Содержание к диссертации
Введение
Глава I Литературный обзор 10
1.1. Общие сведения о прочностном состоянии газопроводов 10
1.2. Ползучесть и долговечность газопровода 18
1.3. Краткий ретроспективный анализ прочностных особенностей сварных соединений 18
1.4. Учет изменения напряженного состояния связанного с отклонением положения газопровода от расчетного положения 23
Краткие выводы по главе I 26
Глава II Экспериментальные методы механических испытаний трубных сталей 28
2.1. Методика испытаний образцов трубных сталей на разрывной установке MP - 100 28
2.2. Описание установки для испытания образцов металла на ползучесть и долговечность 29
2.3. Методика проведение испытаний на ползучесть и долговечность 33
2.4. Теоретическое обоснование методики испытания на ползучесть при растяжении 35
Выводы по главе II 41
ГЛАВА III Результаты экспериментальных исследований трубных сталей 42
3.1. Результаты испытания образцов из труб конденсатопровода на статическое растяжение 42
3.2. Регрессионный анализ основных механических характеристик трубных сталей 50
3.3. Учет влияния остаточных напряжений на основные механические характеристики трубных сталей 71
3.4. Ползучесть и долговечность в трубных сталях. Результаты испытаний на ползучесть и долговечность 75
3.4.1. Ползучесть и долговечность образцов трубных сталей вырезанных из магистрального газопровода 76
3.4.2. Ползучесть и долговечность образцов трубных сталей 77
вырезанных из трубных обвязок КС
3.4.3. Вероятностная модель пересчета долговечности ОМ образцов в интенсивность отказов трубопровода 78
Выводы по главе III 85
Глава IV Анализ влияния макро геометрии сварного соединения на прочность газопроводов 88
4.1. Методы математического моделирования 89
4.2. Конкретное применение МКЭ к анализу влияния макро геометрии сварного соединения на прочность магистральных трубопроводов 95
4.3. Экспериментальная оценка прочности сварных соединений трубопроводов КС 102
Выводы по главе IV 106
ГЛАВА V Диагностика опасных участков газопровода по положению упругой оси 108
5.1. Влияния изгибных напряжений на величину коэффициента запаса прочности 108
5.2. Алгоритм расчета статических изгибных напряжений в трубопроводах 115
5.3. Вариант реализации алгоритма расчета статических изгибных напряжений для анализа НДС и вариации коэффициента запаса прочности на примере ТО ГРС-1 119
Выводы по главе V 129
Общие выводы по работе 130
Список литературы 133
- Общие сведения о прочностном состоянии газопроводов
- Методика испытаний образцов трубных сталей на разрывной установке MP - 100
- Результаты испытания образцов из труб конденсатопровода на статическое растяжение
- Конкретное применение МКЭ к анализу влияния макро геометрии сварного соединения на прочность магистральных трубопроводов
Введение к работе
Магистральные, промысловые и другие газопроводы являются стратегически важной составляющей экономики России и играют уникальную роль в системе жизнеобеспечения и безопасности Российской федерации. Реальный газопровод находится под воздействием сложных климатических, природных экологических, техногенных, механических и других воздействий.
Известно множество возможных воздействий на газопровод, которые могут привести к разрушению трубопроводов:
Заводские дефекты труб.
Дефекты сварных соединений труб.
Механические повреждения труб в процессе транспортировки, строительства и эксплуатации.
Перенапряжения труб, вызванные нарушениями требований проекта или ошибками проектных решений.
Коррозионное повреждение труб.
Длительные эксплуатационные нагрузки (давление, температура, вибрация).
Нарушения правил эксплуатации.
Нарушение норм и правил производства работ при строительстве и ремонте.
Ударные волны при взрыве газа.
Термическое воздействие при возгорании газа.
Разрушение природных ландшафтов.
Внешние физические (силовые) воздействия на трубопроводы
Коррозионное растрескивание под напряжением
Наряду с перечисленными причинами частичной или полной потерей работоспособности трубопровода недостаточно изученными остаются следующие научно технические направления.
-Влияние изменения механических свойств основного металла газопровода в процессе длительной эксплуатации трубопровода на его работоспособность.
-Влияние процесса ползучести на долговечность ОМ действующих газопроводов.
-Влияние макрогеометрии сварных соединений на НДС и работоспособность ГП.
-Влияние пространственной геометрии упругой линии трубопровода на НДС и работоспособность ОМ МГ и ТО КС.
В связи с вышесказанным и была поставлена задача дальнейшего развития механических методов оценки работоспособности основного металла и сварных соединений длительно эксплуатируемых газопроводов Указанная задача решалась в следующей последовательности. В первой главе настоящего исследования дан краткий ретроспективный анализ прочностных аспектов, влияющих на работоспособность основного металла и сварных соединений длительно эксплуатируемых газопроводов. В обзоре использованы как оригинальные материалы, выполненные при непосредственном участии автора настоящей работы [21,28,29,30], так и публикации других авторов [1, 2, 7, 15, 17, 19, 20, 30, 31, 32, 39, 41,42,44, 45,46, 51, 52, 54, 57, 58, 59, 62, 66, 70, 74, 76, 77, 80, 81, 82, 85, 86, 88, 90, , 91, 92, 93, 96, 97, 98, 102,103,104]. Сформулированы конкретные цели настоящего исследования.
Во второй главе предложена методика механических испытаний трубных сталей. Наряду со стандартными испытаниями на разрыв согласно ГОСТ 1497-84 в главе описана оригинальная методика испытания образцов на ползучесть и долговечность, разработанная автором с участием кафедры сопротивления материалов и деталей машин Ухтинского государственного технического университета и отдела прочности и надежности магистрального газопровода института «СеверНИПИгаз» г. Ухта. В методике
заложены кинетические представления о реализации деформации ползучести [63,82], а так же ряд оригинальных идей, изложенных в работах ухтинских исследователей [5,7,8,9]. При непосредственном участии автора спроектирована и изготовлена специальная установка [10], позволяющая проводить испытания на ползучесть и долговечность образцов, изготовленных из трубной стали.
В третьей главе выполнен цикл оригинальных экспериментальных исследований механических свойств трубных сталей. Установлено, что удельная работа разрушения металла труб конденсатопровода однозначно определяется произведением стандартных величин ав5 [3,27].
Получены значимые регрессионные зависимости основных механических характеристик от времени эксплуатации газопровода для сталей Х70 [12].
Показано, что остаточные напряжения в трубных сталях не оказывают существенного влияния на стандартные механические характеристики [13].
Осуществлена серия экспериментальных исследований ползучести и долговечности ОМ МГ и ОМ ТО КС. Показано, что ОМ трубопровода в процессе эксплуатации подвергается ползучести, скорость которой не превышает 2-Ю"1 с" . По опытным результатам долговечности найдено оценочное значение интенсивности отказа ОМ в эксплуатационных условиях, обусловленное разрушением металла в процессе ползучести.
В четвертой главе в рамках линейной теории упругости с помощью метода конечных элементов (МКЭ) выполнен анализ влияния макро геометрии сварного соединения на прочность газопроводов. Настоящая расчетно-теоретическая глава выполнена под непосредственным руководством профессора МГТУ им. Н.Э. Баумана Гаврюшина Сергея Сергеевича; в ней использованы идеологии и методы, изложенные в [20,42,88,91,65,95,43,50,56,71,76], кроме того, использован оригинальный экспериментальный материал, выполненный с непосредственным участием
автора [21,22,23]. Показано, что основное внимание при расчетах
трубопроводов на прочность следует уделять проблеме ослабляющего
влияния локальных дефектов сварного шва и неоднородности свойств
материала в зоне сварки.
Совместно с авторским коллективом Ухтинского государственного технического университета разработана оригинальная математическая модель, позволяющая учитывать влияния изгибных напряжений на величину коэффициента запаса прочности [4].
Предложен алгоритм расчета статических изгибных напряжений в трубопроводах.
Приведен вариант реализации алгоритма расчета статических изгибных напряжений для анализа НДС и вариации коэффициента запаса прочности на примере ТО ГРС [1,14].
Общие сведения о прочностном состоянии газопроводов
В настоящее время на территории Российской федерации эксплуатируется более 230 тыс. км магистральных и около 350 тыс. км внутрппромысловых трубопроводов. Они являются стратегически важной составляющей экономики России и играют уникальную роль в системе жизнеобеспечения и безопасности Российской федерации [86]. Известны следующие виды возможных воздействий на газопровод. 1. Химическое загрязнение грунта. 2. Термическое воздействие при возгорании нефти и газа. 3. Ударные волны при взрыве газа или паров нефти. 4. Разрушение природных ландшафтов. Главные причины возникновения аварий.
Протяженность газопроводов превышает 200 тыс. км, из которых 30% эксплуатируется свыше 20 лет.
Основные причины аварий на объектах магистральных газопроводов вызваны следующим: 34.7% внешние физические (силовые) воздействия на трубопроводы, включая криминальные врезки, повлекшие утечку; и 24.7% нарушение норм и правил производства работ при строительстве и ремонте, отступление от проектных решений;
23.5% коррозионное повреждение труб, запорной и регулирующей арматуры; 12.4% нарушение технических условий при изготовлении труб и оборудования;
4.7% ошибочные действия эксплуатационного и ремонтного персонала. В 1999-2001 г.г. объемы аварийных утечек составили соответственно 1332, 512 и 1530 тыс. м3.
По мнению авторов [2] основные причины отказа газопровода связаны со следующим: - коррозия стенок труб, - ошибки проектирования, -дефекты труб, - дефекты монтажа, - нарушение правил эксплуатации, -повреждения трубопроводов, - стихийные бедствия.
В работе [92] предложена идеология расчета остаточного срока службы газопроводов по следующим критериям: пластичности, связанным с параметром с /а - 14%; ударной вязкости 75%; язвенной коррозии 8%; фронтальной коррозии 3%. Так же показано, что финансовые потери на ежегодную реконструкцию пропорциональны сроку эксплуатации At.
В [72] на основе рассмотрения разных гипотез прочности приведены замечания по СНиП 2.05.06-85, которые позволяют заключить, что трубопроводы проектируются на основании Российских и зарубежных норм как бездефектные сооружения. Коэффициенты, принятые в СНиП, настолько велики, что обеспечивают большой запас по толщине стенки, хотя и не учитывают "живучесть" трубопровода.
В [44] отмечено, что в настоящее время снижается ресурсная прочность трубопроводного металла. Протяженность газопроводов старше 20 лет составляет 37.1%), старше 30 лет - 15.9. В последнее время аварийность на газопроводах составляет 0.18 - 0.22 случая на 1000 км в год. Трубопроводы проектируются на основании и российских, и зарубежных норм как бездефектные сооружения. Однако, судя по результатам сопоставительных расчетов, по нашим и зарубежным методикам толщины стенок, принимаемые в России минимальные. Все это подтверждает, что при рассмотрении проектных нормативов в увязке с "живучестью" трубопроводов, отсутствует системный подход.
Согласно данных "Бритиш Газ" [52] справедливо следующее:
1. Дефекты типа "коррозионная язва" (потеря металла) осевой длиной 3t или менее могут иметь глубину более 90% номинальной толщины стенки трубы, прежде чем возникает риск разрушения или дефект приведет к утечке газа.
2. Дефекты типа "коррозионная язва" (потеря металла) осевой длиной больше 3t могут иметь глубину свыше 43% номинальной толщины стенки трубы, прежде чем возникает риск разрушения. Дефект приводит к разрыву.
В работе [1] приводятся следующие данные: "Общепринятыми показателями надежности ЛЧ магистральных газопроводов является число отказов на 1000 км газопровода и среднее время восстановления работоспособности - отношение суммарного за год времени пребывания в состоянии вынужденного ремонта к общему числу отказов. По данным эксплуатации эти показатели составляют около 0.8 аварий в год на 1000 км и 37 часов соответственно. Указанный результат получен на основе обработки методами математической статистики эксплуатационных данных по отказам линейной части МГ с использованием критериев %2 Фишера. Результаты статистического исследования позволили сделать следующие выводы: Число отказов на одиночном газопроводе длиной L за время эксплуатации Т подчинено в целом закону Пуассона".
Особенностью эксплуатации трубопровода КС является то, что он находятся под действием циклической нагрузки [37], обусловленной изменением температуры и давления газа в процессе эксплуатации. Поэтому можно ввести понятие запаса на долговечность по числу циклов: в начале вводится коэффициент асимметрии цикла согласно (1.1)
Методика испытаний образцов трубных сталей на разрывной установке MP - 100
Испытание образцов на растяжение осуществляли в лаборатории сопротивления материалов УГТУ на стандартной установке MP-100.
На рис 2.1. приведена схема характерного образца вырезанного вдоль оси трубы. а0 - толщина; - ширина рабочей части ненагруженного образца; 10 - исходная длина рабочей части; L- полная длина образца до нагружения.
Определяли следующие стандартные величины: ав- предел прочности; а02 - условный предел текучести; 5-относительное удлинение; у - относительное остаточное сужение при разрыве; согласно ГОСТ 1497-84. Окончательные результаты испытаний, а именно значения характеристик основных механических свойств металла заносили в таблицу.
Ползучесть материалов - это свойство медленного и непрерывного роста упругопластической деформации твердого тела с течением времени под действием постоянной внешней нагрузки [65].
Ползучесть происходит только в тех случаях, когда приложенное напряжение (от постоянной нагрузки) больше предела упругости материала при данной температуре.
Испытания на ползучесть в отличие от стандартных испытаний на растяжение, показывающих кратковременную прочность металла, позволяют определить его длительную прочность, т. е. способность металла противостоять разрушению при действующих нагрузках в течение определенного времени [82]. Таким образом, по результатам испытаний на ползучесть становится возможным прогнозирование ресурса конструкции и его остаточной величины. Специальная испытательная установка [10], представлена на рис. 2.2. и состоит из следующих элементов. 2.1. Стенд нагрузочный (рис. 2.2) с кратностью усиления прикладываемой нагрузки 32. 2.2. Штангенциркуль, соответствующий требованиям ГОСТ 166-80, с точностью измерения 0,1 мм. 2.3. Микрометр, соответствующий требованиям ГОСТ 6507-78. 2.4. Тензометры, соответствующие требованиям ГОСТ 18957-73.
Относительная цена деления шкалы тензометра не должна превышать 0,005% от базы тензометра.
Для практического выполнения экспериментов разработан универсальный захват, что определяет возможность применения образца (рис. 2.3.) менее трудоёмкого в изготовлении. Порядок отбора фрагментов металла и их необходимое количество описано ниже в настоящем параграфе.
Подготовка к испытанию
Фрагменты металла для последующего изготовления образцов отбирают с потенциально-опасных участков МГ, характеризующихся наибольшими значениями температуры газа, повышенным напряженно-деформированным состоянием стенок трубы, наличием непредусмотренных вибрационных нагрузок и т. п. Как правило, к таким участкам относятся: головные участки на выходе из КС; изгибно-напряженные участки, образованные вследствие всплытия трубы или разрушения опор и т. п.; балочные переходы.
Фрагменты металла отбирают из всей номенклатуры труб, используемых на линейной части исследуемого газопровода, и в составе технологических трубопроводов КС.
Отбор фрагментов производится из материала, полученного при проведении ремонтно-восстановительных работ на линейной части МГ и трубопроводных обвязках КС.
На каждый отобранный фрагмент должен быть составлен паспорт, отражающий условия эксплуатации объекта в целом и основные сведения о трубном материале.
Из каждого отобранного фрагмента изготавливают по два образца, предназначенных для определения фактических механических характеристик металла. Выбор типа образцов, технология их изготовления и порядок проведения испытаний осуществляют в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Вырезку заготовок для образцов, испытываемых на остаточный ресурс, проводят на металлорежущих станках, ножницах, штампах, путем применения кислородной резки и другими способами, предусматривая припуски на зону металла с измененными свойствами при нагреве и наклепе. Из каждого фрагмента изготавливают не менее 4 образцов для испытаний.
Образцы рекомендуется изготавливать на металлорежущих станках. При изготовлении образцов принимают меры (охлаждение, соответствующие режимы обработки), исключающие возможность изменения свойств металла при нагреве или наклепе, возникающих в результате механической обработки.
Размеры образца обеспечиваются в результате равномерного удаления металла со всех поверхностей заготовки.
Заусенцы на гранях образцов должны быть удалены механическим способом, без повреждения поверхности образца. Кромки рабочей части образцов допускается подвергать шлифовке и зачистке на шлифовальном круге или шлифовальной шкуркой.
Результаты испытания образцов из труб конденсатопровода на статическое растяжение
С целью выявления наиболее общих механических свойств характерных трубным сталям было изготовлено 66 образцов (обозначенных как 1+66) с плоскими захватами, вырезанных из катушек труб конденсатопровода Вуктыл - СГПЗ, 1-126 км. Точный химический состав и марка стали, не были известны. Предположительно сталь могла быть трех видов: 17ГС; 10Г2С1 и производства Чехословакии.
К основным стандартным характеристикам материалов относятся предел прочности ов, условный предел текучести а02, относительное удлинение образца 5 и относительное сужение поперечного сечения образца \\i после разрыва. Названные характеристики определяли, в условиях растяжения при испытаниях на разрыв в лаборатории сопротивления материалов УГТУ на стандартной установке MP-100 согласно методики подробно описанной в главе II. Исследование осуществляли при комнатной температуре в соответствии с требованиями ГОСТ 1497 - 84.
В данной работе наряду с указанными стандартными характеристиками используется энерго-механический параметр - Л, определяемый как площадь под диаграммой и равный механической работе, требуемой для разрушения стандартного образца, отнесенной к единице объема. В настоящем сообщении приведены данные регрессионного анализа зависимостей параметра А от величин стандартных механических характеристик.
Перед измерением характерных размеров образцов проводили визуальный осмотр поверхностей, совпадающих с внутренними и внешними сторонами стенки труб. Осматриваемые поверхности имели характерный вид для труб находившихся, в составе газопровода действующего длительное время. При осмотре крупных повреждений не обнаружили. Результаты измерений сведены в таблицу 1. (Приложения 1) В указанной таблице использовали следующие стандартные обозначения, приведенные в главе II.
При испытании образцы деформировали в упругой и пластической области нагружения и доводили до разрушения. В процессе нагружения образцов до разрыва производили измерение вспомогательных величин. Промежуточные результаты испытаний показаны в табл. 2 В данной таблице приняты следующие обозначения: Рмах - максимальная сила, вызывающая в образце при растяжении до разрушения; Р02 - сила соответствующая условному пределу текучести; 1 - конечная длина рабочей части образца после разрыва; ак и Ьк - минимальные толщина и ширина образца в окрестности разрыва.
Из предварительного анализа промежуточных результатов испытания видно, что для однотипных образцов с практически характерными одинаковыми исходными размерами получены заметно отличающиеся значения сил (Рмах5Ро,2) и несколько отличающиеся значения конечной длины. Для вычисления значений основных характеристик использовали формулы ГОСТ 1497-84. Окончательные результаты испытаний, а именно значения характеристик основных механических свойств металла, приведены
в таблице 3. В указанных таблицах использовали следующие обозначения: ав - предел прочности; а02 - условный предел текучести; 5-относительное удлинение при разрыве; у - относительное остаточное сужение при разрыве; отношение - oQJa ; Е - модуль нормальной упругости (модуль Юнга).
Кроме указанных стандартных характеристик в таблице приведены: g -модуль пластичности, равный коэффициенту деформационного упрочнения в области пластических деформаций. Кроме этого использовали физико-механический параметр - А, определяемый как площадь под диаграммой а-є и равный механической работе, требуемой для разрушения стандартного образца, отнесенной к единице объема.
Обсуждение результатов экспериментов на статическое растяжение.
Математическая обработка результатов осуществлялась на компьютере Athlon ХР 2200 с использованием специальной математической системы MathCAD 2000 PRO.
В приложении 1 на рис. l-f66 приведены экспериментальные кривые, описываемые сплайн функцией степенной регрессии с коэффициент достоверности аппроксимации г = 0.74 -ь 0.76 и отвечающие методу наименьших квадратов. Условный предел текучести - о02 находили с помощью специальной программы, определяющей графически точку пересечения кривой нагружения с прямой а = (с-0.002)Е, где Е - модуль Юнга. Модуль Юнга Е определяли по 5 экспериментальным точкам, взятым в упругой области с коэффициентом корреляции г=0.98. Коэффициент деформационного упрочнения g находили при корреляции г=0.78-г0.81 Удельные энергозатраты А, затраченные на деформацию и разрушение образца, находили как площадь под кривой а-с.
Визуальные наблюдения за образцами в процессе деформирования, на стадии разрушения и после разрушения свидетельствуют о том, что свойства металла, из которого изготовлены образцы, неоднородны. По характеру деформирования и разрушения все разорванные образцы можно условно разбить на 3 деформационных класса, отвечающих различным уровням остаточного ресурса прочности.
Конкретное применение МКЭ к анализу влияния макро геометрии сварного соединения на прочность магистральных трубопроводов
Обеспечение безопасности магистральных нефте- и газопроводов представляет собой сложную, комплексную, многоплановую задачу, от решения которой зависит экономическое благополучие современного общества. Постоянная необходимость в энергетическом сырье, большой ущерб от аварийных остановок предопределяют необходимость разработки и проведения предупредительного комплекса мероприятий для обеспечения работоспособности трубопровода путем исключения разрушений. В этой связи актуальным становится создание единой обобщённой методики оценки опасности дефектов всех типов, применимой в производственной практике и позволяющей оценивать степень опасности дефектов.
В соответствии с классификацией [53, 79] дефекты трубопроводного транспорта подразделяют на следующие классы: отклонение оси трубопровода от проектного положения; нарушение формы поперечных сечений; локальные дефекты стенок труб. Дефекты сварных соединений в этой классификации традиционно относят к классу локальных эффектов, что является оправданным, поскольку области сварных соединений объективно являются зонами, где концентрируются локальные дефекты. Вместе с тем, технологические погрешности, возникающие вследствие нарушения технологии при производстве труб, в процессе монтажа и в процессе производства сварочных работ при строительстве трубопроводов могут привести и существенному изменению макро геометрии трубопровода. Под макрогеометрическими дефектами в рамках настоящей работы будем понимать отклонения от идеальной геометрии трубопровода: изломы оси трубопровода, несоосность отдельных участков и т.п. Большой диаметр и относительно тонкие стенки труб создают предпосылки для возникновения технологических погрешностей при строительстве изготовлении трубопроводов путем сваривания труб встык. Как правило, при соединении и последующей сварке двух труб на участке стыка происходит нарушение однородности геометрии трубопровода, более или менее сохраняющейся в рамках одного его звена. Представляется целесообразным, оценить влияние радиальных и угловых погрешностей стыковых сварных соединений труб на их прочность.
В настоящее время согласно действующим нормативным документам работоспособность магистральных трубопроводов оценивается по предельному состоянию [42,91]. Как правило, в качестве основной расчетной схемы принимается тонкостенная цилиндрическая оболочка, нагруженная внутренним давлением. Тонкостенные цилиндрические оболочки представляют собой достаточно хорошо изученный в рамках механики деформирования тонкостенных конструкций класс оболочек [20,56,71]. Однако традиционные методы строительной механики оболочек в анализируемом случае не совсем удобны для анализа влияния интересующих нас макро локальных геометрических эффектов. Имеющийся практический опыт численного анализа с использованием различных расчётных схем, показал, что для получения приемлемо точной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) в зоне дефектов недостаточно ограничиться идеализированной моделью объекта. При анализе необходимо весьма тщательно учитывать индивидуальные геометрические и физико-механические параметры трубопровода в зоне дефекта. Такую возможность исследователю представляют современные численные методы анализа НДС и, в первую очередь, метод конечных элементов (МКЭ) [43].
Отметим, что анализируемая в работе задача не может быть адекватно рассмотрена в рамках плоского или осе симметричного описания НДС трубопровода [42], поэтому анализ НДС проводится с использованием пространственной трехмерной конечно-элементной аппроксимации.
