 7
1.2 Методы расчета на прочность трубопроводов 17
1.3 Нормы проектирования трубопроводов по первому предельному состоянию 22
1.4 Концепция интервального оценивания и нормирования параметров несущей способности и нагрузки 29
Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2 Разработка метода интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки 44
2.1 Вероятностно-статистический метод расчета коэффициента надежности по материалу 44
2.2 Определение коэффициента надежности по материалу с учетом отклонений от стандартности сооружения трубопровода 49
2.3 Вероятностно-статистический метод расчета коэффициента условий работы трубопровода 51
2.4 Соотношение между частными коэффициентами запаса несущей способности трубопровода 54
2.5 Разработка расчетного метода определения максимальных кольцевых напряжений при гидравлических испытаниях трубопроводов 58
Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3 Разработка методики вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов по первому предельному состоянию 72
3.1 Установление верхней границы допустимого кольцевого напряжения в трубопроводе 72
3.2 Оценка безотказности трубопровода 79
3.3 Определение толщины стенки трубопровода 80
Выводы по главе 3 89
ГЛАВА 4 Особенности обеспечения работоспособности трубопроводов, проектируемых из труб, изготовленных высокочастотной сваркой 90
4.1 Дефектность труб, изготовленных высокочастотной сваркой... 90
4.2 Экспериментальные исследования прочности и долговечности сварных соединений 97
4.3 Оценка работоспособности трубопровода 101
Выводы по главе 4 103
Основные выводы и рекомендации 104
Библиографический список
- Методы расчета на прочность трубопроводов
- Концепция интервального оценивания и нормирования параметров несущей способности и нагрузки
- Соотношение между частными коэффициентами запаса несущей способности трубопровода
- Экспериментальные исследования прочности и долговечности сварных соединений
Введение к работе
Актуальность работы
Магистральные трубопроводы являются исключительно металлоемкими сооружениями, на строительство которых расходуются миллионы тонн стали. По ним перекачиваются газ, нефть и нефтепродукты, и они являются опасными производственными объектами. Поэтому особое внимание уделяется их конструктивной надежности.
Проблема надежности трубопроводов является многоплановой, в ней сочетаются задачи прочности и устойчивости, безотказности и долговечности. Требования надежности трубопроводов объективно направлены на то, чтобы на стадии их проектирования обеспечить определенный теоретический уровень безотказности и долговечности.
В связи с этим вопросы расчета трубопроводов на прочность как одного из аспектов надежности имеют важное значение.
В настоящее время расчеты трубопроводов на прочность осуществляются по строительным нормам и правилам, где заложены принципы расчета по первому предельному состоянию, то есть по несущей способности конструкции.
В методе расчета трубопроводов по первому предельному состоянию заложено расчленение общего коэффициента запаса прочности на частные коэффициенты. Рассматриваемый метод расчета основывается на анализе процесса перехода конструкции в предельное состояние с учетом всех факторов, оказывающих влияние на ее несущую способность. А это предполагает проведение многофакторных исследований на надежность на основе вероятностно-статистического подхода путем интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки.
Здесь недостаточно отработаны расчетные методы установления коэффициентов надежности по материалу и нагрузке, условий работы трубопроводов, определения их соотношения для комбинированных случайных событий распределения характеристик прочности и нагрузки.
В связи с этим задача совершенствования и уточнения метода расчета трубопроводов по первому предельному состоянию является актуальной.
Целью диссертационной работы является обеспечение работоспособности трубопроводов усовершенствованием метода их прочностного расчета по первому предельному состоянию на основе вероятностно-статистического подхода путем интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки.
Основные задачи исследований
1. Анализ методов прочностного расчета проектируемых трубопроводов.
2. Разработка метода интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки.
3. Разработка методики вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов по первому предельному состоянию.
4. Выявление особенностей обеспечения работоспособности трубопроводов, проектируемых из труб, изготовленных высокочастотной сваркой (ВЧС).
Объектом исследований являются собственно трубопроводы магистральных газо-, нефте- и нефтепродуктопроводов.
Предметом исследований является методология проектирования магистральных трубопроводов по первому предельному состоянию.
Методы решения поставленных задач
При решении поставленных задач использовались методы расчета на прочность строительных конструкций, механики разрушения, теории вероятностей и математической статистики.
Для подтверждения результатов исследований использована информация о надежности эксплуатируемых нефте- и нефтепродуктопроводов, экспериментальные данные испытаний труб и участков трубопроводов повышенным внутренним давлением.
Научная новизна
1. Разработаны вероятностно-статистический подход и метод интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки, необходимые при проектировании трубопроводов по критерию надежности (безотказности).
2. Получены новые аналитические зависимости для расчетов коэффициентов надежности по материалу и нагрузке, условий работы, толщины стенки труб и испытательного гидростатического внутреннего давления в трубопроводе.
3. Разработана методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов по первому предельному состоянию, необходимая при обосновании выбора оптимального проектного решения по критерию надежности.
4. Выявлены особенности обеспечения работоспособности трубопроводов и установления нормативного значения коэффициента надежности по материалу труб, изготовленных высокочастотной сваркой, по контрольным признакам их производства, неразрушающего контроля и испытаний повышенным давлением.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, имеющие научную новизну и практическую ценность, в частности:
- метод интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки;
- аналитические зависимости для расчетов коэффициентов надежности по материалу и нагрузке, условий работы, толщины стенки труб и внутреннего давления при гидравлических испытаниях трубопроводов;
- методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов;
- особенности обеспечения работоспособности проектируемых трубопроводов из труб, изготовленных высокочастотной сваркой.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Расчеты на прочность трубопроводов на основе вероятностно-статистического подхода путем интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки позволяют формировать их проектную надежность и обеспечивать безаварийную работу на стадии эксплуатации.
2. Разработанная методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов позволяет обосновать выбор оптимальных проектных решений по критерию надежности.
3. Учет особенностей производства труб, изготовленных высокочастотной сваркой, и проектирования трубопроводов условным диаметром 500 мм позволяет обеспечивать их надежность при эксплуатации.
Новая методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов внедрена в ОАО «Гипровостокнефть» и рекомендуется для применения в саморегулируемых организациях по проектированию магистральных трубопроводов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях по проблемам трубопроводного транспорта, в том числе в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2009 г.) и XVIII международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2010» (г. Уфа, 2010 г.)
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 работы в ведущем рецензируемом научно-техническом журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 111 наименований. Изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 13 рисунков.
Методы расчета на прочность трубопроводов
Дифференциальный метод расчета допускаемых напряжений в элементах конструкций основан на определении общего запаса прочности по ряду частных коэффициентов. Такой метод расчета считается как метод расчета по предельным состояниям.
Отличием метода расчета по предельным состояниям от методов допускаемых напряжений и разрушающих усилий, помимо его универсальности, является введение нескольких предельных состояний, лимитирующих работу конструкций, и новой системы расчетных коэффициентов (перегрузки, однородности и условий работы) взамен единого коэффициента запаса.
Введение частных коэффициентов, раздельно учитывающих влияние изменчивости нагрузки, прочностных свойств материала и других факторов на несущую способность конструкций, дает возможность проще и точнее определить величины этих коэффициентов по сравнению с единым коэффициентом запаса прочности. Кроме того, благодаря введению коэффициентов однородности всякое увеличение однородности материалов может быть немедленно учтено и должно иметь своим следствием облегчение конструкций и экономию материалов. Метод расчета по предельным состояниям позволяет с большей достоверностью подходить к установлению действительной несущей способности конструкций, в чем заложены возможности более экономичного их проектирования.
Авторы [8, 21, 62, 81] развивают новый способ определения допускаемых напряжений путем определения коэффициента общего запаса прочности Пя. Последний рассматривается как произведение частных коэффициентов, каждый из которых учитывает какой-либо фактор, влияющий на прочность элемента конструкций. Этим коэффициентом связываются расчетные напряжения R и то напряжение СУХ, которое характеризует прочность металла:
Этот способ определения коэффициента общего запаса прочности можно называть дифференциальным, так как общий коэффициент nR определяется по ряду частных коэффициентов.
Дифференциальный метод сложен. Иногда бывает трудно установить величину какого-либо частного коэффициента. В этом случае проектировщик вынужден выполнять дополнительную кропотливую работу. Однако существенное достоинство метода, заключается в том, что проектировщик получает некое представление о доминирующих факторах, из которых складывается методика установления запаса прочности.
С этой точки зрения дифференциальный метод следует признать единственно верным, ведущим к, разрешению задачи о допускаемых- напряжениях. Здесь нужно найти общее решение, т.е. создать такую систему коэффициентов, которая была бы пригодной для трубопроводных конструкций. Тогда метод можно было бы конкретизировать для частных случаев в виде таблиц или в виде упрощений системы коэффициентов.
Одинг [62] опубликовал систему частных коэффициентов запаса прочности, в которую вошли 10 коэффициентов. Путем перемножения их предлагалось определить общий коэффициент запаса прочности: коэффициент, учитывающий надежность материала; S2 - коэффициент условий работы конструкций; ki - коэффициент, учитывающий точность учета действующих сил; к2 - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений; Mi - поправочный коэффициент при пересчете с одной характеристики прочности в другую;
Технологические Состояние поверхности Остаточные напряжения Сборку и тугие посадки т, т2Тз + + Численные значения частных коэффициентов установлены на основании расчетов или данных практики. Однако конкретных общих рекомендаций по выбору величины этих коэффициентов авторы не дают.
Не претендуя на полную безупречность и полноту предложенной системы частных коэффициентов, все же считаем, что при их анализе необходимо исходить из следующих соображений: а) не дублируют ли отдельные коэффициенты друг друга; б) нет ли в системе вообще лишних коэффициентов; в) не упущены ли в системе некоторые существенные факторы, имеющие основание быть отраженными собственными коэффициентами; г) насколько каждый из предложенных частных коэффициентов может быть установлен или вычислен с достаточной степенью точности.
Сопоставляя достоинства и недостатки дифференциального метода определения допускаемых напряжений, необходимо отметить, что этот метод является, безусловно, прогрессивным, так как он не ограничивает определение величин допускаемых напряжений раз и навсегда установленными пределами, а позволяет устанавливать величины допускаемых напряжений в широком интервале в зависимости от числа учитываемых факторов и степени влияния каждого из них.
Однако, в том виде, в каком дифференциальный метод разработан, его применение требует, в конечном счете, обоснования и учета в явном виде безотказности проектируемой конструкции.
Основные идеи и отдельные приемы дифференциального метода расчета конструкций на основе вероятностного подхода разработаны отечественными учеными [10-12, 46-49, 64, 81, 82]. В строительной механике дифференциальный метод определен как метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям.
Большое значение для разработки этого метода имели работы Н.С. Стрелецкого по вопросам анализа коэффициентов запаса и неразрушимости конструкции, а также выбора и назначения различных систем расчетных коэффициентов, обеспечивающих требуемую величину безопасности.
Потребность решения неотложных задач практики строительства и эксплуатации зданий и сооружений, повышения эффективности капитальных вложений, с одной стороны, и успехи в решении теоретических задач [61], с другой, - вот что ускорило формирование научного направления -теории надежности в области строительства. Впервые вопросы теории надежности были поставлены в строительной механике. Еще в 1926-1929 гг. М. Майер и Н.Ф. Хоциалов выдвинули идею о применении статистических методов в расчетах на прочность, подвергнув критике классическую концепцию расчета по допускаемым напряжениям и коэффициентам запаса. Начиная с 1935 г. Н.С. Стрелецкий и его школа, используя статистические методы, разработали способ расчета конструкций по предельным состояниям прочности и устойчивости. Этот метод в последующем был введен в строительные нормы и правила (СНиП) и получил широкое распространение в нашей стране и за рубежом.
Статистические методы расчета на прочность позволили обосновать замену единого коэффициента запаса прочности на частные коэффициенты перегрузки и однородности.
Положение в области расчета трубопроводов существенно изменилось к 1951 г., когда Министерством нефтяной промышленности были выпущены ведомственные «Нормы расчета стальных магистральных трубопроводов». В основу расчета трубопроводов было положено понятие об их предельной несущей способности в полном соответствии с методикой расчета строительных конструкций, принятой к тому времени. Основные положения метода расчета по предельным состояниям заключаются в следующем.
Концепция интервального оценивания и нормирования параметров несущей способности и нагрузки
Нижняя и верхняя доверительные границы XjH и XJB образуют доверительный интервал (несколько больший, чем при точных границах XJH и XJB), В котором с заданной доверительной вероятностью у находится не менее заданной доли уо членов генеральной совокупности.
Доверительная вероятность характеризует достоверность оценки, т.е. устойчивое соответствие результатов испытаний действительному значению оцениваемой случайной величины, а доверительный интервал - ее точность. Чем выше доверительная вероятность, тем шире доверительный интервал, тем ниже точность оценки.
Уравнения (1.21) и (1.22) справедливы с некоторой доверительной вероятностью у. Множитель К0 представляет собой квантиль нормального распределения и является функцией трех аргументов: объема выборки N и параметров у0 и у. Например, при N = 50, у0 = 0,95, у = 0,90 Ко = 1,96, а при N 500 Ко = 1,64 (см. таблицу 1.8).
С увеличением объема выборки N будет уменьшаться К0, возрастать XJH и снижаться XjB. В результате сужается доверительный интервал, а точность оценки параметра возрастает. Расчетная норма характеристики, устанавливаемая снизу на уровне XJH, возрастает, а расчетная норма, устанавливаемая сверху на уровне XjB, имеет меньшую избыточность характеристики, что важно с экономической точки зрения. Поэтому в зависимости от количества заказываемых труб необходимо устанавливать экономически приемлемый минимальный объем выборки для контроля их качества, а также приемлемый уровень значений уо и у.
Повышение точности при изготовлении труб, монтаже трубопровода и соблюдение правил хранения и транспортирования труб сопровождаются уменьшением интервалов рассеяния характеристик трубопроводной конструкции. Снижение значения характеристики S, которая характеризует однородности труб, сопровождается уменьшением рассеяния значений нормируемого параметра.
Следует отметить, что при нормировании j-характеристики (параметра) снизу расчетное значение 0Н устанавливается таким образом, чтобы в дальнейшем при неизменных условиях производства значения характеристики с заданной надежностью у0 были не ниже 0Н, т.е.
Аналогично при нормировании сверху и неизменных условиях производства в дальнейшем значения характеристики с заданной надежностью Уо были не выше 0Н, т.е.
При нормировании снизу и сверху и неизменных условиях производства в дальнейшем значения характеристики с заданной надежностью Уо должна быть не ниже 0Н и не выше 0й, т.е. е» ,й.; Є" Х,Го(1). (1.27)
В числе других требований, подлежащих учету при окончательном выборе нормы, важное значение имеет запас (избыточность) характеристики AXjt, который возмещал бы изменение характеристики технического состояния изделия за время t после изготовления.
В общем случае запас характеристики AXjt следует вводить на основании оценки свойства сохраняемости исходного качества в период транспортирования AXjC, влияния периода приработки AXjn, ответственности конструкции AXj0T, а также конкретных условий и особенностей эксплуатации на протяжении заданного времени t В соответствии с этим запас представим как
С учетом запаса характеристики AXjt норма Э0 или 0 будет устанавливаться равной члену ряда предпочтительных чисел, отстоящему от расчетного значения на один-два номера (или больше) в сторону больших значений относительно Эн и 0Н.
При соблюдении этого положения для нормального распределения запишем: 90 «0H+AXjt Xfi)-K0Sfi) + AXit, (1.29) 6 «0, + AXjt «XjOO-KoSj-W + AX ., (1.30) Чем выше однородность продукции, тем меньше значение управляемой величины Sj(t) и выше норма снизу 0О. Чем выше показатели сохраняемости и безотказности, тем меньше вводимый запас AXJt и сама норма
0О. Повышение меры надежности (вероятности) уо с 0,95 до 0,9987 приво дит к росту значения квантиля иуо с 1,64 до 3,00. Аналогичные рассуждения можно провести относительно влияния повышения качества изделия (однородности, сохраняемости качества) на численные значения нормы характеристики 9, устанавливаемой сверху.
Нормальные функции работоспособности объекта (конструкции, трубы) по j-ому выходному параметру как мера надежности (обеспечения условия работоспособности) запишутся так: при нормировании по наименьшему значению (снизу)
За счет интервала Хщ и XjB формируется запас прочности и нагрузки соответственно.
Вероятность отказа может быть совершенно различной при одном и том же запасе прочности или нагрузки, но при различных значениях среднеквадратических отклонений прочности или нагрузки. Поэтому важно при формировании запаса работоспособности иметь аналитическую связь между m и К3, а последнее с вероятностью отказа соответственно.
Соотношение между частными коэффициентами запаса несущей способности трубопровода
Метод расчета трубопроводов по первому предельному состоянию предполагает как маловероятное событие одновременное совпадение верхней границы рабочих напряжений арабв с нижней границей разрушающего напряжения R]H.
Такой подход требует учитывать вероятностное распределение несущей способности и нагрузки трубопровода. Вероятность отказа может быть совершенно различной при одном и том лее запасе несущей способности, но при разных среднеквадратических отклонениях рабочих и разрушающих напряжений. Гарантией надежной работы трубопровода служит тот случай, когда математическое ожидание разрушающего напряжения превышает математическое ожидание напряжений от рабочей нагрузки, но при этом допускаются некоторые наложения с определенной долей вероятности площадей кривых распределения разрушающего и рабочего напряжений.
Раз так, то значение коэффициента m является переменной величиной в зависимости от Кь %к, %н, Для заданных значений коэффициентов надежности по материалу и нагрузке установлена зависимость m от К3, которая приведена на рисунке 2.4.
Разработан метод граничных испытаний трубопровода гидростатическим давлением. Суть метода заключается в подтверждении работоспособного состояния трубопровода при изначально заданном уровне дефектности в доверительном интервале рассеяния несущей способности. При стечении неблагоприятных обстоятельств наложения верхней границы нагрузки на нижнюю границу несущей способности метод позволяет расчетным путем устанавливать ту нижнюю границу максимальных кольцевых напряжений от основной нагрузки, которая принимается за контрольный показатель гидравлических испытаний трубопровода. m 1,0
Контрольное значение испытательного давления служит мерой подтверждения работоспособности трубопровода при изначально допущенном уровне дефектности, т.е. при заданном К\. При этом не допускается ни одного разрыва трубопровода по формирующим К] факторам. Если разрыв произошел, то это констатируется как неверное решение по установлению численного значения К\.
Получена формула, описывающая зависимость коэффициента перегрузки Ьн от коэффициента изменчивости & и показателя пластичности металла пт,
При этом установлена и верхняя граница коэффициента перегрузки Ьв= (1,23пт)" , соответствующая аон= 1,7. В таблице 2.1 приведены численные значения этих коэффициентов.
Показано, что установление кольцевого напряжения на уровне bB-R2 и более допускается только в том случае, если после гидравлических испытаний предусматривается диагностика на предмет выявления возможных новообразований в виде трещин и трещиноподобных дефектов в основном металле и сварных соединениях.
Таким образом, предложен новый вероятностно-статистический подход и разработан метод интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки, направленный на уточнение и совершенствование методов прочностного расчета трубопроводов по первому предельному состоянию и установления контрольной величины испытательного внутреннего давления.
Главное, доказано, что метод граничных испытаний позволяет оценить нижнюю границу аиспн, необходимую для подтверждения соответст 71 вия безопасности трубопровода при изначально заданном Кь т.е. уровня допустимой дефектности.
Установление верхней границы допустимого кольцевого напряжения в трубопроводе Поставленная задача решена на примере оценки работоспособности трубопровода с учетом случайности в распределении прочности и нагрузки. Оба события, распределение прочности и нагрузки трубопровода, являются истинными. Если принять, что имеет место нормальное распределение, то в критическом случае оценки работоспособности рассматривается наложение площадей, ограниченных кривыми рассеяния характеристик нагрузки и прочности. Область наложения площадей кривых распределения прочности и нагрузки соответствует вероятности отказа.
Случайность в распределении нагрузки вызвана ее нестабильностью. Случайность в распределении прочности обусловлена допусками на механические свойства металла, уровень дефектности и геометрические параметры труб. Здесь ситуация взаимодействия комбинированных событий. Она отличается от случая, когда учитывается лишь запас прочности. Вероятность отказа может быть совершенно различной при одном и том же запасе прочности и при разных среднеквадратических отклонениях нагрузки и прочности металла трубопровода. Вероятностный подход к формированию работоспособности трубопровода по критерию безотказности требует учета вероятностного распределения нагрузки и прочности в комбинированном варианте.
Гарантией безотказной работы трубопровода служит тот случай, когда математическое ожидание прочности превышает математическое ожидание нагрузки. При этом вероятны некоторые наложения площадей кривых распределения, а значит и ситуации отказа.
Экспериментальные исследования прочности и долговечности сварных соединений
За базовое число циклов было принято 10000 циклов, после чего неразрушенный образец снимался с испытаний.
Все испытанные образцы основного металла и сварного шва без надреза выдержали базовое число циклов нагружения. Усталостных трещин на поверхности образцов не обнаружено.
Все испытанные образцы с надрезом не выдержали базовое число циклов нагружения. Но главное в том, что коэффициент влияния среды -раствора - составляет в среднем 25 %, а в модельной жидкости — в среднем 45 %. Это значит, что долговечность труб МНГШ в условиях малоциклового нагружения внутренним давлением и коррозионной среды снижается в среднем на 35 %.
Проведены металлографические исследования очагов разрушения образцов сварных соединений по результатам ультразвукового контроля. Целью исследований являлась оценка характера разрушения сварного соединения. Микроструктура изучалась на протравленных спиртовым раствором (4 процентным) азотной кислоты образцах при увеличении х 50, х 200. Микроструктура характеризуется наличием несплошности соединения в районе линии сплавления, не выходящей на внутреннюю и наружную поверхности трубы. Поверхности несплошности имеют зигзагообразный характер. Вблизи поверхности несплавления наблюдаются скопления грубых окислов. Оценка работоспособности трубопровода Проведем оценку работоспособности трубопровода при UP= 3,1 и значении вероятности безотказности 0,999.
Оба варианта выбраны неслучайно. в В первом варианте с„от= 8,0 МПа, а во втором случае ижп — 6,2 МПа. В результате следует сделать вывод о том, что при стан дартности труб Хк = ОД внутреннее допустимое рабочее давление не должно превышать 4,4 МПа при обеспеченной безотказности Р = 0,999 или Q = 10" как маловероятное событие.
1. Показано, что для прямошовных труб условным диаметром 500 мм из горячекатаной низколегированной стали, сваренных токами высокой частоты, допускается коэффициент надежности по материалу Ki 1,55 при условии выполнения требований СНиП 2.05.06-85 с дополнением 100 %-ного неразрушающего контроля концевых участков листов по периметру шириной не менее 40 мм от торцов, на линии трубосварочного стана по всей длине шва трубы, при приемосдаточных операциях после гидравлических испытаний труб.
2. Экспериментально доказано, что малоцикловая усталостная долговечность сварных соединений ВЧС и основного металла марки 17ГС составляет не менее 10 000 циклов для условий полноценных испытаний плоских образцов при отнулевом цикле нагружения их в воздухе при комнатной температуре с частотой 47 циклов в минуту и величиной деформации 0,25 %.
3. Установлено, что коэффициент влияния модельной жидкости (3 % NaCl + НС1, рН = 3,5) при комнатной температуре на малоцикловую долговечность составляет в среднем 45 %. При малоцикловых усталостных испытаниях плоских образцов сварных соединений ВЧС с надрезами ( 60) глубиной 3,0 мм при полной толщине 8 мм наблюдается кратное снижение усталостной долговечности относительно образцов без надрезов.
1. Разработан вероятностно-статистический подход к решению задачи обеспечения работоспособности трубопроводов при их проектировании по первому предельному состоянию, основанный на интервальном оценивании и нормировании частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки. Такой подход позволяет расчетным путем определить численные значения коэффициентов надежности по материалу К! и нагрузке п, условий работы m во взаимосвязи с показателями стандартности производства труб и сооружения трубопровода %к, прочности и пластичности металла пт и вероятности отказа Q трубопроводов.
2. Разработан расчетный метод интервального оценивания и нормирования частных коэффициентов запаса несущей способности и нагрузки, а также коэффициента перегрузки при гидравлических испытаниях, формирующих работоспособное состояние проектируемых трубопроводов. Получены новые аналитические зависимости для расчетов коэффициентов надежности по материалу и нагрузке, условий работы и перегрузки при гидростатических испытаниях трубопроводов, позволяющие обосновать выбор проектных решений по критерию надежности.
3. Обоснован переход на интервальное оценивание коэффициента условий работы трубопровода в зависимости от величин коэффициентов надежности по материалу и нагрузке и ожидаемого риска (частоты отказов). Показано, что для категорий трубопроводов В; I, II; III, IV, при К,= 1,34...1,55;п = 1,1; пт = 0,75...0,90; Q = 10"3... 10"8, коэффициент условий работы находится в пределах 0,6...0,4; 0,75...0,60; 0,9...0,8 соответственно. При этом величины верхней и нижней (контрольной) границ кольцевого напряжения от внутреннего испытательного
Показано, что установление кольцевого напряжения от испытательного внутреннего давления выше контрольного значения допускается только в том случае, если после гидравлических испытаний предусматривается диагностика на предмет выявления возможных новообразований недопустимых трещин в основном металле и сварных соединениях.
Критериями выбора проектного решения являются металлоемкость и безотказность трубопровода. При анализе проектных решений и выборе марок сталей и самих труб рекомендуется принимать то решение из предпочтительного ряда, при котором допускаемое рабочее кольцевое напряжение в трубопроводе максимально приближено к значению 0,75 R".
4. Разработана методика вероятностного анализа несущей способности проектируемых трубопроводов по первому предельному состоянию, необходимая для обоснования выбора марок сталей, труб и конструкций трубопроводов, обеспечивающих требуемую безотказность. Методика рекомендуется при проведении экспертизы промышленной безопасности проектируемых трубопроводов.
5. Экспериментально доказано, что малоцикловая усталостная долговечность сварных соединений труб, изготовленных высокочастотной сваркой, из стали марки 17ГС составляет не менее 10000 циклов для условий полноценных испытаний плоских образцов при отнулевом цикле на-гружения с величиной деформации до 0,25 % включительно. Допускается принимать коэффициент надежности по материалу 1,47... 1,55 при стопроцентном неразрушающем контроле концевых участков листов по периметру шириной не менее 40 мм от торцов, на линии трубосварочного стана по всей длине шва трубы и при приемосдаточных операциях после гидравлических испытаний труб.
Результаты исследований рекомендуется использовать при проектировании трубопроводов, совершенствовании и уточнении действующих строительных норм и правил, а также при разработке мероприятий по обеспечению работоспособности нефтегазопроводов.
