Разбитие меканических методов оценки работоспособности основного металла и сварных соединений длительно эксплуатируемый газопроводов Б . м . Б . г .

Краткое описание

Содержание
ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

Перечень основных обозначений и сокращений 4

Введение 6

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 МР - 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

Приложение 1 143

Приложение 2 178

Приложение 3 195

Приложение 4 211

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ГП -газопровод;

ГРС - газораспределительная станция;

КС - компрессорная станция;

МГ - магистральный газопровод;

МКЭ - метод конечных элементов;

НДС - напряженно деформированное состояние;

ОМ - основной металл;

НТД - научно-техническая документация;

ТО КС - технологическая обвязка компрессорной станции;

ОМ - основной металл;

ОР — очаг разрушения;

СНиП - строительные нормы и правила;

а0 - толщина;

Ьо- ширина рабочей части ненагруженного образца;

10 -исходная длина рабочей части;

L- полная длина образца до нагружения;

а02 - условный предел текучести металла;

ав - предел прочности материала;

5 - относительное удлинение при разрыве;

у - относительное остаточное сужение при разрыве;

?; - скорость интенсивности сдвиговой;

а( интенсивность нормальных напряжений;

т - долговечность образца;

Р - максимальное давление; max '

Р . - минимальное давление; min '

0^02,0^ -главные напряжения;

5

DBH - внутренний диаметр трубы;

р — номинальное (рабочее) давление;

8 или t - фактическая толщина стенки трубы;

а , -эквивалентное напряжение по четвертой теории прочности;

ак - кольцевое напряжение;

cjz - осевое напряжение;

ст - осевое напряжение, на прямолинейных участках;

а - осевое напряжение, обусловленное изгибом;

сттах - максимальное значение эквивалентных напряжений в области

eqv г

сварного шва

Т - температура по шкале Кельвина;

R — универсальная газовая постоянная;

А - удельная работа деформирования и разрушения образца;

Мх - изгибающий момент относительно оси х.

Mx(z) - изгибающий момент относительно оси х в конкретном поперечном

сечении с координатой z.

Wx(z) - осевой момент сопротивления сечения.

п° -коэффициент запаса прочности для прямолинейных участков

трубопровода;

пи - коэффициент запаса прочности с учетом действия изгибных

напряжений;
Введение

6 ВВЕДЕНИЕ

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.

7

-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 2-10"16 с"1. 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

9

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].

10

ГЛАВА I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В настоящей главе 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 авторского коллектива УГТУ [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.

§ 1.1 Общие сведения о прочностном состоянии газопроводов.

В настоящее время на территории Российской федерации эксплуатируется более 230 тыс. км магистральных и около 350 тыс. км внутрипромысловых 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;

11

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 а /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

12

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 х2 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)

13

-р .

max

= 1;0.75;0.50;0.25, (1.1)

где Р и Р . соответственно максимальная и минимальная нагрузки в max mm VJ

циклах, тогда показатель запаса вводится по соотношению (1.2)

n=b™. + ...bi. (1.2)

N* N

где N*00,...N*5 максимальное число циклов, которое может выдержать труба в

соответствующем режиме, п - принимается равным 10.

Огромное значение для надежной и длительной эксплуатации газопровода имеет разработка методов оценки остаточного ресурса прочности конструктивных элементов газопроводных систем и оценка показателей надежности магистральных трубопроводов [2,62, 96].

В работе [96] дан анализ нагрузок на трубопроводы КС: эксплуатационные (проектные), связанные с внутренним давлением и временем эксплуатации At;

не проектные (всевозможные виды вибрации в системе "нагнетатель трубопроводная обвязка-трубопровод";

сезонные и случайные (подвижка грунта, внешний температурный перепад, статические усилия);

В соответствии с ГОСТ 25.101-83 введен коэффициент нерегулярности процесса изменения напряжений, который определяется как.

К = -^- (1.3)

п э

п0 - число пересечений процессом o(t) средней нагрузкиот; пэ - число

экстремумов процесса.

Определены характеристики усталостной долговечности.

Для малоцикловой усталости повреждение происходит в упруго-пластической

области при невысоком числе циклов N~l О4 и с = 1ч-2-1(Г3. г max

Введен термин коэффициент чувствительности к асимметрии напряжений:

14

a=2o_^-o0 (L4)

а0 - предел выносливости при нулевом цикле.

Осуществляется оценка коэффициента концентрации напряжений для компактного каверна образного дефекта для дефектов разных типов. Мелких дефектов:

аа=1 + 2 -—— при 5

у р t — 5

Глубоких дефектов:

,5 t Г 3(25-1)1 5 ,_ ,л г,

ао=4--— i+ \ , \ при 6t/2; (1.6)

a t — о|_ t-o J Протяженных дефектов a 10b:

гб[~ 1,12-0,965/a

aa=l + 3,57f

(1.7)

l-l,58/a)_

a — длина дефекта; b — ширина дефекта; 5 - глубина; р - радиус закругления в вершине.

В [70] выполнена оценка малоцикловой прочности оболочек трубопроводов на основе экспериментальных расчетов напряжений. Получено распределение продольных технологических напряжений по периметру трубы. Методом тензометрии построены эпюры продольных напряжений по длине криволинейного участка трубы. Получено распределение деформации в районе вмятины.

В работе [93] предложена интерпретация основополагающих понятий ответственных за работоспособность металла.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять, работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельное состояние при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

15

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в

приспособленности к предупреждению и обнаружению причин

возникновения отказов.

Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять исправное или

только работоспособное состояние.

Устойчивость - свойство сохранять устойчивость в течение некоторого

времени.

Живучесть - свойство объекта противостоять возмущениям.

Безопасность - свойство объекта не допускать опасных ситуаций для людей

и окружающей среды.

Коэффициент использования трубопровода:

кисп=-^-----7т-----Гт----- ^'^

1 экс + 1впр +1ппр

Тэкс - время эксплуатации; Твпр - время вынужденного простоя; Тппр -

время планового простоя. В целом оценка традиционных показателей надежности по статистическим данным регламентируется ГОСТ 275030-87.

В настоящее время большой практический интерес представляет вопрос о работоспособности труб большого диаметра для магистральных газопроводов на предмет увеличения рабочего давления (до 12,0 МПа и выше) и использование высококачественных трубных сталей нового поколения (категории прочности X 80- X 100) [15]. В указанной работе проведено комплексное исследование сварных прямошовных труб 610x12,1 мм, изготовленных из класса X 65. Уникальность поставленной задачи заключается в том, что отечественный стандарт на трубы магистральных газопроводов - СНиП 2.05.06-85 предусматривает рабочее давление в магистральных газопроводах до 9,8 МПа. Больших давлений не предусматривается. Таким образом, впервые на основе отечественных методик было дано заключение о возможности применения труб на давления до 12, 5 МПа.

16

Важнейшим вопросом в теории разрушения является формулировка условия - может ли приложенная нагрузка вызывать рост трещин в рассматриваемом месте, а также предсказания дальнейшего развития разрушения. Критерий начала распространения трещин иногда называют критерием разрушения. Предельное состояние равновесия считается достигнутым, если трещиноподобный разрез получил возможность распространяться под действием внешнего воздействия. При этом разрез становится трещиной. Роль внешнего воздействия могут играть, например, механические усилия, температурные напряжения, коррозионное и поверхностное - активное воздействие окружающей среды, а также время, в течение которого происходит изменение параметров материала. Критерии начала распространения трещин могут быть получены как на основе энергетических соображений, так и силовых. Сначала был предложен энергетический критерий разрушения А.А. Гриффитсом [101], а силовой критерий сформулирован в [103], где установлена эквивалентность этих критериев.

На основе закона сохранения энергии, в пренебрежении иными возможными потерями энергии, при развитии трещины на величину 5S соблюдается энергетическое условие вида

6r=G5s (1.9)

8Г - величина энергии разрушения, необходимой для образования новой поверхности разрыва площадью 8S. G - поток энергии в вершину трещины, отнесенный к единице площади (интенсивность освобождающейся упругой энергии).

Гриффите полагал, что 5Г есть поверхностная энергия, имеющая ту же физическую природу, что и энергия поверхностного натяжения в жидкости. Однако, выяснилось, что затраты энергии на создание новой поверхности при развитии трещины связаны, главным образом, с работой пластической деформации. В этом состоит концепция квазихрупкого

17

разрушения [104]. Эта концепция позволила перейти от идеального материала в схеме Гриффитса к реальному. Предложена другая формула:

5r=2y5s (1.10)

у - поверхностная интенсивность энергии, затрачиваемая на разрушение.

Приходят к двум эквивалентным формулировкам критерия разрушения. Трещина получает возможность распространения в том случае, когда интенсивность освобождающейся энергии G критической величины соответствует

Gc =5r/5s = const. (1-11)

Гриффитсом и Ирвином была выведена формула для определения коэффициента интенсивности напряжений К1С = const

K,=7ila2, (1.12)

где 1 половина длины трещины.

Формула показывает, что чем длиннее трещина, тем ниже разрушающие напряжения.

В работе Даффи [105] разработана более строгая аналитическая модель для определения коэффициента интенсивности напряжений в трубках, которая позволяет записать коэффициент концентрации напряжений в виде:

Кс= V /32-----Ч —, (1-13)

с cos20 " 2

где Кс- константа материала, определяющая сопротивление распространения

разрушению, кгс/мм ;

21 — полная длина критической трещины;

ои- номинальные кольцевые напряжения при разрушении кгс/мм2;

Л. = —у= [12(l — v2)]4 - поправка на кривизну цилиндра, v - коэффициент

Пуассона;

R- радиус цилиндра (трубы)

Список литературы