Діагностування напруженого стану магістральних нафтогазопроводів в околі стикових зварних з’єднань та корозійних пошкоджень розрахунково-експериментальним методом - Автореферат

Щоб надійно оцінити працездатність трубопроводів, необхідний комплексний підхід, однією з важливих складових якого є визначення напруженого стану труби, зокрема, в місцях із дефектами та в зварних зєднаннях, з якими повязано 70-80% усіх відмов МТ. Однак практика експлуатації трубопроводів свідчить, що в складних умовах, навіть, коли нормативні експлуатаційні напруження не перевищені, дефекти в стінці труби розвиваються і, досягнувши критичних розмірів, можуть викликати аварійні ситуації. Мета праці - визначити зварювальні залишкові напруження у МТ розрахунково-експериментальним методом із урахуванням нерівномірності їхнього розподілу під давачами приладів, за допомогою яких вимірюють усереднені характеристики напружень фізичними методами, та структурних перетворень у зоні термічного впливу і на цій основі оцінити напружений стан в околі зварних кільцевих швів біля корозійних дефектів металу труб типу виразок-каверн. Відповідно до мети були поставлені такі завдання: - розвинути розрахунково-експериментальний метод визначення залишкових напружень в околі стикового кільцевого зварного зєднання труб, ураховуючи нерівномірність їх розподілу під давачами вимірювальних приладів та вплив структурно-фазових перетворень в зоні термічного впливу на магнітну проникність металу; У дисертаційній роботі на основі аналізу теоретичних та експериментальних досліджень напруженого стану в околі зварних зєднань і корозійних дефектів у МТ отримано нові наукові результати, які виносяться на захист: - розвинуто розрахунково-експериментальний метод визначення залишкових напружень біля стикових зварних швів без попереднього оброблення торців труб, який грунтується на розвязанні обернених задач механіки деформівних твердих тіл із власними напруженнями з використанням експериментальної інформації, здобутої фізичними методами, і врахуванням неоднорідності їх розподілу під давачами вимірювальних приладів та структурно-фазових змін у зоні термічного впливу;У першому розділі проаналізовано причини виникнення залишкових напружень у зварних швах МТ та методи їх визначення. Щоб застосувати розрахункові методи треба знати режими зварювання і способи зменшення напружень після зварювання у зєднанні. Для їх знаходження використовують експериментальну інформацію про поле залишкових напружень або їх усереднені характеристики, які можна здобути неруйнівними методами, і будують функціонал, мінімізація якого забезпечує мінімальні відхилення теоретично обчислених від експериментальних характеристик полів напружень. Записано вирази для обчислення усередненої по площі зони контакту давача з трубою різниці головних напружень, яку можна знайти експериментально за допомогою електромагнітного методу, і усередненої по обєму труби різниці цих напружень, яку визначають ультразвуковим методом. Потім в зразках зі зварним швом знімали напруження і вимірювали початкові покази приладу в основному металі і в зоні структурних змін, обчислювали їх різницю і враховували її, визначаючи усереднені характеристики напружень у цій зоні.На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішено важливу науково-практичну задачу з підвищення надійності експлуатації нафтогазопроводів в околі стикових зварних зєднань та корозійних пошкоджень. При цьому визначені експериментально значення враховують нерівномірність розподілу напружень під давачами, вплив структурних перетворень в ЗТВ на відлікові показники приладу, а також можливу часткову їх релаксацію, зумовлену різною обробкою після виконання зварних швів і в процесі експлуатації МТ. На основі експериментальних досліджень, проведених на трубах зі сталі 17Г1С МГ “Івацевичі-Долина ІІІ нитка” на ділянці Волинського ЛВУМГ та за допомогою розробленої математичної моделі, визначено залишкові технологічні напруження в околі зварного кільцевого шва. Показано, що: - колові залишкові напруження на внутрішній і зовнішній поверхнях газопроводу в зоні завширшки двох товщин від осі шва є розтягальні і досягають найбільшого значення на внутрішній поверхні труби на осі шва; з віддаленням від осі шва в межах десяти товщин стінки труби вони переходять у стискальні і менші за розтягальні; осьові залишкові напруження є менші, ніж колові; вони стискальні на зовнішній поверхні та розтягальні на внутрішній в межах шести товщин стінки труби, а з віддаленням від осі шва змінюють знаки;Визначення концентрації напружень в околі корозійних дефектів труб при дії внутрішнього тиску // "Динаміка, міцність та проектування машин і приладів". Концентрація напружень у трубопроводі з поверхневою заглибиною у формі півеліпсоїда обертання // Фізико-хімічна механіка матеріалів. Дослідження напруженого стану в зварних зєднаннях труб із врахуванням структурних змін// Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. Визначення напружено-деформованого стану однопрогінних безкомпенсаторних балкових переходів трубопроводів // Зб. наук. праць. Досвід дослідження напружено-деформованого стану газопроводів акуст

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В ТАКИХ ПРАЦЯХ

На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішено важливу науково-практичну задачу з підвищення надійності експлуатації нафтогазопроводів в околі стикових зварних зєднань та корозійних пошкоджень.

1. Розроблено математичну модель для визначення залишкових технологічних напружень біля стикових зварних зєднань магістральних нафтогазопроводів. Для зварених встик труб без розробки торців у замкнутій формі отримано вирази для визначення колових і поздовжніх напружень в трубопроводі, що викликані пластичними деформаціями . В ці вирази входять невідомі числові параметри, для відшукання яких побудовано функціонал , що виражає суму квадратів різниці відхилень усереднених характеристик напружень, визначених експериментально і теоретично . При цьому визначені експериментально значення враховують нерівномірність розподілу напружень під давачами, вплив структурних перетворень в ЗТВ на відлікові показники приладу, а також можливу часткову їх релаксацію, зумовлену різною обробкою після виконання зварних швів і в процесі експлуатації МТ.

2. На основі експериментальних досліджень, проведених на трубах зі сталі 17Г1С МГ “Івацевичі-Долина ІІІ нитка” на ділянці Волинського ЛВУМГ та за допомогою розробленої математичної моделі, визначено залишкові технологічні напруження в околі зварного кільцевого шва. Показано, що: - колові залишкові напруження на внутрішній і зовнішній поверхнях газопроводу в зоні завширшки двох товщин від осі шва є розтягальні і досягають найбільшого значення на внутрішній поверхні труби на осі шва; з віддаленням від осі шва в межах десяти товщин стінки труби вони переходять у стискальні і менші за розтягальні;

- осьові залишкові напруження є менші, ніж колові; вони стискальні на зовнішній поверхні та розтягальні на внутрішній в межах шести товщин стінки труби, а з віддаленням від осі шва змінюють знаки;

- зміна усередненої різниці головних напружень від структурних перетворень в межах 30% зумовлює відносну зміну максимальних напружень не більше ніж на 4%.

3. Запропоновано спосіб визначення концентрації напружень в околі поверхневих дефектів типу виразки-каверни, під силовим навантаженням, і дією залишкових технологічних напружень біля кільцевого зварного шва. Проаналізовано зміну напружень у трубопроводі за різних розташувань дефекту відносно осі зварного шва. Установлено, що коли дефект розміщений: - на зварному шві в зоні розтягальних колових та стискальних осьових залишкових напружень, найбільшими є колові напруження в поздовжньому перерізі трубопроводу по діаметру дефекта; максимальне значення вони досягають у центрі або на краю дефекту і, залежно від його глибини, можуть перевищувати в 1,3-2,1 рази номінальні колові залишкові напруження на зовнішній поверхні трубопроводу;

- поза зварним швом стискальні колові і осьові залишкові напруження спричинюють сумарні напруження менші, ніж від навантаження МТ тиском.

4. Для оцінки максимальних напружень, зумовлених дефектом, отримана узагальнена формула, в яку входять коефіцієнти концентрації напружень і номінальні значення напружень.

5. На розробленій дослідній установці експериментально перевірено запропоновану математичну модель, яка виявилася задовільною (відносна похибка менша 10%) для інженерних розрахунків концентрації напружень у трубах з дефектами. Розроблено пристрій для контролю параметрів зовнішніх корозійних дефектів нафтогазопроводів.

6. Урахування дії залишкових технологічних напружень змінює коефіцієнт запасу міцності трубопроводу. Так, для ділянки (220 км) МГ “Івацевичі-Долина ІІІ нитка” (1220х12 мм) з дефектом с/(2h)=0,4 та b/(2h)=0,4 коефіцієнт запасу міцності в зоні розтягальних залишкових напружень, порівняно з зоною без технологічних напружень, зменшується не більше, ніж на 40%, а в зоні стискальних може збільшуватись в межах 10-18%, якщо за розрахункове напруження прийнято умовну границю текучості і 4-10%, коли за розрахункове напруження прийнято границю міцності .