Визначення залишкових напружень і оцінка їх впливу на довговічність трубопроводів в зоні кільцевих зварних з’єднань - Автореферат

Особливо це стосується багатошарових монтажних швів, які після зварювання часто не піддаються додатковій технологічній обробці з метою зменшення залишкових напружень. Відповідно до мети сформульовано такі задачі: розробити математичну модель розрахунково-експериментального визначення залишкових напружень в кільцевих зварних зєднаннях труб з урахуванням неоднорідного розподілу і неоднакових зон колових та осьових пластичних деформацій вздовж осі труби і за її товщиною; дослідити вплив ширини зон пластичних деформацій та їх градієнтів за товщиною і довжиною труби біля зварного шва на величину і характер розподілу залишкових напружень у трубопроводі; На основі аналізу теоретичних та експериментальних досліджень залишкових напружень у зварних зєднаннях труб стиковим багатошаровим кільцевим швом і оцінки їх впливу на довговічність магістральних трубопроводів з дефектами отримано нові наукові результати, які виносяться на захист: - побудовано математичну модель для визначення залишкових технологічних напружень біля багатошарових кільцевих зварних швів труб і розвинуто метод оцінки напруженого стану зварних зєднань, який грунтується на розвязанні обернених задач теорії оболонок з використанням експериментальної інформації, отриманої неруйнівними методами; За результатами виконаних досліджень запропоновано спосіб діагностування напруженого стану в зварних кільцевих зєднаннях і оцінки його впливу на довговічність магістральних трубопроводів з тріщиноподібними дефектами, зокрема розроблено: удосконалену методику перерахунку показів базового приладу “MESTR-411” в залишкові напруження в зоні багатошарових кільцевих зварних швів;Щоб оцінити працездатність трубопроводів і їх граничний стан потрібний комплексний підхід, важливою складовою якого є напруження у трубах, особливо в зонах зварних зєднань. Другий розділ присвячено аналізу та розвитку розрахунково-експериментального методу визначення залишкових напружень в зоні багатошарових кільцевих швів так, щоб можна врахувати двовимірний розподіл несумісних залишкових деформацій, що зумовлені зварюванням, а також неоднорідність напруженого стану під давачами вимірювальних приладів та вплив структурних перетворень на їх відлікові покази. Для побудови ключових рівнянь, що описують напружено-деформований стан зварного зєднання, труба моделюється круговою циліндричною оболонкою завтовшки 2h під дією локалізованих осесиметричних залишкових зварювальних деформацій. IMG_6b2d6008-bb21-4811-95b3-375cf6c51b26 в напрямку товщини труби неістотно впливає на зміну величини і розподілу вздовж твірної розтягальних колових напружень на поверхнях труби, осьових максимальних напружень на зовнішніх поверхнях і зумовлює зменшення осьових розтягальних напружень на внутрішній поверхні труби. IMG_9c223c1a-8f1b-439f-b4b1-5548b527dd71 та їх градієнтів вздовж твірної труби майже не впливає на колові залишкові напруження на зовнішній поверхні труби та незначно впливає на колові розтягальні на внутрішній та осьові напруження на зовнішній поверхнях труби, і зумовлює зменшення розтягальних осьових напружень на внутрішній поверхні труби.На основі виконаних комплексних теоретичних та експериментальних досліджень і розроблених нових розрахунково-експериментальних підходів вирішено важливу науково-технічну задачу з підвищення вірогідної оцінки довговічності магістральних трубопроводів з дефектами типу тріщин в зоні кільцевих зварних зєднань під дією циклічного навантаження і залишкових напружень. Розроблено математичну модель для визначення залишкових напружень в зонах трубних стикових зварних зєднань, виконаних багатошаровими кільцевими швами. IMG_cefdc0da-c7d5-4294-b55c-d98d123b291c і IMG_bc6f7210-47c7-4a63-9b12-450f2fa771a1 здійснено числовий аналіз прямої задачі і оцінено вплив ширини їх зон та градієнтів вздовж твірної і за товщиною труби на напружений стан в зоні зварного зєднання. На основі експериментальних досліджень, проведених на трубах зі сталі Х70 МГ “Більче-Волиця-Долина” Ж1420х22,5 мм електромагнітним методом за допомогою приладу “MESTR-411”, та розвязку оберненої задачі в рамках розробленої математичної моделі визначено залишкові напруження в зоні кільцевого зварного шва. В рамках математичної моделі закриття тріщини і концепції ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень, використавши закон росту тріщини в ефективних координатах, отримано систему нелінійних диференціальних рівнянь зміни півосей поздовжньої півеліптичної тріщини в трубі в процесі її росту.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

На основі виконаних комплексних теоретичних та експериментальних досліджень і розроблених нових розрахунково-експериментальних підходів вирішено важливу науково-технічну задачу з підвищення вірогідної оцінки довговічності магістральних трубопроводів з дефектами типу тріщин в зоні кільцевих зварних зєднань під дією циклічного навантаження і залишкових напружень.

1. Розроблено математичну модель для визначення залишкових напружень в зонах трубних стикових зварних зєднань, виконаних багатошаровими кільцевими швами. В рамках теорії оболонок отримано вирази для обчислення колових

IMG_13e7c1f5-4f1f-4d3b-8ba2-8eedc285b1e4 і поздовжніх

IMG_d3557a28-2cc8-44be-9fe9-a9610df81794 напружень в трубопроводі, зумовлених локалізованими двовимірними полями колових

IMG_3ae51ffd-b957-412b-95cf-16b36c977912 і осьових

IMG_48bda94d-72a4-4ad3-b450-a3b786bc36ba несумісних залишкових деформацій. Для визначення цих деформацій побудовано функціонал, що виражає невязку між усередненими експериментальними характеристиками напруженого стану

IMG_416f1d51-1fcd-49c0-bec3-5f84d3013ae9 , які можна отримати неруйнівними методами, і аналогічними характеристиками

IMG_4da1c749-c4b4-4340-95c1-d14640a794d3 , обчисленими теоретично.

2. Для заданої множини функцій, які апроксимують розподіл залишкових деформацій

IMG_cefdc0da-c7d5-4294-b55c-d98d123b291c і

IMG_bc6f7210-47c7-4a63-9b12-450f2fa771a1 здійснено числовий аналіз прямої задачі і оцінено вплив ширини їх зон та градієнтів вздовж твірної і за товщиною труби на напружений стан в зоні зварного зєднання.

3. На основі експериментальних досліджень, проведених на трубах зі сталі Х70 МГ “Більче-Волиця-Долина” Ж1420х22,5 мм електромагнітним методом за допомогою приладу “MESTR-411”, та розвязку оберненої задачі в рамках розробленої математичної моделі визначено залишкові напруження в зоні кільцевого зварного шва. При цьому враховано неоднорідність розподілу напружень в зоні контакту електромагнітного перетворювача трансформаторного типу з поверхнею труби та вплив структурних змін в ЗТВ на відлікові покази приладу. Встановлено, що колові залишкові напруження розтягальні біля зварного шва, а з віддаленням від осі шва вони переходять у стискальні. Осьові напруження при віддаленні від осі шва розтягальні на внутрішній і стискальні на зовнішній поверхнях.

4. В рамках математичної моделі закриття тріщини і концепції ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень, використавши закон росту тріщини в ефективних координатах, отримано систему нелінійних диференціальних рівнянь зміни півосей поздовжньої півеліптичної тріщини в трубі в процесі її росту. Ці рівняння, разом з початковими умовами для вихідних розмірів тріщини становлять розрахункову модель оцінки впливу залишкових напружень на ріст втомних тріщин в стінках трубопроводів до їх критичних розмірів.

5. На основі кінетичної діаграми втомного руйнування прямокутного компактного зразка зі зварним швом визначено характеристики циклічної тріщиностійкості зварного зєднання. Встановлено, що зварювальні залишкові напруження можуть значно вплинути на довговічність трубопроводу. Так, для трубопроводу Ж1420х22,5 мм з півеліптичною тріщиною з розмірами півосей 18,0х4,5 мм біля зварного шва під дією пульсуючого внутрішнього тиску розглянутий рівень залишкових напружень істотно підвищує швидкість росту тріщини і зменшує у 2,5 рази період до розгерметизації труби. Залишкові напруження впливають на конфігурацію тріщин в процесі їх втомного підростання і зумовлюють більше видовження дефектів вздовж труби, ніж під дією тільки внутрішнього тиску.

1. Осадчук В.А., Драгілєв А.В., Банахевич Ю.В., Пороховський В.В. Діагностування залишкових напружень у нафтогазопроводах в околі кільцевих зварних швів розрахунково-експериментальним методом // Машинознавство. - 2003. - №11. - С. 23-27.

2. Драгілєв А.В., Банахевич Ю.В., Осадчук В.А., Кичма А.О. Діагностика напружень у трубах шлейфів і трубопровідних обвязок з корозійними дефектами навколо зварного шва // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - Івано-Франківськ, 2004. - № 2(8). - С. 102-107.

3. Драгілєв А.В., Осадчук В.А. Математична модель розрахунково-експериментального визначення залишкових напружень в магістральних трубопроводах біля монтажних швів // Всеукраїнський щоквартальний науково-технічний журнал “Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ”. - Івано-Франківськ, 2005. - № 1(14). - С. 25-29.

4. Драгілєв А.В. Оцінка впливу перепаду пластичних деформацій по товщині труби на розподіл залишкових напружень в зоні монтажного зварного шва магістрального трубопроводу // Всеукраїнський щоквартальний науково-технічний журнал “Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ”. Івано-Франківськ, 2005. - № 2(15). - С. 50-53.

5. Драгілєв А.В. Дослідження напруженого стану в зоні кільцевих зварних швів трубопроводів електромагнітним методом // Методи та прилади контролю якості. - 2005. - №15. - С. 113-115.

6. Дарчук О.І. Драгілєв А.В. Моделювання впливу залишкових напружень на швидкість росту втомних тріщин у зварних зєднаннях // Машинознавство. - 2005. - № 3(93). - С. 7-12.

7. Деклараційний патент України № 7910. Спосіб визначення напруженого стану біля зварних зєднань трубопроводів / А.В. Драгілєв, Ю.В. Банахевич, В.А. Осадчук, А.О. Кичма. - Опубл. в Бюл. №7 від 15.07.2005. - 2 с.

8. Патент України № 73429. Спосіб проведення моніторингу нафтогазопроводу / Ю.В. Банахевич, А.М. Бубняк, І.М. Бубняк, О.В. Гвоздевич, А.В. Драгілєв, А.О. Кичма. - Опубл. в Бюл №7 від 15.07.2005. - 3 с.

9. Палцан И.Г., Банахевич Ю.В., Драгилев А.В., Шлапак Л.С. Проблемы надежности газопроводов в сложных условиях // XI-я Международная деловая встреча “Диагностика - 2001”. - Москва? ИРЦ Газпром, 2001. - С. 186-190.

10. Иткин А.Ф., Коваль Р.И., Банахевич Ю.В., Драгилев А.В. Анализ результатов диагностики трубопроводов и их влияние на виды и обьемы ремонтных работ // Материалы ХІІ Международной деловой встречи "Диагностика - 2002". - Том 3. - Часть 1. - Турция, 2002. - С. 28-31.

11. Савула С.Ф., Банахевич Ю.В., Драгилев А.В., Кычма А.А. Опыт применения электромагнитного маркирования при проведении внутритрубной диагностики газопроводов в УМГ “Львовтрансгаз” // Материалы ХІІІ Международной деловой встречи "Диагностика - 2003". - Том 3. - Часть 1. Мальта, 2003. - С. 70-74.

12. Драгилев А.В., Банахевич Ю.В., Осадчук В.А., Кычма А.А. Определение остаточных напряжений в трубопроводах около монтажных сварных швов // Материалы XIV Международной деловой встречи “Диагностика-2004”. - Том 2. - Часть 1. - Арабская республика Египет, 2004. - С.83-86.

13. Осадчук В.А., Драгілєв А.В., Банахевич Ю.В., Пороховський В.В. Діагностування напруженого стану магістральних газопроводів в околі стикових зварних зєднань розрахунково-експериментальним методом // 3-я Міжнародна конференція “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка. - Львів, 2004. - С. 439-444.

14. Dragilyev A., Savula S., Banachewych J., Osadchuk V., Kychma A. Diagnostics of residual technological stress in circumferential welds in pipelines // 3rd International congress of technical diagnostics ”Diagnostics-2004”, september 6-9, 2004, Poznan. - Poland. - P. 155-158.

Размещено на .ru