Содержание к диссертации
Введение
1. Основные представления о работоспособности сварных оболочковых конструкций объектов нефтегазового комплекса 16
1.1. Классификация и типы нефтегазового оборудования и частные случаи их нагружения 16
1.2. Основные представления о работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций. Методы оценки их несущей способности и требования к конструктивно-технологическому проектированию 25
1.3. Существующие методы оценки остаточного ресурса нефтегазового оборудования оболочкового типа 39
Выводы по первому разделу 44
2. Повышение работоспособности сварных трубопроводов посредством локальной термомеханической обработки (ЛТМО) 45
2.1. Анализ микроструктуры сварных соединений труб после ЛТМО 47
2.2. Влияние температурно-временных режимов ЛТМО на прочность и ударную вязкость сварных соединений труб из стали 08Г1НФБ-ПЛ 51
2.3. Исследование стойкости к общей коррозии металла труб после ЛТМО 53
2.4. Оценка трещиностойкости основного металла и сварных соединений труб с применением ЛТМО 59
Выводы по второму разделу 64
3. Конструктивно-технологические методы повышения работоспособности штампосварных отводов на стадии их проектирования и изготовления 66
3.1. Общий алгоритм решения задач по оценке напряженного состояния и несущей способности механически неоднородных сварных соединений в условиях двухосного нагружения 66
3.2. Разработка расчетных основ для конструктивно-технологического проектирования сварных соединений отводов 78
3.3. Выбор оптимальной геометрии стыковых V-образных соединений отводов 89
3.4. Определение величины давления опрессовки штампосварных отводов 91
3.5. Проектирование гидравлического стенда для опрессовки штампосварных отводов 93
Выводы по третьему разделу 96
4. Разработка методик оценки остаточного ресурса трубопроводов 9?
4.1. Определение остаточного ресурса трубопроводов на базе оценки запаса пластичности металла конструкций по сертификатным данным 97
4.2. Оценка остаточного ресурса трубопроводов на базе данных технической диагностики 99
Выводы по четвертому разделу : 106
5. Методика опенки несущей способности и ремонтопригодности трубопроводов при наличии коррозионных повреждений, восстановленных наплавкой 107
5.1. Выбор и обоснование расчетных схем и алгоритмов 107
5.2. Разработка технологии наплавки труб и результаты испытаний 113
Выводы по пятому разделу 116
Основные выводы 117
Список использованных источников
- Основные представления о работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций. Методы оценки их несущей способности и требования к конструктивно-технологическому проектированию
- Влияние температурно-временных режимов ЛТМО на прочность и ударную вязкость сварных соединений труб из стали 08Г1НФБ-ПЛ
- Разработка расчетных основ для конструктивно-технологического проектирования сварных соединений отводов
- Определение остаточного ресурса трубопроводов на базе оценки запаса пластичности металла конструкций по сертификатным данным
Введение к работе
Актуальность темы. К проблеме снижения риска аварий и обеспечения необходимого уровня работоспособности нефтегазового оборудования (сосудов, аппаратов, трубопроводов и т.п.)> приковано пристальное внимание многочисленных научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий. Последнее связано с тем, что данное оборудование в большинстве случаев изготавливается и эксплуатируется по нормам и правилам, не отвечающим современным требованиям и не позволяющим обеспечить его высокую работоспособность, что снижает эффективность работы ряда отраслей промышленности [66, 157].
Принятый Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» выдвигает перед предприятиями и организациями в качестве обязательных и приоритетных задач обеспечение безопасной эксплуатации производственных объектов, защиту личности и общества от аварий и их последствий. Эти требования в полной мере относятся к организациям и предприятиям, выполняющим комплекс работ, связанных с проектированием, изготовлением и технической эксплуатацией объектов нефтегазового комплекса.
В этой связи актуальной проблемой для предприятий и организаций нефтегазового комплекса является создание системы управления промышленной безопасностью (СУПЬ), обеспечивающей выполнение ряда организационных и технических мероприятий, направленных на своевременное выполнение требований промышленной безопасности, мониторинг технического состояния объектов и снижение риска возникновения аварий. Одна из составляющих системы СУПБ - анализ риска аварий включает в себя идентификацию опасных веществ и, собственно, оценку риска аварий для людей, имущества и окружающей среды. Процесс анализа риска аварий должен носить объективный и всесторонний характер, что требует использования определенных методик [113,122], учитывающих специфические особенности нефтегазового оборудования. Неполный- и
необъективный анализ риска аварий может привести к недооценке или переоценке опасностей и последствий аварий; что, в свою очередь, приведет к разработке некорректных рекомендаций по уменьшению риска аварий.
В> первом случае не будут учтены все источники опасности и, следовательно,, снижен контроль за состоянием промышленной безопасности нефтегазового оборудования:. Во втором случае может произойти неправильное перераспределение сил и средств,, которое приведет к увеличению общих затрат и отвлечению денежных средств от других первоочередных программ.
Анализ риска аварий включает в себя несколько этапов: предварительный; анализ технического состояния объектов; идентификация опасностей и оценка риска аварий; разработка рекомендаций.по уменьшению риска: Одним из основополагающих этапов является анализ технического состояниям нефтегазового оборудования,, на; базе которого могут быть разработаны, приоритетные мероприятия; направленные на повышение пожарнойдапромышленнойебезопасностшобъектов: Властности; более точно могут быть установлены, наиболее узкие места: в^технологии;изготовления и их конструктивные недоработки, усовершенствована нормативно-техническая документация на производство, эксплуатацию и ремонт объектов.
Практика эксплуатации и статистика отказов* нефтегазового оборудования неизменно свидетельствует о снижении его аварийности по мере совершенствования и внедрения конструктивно-технологических методов проектирования и изготовления, а также нормативных документов.
Данное обстоятельство позволяет сформулировать новые и скорректировать существующие положения систем управления качеством на предприятиях с учетом: углубленного? анализа: причин разрушения-оборудования; а также осуществить оценку его работоспособности.
Используемые в настоящее время: расчетные методы оценки работоспособности нефтегазового оборудования (сосудов, трубопроводов; аппаратов и т. д.) в основном базируются на сертификатных характеристиках
основного металла ств,
Работоспособность оболочковых конструкций определяется не только уровнем их конструктивно-технологического проектирования, но и качеством выполнения- изделий и их сварных соединений. Несмотря на определенные успехи в области механизации и автоматизации технологических процессов изготовления оболочковых конструкций, исключить дефекты полностью, даже в ответственных конструкциях практически не удается: Полная характеристика основных технологических дефектов сварных соединений представлена в работах [31,35,129,153].
Уровень качества сварных соединений в значительной мере определяется современными средствами дефектоскопии и нормативными документами, которыми руководствуются при контроле. Большинство действующих нормативных документов [27,30,68,69,91,92,108,118,119,127] составлено исходя из эксплуатационных показателей сварных конструкций с учетом опыта сварочных работ [159-162,169]. Предельно допустимые размеры дефектов, типа непроваров, трещин, задиров выбирались как минимально возможные при хорошо отработанных технологических процессах сварки с учетом специфики нагруженности конструкций, геометрической формы сварных соединений на базе современных методов механики разрушения. В процессе монтажа или ремонта конструкций часто имеют место механические
повреждения их наружных поверхностей типа задиров и царапин [20,82 и др.], которые также регламентируются как технологические дефекты.
Практика эксплуатации нефтегазового оборудования оболочкового типа и полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что в подавляющем большинстве случаев дефекты с размерами, превышающими их допустимые значения, регламентируемые существующими нормативными документами, не приводят к снижению работоспособности конструкций.
Кроме того, эксплуатация нефтегазового оборудования, как правило, сопровождается общими и локальными коррозионными разрушениями [33, 34,74,101,124,136]. В. результате коррозионных процессов, протекающих преимущественно в зонах повышенной концентрации напряжений, наблюдаются существенные повреждения стенки оболочковых конструкций. В процессе эксплуатации конструкций в результате их повторного статического нагружения, сопровождающегося накоплением повреждаемости материала оболочек и их сварных соединений, также происходит деформационное старение металла. В связи с этим, для обеспечения* требуемого уровня эксплуатационной надежности оболочковых конструкций и снижения риска аварий необходимы, объективные критерии оценки их технического состояния, учитывающие реальные механические свойства материалов, степень поражения стенки конструкций и позволяющие определить их эксплуатационный ресурс.
В ряде организаций, в качестве основного эффективного инструмента, позволяющего исключить негативное влияние процесса сварки на служебные свойства основного металла в зоне термического влияния и сварных соединений, используют локальную термомеханическую обработку (ЛТМО). Тем не менее, технология ЛТМО нуждается в корректировке температурно-временных режимов обработки и оценке их влияния на прочность и ударную вязкость сварных стыковых соединений, а также в выполнении расчетных обоснований эффективности применения ЛТМО с точки зрения изменения стойкости к общей коррозии металла и трещиностойкости основного металла
/
и сварных соединений.
Решение перечисленных проблем невозможно без создания расчетных основ и методов экспресс-контроля технического состояния рассматриваемых оболочковых конструкций, которые позволили бы установить взаимосвязь остаточного эксплуатационного ресурса с реальным состоянием конструкций в их наиболее нагруженных и ослабленных участках.
Основой исследований и разработок автора послужили работы, проведенные в данном направлении О.А. Бакши, А.В. Бакиевым, О.И. Стекловым, Р.С. Зайнуллиным, А.Г. Халимовым, А.Г. Гареевым, В.В. Ерофеевым, И.Р. Байковым, P.F. Шарафиевым, А.Н. Моношковым, СМ. Султанмагомедовым, В.Ф. Лукьяновым, С.А. Куркиным и др.
Исследования проводились в соответствии с Государственной научно-технической программой «Безопасность» - «Новые методы и критерии обеспечения безопасности рабочих процессов, технологий, конструкций, сложных технических систем, людей и окружающей среды в случае возникновения техногенных аварий и катастроф».
Целью работы является разработка расчетно-экспериментальных и технологических методов повышения безопасности эксплуатации; сварных оболочковых конструкций нефтегазового оборудования на основе мероприятий по обеспечению требуемого уровня проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта.
Реализация цели диссертационной работы осуществлялась путем постановки и решения следующих основных задач:
- разработка и обоснование методики повышения безопасности
эксплуатации электросварных труб большого диаметра, изготавливаемых с
применением локальной термомеханической обработки (ЛТМО),
обеспечивающей снижение риска возникновения аварий;
- определение диапазона давлений опрессовки тонкостенных
штампосварных отводов для снятия остаточных сварочных напряжений с
целью повышения их безопасности при эксплуатации и разработка установки
для реализации опрессовки, обеспечивающей безопасность технологического процесса;
разработка методов конструктивно-технологического проектирования штампосварных отводов, позволяющих снизить степень риска возникновения аварийных ситуаций, и методов прогнозирования их остаточного ресурса, предупреждающих возникновение аварий на объектах нефтегазового комплекса;
исследование работоспособности сварных трубопроводов при наличии коррозионных повреждений, восстановленных наплавкой, и разработка технологии ремонта, обеспечивающей требуемый уровень их эксплуатационной безопасности.
Научная новизна:
1 Предложен метод повышения безопасности эксплуатации оболочковых
конструкций на базе оценки их напряженного состояния и несущей
способности, выполненной методом линий скольжения, модернизированным
для класса задач двухосного нагружения, учитывающий механическую
неоднородность сварных соединений (Кв=ав/ств), их конструктивно-
технологические параметры (ae=h/t, фгс), геометрические параметры
оболочковых конструкций (t/R, R^/R-2 ) и характер их нагружения (п=ст2/<*і).
2 Разработана методика повышения безопасности эксплуатации
электросварных труб большого диаметра за счет улучшения их служебных
свойств посредством локальной термомеханической обработки их сварных
соединений, включающая исследование микроструктуры сварных
соединений, оценку влияния температурно-временных режимов ЛТМО на их
прочность и ударную вязкость, оценку трещиностойкости и, коррозионной
стойкости металла труб и их сварных соединений.
3 Разработаны методы конструктивно-технологического проектирования
штампосварных отводов, позволяющие снизить степень риска возникновения
аварийных ситуаций за счет выбора оптимальных конструктивных и
геометрических параметров сварных соединений (кр, фгс), обеспечивающих
их равнопрочность основному металлу, и установления диапазона, давлений опрессовки [ропр], обеспечивающего полное снятие остаточных напряжений.
4 Разработаны расчетно-графические методы, прогнозирования
остаточного ресурса трубопроводов^ предупреждающие возникновение
аварий на базе оценки: запаса пластичности металла конструкций по
сертификационным данным и на основе данных технической диагностики,
учитывающие эффект старения металла, степень коррозионного повреждения;
стенки, характер нагружения и предполагаемого разрушения;
5 Разработан метод определения несущей способности восстановленных
участков, нефтепроводов, позволяющий? оценить предельно допустимые
размеры коррозионных каверн, подлежащих восстановлению наплавкой, и
выбрать, конструктивно-технологические: параметры; наплавляемых слоев,
обеспечивающие требуемышуровень их эксплуатационной безопасности.
Практическая значимость работы:;
Разработанные' методьк повышенш^ несущеш способности; штампосварных отводов труб большого, диаметра: ш гидравлический стенд,, обеспечивающий, проведение опрессовки; с повышением безопасности технологического процесса в диапазоне рекомендованных давлений без локального разрушения, их поверхностей используются ОАО «Оалаватнефтемаш» на стадии конструктивно-технологического проектирования и изготовления отводов;
Предложенная; методика определения остаточного ресурса оболочковых конструкций: на: базе оценки запаса пластичности, металла по сертификационным: данным материала,. исключающая испытаниям вырезаемых образцов используется ОАО «Еаз-Оервис», 000» «Азат-2» при проведении диагностических мероприятий нефтегазовых объектов,и прогнозировании их остаточного ресурса.
3 Метод определения несущей способности восстановленных участков
трубопроводов, позволяющий рассчитать максимальное допустимое давление
и предельно допустимые размеры коррозионных повреждений, используется ООО «Композит» при выборе технологии наплавки во время проведения ремонтно-восстановительных работ.
На защиту выносятся основные результаты исследований по разработке методов конструктивно-технологического проектирования, изготовления и ремонта, позволяющих снизить степень риска предполагаемых аварий- и обеспечить безопасную эксплуатацию оболочковых конструкций нефтегазового оборудования. В^ работе представлены теоретические обоснования полученных результатов исследований и практические рекомендации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: XXI Российской школе по проблемам науки и технологий-(г.Миасс, 2001); XX и XXIII научно-технических конференциях сварщиков Урала (г. Н. Тагил, 2001; г. Пермь, 2004); II Международной-научно-технической конференции «Новоселовские чтения»-(г.Уфа, 2004); Всероссийском семинаре-совещании Ростехнадзора по совершенствованию < надзорной* деятельности на объектах нефтегазового комплекса и магистрального* трубопроводного транспорта (г.Уфа; 2005); Научно-практической конференции «Проблемы :и методы обеспечения, надежности и безопасности* систем- транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2006); X Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2006); Научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 монографии (в. соавторстве), 8- статей, тезисы 6 докладов, 1 патент.
Структура, и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников из 169 наименований и 5 приложений. Диссертация содержит 136 страниц машинописного текста
(без приложений) и включает 31 рисунок, 9 таблиц.
Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель и основные задачи проведенных исследований, обоснована актуальность выполненного автором комплекса научных исследований.
В первой главе проведен анализ опубликованных работ, посвященных проблеме снижения риска аварий и обеспечения безопасности эксплуатации сварных оболочковых конструкций объектов нефтегазового комплекса. Приведены классификация и типы нефтегазового оборудования, а также классификация и типы конструктивных элементов оболочковых конструкций объектов нефтегазового комплекса и частные случаи их нагружения. В данной главе даны основные представления о работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций и рассмотрены методы оценки их несущей способности с учетом требований к их конструктивно-технологическому проектированию применительно к объектам нефтегазового комплекса. Проведен анализ существующих методов по оценке остаточного ресурса нефтегазового оборудованияоболочкового типа.
В результате проведенного анализа установлены основные факторы, дополняющие систему обеспечения безопасности при эксплуатации оболочковых конструкций объектов нефтегазового комплекса и обеспечивающие работоспособность оборудования оболочкового типа на всех стадиях жизненного цикла (конструктивно-геометрические параметры стыковых соединений, место их расположения, режимы опрессовки и локальной термомеханической обработки (ЛТМО), характер нагружения, геометрическая форма оболочки и т.д.).
Рассмотрение существующих методов, оценки остаточного ресурса нефтегазового оборудования оболочкового типа подтверждает необходимость их дальнейшего совершенствования.
Во второй главе'рассмотрены подходы, позволяющие повысить уровень безопасности при эксплуатации оболочковых конструкций объектов нефтегазового комплекса за счет применения локальной термомеханической
обработки (ЛТМО) их сварных соединений. На основе анализа технологии ЛТМО, предложена методика, включающая в себя анализ микроструктуры сварных соединений труб после ЛТМО, оценку влияния температурно-временных режимов ЛТМО на прочность и ударную вязкость сварных соединений оболочек, результаты исследований по определению стойкости к общей коррозии металла труб после ЛТМО и оценку трещиностойкости основного металла и сварных соединений оболочек с применением ЛТМО.
В третьей главе предложены конструктивно-технологические методы повышения работоспособности нефтегазового оборудования оболочкового типа и трубопроводов, на стадии их проектирования и изготовления. Для обоснования рассматриваемых методов- были исследованы особенности напряженно-деформированного состояния сварных соединений отводов.
На основе установленных закономерностей был проведен анализ несущей способности оболочковых конструкций сложной* геометрической формы (на примере штампосварного отвода), а также определена оптимальная геометрия стыковых V-образных соединений отводов.
Во* второй части данной главы, предложена' методика определения диапазона давлений опрессовки штампосварных отводов, и разработан-, гидравлический стенд для обеспечения процесса опрессовки, который позволяет провести необходимые технологические операции по реализации снятия остаточных сварочных напряжений с обеспечением необходимых усилий и нагрузок на оболочку.
В четвертой главе предложены методы оценки остаточного ресурса нефтегазовых объектов- оболочкового типа, которые включают в себя определение их остаточного ресурса на базе оценки запаса пластичности металла конструкций и их сварных соединений по сертификатным данным и определение остаточного ресурса нефтегазового оборудования на базе данных технической диагностики.
В пятой главе предложен метод оценки работоспособности и ремонтопригодности объектов нефтегазового комплекса при наличии
коррозионных повреждений стенки трубопроводов, восстановленных наплавкой. При разработке методики был обоснован выбор расчетных схем и алгоритмов исследований, проведены расчеты допустимых размеров выемок, подлежащих наплавке.
Основные представления о работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций. Методы оценки их несущей способности и требования к конструктивно-технологическому проектированию
В связи с поиском резервов экономии материалов и работоспособности сварных соединений проблема учета механической неоднородности при оценке несущей способности сварных конструкций привлекает особое внимание специалистов и ученых [5,14,15,64,65,85,90,144].
Кратко рассмотрим основные представления о работоспособности сварных соединений оболочковых конструкций и существующие методы оценки их несущей способности. В настоящее время, наиболее полно изучены вопросы, связанные с оценкой прочности тонкостенных оболочковых конструкций, выполненных однородными стыковыми соединениями . В основу расчета таких конструкций положена теория мембранных оболочек, напряженное состояние которых описывается уравнением Лапласа [80,83,104,131]: Р = VR1 R2 t, (1.1) где р — внутреннее давление; t - толщина стенки оболочки; К\, К2 — соответственно главные радиусы кривизны оболочки в точке, характеризующейся напряжениями 3\ и а2.
При этом вводятся упрощающие расчет условия и допущения, вытекающие из гипотезы о тонкостенности оболочки. В частности, полагают, что прямолинейные и перпендикулярные элементы-оболочки-к ее срединной поверхности до начала нагружения остаются такими же и в процессе деформирования. Нормальными напряжениями аз, действующими перпендикулярно срединной поверхности оболочки, пренебрегают в виду их малости по сравнению с напряжениями в стенке а і и аг В настоящее время, разработан целый ряд нормативных документов по расчетам на прочность тонкостенных оболочковых конструкций, базирующихся на подходах Лапласа. Например, расчет труб в СНГ на прочность регламентируется СНиП 2.05.06-85. В соответствии» с данным стандартом прочность трубопровода обеспечивается толщиной стенки трубы, определяемой исходя из нормативного значения временного сопротивления материала, величины рабочего давления, диаметра трубы, класса и категории трубопровода где R — минимальная прочность металла труб при растяжении; t, DBH -толщина стенки и внутренний диаметр трубы;. тт - коэффициент условий работы трубопровода (выбирается в зависимости от категории); к, — коэффициент надежности по материалу (определяется, термообработкой труб); kn - коэффициент надежности по назначению трубопровода.
В соответствии со СНиГГ П-45-75 прочностной? расчет магистральных трубопроводов проводится; с учетом двухосности напряженного СОСТОЯНИЯ; стенки труб через поправочные коэффициенты, выбор которых не имеет достаточной научной обоснованности и базируется! на опытных данных,, полученных в результате эксплуатации трубопроводов:
В. Германии, расчет трубопроводов; выполняется4 в, соответствии со стандартами DIN 2470 и DIN 2413- а в. США - со стандартом AN В31.8. Толщину стенки труб в данных случаях определяют исходя из тех же. основных параметров что и в СНЕ, но вместо временного сопротивления? в расчетах используют нормативные значения условного; предела текучести.
Сосуды и аппараты, высокого» давления (котлы . сосуды,, трубопроводы ш т.п.),2 как правило, относят к классу толстостенных оболочек; для; которых не выполняются условия и; допущения;. принимаемые при расчетах на прочность с использованием теории Лапласа. В:? связи с этим, при разработке нормативных расчетов на прочность толстостенных оболочковых конструкций, как правило, использовались, данные, полученные при испытании моделей и натурных образцово [6;134]. Полученные на их базе эмпирические или полуэмпирические зависимости, были положены в основу расчетовна прочность рассматриваемых конструкций [26 93-95]. Например, в нормах расчета на прочность, котлов-и трубопроводов;, регламентированных QCT 108:031.08-85, приводятся требования; к выбору расчетного давления нормативы, допускаемых напряжений? на, расчетные сроки: службы конструкций. Сосуды, работающие под давлением; и находящиеся в помещениях (но не относящиеся к классу котлов или трубопроводов), рассчитываются согласно ГОСТ 14249-80.
Влияние температурно-временных режимов ЛТМО на прочность и ударную вязкость сварных соединений труб из стали 08Г1НФБ-ПЛ
Индукционный нагрев, используемый для осуществления локальной термомеханической обработки (ЛТМО) сварных соединений, имеет свои особенности: большую скорость нагрева, отсутствие возможности выдержки при заданной температуре, наличие возможности варьирования скоростей охлаждения в широких диапазонах и температур отпуска [84,115]. Повышенные скорости охлаждения легко достигаются при применении водоструйного охлаждения локально нагретой зоны, сварных соединений труб. При этом, соотношение ширины зоны разогрева к толщине стенки труб составляет 6,5...7. При разработке технологии изготовления электросварных труб для обеспечения- равномерности прогрева металла и ограничения ширины зоны разогрева необходимо использовать двухсторонний индукционный нагрев с применением двухстороннего водоструйного охлаждения.
С целью оценки прочностных свойствен ударной вязкости, основного металла и металла сварных швов труб с различной толщиной стенки были выполнены исследования воздействия ЛТМО на данные характеристики на основе метода планирования эксперимента с обеспечением широкого диапазона скоростей охлаждения с последующим регрессионным анализом полученных результатов [47].
Исследования проводили на образцах, вырезанных из основного металла и металла швов из опытной партии труб 1020x12 мм (основной металл -сталь 08ГТНФБ-ГОІ, проволока - Св-08ГА, керамический флюс OK F1 10.62, плавленый флюс АН-60» и АН-65), размерами 10x10x55 мм. Имитация термических циклов в последних осуществлялась путем индукционного нагрева образцов в соответствии с реальными скоростями нагрева, применяемыми при ЛТМО:
В качестве варьируемых параметров принимали [47]: - скорость охлаждения после прокатки с нагревом до 1150С; - скорость охлаждения при термообработке с нагревом до 950С; - температура отпуска с нагревом ниже критической точки Ась - время выдержки при отпуске (таблица 2.1).
Для оценки эффекта упрочнения в качестве критерия оценки прочности металла и сварных соединений в экспериментах использованы величины твердости по Виккерсу (HVio) с последующим пересчетом в значения предела прочности ам и cf по соотношению oy=2,96HV. Ударную вязкость оценивали на образцах с острым надрезом KCV в температурном интервале [-40Є; -60С]1
На основе регрессионного анализа результатов эксперимента были получены следующие уравнения, описывающие влияние термических режимов ЛТМО на твердость HV и ударную вязкость KCV основного металла и металла шва с коэффициентом множественной корреляции не менее 0,8: ar=639,36+0,9176W+l,8944V+0,5328t-0,000888Tot-0,010656W2; o =245,68+l,0064W+l,776V+0,5624t-0,000888Tot-0,010064W2; (2.1) KCV =280+0,356W-0,02V-0,28To-0,508t-O,0004VT0+0,0008T0t. Здесь W - скорость охлаждения при прокатке (град./сек), V — скорость охлаждения при закалке (град./сек), t - продолжительность отпуска (сек), То - температура отпуска (С).
При использовании керамического флюса 0К F1 10.62: KCV 0=90-0,05W-0i52V+0,153To-0,259t - 0,0003VT0+0,0004T0t. (2.2) При использовании плавленого флюса АН-60?и АН-65: KGV.0=154)j05W-0;52V+0;I53T0-Oi259t-0,0003VTo+Oi0004Tot. (2.3) Полученные уравнения можно применять при выборе основных параметров: режимов- ЛТМО; обеспечивающих требуемые значения прочностных свойств и ударной вязкости сварных соединений труб из стали 08ГШФБ-ПЛ.
За последние десятилетия усложнились техногенные условия, эксплуатации различных систем трубопроводов, транспортирующих водные и водосодержащие, среды, что привело к их повышенному коррозионному износу. Процесс коррозии; определяется составом; агрессивных носителей: В ряде случаев:скорость общей коррозии может превышать- К мм/год. Данному виду, включая!атмосферную коррозию; подверженытрубы под воздействием! грунтовых вод, воздействию; агрессивной водной среды в шельфовых сооружениях и трубопроводах [36, 84].
Достаточно рентабельным техническим решением является создание композиций и технологии: производства низколегированных сталей в меньшей степени- реагирующих на коррозионные повреждения под воздействием:окислительно-восстановительных процессов возникающихпри эксплуатации нефтепроводов,. систем водоснабжения и тепловых сетей, ответственных за стойкость к атмосферной коррозии электросварных труб.
Разработка расчетных основ для конструктивно-технологического проектирования сварных соединений отводов
Одной из основных задач конструктивно-технологического проектирования сварных соединений оболочковых конструкций, имеющих в своем составе мягкие швы, является обеспечение прочностных характеристик сварных соединений на уровне основного металла . При этом конструктивные формы стыковых швов должны отвечать требованиям технологии, т.е. обеспечивать. беспрепятственное выполнение сварочных операций и удовлетворительное формирование шва.
Так, например, для- сварных соединений, выполненных в V-образную разделку кромок, соблюдение данных требований может быть достигнуто за счет рационального выбора геометрии разделки под сварку (фр,а, рис. 3.8,а) и марки, присадочного материала, определяющей степень механической ом неоднородности сварного і соединения к =- - К, ам - соответственно в стм предел прочности металла мягкого шва и? основного металла), а также геометрических параметров сварного соединения: угла наклона контактных границ мягко шва (фгс); относительной величины мягкой прослойки (K=h/t, h, t - соответственно ширина в корне шва и толщина стенки оболочки); относительного усиления шва (%=c/t, с - усиление шва) (рис.3.8,6).
Полученные в работе практические рекомендации по конструктивно-технологическому проектированию сварных соединений штампосварных отводов базируются на анализе несущей способности сварных соединений отводов, выполненном методом линий скольжения, модернизированном і для класса задач двухосного- нагружения (алгоритм» модернизации метода рассмотрен в предыдущем разделе 3.1 настоящей диссертации)!
В качестве примера рассмотрим использование предлагаемого подхода при- выборе оптимальной геометрии сварных соединений штампосварного отвода ОКГ№90-1420-8,5-0,75 из стали 12ГМФБ-ПЛ (с углом поворота 90, радиусом, тора RT = 2100 мм, наружным диаметром 1420 мм и толщиной стенки 40 мм), который является соединительной деталью как магистральных, так и промысловых трубопроводов (рис.3.9).
Для отводов, относящихся к классу тороидальных оболочек, значение параметра двухосности нагружения стенки конструкции п=а2/ої может быть определено из следующего соотношения [49] ап RT + RRHVm sinO а 2RT + RRHVm sinO 1 1 внутр (3.20) где RT,RBI и 9 - геометрические параметры, показанные на рис.3.9.
Как следует из соотношения (3.20), для данных типов оболочковых конструкций характерна неоднородность значений параметра двухосности нагружения стенки п=а2/аі по объему оболочки (n const), вследствие чего места расположения сварных соединений предопределяют условия их нагруженности при эксплуатации конструкций. Для сварного шва, выполненного по малому радиусу с внутренней стороны отвода (шов 1) диаметром 1420 мм: R — R т в"- = 0,405, (0=-90) П„„УП, 2R R вііутр
Для сварного шва, выполненного по большому радиусу с внешней стороны отвода (шов 2) диаметром 1420 мм: RT +R Т внутр п„ = 0,568, (0=90) 2RT+R Г внутр где RT=2100 мм, RBHyip =670 мм (рис. 3.9).
В качестве примера на рис.3.10 приведена зависимость параметра двухосности нагружения стенки конструкции от угла 0 для отводов разных типоразмеров ot=R /RT.
К отличительным особенностям технологического процесса сварки рассматриваемых отводов из различных материалов (в том числе высокопрочных сталей) следует отнести появление механической неоднородности в сварных соединениях, выполненных в одностороннюю V-образную разделку кромок. Так, например, при сварке отводов из стали 12 ГМФБ-ПЛ (класса К-60) для обеспечения технологической прочности применяются, присадочные проволоки Єв-ІОНМА (класса К-52), более пластичные, но менее прочные, чем основной металл. Степень механической неоднородности сварных соединений отводов в данном случае составляет ом Кв = Jm =1,15. При этом менее прочный сварной шов, выступающий в «mm данном случае в качестве V-образной мягкой прослойки, является наиболее слабым звеном оболочковой конструкции и лимитирует ее несущук» способность в целом [49,150].
Как отмечалось выше, одной из основных задач конструктивно-технологического проектирования сварных соединений оболочковых конструкций, имеющих в своем- составе мягкие прослойки, является обеспечение прочностных характеристик сварных соединений на уровне основного металла. Последнее может быть достигнуто за счет рационального выбора конструктивно-геометрических параметров соединений (х, фгс) при заданных значениях конструктивных и силовых факторов Кв, se, п.
Как показал анализ наиболее значимыми факторами, определяющими несущую способность рассматриваемых сварных отводов являются следующие [58]: - конструктивно-геометрические параметры соединения- (степень механической неоднородности Кв = o-4/a" m , относительные геометрические параметры V-образной мягкой прослойки ae=h/t и угол наклона ее границ фгс, (рис.3.8,6), неравномерность и несимметричность распределения механических свойств поперек сварного стыка);
Определение остаточного ресурса трубопроводов на базе оценки запаса пластичности металла конструкций по сертификатным данным
В настоящее время существует целая система критериев, которые позволяют оценить работоспособность металлоконструкций в процессе их эксплуатации. Наиболее удобной критериальной характеристикой, позволяющей провести достоверную оценку технического состояния конструкций с учетом основных факторов, определяющих уровень эксплуатационной надежности конструкций, является остаточный ресурс пластичности металла пр(т) (здесь [0;т] - период эксплуатации объекта).
Базирующиеся на данной характеристике подходы оценки технического состояния металлоконструкцийгпозволяют определить величину накопленных в процессе- их эксплуатации повреждений металла в наиболее нагруженных участках и учесть эффекты старения- металла конструкций, с течением времени эксплуатации [1,39,40,].
Основные практические сложности, возникающие в процессе оценки технического состояния металлоконструкций на базе использования критерия Q , связаны с экспериментальным определением данной величины, что сопряжено с испытанием целого ряда образцов заданной конфигурации при различных схемах нагружения (изгибе, кручении; растяжении и т.д.) и наличии концентраторов, обеспечивающих в процессе испытания, образцов разную величину показателя жесткости П и вида напряженного состояния1 ист в окрестности вершины концентратора [19]. Последнее, необходимо для построения диаграмм пластичности материала в виде np=np(n,vo), характеризующих запас пластичности металла при различных условиях нагружения.
В рамках настоящей работы предлагается подход, позволяющий по информации снимаемой из кривых деформирования материала СТ-Б (данная информация для широкого класса конструктивных материалов в достаточной мере представлена в справочной литературе), не прибегая к испытаниям образцов непосредственно оценить запас пластичности металла для различных условий нагружения.
Исходя из анализа упругопластического нагружения конструкций с V-образным концентратором, выполненного в работах [1], базируясь на допущении о возможности описания диаграмм пластичности -аП/"Сип) , „ экспоненциальными зависимостями вида пр = nQQ (где Q0 - запас пластичности при чистом сдвиге, т.е. при П=0) было получено соотношение, позволяющее по параметрам аппроксимированной кривой деформирования материала: m (показателю упрочнения материала), Е и сгт (модулю.упругости и пределу текучести) и параметрам П и иа, определяющим схему И характер нагружения, оценить запас пластичности металла [56] 2m -/Kbv« «р=1 2 Т (4-1) F 1-m где /(m,—, va ) = ln(-——[1 + 7C — arccos(-f-)] 2 ). GT 10д oT 3
Отметим, что величина ист для оболочковых конструкций характеризует геометрическую форму оболочки и характер нагружения ее в процессе эксплуатации. Например, для сферических сосудов давления ист= -1; для цилиндрических оболочек давления ист=0 и т.п.). Величина П определяет жесткость напряженного состояния в наиболее нагруженном участке конструкции и зависит от целого ряда факторов (например, от степени ослабления стенки за счет коррозии, параметра двухосности. нагружения стенки и т.д.).
Использование данного подхода существенно упрощает процедуру оценки технического состояния оболочковых конструкций на базе оценки остаточного ресурса пластичности металла в наиболее опасном участке конструкций, разработанную B [39,40]t и изложенную ранее в разделе 1.3 настоящей диссертационной работы.
Для- обоснования расчетной модели прогнозирования, остаточного рабочего ресурса газопровода для его наиболее поврежденного и опасного-участка необходима информация о- его техническом состоянии, включающая в- себя механические свойства металла труб и их сварных соединений: предел текучести (СУТ), пред ел. прочности (ав), относительное удлинение (8) и сужение (\/), степень коррозионного износа стенки труб AS (AS=S-So, S и So -соответственно исходная и остаточная толщина стенки); наличие дефектов в кольцевых стыках трубопровода и их. размеры, (глубина, / и острота р в вершине) и т.д.
Например, в, процессе технического освидетельствования газопроводов проходящих по территории ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»;.были: обследованы четыре его участка. Основная информация о данных участках (год ввода в эксплуатацию, геометрические размеры труб, их месторасположение на территории предприятия и условия нагружения в процессе их эксплуатации) представлена в таблице 4.1.
