Прогнозування залишкової міцності та довговічності ділянок нафтогазопроводів з дефектами за експлуатаційних умов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

УДК 622.692.4

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Прогнозування залишкової міцності та довговічності ділянок нафтогазопроводів з дефектами за експлуатаційних умов

Спеціальність 05.15.13 - трубопровідний транспорт, нафтогазосховища

Банахевич Юрій Володимирович

Івано-Франківськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий консультант доктор фізико-математичних наук, професор Осадчук Василь Антонович, Національний університет «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри зварювального виробництва, діагностики та відновлення металоконструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Капцов Іван Іванович, ДК «Укргазвидобування», філія українського науково-дослідного інституту природних газів «УкрНДІГаз», Харків, завідувач відділу транспорту газу;

доктор фізико-математичних наук, професор член-кореспондент НАН України Красовський Арнольд Янович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України Київ, старший науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, завідувач відділу.

Захист відбудеться 30 червня 2011 р. о 10 год. 00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.04 при Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою: вул. Карпатська, 15, Івано-Франківськ, Україна, 76019.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою вул. Карпатська, 15, Івано-Франківськ, Україна, 76019.

Автореферат розісланий « 25 » травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Пилипів Л.Д.

Актуальність теми. Забезпечення надійної експлуатації магістральних нафтогазопроводів стало однією із найважливіших загальнодержавних задач, оскільки аварії трубопроводів можуть спричинити величезні економічні і екологічні збитки народному господарству. Сьогодні в Україні експлуатується значна кількість магістральних трубопроводів (МТ), термін служби яких перевищує 20-30 років. Їх експлуатація в умовах дії зовнішніх силових навантажень, перепадів температур, залишкових технологічних, зокрема зварювальних, напружень, циклічної зміни експлуатаційного тиску, протікання корозії тощо призводить до виникнення різного роду дефектів у матеріалі труб, найнебезпечніші з яких - тріщини. Тому гостро постає проблема комплексної діагностики технічного стану трубоповодів, оцінки їх залишкового ресурсу і розробки ефективних технологій ремонту та відновлення пошкоджених ділянок.

В існуючій практиці оцінки залишкового ресурсу МТ помітна тенденція переходу від дефектоскопії до методів технічної діагностики, які поєднують механіку руйнування, металознавство і неруйнівний контроль. Відомі методи оцінки напруженого стану, міцності і довговічності МТ тривалої експлуатації з дефектами не враховують окремі особливості умов експлуатації. У зв'язку з цим виникає необхідність удосконалення існуючих і створення нових методів і засобів діагностування напруженого стану і оцінки залишкової міцності і довговічності МТ, які дали б змогу брати до уваги такі важливі умови експлуатації нафтогазопроводів, як: двовісне і двочастотне силове навантаження, період зародження тріщини біля концентраторів напружень, вплив корозивно агресивних і водневовмісних середовищ, вологого сірководню, випадковості навантажень, змінних за довжиною і товщиною труби залишкових напружень у зонах зварних з'єднань, які сприяють зменшенню їх міцності і довговічності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконано в рамках програми «Нафта і газ України до 2010 року», регіональної програми «Визначення залишкового ресурсу конструкцій, споруд і машин тривалої експлуатації та розробка заходів щодо підвищення терміну їх безаварійної роботи» та ДБ/ОКТЕ «Розроблення методів та засобів визначення напруженого стану різнотовщинних зварних з`єднань оболонкових конструкцій тривалої експлуатації», 2008 - 2009рр., номер держреєстрації 0108U000338; госпдоговору №0318 «Створення математичної моделі і експериментального устаткування для визначення напружено-деформованого стану зварних з'єднань ділянок газопроводів, прилеглих до компресорних станцій» 2009 р.; ДБ/МТ «Розроблення методів діагностування напруженого стану зварних з`єднань труб нафтогазопроводів з великою різницею товщин стінок і оцінки запасу міцності різнотовщинних з`єднань з гострокінцевими дефектами», 2010 - 2011рр., номер держреєстрації 0110U001115, де дисертант був керівником, відповідальним виконавцем і виконавцем робіт.

Мета і задачі дослідження - розробка наукових основ визначення напруженого стану і прогнозування залишкової міцності та довговічності труб і зварних з'єднань з тріщиноподібними дефектами на базі розвитку існуючих і створення нових методів оцінки їх роботоздатності.

Для досягнення поставленої в роботі мети необхідно розв'язати такі наукові задачі, спрямовані на вирішення важливої проблеми - забезпечення безаварійного функціонування трубопровідного транспорту:

Ш побудувати критеріальні співвідношення для визначення циклічної міцності ділянок трубопроводів з тріщинами та оцінки їх залишкового ресурсу з урахуванням випадковості навантаження в експлуатаційних умовах та дії двовісного двочастотного навантаження;

Ш дослідити закономірності впливу концентраторів напружень на період зародження і докритичного розвитку корозійно-механічної тріщини на поверхнях трубопроводів тривалої експлуатації;

Ш встановити залежності впливу на залишковий ресурс трубопроводу зародження та розвитку блістерів в умовах дії вологого сірководню з використанням запропонованої моделі кінетики їх поширення;

Ш визначити вплив геометричних параметрів тріщиноподібного дефекту на залишковий ресурс балкового переходу газопроводу за вітрового навантаження на основі розробленої моделі розрахунку періоду зародження і докритичного росту втомних тріщин;

Ш оцінити вплив геометрії тріщиноподібних дефектів та їх розміщення на коефіцієнти запасу міцності конкретних ділянок трубопроводів з тріщинами у зварних з'єднаннях з урахуванням змінних вздовж труби і за її товщиною залишкових напружень на основі розробленої методики;

Ш встановити значення усереднених на поверхні тріщини колових залишкових напружень і їх вплив на критичну кількість циклів навантаження труби внутрішнім тиском для прогнозування залишкового ресурсу зварних з'єднань трубопроводів з дефектами на основі запропонованих методик.

Об'єктом дослідження є магістральні трубопровідні системи з тріщиноподібними дефектами і процеси їх руйнування за тривалих квазістатичних і циклічних навантажень.

Предметом дослідження є залишкова міцність і довговічність труб магістральних трубопроводів та їх зварних з'єднань з тріщиноподібними дефектами, що в експлуатаційних умовах зазнають дії двочастотних і двовісних змінних силових навантажень, зварювальних залишкових напружень, корозивно-агресивних і водневовмісних середовищ.

Методи досліджень. Дослідження ґрунтуються на застосуванні методів і критеріїв механіки руйнування, першого закону термодинаміки для оцінки енергетичного балансу поширення втомних тріщин за змінних у часі навантажень, методів фізико-хімічної механіки руйнування з урахуванням сумісної дії експлуатаційних навантажень та корозивно агресивних і водневовмісних середовищ, теорії оболонок, прямого методу інтегрування рівнянь для тривісного розподілу залишкових напружень, інтегральних перетворень, багатопараметричної апроксимації і числового розв'язку нелінійних інтегральних рівнянь, розрахунково-експериментального визначення залишкових напружень, неруйнівного визначення характеристик напруженого стану, двокритеріального визначення граничного стану трубопроводів.

Положення, що виносяться на захист:

· Закономірності впливу змінного в часі двовісного навантаження на зародження і ріст втомних тріщин в трубопроводах за наявності концентраторів напружень та корозивно-агресивних і водневовмісних середовищ з метою розроблення моделей та методології прогнозування їх залишкового ресурсу в реальних умовах експлуатації.

· Залежності коефіцієнтів запасу міцності у зварних з'єднаннях з дефектами типу тріщин від рівня та градієнтів залишкових напружень ділянок трубопроводів.

· Закономірності впливу змінних за товщиною і довжиною труби залишкових напружень на довговічність ділянки трубопроводу з поверхневою тріщиною у зварному шві.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у побудові критерію циклічної міцності елементів трубопроводу з тріщинами, що дає можливість визначати такі параметри циклічного навантаження, за яких забезпечується заданий ресурс експлуатації. Також розроблено розрахункову модель для визначення періоду зародження втомної тріщини біля сплюснутого концентратора напружень на поверхні трубопроводу. Це дало змогу оцінити залишковий ресурс балкового переходу газопроводу з таким дефектом за його вітрового навантаження.

Встановлено вплив корозивно-агресивних і водневовмісних середовищ на міцність і довговічність газопроводів шляхом прогнозування росту корозійно-механічної тріщини в трубопроводах, виготовлених з високопластичних і високоміцних матеріалів, та визначення залишкового ресурсу труби газопроводу з дефектом в умовах дії вологого сірководню на основі створення математичних моделей.

Отримано співвідношення, за якими вдалось кількісно оцінити вплив осьової компоненти на довговічність поверхневої (вздовж твірної) тріщини за циклічного навантаження труби внутрішнім тиском, а також вирази для кількісної оцінки відомих у літературі експериментальних результатів про значне скорочення циклічної довговічності на стадії розвитку втомної тріщини внаслідок накладання високочастотної компоненти з невисокою амплітудою на низькочастотну. При цьому наслідок дії такого накладання перевищує результати простого додавання амплітуд цих компонент.

На основі аналізу тривісних залишкових напружень і деформацій у зонах кільцевих зварних швів магістральних трубопроводів і створеної математичної моделі знайдено розподіл залишкових несумісних деформацій.

Вперше отримано замкнуті формули для обчислення коефіцієнтів запасу міцності (КЗМ) ділянок трубопроводів з тріщинами у зварних з'єднаннях з урахуванням змінних вздовж труби і за її товщиною залишкових напружень. Оцінено вплив цих напружень на статичну міцність ділянки трубопроводу з поверхневими тріщинами у зварному шві і згідно з нормативними документами встановлено категорійність їхньої небезпеки. В рамках концепції ефективного розмаху коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН) з урахуванням закриття тріщини розроблено методику оцінки впливу залишкових напружень на довговічність ділянки трубопроводу з поверхневою тріщиною у зварному шві. Для конкретного зварного з'єднання побудовано діаграми для визначення критичної кількості циклів навантаження внутрішнім тиском для довільних рівнів усереднених по поверхні тріщини колових залишкових напружень.

Достовірність отриманих результатів і висновків забезпечується використанням фундаментальних положень фізики і механіки руйнування конструкційних матеріалів, застосуванням сучасних числових методів розрахунку, коректною постановкою експериментальних досліджень, зіставленням деяких часткових і узагальнених результатів із відомими, застосуванням в експериментальних дослідженнях сучасних засобів вимірювання і оброблення результатів експериментів.

Практичне значення одержаних результатів. Сформульовано критерій циклічної міцності тонкостінних елементів конструкцій і з його використанням знайдено параметри безпечного циклічного навантаження труб з тріщинами, зокрема, труби нафтопроводу за реальних умов навантаження. Запропоновано спосіб визначення залишкового ресурсу балкового переходу газопроводу з дефектом за вітрового навантаження.

Запропоновано методику для визначення періоду докритичного росту втомних тріщин за двовісного і двочастотного навантаження і побудовано метод розрахунку залишкового ресурсу труби нафтопроводу з внутрішньою поверхневою тріщиною з урахуванням реальних умов експлуатації. Це дало змогу розрахувати довговічність реальної ділянки трубопроводу з тріщинами.

Оцінено вплив параметрів, що характеризують ширину зон локалізації і градієнтів за довжиною і товщиною труб термопластичних деформацій, на рівень і розподіл залишкових напружень у зонах кільцевих зварних швів трубопроводів.

Проаналізовано зміну рівнів КЗМ для різних глибин і довжин тріщин і відповідно до цього згідно з нормативними документами встановлено категорійність їхньої небезпеки. Побудовано діаграми для визначення критичної кількості циклів навантаження внутрішнім тиском для довільних рівнів усереднених по поверхні тріщини колових залишкових напружень. Отримані в дисертації результати увійшли в Положення про «Діагностування напружено-деформованого стану і оцінка довговічності зварних з'єднань ділянок газопроводів, прилеглих до компресорних станцій» ДК Укртрансгаз і в «Методику розрахунку оцінки впливу залишкових напружень на міцність ділянок нафтопроводів з дефектами в зоні зварних з'єднань труб», Львів - 2010.

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані дисертантом самостійно. У працях, написаних у співавторстві [25, 26, 51], автор запропонував методи оцінки критичних розмірів дефектів у трубах нафтогазопроводів за експлуатаційних навантажень, а у працях [7, 10, 15, 17, 18, 22, 27, 28, 44, 47, 50, 52] - підхід для дослідження процесів руйнування металічних матеріалів за дії силових і фізико-хімічних факторів, а також визначення за цих обставин залишкового ресурсу. Низку розрахункових методів для визначення періодів докритичного росту тріщини в стінці труби газопроводу до їх розгерметизації за його експлуатаційних механічних, воднево-механічних навантажень та фізико-хімічних факторів подано у працях [16, 29, 41, 42, 53], а у [6, 24, 40] розвинуто теоретико-експериментальний метод, для оцінки напруженого стану в зонах зварних з'єднань трубопроводів. У працях [4, 9, 13, 14, 20, 43, 46, 48] дисертант взяв участь в обговоренні постановки задачі, оцінці одержаних результатів їх апробації у виробничих умовах, у [1-3, 5, 8] - узагальнив проблеми, пов'язані з протикорозійним захистом зовнішніх і внутрішніх поверхонь магістральних нафтогазопроводів і сформував рекомендації із застосування сучасних ізоляційних матеріалів і технологій з урахуванням підземної, надземної і підводної експлуатації трубопроводів. У публікаціях [30-39] автор, узагальнюючи теоретичні і експериментальні результати, запропонував низку конструкційних і технологічних рішень, новизна яких захищена патентами.

Здобувач брав безпосередню участь у плануванні і проведені усіх експериментальних досліджень і натурних випробувань та аналізі їх результатів, розробці практичних рекомендацій щодо підвищення рівня надійності потенційно небезпечних ділянок діючих нафтогазопроводів та їх впровадженні.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на: ІІІ Міжнародній конференції з діагностування «Diagnostics-2004» (Республіка Польща, 2004); VIII Науково-практичній конференції «Нафта і газ України - 2004» (Судак, 2004); XIV Міжнародній діловій зустрічі «Диагностика-2004» (Єгипет, 2004); ІІІ Міжнародній конференціі «Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій» (Львів, 2004); Науково-практичному семінарі «Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике» (Київ, 2004); VII Міжнародній науково-технічній конфереції «Zarz№dzanie ryzykiem w ekspluatacji ruroci№gуw» (Республіка Польща, 2005); XV Міжнародній діловій зустрічі «Диагностика-2005» (Сочі, 2005); V Науково-практичній конференції (Єгипет, 2007); Науково-практичній конференції «Екологічні проблеми нафтогазового комплексу» (с. Синяк, 2007); 37-й Міжнародній конференції «Defektoskopie 2007» (Чехія, 2007); Міжнародній науково-технічній конференції «ІФНТУНГ-40» «Ресурсозберігаючі технології в нафтогазовій енергетиці» (Івано-Франківськ, 2007); XIV колоквіумі «Механічна втома металів» (Болгарія, 2008); Міжнародній науково-практичній конференції «Міцність та надійність магістральних трубопроводів» (Київ, 2008); IV та V Міжнародних науково-технічних конференціях і виставках «Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики машинобудівного і нафтогазового обладнання» (Івано-Франківськ, 2005, 2008); Міжнародній конференції «Pipeline Technology 2009» (Бельгія, 2009); IV Міжнародній конференції «Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій» (Львів, 2009); VII; VIII та IX Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2005; 2007; 2009); Міжнародній науково-технічній конференції «Нафтогазова енергетика: проблеми та перспективи» (Івано-Франківськ, 2009); науково-технічній нараді «Підвищення надійності та ефективності роботи лінійної частини магістральних газопроводів газотранспортної системи ДК «Укртрансгаз» (Яремче, 2010).

У повному обсязі результати досліджень доповідались на розширеному засіданні кафедри зварювального виробництва, діагностики та відновлення металоконструкцій Національного університету «Львівська політехніка» (головуючий - д.т.н., професор М.В. Большаков); розширеному семінарі відділу міцності зварних конструкцій Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України (керівник - зав. відділу міцності зварних конструкцій Інституту електрозварювання, член-кор. НАН України, д.т.н. В.І. Кир'ян); розширеному науковому семінарі факультету нафтогазопроводів ІФНТУНГ (керівник - д.т.н., професор, зав. кафедри спорудження і ремонту газонафтопроводів та газонафтосховищ В.Я. Грудз).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 53 наукові праці [1-53], у тому числі 25 - у фахових наукових виданнях [4 - 27] та одержано 10 патентів України на винаходи і корисні моделі, решта - у збірниках праць та тезах конференцій.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, які містять 135 рисунків і 12 таблиць, висновків, а також п'яти додатків та списку літератури, що має 373 найменування. Загальний обсяг дисертації 314 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, розкрито її сутність і стан досліджень, сформульовано мету дисертаційного дослідження, аргументтовано її новизну, наукове та практичне значення, наведено дані про апробацію отриманих результатів і про публікації, які відображають основний зміст роботи.

У першому розділі проаналізовано методи сучасного діагностування напруженого стану, залишкової міцності та довговічності магістральних нафтогазопроводів з дефектами та визначені основні задачі дослідження. Показано, що розв'язанню широкого кола теоретичних і практичних задач проектування, будівництва, експлуатації і діагностування технічного стану трубопроводів присвячені праці відомих спеціалістів А.Б. Айбіндера, В.П. Березіна, Б.С. Білобрана, П.П. Бородавкіна, В.Я. Грудза, І.І. Капцова, Є.І., Крижанівського, І.В. Ориняка, Й.В. Перуна, Ю.Д. Петрини, А.О. Рибакова, М.Д. Середюк, Д.Ф. Тимківа, Л.С. Шлапака та інших. Технічне діагностування технологічних напружень у зварних з'єднаннях конструкцій і споруд висвітлено в працях В.А. Вінокурова, К.М. Гатовського, Б.С. Касаткіна, В.І.Кирьяна, В.В. Книша, А.Я Недосєки, Г.А. Ніколаєва, Л.М. Лобанова, В.І. Махненка, В.А.Осадчука, Я.С. Підстригача, В.М. Прохоренка, Т.В. Талипова, І.П. Трочуна та інших. Фундаментальні дослідження з теорії граничної рівноваги тіл з тріщинами, за результатами яких сформульовані деформаційні критерії граничної рівноваги тіл з тріщинами, визначали: М.Я. Леонов, В.В. Панасюк, П.М. Витвицький, О.Є. Андрейків, Н.А. Махутов, Ю. Муракамі, П.С. Періс, Дж. Ірвін та інші. Розв'язанню задач математичної теорії тріщин (обчислення КІН) та експерименттальним методам визначення тріщиностійкості матеріалів присвячені праці: І.М. Дмитраха, О.М. Гудзя, С.Є. Ковчика, А.Я. Красовського, Г.М. Никифорчина, О.М. Романіва, М.П. Саврука, В.Р. Скальського, С.Я. Яреми, В.Т. Трощенка, В.І. Труфякова та інших.

Підсумовано, що регламентовані у нормативних документах і нині діючі розрахункові методи оцінки напруженого стану і прогнозування залишкової міцності та довговічності труб і зварних з'єднань МТ розвинуті недостатньо і потребують нових підходів з урахуванням досягнень сучасної науки з руйнування матеріалів, а також числових методів розрахунку напруженого стану елементів конструкцій.

У другому розділі дисертаційної роботи запропоновано критерій оцінки циклічної міцності тонкостінних елементів конструкцій з тріщинами за двовісного їх розтягу. Його суть полягає в тому, що враховується пластичність матеріалу, яка виникає біля вершини тріщини за дії осьової і нормальної компонент напруженого стану, тобто береться до уваги умова пластичності Губера-Мізеса. Раніше подібні задачі були розв'язані для крихких і квазікрихких високоміцних матеріалів, де цього не враховували.

Рис. 1. Залежність критичних зусиль від безрозмірного параметра ()

Спочатку на основі д_с-моделі розкриття вершини тріщини, що є функція кутів б і и, визначали через нормальний і дотичний розкриви тріщини. Встановлено аналітичні залежності (1) для визначення зовнішніх критичних зусиль p_* (колові напруження) і q_* (напруження прикладені вздовж осі труби), за досягнення яких настане гранично рівноважний стан пластини із тріщиною і відбудеться її поширення:

; (1)

;

;

,

де l₀ - півдовжина тріщини; Е - модуль Юнґа; _С - критичне розкриття вершини тріщини; _Т - межа текучості матеріалу. Визначено взаємовплив прикладених зовнішніх навантажень (рис. 1) і отримано як граничні випадки найнебезпечніші орієнтації тріщини, коли домінує одно із них. Якщо p > q, таким кутом є и = р/2, а у випадку q > p - кут и = 0.

У цьому ж розділі методом граничної інтерполяції із використанням методу еквівалентних напружених станів побудовано вирази (2) для визначення КІН К_I біля напівкільцевої тріщини, яка зароджується з напівкульової порожнини, через величину розкриття її вершини (), що дозволило змоделювати розвиток руйнування трубопроводів з поверхневих корозійних виразок (ямок):

(2)

де - модуль пружності; - коефіцієнт Пуассона; - усереднене напруження в зоні передруйнування біля контуру тріщини; - кут в циліндричній системі координат; = l/R, l - глибина тріщини; R - зовнішній радіус труби.

У розділі розглянуто також випадки, коли присутні системи паралельних і колінеарних тріщин, і побудовано формули для розрахунку силових критеріїв руйнування з урахуванням їх взаємовпливу. Далі, виходячи з того, що на поверхні трубопроводів втомні тріщини можуть зароджуватися з гладких поверхневих дефектів (пітинги, корозійні виразки тощо), сформульовано розрахункову модель і отримано аналітичну залежність (3) для визначення періоду зародження втомної тріщини біля сплюснутого концентратора напружень радіуса :

, (3)

де - критичне значення КІН за циклічного навантаження; , - відповідно, максимальне і мінімальне значення для амплітудних значень зовнішніх зусиль і ;

;

_fC - критичне значення деформації за циклічного навантаження. Припускали, що втомне руйнування протікає в умовах малоциклової втоми, а період N_* зародження втомної тріщини визначається розмахом пластичної деформації за законом Коффіна - Менсона.

Отримані результати лягли в основу створення критерію циклічної міцності тонкостінних елементів конструкцій (4), за яким можна визначити таке максимальне циклічне навантаження, за якого упродовж заданого часу t_* (або кількості циклів N_*) руйнування не відбувається (рис. 2):

Рис. 2. Схема втомного навантаження пластини з тріщиною

,

(4)

де - характеристики циклічної тріщиностійкості матеріалів. Вважали, що прикладені нормальні і осьові зусилля змінюються з часом t циклічно за синусоїдальним законом синхронно і з однаковою частотою (віднульовий цикл).

Коректність критерію підтверджена результатами відомих експериментальних досліджень і за ним знайдено параметри безпечного циклічного навантаження труб з тріщинами. Зокрема, розглянуто нафтопровід «Кременчук - Херсон», для якого були визначені параметри труби b₁, b₂, 2h, d₁, і задача полягала у знаходженні такого внутрішнього тиску (рис. 3), коли за виявленої в трубі поверхневої тріщини початкової площі S₀ = a₀b₀ = 12 мм² залишковий її ресурс повинен становити не менше ніж років.

Рис. 3. Схема навантаження труби з внутрішньою тріщиною

У результаті нескладних обчислень на основі отриманих у розділі залежностей знайдено, що амплітуда тиску нафти у трубопроводі для таких експлуатаційних умов не повинна перевищувати .

У третьому розділі подано розрахункові моделі для оцінки впливу різних середовищ на залишкову довговічність труб з тріщинами. В літературі відома низка спроб створення такої теорії, але вони, в основному, базувалися на прикладах опису тільки конкретних експериментальних результатів. Тому на цих теоретичних засадах можна визначати ресурс лише тих елементів конструкцій, для матеріалів яких отримані експериментальні дані.

У цьому розділі на основі деформаційного підходу запропоновано універсальний теоретичний підхід для опису сповільненого руйнування металевих матеріалів в умовах дії механічних навантажень, а також водневовмісних і корозивно-агресивних середовищ. В його основу покладено розрахункову модель, суть якої полягає в такому. Металева пластина послаблена тріщиною довжини і розтягується довготривалими зусиллями . Вважатимемо, що напружено-деформований стан у пластині симетричний відносно лінії розміщення тріщини, а сама пластина знаходиться в корозивно-агресивному середовищі з певним рН, яке потрапляє в тріщину. Приймаємо, що кінетика наводнювання металу в зоні передруйнування залежить від параметрів напружено-деформованого стану в околі вершини тріщини та інтенсивності нестаціонарного потоку водню J() з поверхні поділу метал-середовище в метал. Зміна потоку обумовлена електрохімічними процесами біля вершини тріщини. В умовах електрохімічної корозії водень проникає в метал під час катодного процесу. Оскільки дифузія водню зі значних віддалей достатньо повільна, то зона передруйнування наводнюється, в основному, через поверхню локальних катодних зон.

Під час пасивації різних систем «метал - середовище» на металі можливе утворення або щільної плівки з високими корозивно-захисними характеристиками, або високодисперсної колоїдної суміші гідратів, або пористої плівки, яка лише уповільнює корозію. Локалізація катодних і анодних зон у кожному випадку буде інша (рис. 4). Отже, для визначення кінетики наводнювання зони передруйнування необхідно враховувати тип пасивувального шару і закономірності його утворення, чого не відтворюють існуючі моделі. Вони також не ураховують експериментальних результатів, які свідчать, що електрохімічні реакції між вершиною тріщини і її берегами протікають переважно на відстанях, сумірних із розкриттям у вершині.

Рис. 4. Схема електрохімічних процесів біля вершини тріщини

Вперше у запропонованій математичній моделі росту розвиток корозивно-механічної тріщини під дією напружень і водневовмісного корозивного середовища розглядається як безперервне чергування двох взаємозв'язаних стадій: електрохімічної, тривалої в часі, і стрибкоподібного поширення тріщини. Впродовж електрохімічної стадії тріщина проростає на глибину внаслідок анодного розчинення. Ця стадія триває до моменту t_*, коли концентрація водню C_H у зоні передруйнування досягне критичного для цього напруження значення. В момент часу тріщина стрибкоподібно просунеться на глибину , що дорівнює довжині зони, де концентрація водню перевищила критичну. Тоді загальну швидкість росту тріщини визначатиме залежність (5), а довжину механічного стрибка тріщини можна подати наближено формулою (6). У результаті знайдено співвідношення для цих двох швидкостей у вигляді рівнянь (7), де враховано закон Фарадея для швидкості анодного розчинення металу V_a. Виходячи з кінетики росту корозивної статично навантаженої тріщини, отримали вираз (8) для визначення механічної компоненти швидкості її росту:

, (5)

, (6)

,

, (7)

. (8)

Сумарну швидкість росту корозивної тріщини визначали, підставляючи вирази (7) і (8) у співвідношення (5). У результаті для визначення періоду докритичного росту корозивно-механічної тріщини отримали диференціальне рівняння (9) за початкових і кінцевих умов (10). Таким чином, маючи з експерименту необхідні константи (характерристики системи матеріал-середовище) , період докритичного росту корозивно-механічної тріщини визначали за формулою (11). Справедливість отриманого виразу перевірена на експериментальних літературних даних, а коректність формул - на прикладі розв'язку аналога задачі Ґріффітса:

, (9)

, (10)

. (11)

Умови експлуатації нафтогазового устаткування і трубопроводів призводять до суттєвого зниження безпеки їх функціонування. Ця проблема загострюється через наявність у продуктах, що видобувають, агресивних компонентів, особливо сірководню, здатний спричинити сірководневе корозивне розтріскування під напруженням та пухиріння (блістероутворення), а також водневе розтріскування (рис. 5) сталей, оскільки значно інтенсифікує проникнення водню в сталь.

Рис. 5. Водневі блістери та розтріскування сталі на внутрішній поверхні трубопроводів

Тому запропонована розрахункова модель кінетики поширення водневих блістерів у нафтогазопроводах. Для її побудови розглянуті причини утворення зародків мікротріщин і водневих блістерів, механізми впливу сірководню на наводнювання сталі, а також структурних параметрів на її водневе розтріскування. Модель передбачає визначення поверхневої концентрації водню внаслідок дії сірководневого середовища і оцінку його розподілу у перерізі елемента конструкції (труби) (12), а відтак - і тиску водню у блістері та кінетику розвитку останнього (рис. 6 і 7) за формулами (13), (14). Отримані результати використано для аналізу кінетики руйнування маловуглецевих і низьколегованих сталей під час їхньої корозії у середовищі вологого сірководню (рис. 8 та 9):

(12)

; (13)

(14)

Зазначимо, що .

Рис. 6. Часова залежність проникнення водню крізь стінку труби

Рис. 7. Розподіл концентрації водню за товщиною труби зі сталі 20 згідно з формулою (12) у різні моменти часу: 1 - t = 1 год; 2 - 10 год; 3 - 100 год

Рис. 8. Часова зміна тиску водню у блістері залежно від його початкового розміру: 1 - a₀ = 0,005 мм; 2 - 0,05 мм; 3 - 0,5 мм



Рис. 9. Розрахункова крива росту кругового блістера з початковим радіусом a₀ = 0,005 мм під дією внутрішнього тиску Р згідно з даними рис. 8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Четвертий розділ присвячений розробці методик розрахунку залишкового ресурсу труб магістральних нафтогазопроводів з дефектами з урахуванням особливостей дії експлуатаційного навантаження. Одна з них полягає у визначенні залишкового ресурсу балкового переходу газопроводу, який має поверхневий тріщиноподібний дефект і зазнає вітрового навантаження q (рис. 10). Дефект (наприклад, поверхневу виїмку) моделюємо сплюснутим напівеліпсоїдом з півосями і найменшим радіусом закруглення . Необхідно визначити такий період часу вітрового навантаження, за який біля виїмки зародиться втомна тріщина і проросте через стінку труби до утворення витоку газу. Вважаємо, що пориви вітру змінюються приблизно циклічно із періодом Т. Тоді задачу зводимо до визначення кількості циклів пориву вітру , а поклавши , знайдемо - кількість циклів вітрового навантаження, за які біля такого дефекту відбудеться витік газу. Цю кількість циклів розділимо на два і розглянемо випадки зародження в зварному шві втомної тріщини та її поширення до досягнення внутрішньої стінки труби (15). У результаті отримали залежність (16), яка враховує ці два складники:

, (15)

(16)

(а) (б)

Рис. 10. Схема вітрового навантаження труби газопроводу на однопрогонному балковому переході (а), розміщення поверхневого дефекту (б)

циклічний міцність трубопровід тріщина

Друга методика полягає у визначенні періоду росту корозійно-механічної тріщини із зовнішньої поверхні труби газопроводу через її стінку аж до його розгерметизації. Тут розглядаємо трубу газопроводу зовнішнім діаметром , товщиною стінки , в якій є дефект, змодельований напівеліптичною тріщиною. Вважаємо, що труба виготовлена із високоміцної сталі і навантажена внутрішнім тиском , а її поверхня в результаті розриву захисного покриву контактує з мокрим ґрунтом (рис. 11). Задача полягає в тому, щоб знайти час t_*, коли буде порушена герметичність труби.

Рис. 11. Схема навантаження труби внутрішнім тиском і з наявною поверхневою напівеліптичною тріщиною

За моделлю про критичне розкриття вершини тріщини застосувуючи метод еквівалентних площ та еквівалентних станів, а також граничну інтерполяцію задачу зводимо до розв'язку диференціального рівняння, розв'язок якого дає залежність (17), за якою визначаємо цей період росту тріщини крізь товщину стінки труби. Водночас розглядаємо аналогічну задачу, коли труба газопроводу з початковою напівеліптичною тріщиною виготовлена із низькоміцної високопластичної сталі Х52 (товщина стінки 12 мм) і зазнає дії внутрішнього тиску р та агресивної ґрунтової корозії. Період росту тріщини тепер визначаємо за залежністю (18), а її ресурс від початкового розміру тріщини b₀ для різних сталей показано на рис. 12. Як бачимо, в експлуатованих сталях Х52 залишковий ресурс найменший, що і підтверджують результати натурних обстежень:

.(17)

. (18)

Рис. 12. Залежність залишкового ресурсу труби газопроводу із різних станів сталі Х52 від початкового розміру корозивної тріщини: 1 - сталь Х52 нова; 2 -напрацювання 30 років, товщина стінки 12 мм; 3 - товщина стінки 10 мм

Окрема методика стосується визначення кінетики сірководневого розтріскування в стінках труб газопроводів. Воно є наслідком наводнювання і зниження пластичних властивостей металу під час електрохімічної корозії за наявності сірководню. Присутність в газі вологи і сірководню зумовлює на поверхні сталі корозійні процеси, у результаті яких утворюються продукти корозії і водень.

Спочатку визначаємо кінетику росту блістера. З цією метою розглядаємо тонкостінний елемент стінки труби газопроводу від родовища до станції очищення, яка має внутрішню мікротріщину (блістер) у серединній поверхні стінки (рис. 13), одна поверхня якої контактує з сірководневим середовищем. Необхідно встановити кінетичні рівняння для опису росту такої тріщини з часом .

Рис. 13. Схематичне зображення внутрішньої кругової тріщини в серединній поверхні стінки труби

Для розв'язку вважатимемо: матеріал є ізотропним і пружно-пластичним; тріщина має форму круга та розміщена в серединній площині паралельно до неї; причиною росту тріщини є внутрішній тиск у ній; тріщина росте в площині початкової тріщини; не враховуємо взаємний вплив дефектів.

Рівняння дифузії водню подано в стандартному вигляді (19), а початкові умови задачі задані залежно від ситуації: або нульові - для деструкції внаслідок активного наводнювання, або як деякий вихідний розподіл водню у металі. Крайові умови на поверхні дефекту задані згідно з реальним масообміном між металом і тріщиною. У результаті отримали вираз (20) для встановлення швидкості росту такої тріщини (блістера). Він справедливий не тільки для вихідної кругової конфігурації тріщини, а й для інших випуклих конфігурацій, але тоді потрібно брати як радіус круга, площа якого дорівнює площі вихідної тріщини опуклого контуру:

, (19)

(20)

за початкової умови .

а б в

Рис. 14. Швидкість росту внутрішньої кругової тріщини (а) початкового радіуса а₀ = 4 мм у сірководневому середовищі, розрахована згідно з (20) та розрахункова крива росту кругового блістера (б) з початковим радіусом а₀ = 4 мм під дією внутрішнього тиску р (суцільна лінія - за формулою (20), точки - експериментальні результати), а також залежність довговічності елементу трубопроводу (в) з внутрішньою водневою тріщиною від її початкового радіуса

На рис. 14 подано результати розрахунків. Отримані співвідношення використано для аналізу кінетики росту внутрішньої тріщини в трубі зі сталі API 5L-X52 (діаметр труби 914 мм, товщина стінки 20,7 мм) під час взаємодії її стінки з корозивним середовищем (розчин NACE: 5% NaCl + + 0,5 CH₃COOH + насичення H₂S, Т = 35⁰С).

Окремо потрібно зазначити, що в цьому розділі описано також методику розрахунку залишкового ресурсу труби газопроводу, побудовану з урахуванням випадковості навантаження, яке діє в реальних умовах її експлуатації. Для цього використано графіки неперервного запису робочих параметрів на виході із проміжної перекачувальної станції і встановлено послідовні максимальні та мінімальні значення тиску в трубі. Отриману так інформацію опрацювали за методом повних циклів згідно з вимогами діючого стандарту, виділяючи окремі цикли із загальної історії навантаження та визначаючи перепади тиску, які їм відповідають. Подальший статистичний аналіз виконали за відомими методами. Зокрема, для кожного з інтервалів перепаду тиску визначена відносна (у відсотках) кількість циклів навантажень у загальному спектрі. Виходячи з цього, встановили також, що розподіл випадкової величини близький до нормального закону і його можна описати функцією густини розподілу ймовірностей. Результати зміни тиску в газопроводі вказують, що тривалість окремих циклів змінюється у дуже широких межах. Проте в літературі цьому не надано належної уваги, оскільки в подальших розрахунках часовий фактор не враховано. Нема також детального аналізу випадкової зміни асиметрії циклу коливань тиску під час навантаження, що впливає на швидкість росту тріщин. Натомість, використовують спрощену схему, згідно з якою для всіх циклів максимальну величину приймають за робочий тиск , а мінімальне значення визначають залежністю . Таке спрощення завищує реальну асиметрію і є консервативне. Базуючись на традиційних основах лінійної механіки втомного руйнування, визначали швидкість росту тріщини залежно від розмаху ефективного КІН і з урахуванням реальної асиметрії циклу. У підсумку одержали залежність (21) для визначення кількості циклів навантаження до руйнування - залишковий ресурс трубопроводу:

,(21)

(22)

Тут Y - поправкова функція, яку визначаємо за залежністю (22). Результати розрахунку періоду залишкової довговічності труби газопроводу до її руйнування (утворення наскрізної тріщини) за схемою, показаною на рис. 3, наведені на рис. 15. Як бачимо, залишкова довговічність труби газопроводу суттєво залежить від початкового розміру дефекту.

Рис. 15. Залежність залишкового ресурсу труби газопроводу від розмірів дефекту

Залежність (23) описує сформульовану модель для визначення навантаження стінки труби нафтопроводу і її залишкового ресурсу, тобто часу розвитку дефектів у вигляді напівеліптичної тріщини в стінці труби, розміщеної вздовж її твірної, аж до розгерметизації:

. (23)



а б

в

Рис. 16. Залежність залишкової довговічності труби t_q від початкового роз дефекту : а - за зміни частоти відкриття-закриття засувок: 1 - ; 2 - 40; 3 - 50; 4 - 73; б - за зміни амплітуди тиску р від турбулентності потоку: 1 - 2 - 0,1 3 - 0,15; в - за зміни напружень в трубі при затиску її ґрунтом: 1 - МПа; 2 - ; 3 -

Оскільки товщина стінки нафтопроводу набагато менша від внутрішнього радіуса труби r_b, то для спрощення розв'язку задачі із незначною похибкою в кінцевому результаті вважатимемо, що така тріщина розвивається в нескінченній пластині, підданій дії статичного Q і змінного p навантажень. Перше викликане теплозмінами защемленої ґрунтом стінки труби. Його визначають з натурних обстежень і воно може досягати величини 200 МПа. Змінне у часі навантаження р(t) зумовлене гідравлічними коливаннями тиску, а також коливаннями, які виникають внаслідок зупинок помп, закриття засувок тощо, можна описати мажорантою синусоїдального типу (24). У результаті приходимо до рівняння (25), що описує період докритичного росту втомної тріщини, де константи матеріалу знаходять експериментально. Залежності залишкової довговічності труби нафтопроводу від згаданих вище чинників за описаними у цьому розділі методиками розрахунку побудовано на рис. 16.

,(24)

,(25)

З них випливає, що зі зменшенням кількості операцій закриття-відкриття засувок довговічність труби збільшується; через турбулентність потоку нафти в трубі зменшується її довговічність, а це зобов'язує експлуатаційників дотримуватися якнайкращої синхронізації роботи помп; зі зменшенням затиску труби ґрунтом збільшується її довговічність.

Рис. 17. Осі координат та розміри труби

У п'ятому розділі розвинуто теоретико-експериментальний метод для оцінки залишкових напружень у зоні зварних з'єднань трубопроводів. Загалом локальність залишкових пластичних деформацій у зоні зварного шва зумовлює тривісний напружений стан в оболонкових конструкціях і для його визначення потрібно розв'язувати тривимірну задачу. В дисертації з використанням пакета комп'ютерних програм Woldpredictions досліджено тривісний розподіл залишкових напружень і пластичних деформацій у зонах кільцевих зварних з'єднань МТ різних товщин і діаметрів. Вивчено розподіл напружень у зонах кільцевих зварних стиків трубопроводів і для товщин, що регламентовані нормативними документами; обґрунтовано правомірність використання для визначення залишкових напружень теорії оболонок. При цьому для розрахунків використано дві моделі теорії оболонок: уточнену, що враховує жорсткість на зсув в перпендикулярному до серединної поверхні напрямку, і класичну.

Для аналізу рівня і розподілу залишкових технологічних деформацій і напружень у зоні зварного з'єднання віднесли трубу до циліндричної системи координат (рис. 17), де - відстань довільної точки вздовж осі труби від початкового перерізу, який сумістимо з площиною зварного шва, - кут між початковою і довільною площинами, що проходять через вісь обертання, - координата вздовж зовнішньої нормалі до серединної поверхні труби, і - радіуси зовнішньої та внутрішньої поверхонь труби, а - її товщина.

Компоненти тензора повної деформації зобразимо у вигляді суми

,(26)

де - компоненти тензора залишкових термопластичних деформацій; - компоненти тензора пружної деформації, викликані залишковими напруженнями так, що

.(27)

тут - символи Кронекера; - модуль Юнґа; - коефіцієнт Пуассона.

Для осесиметричного напруженого стану, коли відмінними від нуля є осьові , колові (окружні) , радіальні і зсувні залишкові термопластичні деформації та осьові , колові (окружні) , радіальні і зсувні в поперечному напрямку залишкові напруження, решта компонент дорівнюють нулю:

.(28)

Методом скінченних елементів (МСЕ) числово проаналізовано розподіл залишкових деформацій і напружень в зоні багатошарового кільцевого зварного шва для з'єднання труб діаметром мм і товщиною мм, виготовлених зі сталі 10Г2БТ ( МПа; ; МПа; МПа).

Для розрахункової моделі теорії оболонок позначимо радіус серединної поверхні стінки труби через R. Положення довільної точки на серединній поверхні оболонки визначатимемо координатами і . Надалі віднесемо оболонку до триортогональної системи координат , , , де - безрозмірна координата, - координата вздовж зовнішньої нормалі до серединної поверхні (рис 18).

Для осесиметричної задачі у межах уточненої теорії оболонок ключове рівняння для визначення нормального до серединної поверхні прогину можна записати у вигляді



(29)

тут

,

,

, ,

,(30)

, , - осьові, колові і зсувні несумісні залишкові деформації,

;

;

,

- модуль зсуву на площадках, перпендикулярних до серединної поверхні, - коефіцієнт зсуву, - прикладене до оболонки осьове зусилля.

Рис. 18. Схема стикового зварного з'єднання трубопроводів

На основі виконаного МСЕ аналізу розподілу залишкових напружень і залишкових термопластичних деформацій у зоні багатошарових кільцевих зварних швів магістральних трубопроводів і відомих результатів досліджень розподіл несумісних залишкових деформацій апроксимуємо виразами

,

,

,(31)

де

;

, ;

;

,

, ; ;(32)

- функції Гевісайда; , ; , ; , ; - координати меж зон залишкових деформацій; , , , , , - числові параметри функції , що характеризують нерівномірність розподілу залишкових деформацій по товщині труби, а - зміну цих деформацій вздовж осі труби.

Отримано вирази для визначення колових , осьових і зсувних залишкових напружень у довільній точці труби в зоні зварного з'єднання:

; ;

.(33)

Вирази для обчислення безрозмірних напружень одержано в замкнутій формі.

Для визначення довільних числових параметрів , , , , , , , для конкретного кільцевого зварного з'єднання труб необхідно використати експериментальні результати, які можна отримати за допомогою неруйнівних методів контролю, і розв'язати обернену задачу теорії оболонок з власними технологічними напруженнями. Потрібно зауважити, що для ізотропних матеріалів , а коефіцієнт зсуву . Проте, щоб отримати на основі основних співвідношень теорії оболонок, що враховує скінченну зсувну жорсткість , відповідні співвідношення класичної теорії оболонок, потрібно, зокрема, прийняти жорсткість на зсув .

Під час оцінки впливу зсувної жорсткості на площадках, перпендикулярних до серединної поверхні стінки труби, на розподіл залишкових напружень ураховано, що для металевих однорідних оболонок при , , якщо , ; обчислено безрозмірні колові і осьові залишкові напруження на зовнішній (), внутрішній () і серединній () поверхнях труби (рис. 19).

а б

Рис. 19. Розподіл безрозмірних колових (а) і осьових (б) залишкових напружень у зоні зварного шва на зовнішній, внутрішній і серединній поверхнях труби

За вибраних числових значень параметрів , , у випадку, коли , безрозмірні залишкові напруження обчислено за формулами класичної теорії оболонок. Порівняння результатів обчислень залишкових напружень , при і при показало, що максимальні відхилення між ними не перевищують 2%. Це обґрунтовує достовірність застосування отриманих на базі класичної теорії формул для розрахунку залишкових технологічних напружень у зоні кільцевого зварного з'єднання труб МТ, виготовлених з однієї марки сталі і з однаковою товщиною стінок.

Для знаходження невідомих параметрів , , , , , побудовано функціонал. Якщо експериментальні дані одержані за результатами вимірювань на зовнішній поверхні труби за допомогою електромагніетного , ультразвукового методів та методу спекл-інтерферометрії , то функціонал має вигляд

,(34)

де - кількість перерізів труби, в яких виконують вимірювання; - вагові множники. Числово проаналізовано з'єднання труб багатошаровим кільцевим зварним швом. Обчислювали залишкові напруження для виготовлених зі сталі Х-70 труб діаметром 1420 мм і товщиною стінок 15,7 мм .

Для числових значень параметрів

(), ; ; , які характеризують рівні і градієнти вздовж труби і за її товщиною залишкових термопластичних деформацій і , виконано параметричний аналіз впливу ширини зони їх локалізації, що описуються різними числовими значеннями параметрів , на розподіл колових і осьових залишкових напружень у зоні зварного шва.

а б

Рис. 20. Розподіли колових (а) і осьових (б) залишкових напружень на зовнішній поверхні труби

На рис. 20 подано результати числового аналізу впливу ширини зони термопластичних деформацій на рівень і розподіл колових і осьових залишкових напружень у зоні зварного шва на зовнішній () поверхні труби.

У шостому розділі запропоновано методики теоретико-експериментального визначення залишкових напружень у кільцевих зварних з'єднаннях ділянок трубопроводів, обґрунтована їх стійкість до похибок вхідних даних, які залежать від похибок експериментальних вимірювань. Методики визначення залишкових напружень у зварних з'єднаннях побудовано на математичній моделі розрахунку деформівних тіл з власними напруженнями і експериментальній інформації про характеристики напруженого стану, яку отримано неруйнівними методами контролю. Для уточнення тарувальних коефіцієнтів, що використовують під час визначення напруженого стану трубопроводів, розроблено і виготовлено дослідно-вимірювальний комплекс, до складу якого входять горизонтальний резервуар із секцій труб зовнішнім діаметром 1020 мм, зварених між собою багатошаровими кільцевими швами і привареними до них на торцях півсферичних днищ, комплект вимірювальних засобів та пристрої створення необхідного тиску у резервуарі.

...