Введение к работе
Актуальность работы. Решение проблемы энергетического обеспечения страны тесно связано с безопасной эксплуатацией протяженных систем магистральных и промысловых трубопроводов нефтегазового комплекса. Трубопроводный транспорт относительно безопасен и надежен; Число аварий в пересчете на тонно-километры транспортируемого продукта ниже, чем на других видах транспорта. Однако азарии таких крупных и ответственных сооружений приводят к большим материальным потерям, загрязнению окружающей среды, а иногда и человеческим жертвам.
Статистика отказов свидетельствует о снижении аварийности трубопроводов по мере улучшения материалов, совершенствования норм и качества проектирования, строительства и эксплуатации и в общем плане указывает основные направления повышения их надежности. Однако, в рамках анализа статистических данных не удается в полной мере раскрыть причин отказов отдельных элементов трубопроводов. В то же время углубленный анализ физических причин и механизмов отказов указывает на рассогласованность в ряде случаев требований норм к качеству элементов с их реальной работоспособностью.
Так, отсутствие в нормах учета переменного нагружения не позволяет объяснить и предупредить случаи образования очагов отказов трубопроводов перекачивающих станций по усталостному механизму.
Формирование требований к качеству сварных соединений, в основном, исходя из возможностей технологии сварки и контроля без должного учета их работоспособности привело к тому, что по мере повышения чувствительности радиографического контроля шло "ужесточение" норм в отнопении хорошо Е_лвляемых радиографией объемных дефектов. Ремонт сварных соединений в 70 X случаев сводился к исправлению пор, а при заварке мест удаленных дефектов в жестком контуре в 5... 10 Z случаев на участках ремонта образовывались наиболее опасные дефекты - трещины и росло число отказов по этой причине. Недостаточно учитывались вопросы взаимодействия дефектов.
В отдельных случаях необоснованные требования вырезки также по существу не способствовали снижению отказов, т.к. при вварке катушек увеличивалось количество стыков - захлестов, выполнить которые качественно на сваренном в нитку трубопроводе крайне сложно.
Недостаточная изученность вопросов поведения дефектов іг их выявляемости в процессе испытаний трубопровода не псзролял-. в полной мере гарантировать беготказность после испытания.
Таким образом, в решении важной" народохозяйственной задачи повыше!, .я безопасности и надежности трубопроводов, возникает научная проблема теоретического обобщения и разработки научных основ, методологии и методов нормирования тр Зований к качеству элементов нефтегазопроводов с учетом физики их отказов и параметров напряженно-деформированного состояния при реальном нагружении.
Теоретической основой и исходной базой для исследований и разработок автора явились труды отечественных ученых и специалистов - & П. Алешина, О. А. Бакши, В. А Березина, Е А. Винокурова, В. Н. Волченко, А. Г. Григорянца, А. К. Гурвича, А. П. Гусенкова, О. М. Иванцова, Г. П. Карзова, Н. А. Клыкова, С. А. Куркина, В. П. Ларионова, АС. Лившица, В. Ф. Лукьянова, А. Г. Маэеля, И. И. Макарова, Э. Л Макарова, В. И. Махкенко, Н. А. Махутоза, Г. А. Николаева, Б. Е. Патона, Е Н. Прохорова, О. И. Стеклова, В. И. Труфякова, В. Г. Щербинского, ученых и спг^лалистов зарубежных стран - Т. Гарнея, А. Даффи, Дж.Кол-линза, % Нотта, К. Сато, Е. Солиаса, Д. Холла.
Исследования и разработки велись в соответствии с координационными планами научно-технических программ ГКНТ СМ СССР на 1981-1990 годы: программа 0.72.01, задания: 02.08, 04.02. Н, 04. 07. Н, 05.01. И; программа 0. 04. 06, задание 0. 01. Ш; программа 0. 04.02, задания .34.17. И и 34.18. И; программа 0.04.02, задание 09.01. Н8; межотраслевой программы "Безопасность трубопроводов" и др.
Цель работа и основные задачи исследований. Целью работы являлось повышение безопасности и надежности нефтегазопроводов путем разработки методов и критериев нормирования требований _ к качеству элементов трубопроводов на основе учета физики их отказов л характеристик напряженно-деформированного состояния в условиях реального нагружения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ отказов нефте-гаэопроводов и выявление физических причин и механизмов возникновения и развития очагов отказов элементов трубопроводов в процессе строительства и эксплуатации;
изучение и анализ закономерностей и особенностей фактической нагруженности элементов нефте-гаэопроводов в процессе эксплуатации линейной части, компрессорных и насосных станций;,
разработка методов оценки напряженно-деформированного состояния, прочности и долговечности при вязком, кваэихрупком и усталостном разрушениях с учетом механической неоднородности и дефектов сварных соединений;
разработка методов и критериев оценки запаса технологиче-
ской прочности и требований к технологическому варианту сварки кольцевых стыков труо, обеспечивающих стойкость сварных соединений против образования горячих и холодных трещин;
разработка дифференцированных норм дефектности сварных соединений с учетом фактической нагруженности трубопроводов различного назначения-,
анализ достоверности и разработка комплексного контроля качества сварных соединений при сооружении магистральных и промысловых трубопроводов.
методы исследований. Исследования выполнялись с использованием комплекса зксперзіментальних и теоретических методов анализа статистики и физики отказов и напряженно-деформированного состояния элементов трубопроводов на основе современных представлений о механизмах разрушения материалов и конструкций. Изучение физико-технических аспектов надежности велось путем моделирования условий и механизмов отказов, применения оптической и электронной микроскопии. При анализе напряженного и деформированного состояния элементов трубопроводов с дефектами использовались методы тензо-метрирования, фотоупругости, муаровых полос, а также аналитические и численные методы с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились с применением современных испытательных машин типа "ilfeHK" с моделированием случайного реального нагружения элементов трубопроводов, методов количественной оцэнк.' '.ехкологической прочности, а также полномасштабных испытаний элементов в базовых и полевых условиях. Для анализа кинетики развития дефектов использовался метод акустической эмиссии.
Научная новизна работы заключается в следующих полученных результатах:
1. Установлены физическая природа и механизмы образования очагов отказов элементов трубопроводов в условиях реального нагружения, основанные на выявленных закономерностях:
- образования очагов отказов преимущественно с поверхностей
элементов в зонах высокой концентрации напряжений и деформации от
плоскостных дефектов сварных соединений и механических повреждений
поверхности труб и связанного с ними охрупчивания стали;
. - возможности образования усталостных трещи в зонах умеренной концентрации напряиений (oCg< 3) и их развития по усталостному механизму от трещиноподобкых дефектов достаточной глубины под воздействием высокочастотных переменных налряжэний малой амплитуде ( 6а = 4... 6 МПа) в элементах трубопроводов перекачивающих станций;
' 3
- развития очагов отказов во времени, контролируемого харак
тером ; грукения, через стадии подрастания трещянь7 до сквозной л
далее до критической с последующим разрушением в закритичсскзй об
ласти.
-
Разработаны аналитические и численньч методы оценки напря-' женно-деформироваяяого состояния, несущей сг.сссбнсстк v. долговечности сЕараых соединений при вязком, квазихрупкок к усталостном разрупекиях, позволяющие определять допустимые величины дефоктов сварки (непроваров. смещений и др.), учитывать мехя.ьмескую неоднородность при однородных к комдорзігкьх вшах и сцекг.і.і'.іь прочность кольцевых стыков трубопроводов со скв'-звой трещиной при различных схемах нагружения.
-
На основе и при обеспечении идентичности физических процессов, приводящих к образованию горяких или холодных трески при сварке к ;струкции и соответствующих образцов, разработаны методы и предложены критерии оценки запаса технологической прочности при сварке кольцевых стыков трусзпроі^одоз с учетом варьирования основных параметров технологии сварки.
-
Предложены принципы дифференцированного нормирования требований к качеству элементов трубопмгодоз.. основанные на учете фактического нагружения и конструктивно-прочностных особенностей элементов:
линейной части подземных газопроводов, исходя из отсутствия условий малоциклового разрушения;
линейной части нефтепродуктопроводов с учетом возможности усталостных повреждений в зонах повышенной концентрации напряжений ( с%> 5... б) и в сочетании с коррозионным воздействием продукта і: содержащихся б нем солевых .растворов;
трубопроводов перекачивающих станций с учетом возможности зарождения и развития усталостных трецин под воздействием высокочастотной составляющей переменны): напрямний малой амплитуды;
сварных соединений тонкостенных трубопроводов (толщина стенки соизмерима с высотой шва), исходя из возможности обеспечения вязкой прочности при наличии непровара и смещения кромок путем целенаправленного регулирования геометрической формы и относительной прочности шва.
Практическая ценность работы и ее реализация. На основе выполненных исследований разработаны основные нормативные документы по сварке и контролю магистральных и промысловых трубопроводов ВСН 012-88 "Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. 4
Контроль качества ж приемка работ", ВСН 005-89 "Строительство магистральных и промксловьт трубопроводов. Сварка", внедренные и деЛитзукщие в настоящее время на предприятиях АО "Роснефтегазо-троя", РАО "Газпром" и других организаций. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы в ценах 1991 г. составляет белке 2,9 млн. руб.
На '.задіту выносятся еледукядде основные полонения работы:
- развитие представлений о физических причинах и глеханизмах
отказов трубопроводов;
.- критерии оценки запаса технологической прочности сварных соединений трубопроводов;
оценка напряженно-деформированного состояния и несущей способности механически неоднородных сзарних соединений с композитными ивами;
метод оценки вязкой прочности сварных соединений тонкостенных трубопроводов при наличии непгевара и смешения кронок;
расчет долговечности элементов трубопроводов, учитнгаютлЯ их фактическое случайное нагрухенко как 5лочн.:е;
метод численного моделирования напряженно-деформированного состояния кольцевых сварных соединений трубопроводов со екзоэной трещиной;
развитие и реализация принципов дкф'^рекциревзлкого нормирования дейектности сварных соединений трубопроводов, основанные на учете нагруяэния и конструктизно-дрочностнкх особенностей.
Апробация работы. Основные полозгания и результаты работ представлены на конференциях., симпозиумах у. конгрессе международного института сварки ?<КС по проблемам разрушений, безопасности и наде.таости сварных конструкций, з частности: международных: Гаага /1989 г./, Сеул /1990 г./, Киев /1990 г./, Остекд /1990 г,/, Монреаль /1990 г. /, Ялта /1991 т. /, Ставантер /1991 г. /, Калгари /1992 г. /, Москва /1991 и 1995 г. г. /; всесоюзных: Якутск /1974 г./, Киев /19S9 г./, йжезск /1989 г./, Тюмень /1990 г./; на научных семинарах: ИГТУ I'M. R Э. Баумана /1990 г. /, Всесоюзного НТС нефтяной и газовой промышленности им. И. М. Губкина /1990 г./, КМЛііі РАН /1992 г./.ИЭС им. Е. О. Патона /1993 г./
, Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 70 печатных работ, з том числе 1 монография, 3 бротюры, получено _ 7 авторских свидетельств и 1 положительное ресенке на изобретения и патент.
Автор выражает большую признательность ученым и специалистам
ведущих организаций в области надежности сварных конструкций: ЫГТУ им. YL о. Баумана, ИЫАШ РАН, ИЭС им. Е. О. Патона, ЧШ и др., творческое содружество с которыми позволяло автору правильно ориентироваться в постановке и решении зад^ы настоящей раооты.
Похожие диссертации на Разработка научных основ нормирования требований к качеству элементов сварных нефте-газопроводов
