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

Резервуар заповнювали водою і створювали внутрішній тиск заданого рівня. Це здійснювали за допомогою об'ємного помпувального агрегату МП - 150. Тиск у резервуарі контролювали зразковим манометром з класом точності вимірювань 0,4. Зменшували тиск в резервуарі зворотним переливанням води у накопичувальну ємність. Максимальні внутрішні тиски тут досягали 15 МПа. Циліндричні секції для резервуара комплектували з труб зовнішнім діаметром 1020 мм тривалого терміну експлуатації і з різних марок поширених трубних сталей ( див. табл. 1).

Таблиця 1. Геометричні характеристики і марка сталі секцій

№ %	Довжина секції l, мм	Товщина стінки t, мм	Форма	Марка сталі
1	250	22	Напівсферичне днище	09Г2С
2	450	14	Циліндрична секція	17Г1СУ
3	800	10	Циліндрична секція	13Г1С
4	450	10	Циліндрична секція	17Г1С
5	400	10	Циліндрична секція	17Г1С
6	400	9,5	Циліндрична секція	13Г1СУ
7	850	14	Циліндрична секція	17Г1С
8	250	22	Напівсферичне днище	09Г2С

Напружений стан секцій, в тому числі і в зоні швів різних ділянок резервуара, визначали з використанням методу електронної спекл-інтерферометрії, тензометрування, методів магнето- і акустопружності та коерцитиметрії. Експериментальне визначення напружень здійснювали за внутрішніх тисків у резервуарі 3; 4; 5 і 5,5 МПа. В усіх дослідженнях кількість повторних вимірювань становила не менше шести. За результатами експериментальних вимірювань колових і осьових напружень виконували їх статистичну обробку. У табл. 2 наведено результати обчислення колових і осьових напружень від внутрішнього тиску в стінці секцій резервуара за даними тензометруваня, а на рис. 21 - експериментальні результати визначенння кілових напружень на зовнішній поверхні, які отримані за допомогою спекл-інтерферометричного комплексу, і усереднена різниця головних напружень ^, отримані електромагнетним методом, для зварного шва резервуара, де з'єднано дві секції з товщинами стінок t₁ = t₂ = 10 мм, у функції відстані від осі шва: крива 1 - до опресування резервуара, крива 2 - після опресування. Матеріал секцій - сталь 17Г1С. Під час опресування тиск у резервуарі досягав 6 МПа.

Таблиця 2. Колові і осьові напруження від внутрішнього тиску в стінках секцій резервуара

№ секції параметри	2	3	4	5	6	7
Товщина стінки t = 2h, мм	14	10	10	10	9,5	14
Радіус серединної поверхні R, мм	503	505	505	505	505,25	503
, МПа p = 3,0 МПа	107,6	151,6	151,2	151,9	160,8	108,4
, МПа p = 3,0 МПа	53,7	75,4	75,8	76,1	80,4	54,1
, МПа p = 4,0 МПа	143,9	201,8	201,6	202,2	211,7	144,7
, МПа p = 4,0 МПа	70,9	100,9	101,9	100,5	105,4	71,9
, МПа p = 5,0 МПа	178,4	253,4	254,0	256,8	263,9	180,3
, МПа p = 5,0 МПа	89,1	125,7	126,9	124,3	131,7	91,1
МПа p = 5,5 МПа	198,0	276,1	278,3	275,0	291,4	199,5
МПа p = 5,5 МПа	98,3	137,2	139,3	136,0	145,1	99,2



Рис. 21. Експериментальні залежності колових залишкових напружень (зірочки) і усередненої різниці головних напружень (точки) від відстані до осі шва.

Узагальнюючи результати, отримані в цьому й інших розділах роботи, запропонували низку конструкційних і технологічних рішень для підвищення надійності роботи трубопроводів тривалої експлуатації, новизна яких захищена патентами на винаходи та корисні моделі.

Сьомий розділ присвячено дослідженню впливу залишкових напружень на статичну міцність і довговічність ділянок трубопроводів з дефектами в зонах дії залишкових напружень, зокрема у зварних швах. Для оцінки статичної міцності використано перевірений численними експериментами двопараметричний критерій (силовий критерій) крихко-в'язкого руйнування, на основі якого побудовано діаграму оцінки руйнування та області категорій дефектів (рис. 22). Білим кольором на рисунку виділена допустима область, яку на основі критерію статичної міцності отримали шляхом зменшення граничної області в разів. Залежно від значень КЗМ дефекти віднесено до трьох умовних категорій: незначний, небезпечний (помірний, значний) і критичний.



Рис. 22. Діаграма оцінки руйнування (ДОР)

Для напруженого стану, під дією якого знаходиться ділянка труби, розраховують КІН , що характеризує механізм крихкого руйнування, та напруження, , яке описує пластичну нестійкість, за якими обчислюють кординати точки , що визначає стан міцності трубопроводу з тріщиною на двокритеріальній діаграмі:

(35)

КЗМ для розрахункової точки визначаємо графічно через відношення відрізків:

,(36)

де - точка перетину променя з граничною кривою ДОР. КЗМ можна також визначити аналітично:

або

.(37)

Коли тріщина знаходиться в зоні дії залишкових напружень, КІН подамо у вигляді суми

, (38)

де визначається зовнішнім навантаженням, а - залишковими напруженнями. Тоді, відповідно,

. (39)

При цьому слід відзначити, що залишкові зварювальні напруження майже повністю встигають релаксувати до появи пластичної нестійкості і не впливають на величину , тому під час розрахунку параметра залишкові напруження рекомендують не враховувати.

З урахування залишкових напружень отримали формули для визначення КЗМ:

,

;

,

;(40)

,

,

де .

Оцінено вплив залишкових напружень на міцність ділянки газопроводу зі з'єднаннями з осьовою поверхневою тріщиною в зоні зварного шва.

Значення КІН і визначено для усереднених по поверхні тріщини залишкових напружень :

(41)

де - внутрішній радіус труби; - товщина стінки труби; - коефіцієнти впливу; - глибина тріщини; - ширина тріщини; і - нормальні до берегів тріщини мембранні та згинальні напруження; і - допоміжні коефіцієнти (рис. 23). Розподіл колових залишкових напружень зображено на рис 24.

Рис. 23. Розрахункова схема ділянки трубопроводу із зовнішньою осьовою напівеліптичною тріщиною у зварному шві

Залежність КЗМ і від відносної глибини тріщини зображено на рис. 25. Числовий аналіз задачі виконано для ділянки труби магістрального газопроводу, виготовленої зі сталі марки X60 (МПа; ; МПа, МПа) зовнішнім діаметром мм і товщиною стінки мм, яка знаходиться під дією внутрішнього тиску МПа. Залишкові напруження у зварному з'єднанні розрахован для розподілу термопластичних деформацій за таких значень числових параметрів, які входять у вирази: ; ; ; ; ; ; ; ; ; мм; мм; мм. Криві 2 і 3 відповідають значенням (2 - 100 МПа; 3 - 261 МПа) незрелаксованих напружень, які згідно з літературними джерелами знаходяться в межах 50…150 МПа та існують у зварних з'єднанннях навіть після повного відпуску.

Рис. 24. Залежність колових залишкових напружень у зоні кільцевого зварного шва від відстані z вздовж осі труби



Рис. 25. Залежність коефіцієнтів запасу міцності (криві 2, 3) і (крива 1) від відносної глибини тріщини

Рис. 26. Схема перерізу труби з внутрішньою кільцевою поверхневою тріщиною

Як видно з графіків, з ростом глибини тріщини КЗМ зварного з'єднання з дефектом значно зменшується. При цьому суттєвий вплив мають залишкові напруження і коли МПа критичне значення КЗМ досягається за глибини дефекту .

Досліджено вплив залишкових напружень на міцність ділянки трубопроводу з кільцевою поверхневою тріщиною у зварному шві (рис 26).

Залежність осьових залишкових напружень тут подано у вигляді (42)

, (42)

де - відповідні компоненти для визначення напружень у перерізі . При цьому КІН обчислено за формулою (43)

. (43)

Залежність осьових залишкових напружень від відстані до осі шва на зовнішній, внутрішній і серединній поверхнях труби зображено на рис. 27, КЗМ і від відносної довжини тріщини - на рис. 28.

Рис. 27. Залежність осьових залишкових напружень від відстані до осі шва на зовнішній (суцільна лінія), внутрішній (штрихова) і серединній (штрих-пунктирна лінія) поверхнях труби

Рис. 28. Залежність КЗМ і від відносної довжини тріщини

Рис. 28 графічно ілюструє залежність КЗМ відповідно для глибин тріщин мм і 3 мм з урахуванням дії на їх береги залишкових напружень , а штрихові лінії 1 та 2 відтворюють аналогічну залежність КЗМ , коли дефект таких же розмірів знаходиться на відстані від зварного шва, на якій залишкові напруження можна знехтувати і прийняти, що . Як видно з графіків, залишкові напруження можуть суттєво вплинути КЗМ . Пряма лінія оисує значення допустимого КЗМ. Якщо значення знаходиться вище цієї прямої, то дефект вважають допустимим, а ділянка трубопроводу роботоздатною. Коли , то дефект відносять до категорії критичних, а ділянку трубопроводу вважають нероботоздатною.

У цьому розділі на основі концепції ефективного розмаху КІН оцінено також вплив залишкових напружень на втомне руйнування зварних з'єднань трубопроводів. Швидкість росту втомних тріщин в експлуатаційних умовах залежить як від напружень , зумовлених дією зовнішніх (робочих) навантажень, так і залишкових (технологічних) напружень , які в свою чергу спричинюють КІН та . Розмах КІН повністю визначається максимальним і мінімальним значеннями зовнішніх зусиль

, (44)

а складова від залишкових напружень впливає лише на коефіцієнт асиметрії циклу навантаження (відношення мінімального до максимального значень у циклі):

. (45)

Застосовано перехід від номінальних до ефективних розмахів КІН за допомогою множника, що характеризує механізм закриття тріщини:

.(46)

Тоді кінетичні діаграми втомного руйнування матеріалу в «ефективних» координатах практично не залежать від асиметрії навантаження.

Швидкість росту тріщини втоми під дією циклічного навантаження визначаємо, застосувуючи рівняння Періса з урахуванням ефективного розмаху КІН:

, (47)

де , - інваріантні характеристики матеріалу, коли тріщина знаходиться у зварному шві, тобто . Тоді з урахуванням умов деформування, за яких у найглибшій точці контуру тріщини є плоска деформація, а біля поверхні труби реалізується перехідний стан між плоскою деформацією та плоским напруженим станом , рівняння для визначення швидкості росту тріщини вглиб і в поздовжньому напрямку набувають вигляду

;(48)

.(49)

тут

- цикли навантаження. Початкові умови задані розмірами вихідної тріщини

Рис. 29. Залежність критичного числа циклів навантаження від параметра

На рис. 29 зображено залежності критичного числа навантаження внутрішнім тиском для різних рівнів залишкових напружень, що характеризуються значеннями параметра , для двох випадків: коли (віднульове навантаження) і .

З цих залежностей можна оцінити вплив довільних (у межах зміни параметра ) усереднених по поверхні тріщини колових залишкових напружень на довговічність ділянки труби з поверхневою тріщиною у зварному шві.

Основні результати та висновки

За результатами досліджень, які виконані у дисертаційній роботі, сформульовано основи методології оцінки залишкового ресурсу трубопроводів, що працюють під дією механічних навантажень, робочих середовищ та за наявності у них тріщиноподібних дефектів і залишкових напружень у зоні зварних з'єднань. Методологія спрямована на вирішення актуальної науково-практичної проблеми - удосконалення існуючих і розроблення нових методів і засобів діагностування напруженого стану, визначення міцності та довговічності труб і зварних з'єднань магістральних нафтогазопроводів з дефектами і з урахуванням особливостей умов їх експлуатації і ґрунтується на таких основних наукових результатах та висновках:

1. Сформульовано критерій циклічної міцності тонкостінних елементів конструкцій для визначення таких безпечних параметрів циклічного навантаження, за яких забезпечується їх заданий ресурс. Він побудований на основі енергетичного підходу визначення гранично-рівноважного стану тонкостінних елементів конструкцій з тріщинами за двовісного навантаження і враховує внутрішній тиск і розтяг-стиск труби, затиснутої ґрунтом, від теплових змін. Зокрема, показано, що за досягнення осьовими розтягальними напруженнями значення 0,5_T, критичні колові напруження зменшуються на 20 %.

2. Розроблена математична модель для визначення періоду докритичного росту корозійно-механічної тріщини в тонкостінних елементах конструкцій. При цьому розглянуто два типи матеріалів трубопроводів: високоміцні, де галуження корозійно-механічної тріщини майже відсутнє, і високопластичні, яким воно притаманне. Коректність моделі перевірена результатами відомих експериментальних досліджень і на її основі досліджено вплив корозивно-агресивних і водневовмісних середовищ на міцність і довговічність газопроводів.

3. Запропоновано метод оцінки залишкового ресурсу труби газопроводу в умовах дії вологого сірководню. На основі цього побудовано залежності залишкового ресурсу труби зі сталі Х52 від початкового розміру тріщини. Показано, що за активної дії сірководню і заданого навантаження розмір початкової тріщини інтенсивно зростає. Окрема методика враховує випадковість дії навантаження в реальних умовах експлуатації. На цій основі розраховано період залишкової довговічності труби газопроводу до її розгерметизації. Розроблено розрахункову модель навантаження стінки магістральних нафтопроводів, яке в загальному випадку прийняте двовісним та двочастотним, і введено поняття енергетичної швидкості поширення втомної тріщини та метод еквівалентних площ для визначення періоду докритичного росту втомних тріщин за такого навантаження. На цій підставі створено метод розрахунку залишкового ресурсу труби нафтопроводу з внутрішньою поверхневою тріщиною з урахуванням реальних умов експлуатації.

4. З використанням розробленої розрахункової моделі для визначення періоду зародження втомних тріщин біля сплюснутих концентраторів напружень, а також енергетичного підходу для визначення періоду їх докритичного росту запропоновано спосіб визначення залишкового ресурсу балкового переходу газопроводу з технологічним дефектом за вітрового навантаження. Проаналізовано і побудовано залежності залишкового ресурсу труби від геометричних параметрів дефекту, який змодельовано сплюснутим напівеліпсоїдом.

5. На базі двопараметричного критерію крихко-в'язкого руйнування і рекомендованої на цій основі нормативними документами діаграми оцінки руйнування вперше отримано замкнуті формули для обчислення коефіцієнтів запасу міцності ділянок трубопроводів з тріщинами у зварних з'єднаннях з урахуванням змінних вздовж труби і за її товщиною залишкових напружень. Для конкретних ділянок трубопроводу з зовнішньою і внутрішньою осьовими поверхневими тріщинами у зварному з'єднанні визначено залишкові напруження і їхні усереднені по поверхнях тріщин значення, обчислено коефіцієнт інтенсивності напружень та напруження , які характеризують механізм в'язкого руйнування (пластичну нестійкість), і на цій основі визначено коефіцієнти запасу міцності. Оцінено вплив залишкових напружень на статичну міцність прямолінійної підземної або наземної в насипі ділянки трубопроводу з осьовими та кільцевими поверхневими тріщинами у зварному шві. Проаналізовано зміну коефіцієнтів запасу міцності для різних глибин і довжин тріщин і згідно з нормативними документами встановлено категорію їхньої небезпеки.

6. Згідно з концепцією ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень і з урахуванням закриття тріщини розроблено методику оцінки впливу змінних за товщиною і довжиною труби залишкових напружень на довговічність ділянки трубопроводу з зовнішньою поверхневою тріщиною у зварному шві. На цій основі для конкретного зварного з'єднання досліджено залежності впливу геометрії тріщини на кількість циклів і різні рівні залишкових напружень. Побудовано діаграми для визначення критичної кількості циклів навантаження внутрішнім тиском для довільних рівнів усереднених по поверхні тріщини колових залишкових напружень. Апробація створених методик на філії МН «Дружба», в акціонерному товаристві «Газтранзит» і фірмі «Розен Юроп Б.В.» підтвердили їх достовірність, очікуваний економічний ефект від впроваджень результатів досліджень становить 1 млн. 393 тис. грн.

Основний зміст роботи відображено у працях

1. Середницький Я.А. Сучасна протикорозійна ізоляція в трубопровідному транспорті / Я.А. Середницький, Ю.В. Банахевич, А.В. Драгілев. - Львів; Київ: ТзОВ «Сплайн», 2004. - Ч. 2. - 276 с.

2. Середницький Я.А. Сучасна протикорозійна ізоляція в трубопровідному транспорті / Я.А. Середницький, Ю. В. Банахевич, А.В. Драгілев. - Львів; Київ: ТзОВ «Сплайн», 2005. - Ч. 3. - 286 с.

3. Середницкий Я.А. Противокоррозионная изоляция магистральных газонефтепроводов: справ. / Я.А. Середницкий, Ю.В. Банахевич, А.В. Драгилев. - Львов; Киев: ООО «Сплайн», 2008. - 495 с.

4. Діагностика напружень у трубах шлейфів і трубопровідних обв'язок з корозійними дефектами навколо зварного шва / А. Драгілєв, Ю. Банахевич, В. Осадчук, А. Кичма // Наук. вісник Івано-Франк. нац. техн. ун-ту нафти і газу. - 2004. - № 2(8). - С. 102-107.

5. Підсилення магістральних трубопроводів бандажами на розширеному бетоні / Б. С. Білобран, С. Ф. Савула, Ю. В. Банахевич, Я. Б. Якимечко // Там само. - 2005. - № 3(12). - С. 97-101.

6. Осадчук В. А. Визначення напруженого стану магістральних трубопроводів в зоні кільцевих зварних швів / В. А. Осадчук, Ю. В. Банахевич, О. О. Іванчук // Фіз.-хім. механіка матеріалів. Спец. вип. - 2006. - 42, № 2. - С. 99-105.

7. Банахевич Ю. В. Прогнозування росту втомних тріщин в магістральних трубопроводах із врахуванням експлуатаційних умов навантаження / Ю. В. Банахевич, О. І. Дарчук // Методи та прилади контролю якості. - 2006. - № 46. - С. 25-28.

8. Захист від корозії зварних стиків магістральних трубопроводів із заводською тришаровою поліетиленовою ізоляцією / К. Фог, Б. Збишевскі, Ю. Банахевич, А. Драгілєв // Фіз.-хім. механіка матеріалів. Спец. випуск - 2006. - 42, № 5. - С. 339-345.

9. Банахевич Ю. В. Вплив розташування відносно зварного шва поверхневої тріщини в стінці труби на залишкову довговічність зварного з'єднання / Ю. В. Банахевич, О. Є. Андрейків, М. Б. Кіт // Наук. вісник Івано-Франк. нац. техн. ун-ту нафти і газу. - 2007. - № 2 (16). - С. 108-112.

10. Банахевич Ю. В. Визначення залишкового ресурсу нафтопроводу з тріщиною поблизу зварного шва / Ю. В. Банахевич, О. Є. Андрейків, М. Б. Кіт // Машинознавство. - 2007. - № 8. - С. 8-12.

11. Банахевич Ю. В. Оцінювання коефіцієнтів інтенсивності напружень біля тріщин навколо порожнин / Ю. В. Банахевич // Там само. - 2007. - № 12. - С. 9-11.

12. Банахевич Ю. В. Визначення деформаційних параметрів біля півкільцевої мікротріщини навколо мікроямки в півпросторі / Ю. В. Банахевич // Там само. - 2008. - № 11. - С. 38-40.

13. Експериментальний модальний аналіз повітряних переходів магістральних газопроводів / Ю. В. Банахевич, А. А. Мандра, С. Ф. Савула, І. З. Лютак // Нафтова і газова промисловість. - 2008. - № 5. - С. 35-37.

14. Осадчук В. А. Вплив ширини зони пластичних деформацій на розподіл тривісних залишкових напружень у плиті з багатошаровим прямолінійним зварним швом / В. А. Осадчук, Ю. В. Банахевич, Л.І. Цимбалюк // Машинознавство. - 2008. - № 2. - С. 3-7.

15. Банахевич Ю. В. Визначення залишкового ресурсу зварного з`єднання трубопроводу з поверхневою тріщиною / Ю. В. Банахевич, О. Є. Андрейків, М. Б. Кіт // Там само. - 2009. - № 3. - С. 9-12.

16. Андрейків О. Є. Циклічна міцність тонкостінних елементів конструкцій з тріщинами / О. Є. Андрейків, Ю. В. Банахевич, М. Б. Кіт // Доп. НАН Украни. - 2009. - № 7. - С. 56-62.

17. Banakhevych Y. Prediction of residual pipeline resource taking into account the operation loaning conditions / Y. Banakhevych, J. Andreykiv, M. Kit // Проблемы прочности (Strength of materials the international journal). - 2009. - № 1 (397). - С. 44 - 52.

18. Банахевич Ю. В. Циклічна міцність труб з поверхневими тріщинами / Ю. В. Банахевич, О. Є. Андрейків, М. Б. Кіт // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ. - 2009.- №1 (30). - С. 23-28.

19. Банахевич Ю. В. Визначення напружено-деформованого стану зварних з'єднань труб методом спекл-інтерферометрії / Ю. В. Банахевич // Методи та прилади контролю якості. - 2009. - № 23. - С. 29-34.

20. Банахевич Ю. В. Розрахунок кінетики поширення водневих блістерів у нафтогазовому устаткуванні / Ю. В. Банахевич, О. В. Гембара, О. Є. Андрейків // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2009. - № 5. - С. 17-25.

21. Банахевич Ю. В. Визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень в околі системи поверхневих тріщин в трубопроводі / Ю. В. Банахевич // Наук. вісник Івано-Франк. нац. техн. ун-ту нафти і газу. - 2009. - № 4 (22). - С. 114-119.

22. Банахевич Ю. В. Визначення періоду зародження втомних тріщин біля концентраторів напружень / Ю. В. Банахевич, А. Сакара // Машинознавство. - 2009. - № 5. - С. 31-33.

23. Банахевич Ю. В. Визначення залишкового ресурсу труби балкового переходу газопроводу при вітровому навантаженні / Ю. В. Банахевич // Там само. - 2010. - № 1-2. - С. 151 - 152.

24. Осадчук В. А. Математична модель розрахунково-експериментального визначення залишкових напружень в кільцевих зварних з'єднаннях труб на основі уточненої теорії оболонок / В. А. Осадчук, В. В. Пороховський, Ю. В. Банахевич // Там само. - 2010. - № 3-4. - С. 13 - 19.

25. Сакара А. О. Розрахункова модель для визначення періоду докритичного росту корозійно-механічних тріщин в металевих пластинах / А. О. Сакара, Ю. В. Банахевич // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2010. - № 3. - С. 23-29.

26. Осадчук В. А. Оцінка допустимості дефектів типу кільцевих тріщин в зоні зварних монтажних швів магістральних трубопроводів / В. А. Осадчук, Ю. В. Банахевич // Мат. методи та фіз.-мех. поля. - 2010. - 53, № 2. - С. 37-45.

27. Банахевич Ю. Кінетика сірководневого розтріскування металу у нафтобазовому устаткуванні / Ю. Банахевич, О. Гембара, О. Андрейків // Фіз.-хім. механіка матеріалів. Спец. випуск. - 2010. - 2, № 8. - С. 610-614.

28. Сакара А. Математичне моделювання процесів руйнування металевих матеріалів за механічного навантаження та дії водневих і корозійних середовищ / А. Сакара, Ю. Банахевич, І. Лохман // Там само. - 2010. - 1, № 8. - С. 120-124.

29. Діагностування напружено-деформованого стану і оцінка довговічності зварних з'єднань ділянок газопроводів прилеглих до компресорних станцій. Положення. - К.: ДК „Укртрансгаз», 2009. - 62 с.

30. Патент №7910 України. Спосіб визначення напруженого стану біля зварних з'єднань трубопроводів / А. В. Драгілєв, В. А. Осадчук, Ю. В. Банахевич, А. О. Кичма. - Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7.

31. Патент № 10362 України. Процес ремонту ділянок трубопроводу / М.В. Беккер, С.Ф. Савула, Ю.В. Банахевич, О.В. Ганін, О.В. Ганіна, А.О. Кичма, Б.І. Педько. - Опубл. 15.11.2005, Бюл. №11.

32. Патент № 21540 України. Спосіб ремонту ділянок трубопроводів розташованих на колонах балкових переходів / С.Ф. Савула, Ю. В. Банахевич, Й. Л. Зубик, А. О. Кичма, Я.М. Новіцький. - Опубл. 15.03.2007, Бюл. № 7.

33. Патент № 42402 України. Пристрій для очистки трубопроводів / В.М. Ажажа, В.А. Пашистий, О.С. Яремкевич, О.М. Бовда, В.П. Новіков, В.С. Яремкевич, Ю.В. Банахевич. - Опубл. 10.07.2009, Бюл. №13

34. Патент № 47745 України. Спосіб очистки трубопроводів / В.А. Пашистий, С.К. Яремкевич, О.С. Яремкевич, Ю.В. Банахевич. - Опубл. 25.02.2010, Бюл. №4

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

36. Патент № 78828 України. Роз'ємна муфта для ремонту підводних трубопроводів/ А.І. Лаус, В.К. Дячун, Б.С. Петровський, М.М. Дрогомирецький, С.Ф. Савула, Ю. В. Банахевич, А.Г. Голубєв. - Опубл. 25.04.2007, Бюл. №5.

37. Патент № 82884 України. Ізолююча муфта для газо- і нафтотрубопроводів / А.І. Лаус, В.М. Коломєєв, Ю.П. Гужов, С.Ф. Савула, Ю.В. Банахевич, В.К. Дячун. - Опубл. 26.05.2008, Бюл. №10.

38. Патент № 84565 України. Рознімна муфта для ремонту труб підводних переходів газо- і нафтотрубопроводів/ Б.С. Петровський, А.І. Лаус, А.О. Герасимович, В.К. Дячун, М.М. Дрогомирецький, С.Ф. Савула, Ю.В. Банахевич. - Опубл. 10.12.2008, Бюл. №23.

39. Патент № 84855 України. Спосіб проведення підготовчих, ремонтно-відновлювальних і заключних робіт при ремонті ділянок газопроводів, розташованих на опорах балкових переходів/ А.І. Лаус, В.М. Коломєєв, С.Ф. Савула, Ю.В. Банахевич, В.К. Дячун. - Опубл. 10.11.2008, Бюл. №21.

40. Определение остаточных напряжений в трубопроводах около монтажных сварных швов / А.В. Драгилев, Ю.В. Банахевич, В.А. Осадчук, А.А. Кычма // Материалы XIV Междунар. деловой встречи [«Диагностика-2004»], (Арабская республика Египет), 2004 - Т. 2. - Ч. 1. - С. 83-86.

41. Діагностування напруженого стану магістральних газопроводів в околі стикових зварних з'єднань розрахунково-експериментальним методом / В.А. Осадчук, А.В. Драгілєв, Ю.В. Банахевич, В.В. Пороховський // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: матеріали 3-ої Міжнар. конф. -Львів, 2004. - С. 439-444.

42. Controlling and measuring equipment with dedicated software for diagnostics of pipeline sections near welding joints / A. Dragilyev, Y. Banachevych, V. Osadchuk, A. Kychma // Матеріали VII міжнародної науково-техічної конфереції «Zarz№dzanie ryzykiem w eksploatacji ruroci№gуw», Pіock, 2_3 czerwca 2005. - Pіock, 2005. - S. 101-104.

43. Расчетно-экспериментальный метод и оборудование для проведения диагностики напряженного состояния сварных соединений трубопроводов / А.В. Драгилев, Ю.В. Банахевыч, В.А. Осадчук, А.А. Кычма // Материалы XV Междунар. деловой встречи [«Диагностика-2005»]. - Сочи, 2005. - Т. 2, Ч. 1. - С. 122-126.

44. Monitoring methods of technical state of oil and gas pipelines / S. Savula, Y. Banakhevych, A. Dragilyev, A. Kychma // Drilling oil gas. - Krakow, 2006. - № 23/1. - C. 371-376.

45. Банахевич Ю. В. Розрахункова модель оцінки росту втомних тріщин в магістральних трубопроводах в зоні зварних з'єднань / Ю. В. Банахевич // Наукові вісті (Інститут менеджменту та економіки «Галицька академія»). - Івано-Франківськ, 2006. - № 2(10). - С. 121-122.

46. Diagnostics of technological residual stresses in different thickness circumferential welded joints of pipelines / O. Ivanchuk, Y. Banachevych, V. Osadchuk, A. Kychma // 37. Mezinarodni konference «Defektoskopie 2007», listopad 7-9, 2007, Prague, Czech Republic. - P. 97 - 104.

47. Банахевич Ю. В. Визначення довговічності зварного з'єднання трубопроводу з тріщиною / Ю.В. Банахевич, М.Б. Кіт // 8-ий Міжнар. симп. укр. інженерів-механіків у Львові, 23-25 травня 2007 р. - Львів, 2007. - С. 40.

48. Визначення можливості і умов пропуску діагностичних поршнів на ділянці вантового переходу / І.В. Лохман, Ю.В. Банахевич, М.М. Дрогомирецький та ін. // Трубопровідний транспорт. Спец. вип. «Актуальні проблеми технічного діагностування трубопроводів і технологічного обладнання на них». - 2008. - С. 38-43.

49. Банахевич Ю.В. Дослідно-вимірювальний комплекс для експериментального визначення характеристик напружено-деформованого стану в зоні кільцевих зварних з'єднань труб магістральних газопроводів / Ю.В. Банахевич // Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики машинобудівного і нафтогазового обладнання: матеріали 5-ої Міжнар. наук.-техн. конф. і виставки (Івано-Франківськ, 2-5 грудня 2008 р.). - С. 130-133.

50. Осадчук В.А. Визначення залишкових напружень і оцінка їх впливу на ріст втомних тріщин в зоні кільцевих зварних з'єднань магістральних трубопроводів / В.А. Осадчук, Ю.В. Банахевич, В.В. Пороховський // Міцність та надійність магістральних трубопроводів: тези доп. Міжнар. наук.-практ. Конфер. (5-7 червня 2008, Київ, Україна). - Київ, 2008. - С. 91-93.

51. Банахевич Ю. В. Залишковий ресурс труб нафтопроводів з тріщинами і оптимізація параметрів їх експлуатації / Ю.В. Банахевич, О.Є. Андрейків, М.Б. Кіт // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій - Львів: ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2009. - С. 853-858.

52. Banakhevych Y. V. Method for analysis of the influence of residual technological stresses on the safety margin of welded joints of pipelines / Y. V. Banakhevych, O. О. Ivanchuk, V. A. Osadchuk // International conference «Pipeline Technology 2009», (October, 11-14, 2009, Ostend, Belgium). - 2009. - P. 50-54.

53. Бут В.С. Забезпечення технологічної та конструкційної міцності зварних з'єднань підсилюючих елементів з МГ / В.С. Бут, Ю.В. Банахевич, І.М. Олійник // Підвищення надійності та ефективності роботи лінійної частини магістральних газопроводів газотранспортної системи: зб. доп. (Яремче, 2010) / ДК «Укртрансгаз». - 2010. - С. 34-40.

Анотація

Банахевич Ю.В. Прогнозування залишкової міцності та довговічності ділянок нафтогазопроводів з дефектами за експлуатаційних умов. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.13 - трубопровідний транспорт, нафтогазосховища. - Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, 2011.

Дисертацію присвячено створенню теоретичних моделей, а відтак на їх основі - критеріїв та методик розрахунку залишкової міцності і довговічності нафтогазопроводів із наявними у них дефектами під дією циклічного і статиного навантажень та робочого середовища. Побудовано критерії циклічної міцності елементів трубопроводу з тріщинами, за якими можна визначати такі параметри циклічного навантаження, за яких забезпечується заданий ресурс експлуатації; розроблено розрахункову модель для визначення періоду зародження втомної тріщини біля сплюснутого концентратора напружень. Встановлено вплив корозивно-активних і водневовмісних середовищ на міцність і довговічність газопроводів шляхом прогнозування росту корозійно-механічної тріщини в трубопроводах, виготовлених з високопластичних і високоміцних матеріалів, та на основі створених математичних моделей запропоновано методику розрахунку залишкового ресурсу труби газопроводу з дефектом в умовах дії вологого сірководню.

Вперше отримано замкнуті формули для обчислення коефіцієнтів запасу міцності 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.

Ключові слова: магістральний трубопровід, тріщина, критерії руйнування, двочастотне навантаження, втомне поширення тріщини, корозійно-водневе розтріскування, зварні з'єднання, залишкові напруження, ресурс.

Аннотация

Банахевич Ю.В. Прогнозирование остаточной прочности и долговечности участков нефтегазопроводов с дефектами в эксплуатационных условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 - трубопроводный транспорт, нефтегазохранилища. - Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 2011.

Предметом диссертационных исследований является остаточная прочность и долговечность труб магистральных трубопроводов и их сварных соединений с трещинообразными дефектами, которые в эксплуатационных условиях подвергаются воздействию двухчастотных и двухосных переменных силовых нагрузок, сварочных остаточных напряжений, корозионно-агрессивных и водородосодержащих сред. Для их реализации применены методы и критерии механики разрушения, первый закон термодинамики для оценки энергетического баланса распространения усталостных трещин при этих нагрузках, методы физико-химической механики разрушения с учетом совместного действия эксплуатационных нагрузок и рабочих сред, теория оболочек, прямой метод интегрирования уравнений для трехосного распределения остаточных напряжений, интегральные преобразования, расчетно-экспериментальная оценка остаточного напряжения, неразрушающие методы определения характеристик напряженного состояния, двухкритериальний расчет предельного состояния трубопроводов.

Исходя из созданных теоретических моделей, а на их основе - критериев и методик расчета остаточной прочности и долговечности нефтегазопроводов с дефектами под действием циклического и статического нагружений и рабочей среды, построены критерии циклической прочности элементов трубопровода с трещинами, позволяющие определить такие параметры циклической нагрузки, при которых обеспечивается заданный ресурс эксплуатации; разработана расчетная модель для определения периода зарождения усталостной трещины возле сплющенного концентратора напряжений. Установлено влияние коррозионно-активных и водородосодержащих сред на прочность и долговечность газопроводов путем прогнозирования роста коррозионно-механической трещины в трубопроводах, изготовленных из высокопластичных и высокопрочных материалов, на основании созданных математических моделей предложена методика определения остаточного ресурса трубы газопровода с дефектом в условиях действия влажного сероводорода. Получены выражения для количественной оценки циклической долговечности на стадии развития усталостной трещины с учетом наложения высокочастотной составляющей с низкой амплитудой на низкочастотную.

Впервые получены замкнутые формулы для вычисления коэффициентов запаса прочности участков трубопроводов с трещинами в сварных соединениях с учетом переменных вдоль трубы и по ее толщине остаточных напряжений. Оценено влияние этих напряжений на статическую прочность участка трубопровода с поверхностными трещинами в сварном шве и, согласно нормативным документам, установлены категории их опасности. Согласно концепции эффективного размаха коэффициентов интенсивности напряжений с учетом закрытия трещины разработана методика оценки влияния остаточных напряжений на долговечность участка трубопровода с поверхностной трещиной в сварном шве.

Оценено влияние параметров, характеризующих ширину зон локализации и градиентов по длине и толщине труб термопластичных деформаций, на уровень и распределение остаточных напряжений в зонах кольцевых сварных швов трубопроводов. Проанализировано изменение коэффициента запаса прочности для разных глубин и длин трещин. Построены диаграммы для определения критического числа циклов нагружения внутренним давлением для произвольных уровней усредненных по поверхности трещины кольцевых остаточных напряжений.

Ключевые слова: магистральный трубопровод, трещина, критерии разрушения, двохчастотное нагружение, усталосное распространение трещины, корозионно-водородное расстрескивание, сварные соединения, остаточные напряжения, ресурс.

Annotation

Banakhevych Yu.V. Prediction of the remaining strength and lifetime of the defect-containing fragments of oil and gas transmission pipelines under service conditions. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of doctor of engineering sciences, specialty 05.15.13 - pipeline transportation, oil and gas storage. - Ivano-Frankivsk national technical university of oil and gas, Ivano-Frankivsk, 2011.

The dissertation is dedicated to development of theoretical models and relevant criteria and methods for evaluation of the remaining strength and lifetime of the defect-containing fragments of oil and gas transmission pipelines under cyclic and static stress and working environment. The criteria for cyclic strength of the pipeline with cracks have been developed. This allows determining the parameters of cyclic loading, which provide certain lifetime for the considered pipeline. The numerical model has been developed for determining the initiation time of a fatigue crack near the flattened stress concentrator. Using prediction for stress corrosion crack growth in the pipelines made for highly plastic and high strength materials the influence of aggressive corrosive and hydrogen-containing environment on strength and lifetime of gas pipelines has been determined. Employing the presented mathematic models a method for residual lifetime calculations is proposed for a defect-containing gas pipeline that works under the influence of wet hydrogen sulfide environment.

For the first time closed expressions for calculating the assurance factors for pipelines with cracks in welded joints subject to residual stresses that vary along the length and across the section of a pipeline. The influence of these stresses is evaluated concerning static fracture toughness of a pipeline containing surface cracks in a welded joint and the corresponding category of danger according to the regulatory documentation is established.

Key words: pipeline, crack, fracture criterion, bifrequential loading, propagation of a fatigue crack, stress corrosion cracking, hydrogen-induced cracking, welded joints, residual stress, lifetime.

Підписано до друку 23.05.2011 р.

Формат паперу 60х90/16. Папір офсетний. Друк на різографі.

Умовних друк аркушів 0,9

Наклад 100 прим.

Замовлення № 2405/1

Друк СПД «Синчук В.В.»

м. Львів, вул. Чупринки, 38

тел./факс. (032) 297-04-74

Размещено на Allbest.ru

...