Зниження залишкових зварювальних напружень у кільцевих швах трубопроводів обробкою вибухом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології

Зниження залишкових зварювальних напружень у кільцевих швах трубопроводів обробкою вибухом

Бризгалін Андрій Геннадійович

Київ 2006 р.

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с. Добрушин Леонід Давидович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідуючий відділом.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Степанів Геннадій Володимирович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України, завідуючий відділом,

член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, с.н.с. Кир'ян Валерій Іванович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідуючий відділом.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Киреєв Л.С.

Аннотация

конструкція трубопровід напруження

Брызгалин А.Г. “Снижение остаточных сварочных напряжений в кольцевых швах трубопроводов обработкой взрывом”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06-Сварка и родственные технологии. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, г. Киев, 2006 г.

Остаточные сварочные напряжения являются энергетической основой зарождения и развития трещиноподобных дефектов, их снятие в кольцевых швах труб можно отнести к основным мероприятиям по обеспечению долговечности трубопроводов различного назначения, в том числе работающих в контакте с агрессивной средой. Разработанная в ИЭС им. Е.О. Патона технология обработки взрывом по экономичности и оперативности значительно превосходит другие существующие технологии снижения остаточных напряжений в кольцевых швах труб, что позволяет рассматривать ее как наиболее перспективную.

Существующие подходы к расчетному определению параметров ОВз предполагают привлечение специалистов-разработчиков. Проблема создания инженерных методов определения параметров ОВз и оперативных способов контроля результатов обработки, которые могли бы применяться при широком промышленном использовании ОВз специалистами различных отраслей промышленности без привлечения разработчиков технологии, является достаточно актуальной. Ее решение позволит представить технологию ОВз как продукт, готовый для реализации сторонним организациям. Цель работы состояла в создании инженерного метода определения эффективных режимов обработки взрывом кольцевых швов трубопроводов без проведения экспериментальных исследований, совершенствовании технологического процесса снижения остаточных сварочных напряжений обработкой взрывом, совершенствовании способов оперативного неразрушающего контроля напряженного состояния металлоконструкций, в том числе после обработки взрывом. Разработаны оригинальный метод расчета параметров обработки взрывом кольцевых швов труб для обеспечения снижения остаточных сварочных напряжений, основанный на использовании достаточно точных результатов анализа поведения упругой оболочки при статическом нагружении к решению динамической задачи деформирования стенки оболочки. На базе этого метода разработана методика определения режимов обработки. Установлено наличие приближенной линейной зависимости между уровнем ОН в кольцевом сварном шве и величиной их изменения в результате обработки взрывом по режимам, определенным в соответствии с разработанной методикой. Наличие такой зависимости дает возможность прогнозировать результаты обработки и вносить коррективы в параметры обработки в случае необходимости.

Впервые разработана схема предварительной досварочной обработки взрывом краев труб с целью снижения ОН в кольцевых швах. Усовершенствован способ неразрушающей магнитоупругой тензометрии, что позволило существенно повысить точность и упростить методику проводимых измерений. Экспериментально показано, что стойкость к сероводородному поражению кольцевых швов труб после обработки взрывом превосходит таковую необработанных швов или подвергнутых испытанию повышенным давлением и не ниже термообработанных. Обработка взрывом не ухудшает стойкость основного металла труб, испытывающего воздействие импульсной нагрузки при подрыве заряда ВВ, к сульфидному растрескиванию.

Результаты выполненных в настоящей работе исследований и разработанные инженерно-технические решения положены в основу создания и промышленного применения технологических процессов обработки взрывом кольцевых швов газопровода Таас-Тумус-Якутск, водоводов Ташлыкской гидроаккумулирующей станции, использовались при оценке напряженного состояния стенки резервуара нефтехранилища ОАО “Эксимнефтепродукт”, стенок резервуаров никелевого завода Пунта Горда (Куба).

Ключевые слова: обработка взрывом, остаточные напряжения, кольцевой шов, сварная конструкция, коррозионная стойкость.

Анотація

Бризгалін А.Г. Зниження залишкових зварювальних напружень у кільцевих швах трубопроводів обробкою вибухом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - зварювання та споріднені технології. - Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України, м. Київ, 2006 р.

Зниження залишкових напружень є важливим заходом щодо забезпечення надійності й довговічності зварних конструкцій, у тому числі трубопроводів відповідального призначення. У результаті проведених у дисертації досліджень теоретично обґрунтовані й експериментально підтверджені нові методи визначення режимів обробки вибухом кільцевих швів труб, проведеної з метою зниження залишкових напружень, способи підвищення економічності й ергономічності обробки вибухом, розглянуті можливості ефективного застосування неруйнуючої тензометрії для контролю результатів обробки й оцінки напруженого стану металоконструкцій. Експериментально встановлена доцільність застосування обробки вибухом для підвищення корозійної стійкості кільцевих швів труб, що працюють у контакті із середовищем, який містить сірководень. Результати роботи знайшли практичне застосування на підприємствах України та за рубежем.

Ключові слова: обробка вибухом, залишкові напруження, кільцевий шов, зварна конструкція, корозійна стійкість.

Annotation

Bryzgalin A.G. The residual stress reliving at the circumferential welds of the pipelines by explosion treatment. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree on a speciality 05.03.06 - “Welding and related technologies”. - E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.

Residual stresses reliving in pipelines circumferential welds is important process, aimed at arising their service life and reliability. As a result of researches conducted in the dissertation, justified theoretically and confirmed experimentally the new methods of determining of circumferential welds explosion treatment parameters, which are used for residual stresses reliving. New more effective processes of explosion treatment and nondestructive stresses measurement are developed. Fulfilled experiments show the efficiency of using of explosion treatment for increasing of the circumferential welds corrosion resistance in pipelines, which work in the media containing H₂S. The results of this work were applied by different enterprises in Ukraine and also abroad.

Key words: explosion treatment, residual stresses, circumferential weld, welded structure, corrosion resistance.

1. Загальна характеристика роботи

Дисертаційна робота присвячена подальшому розвитку уявлень про механізм зниження і раціонального змінювання полів залишкових зварювальних напружень обробкою вибухом (ОВб), розробці нових і оптимізації існуючих технологічних процесів зняття залишкових напружень (ЗН) у кільцевих швах металоконструкцій відповідального призначення з метою підвищення їхньої надійності та корозійної стійкості, удосконаленню методів контролю напруженого стану виробів з конструкційних сталей.

Актуальність теми. Зварювальні залишкові напруження є енергетичною основою зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів, що є місцями ініціювання руйнування металоконструкцій, тому їхнє зняття в кільцевих швах труб можна віднести до основних заходів щодо забезпечення довговічності трубопроводів, особливо тих, що працюють у контакті з корозійно-активними середовищами, зокрема такими, які містять сірководень. Економічність і оперативність ОВб дозволяють розглядати її як найбільш перспективну технологію зниження ЗН у кільцевих швах труб.

Підтримка працездатності трубопроводів, насамперед магістральних газо- і нафтопроводів, здійснюється шляхом поетапної заміни найбільш дефектних ділянок, що обумовлює досить часту зміну типорозмірів труб, що зварюються. Існуючі підходи до розрахункового визначення параметрів ОВб передбачають обов'язкову участь фахівців-розробників. Проблема створення інженерних методів визначення параметрів ОВб і оперативних способів контролю результатів обробки, які могли б застосовуватися при широкому промисловому використанні ОВб фахівцями різних галузей промисловості без залучення розробників технології, є досить актуальною. Її рішення дозволить представити технологію ОВб як продукт, готовий для реалізації зацікавленим організаціям.

Актуальною є також розробка дешевих і легкоздійсненних на практиці методів контролю напруженого стану конструкцій.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася автором у відділі зварювання, різання і обробки металів вибухом Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України. Матеріали дисертації отримані в ході роботи з вирішення проблеми 0.72.01 “Розробити і впровадити технологічні процеси, що підвищують експлуатаційну надійність зварних металоконструкцій та грунтуються на використанні енергії вибуху” (постанова ДКНТ і Держплану СРСР від 12.12.80 р. № 472/248, держ. реєстр. № 61074484), а також відповідно до планів Відомчого замовлення Національної академії наук України: 1.6.1.36.20 (номер державної реєстрації 01860078795), 1.6.1.36.6 (0197U014748), 1.6.1.36.33 (0102U005769).

Ціль роботи полягала в удосконаленні технологічного процесу ОВб кільцевих швів труб для зняття в них ЗН шляхом забезпечення можливості оперативного вибору параметрів і контролю результатів ОВб, підвищенні економічності та ергономічності процесу при його практичному використанні, в тому числі на трубопроводах, що працюють у контакті з агресивним середовищем, яке містить сірководень.

Виходячи з поставленої цілі, у роботі вирішувалися наступні основні завдання:

створення та обґрунтування методу оперативного розрахунку параметрів обробки вибухом кільцевих швів трубопроводів для керування величиною ЗН;

розробка розрахунково-експериментальної методики визначення режимів ОВб труб, що зв'язує параметри вибухового навантаження, геометрії труби, що обробляється, її початкового та кінцевого напруженого стану;

розробка способу зниження ЗН у кільцевих швах труб за допомогою попередньої (до зварювання) обробки вибухом;

розробка способу контролю результатів ОВб;

удосконалення неруйнівного способу оцінки напруженого стану металоконструкцій;

перевірка працездатності оброблених вибухом труб з кільцевими швами в сірководневому середовищі;

експериментально-промислова перевірка результатів досліджень і розробка рекомендацій, щодо практичного використання ОВб.

Об'єкт і методи досліджень. Об'єктом досліджень був процес ОВб кільцевих швів труб, що проводиться з метою зниження ЗН. Дослідження проводилися на зразках труб з конструкційних сталей, які піддавалися ОВб, термообробці (ТО) і випробуванню підвищеним тиском. Для проведення ОВб використовувалися стандартні шнурові вибухові матеріали (ВМ) на основі гексогену. Дослідження напруженого стану зварних з'єднань проводилися за допомогою деформометра, тензодатчиків опору, приладами магнітопружної тензометрії ІНІ-1 й SMMT-2. Випробування зразків основного металу й металу зварних з'єднань на корозійну стійкість у сірководневих середовищах проводилися за методикою NACE в умовах ВНДІГазу, за методикою і в умовах Волгоградського технічного університету, корозійні випробування натурних зразків труб проводилися за методикою, розробленою спільно ІЕЗ ім. Є.О. Патона і ВНДІГазу. Розрахункові методи розроблялися на основі теорії пружності й опору матеріалів.

Наукова новизна роботи:

Розроблено новий підхід до визначення величини динамічного навантаження стінки труби, необхідної для ефективного зниження ЗН в кільцевих швах труб, якій засновано на використанні загального виду залежності деформації стінки циліндричної оболонки від зовнішнього статичного нагружения, отриманий у рамках теорії пружності. Цей підхід дозволив створити методику розрахунку оптимальних режимів ОВб труб різного типорозміру. Вперше встановлена й аналітично описана залежність ефективності зниження ЗН у кільцевих швах труб при ОВб за режимами, що обрали відповідно до розробленої методики, від величини вихідних зварювальних ЗН. Ця залежність дозволяє прогнозувати результати ОВб і коригувати її режими, якщо в цьому виникає потреба. Запропонований принципово новий метод зниження ЗН у кільцевих швах труб шляхом створення вибухом попередніх (до зварювання) пластичних деформацій стінки труби, які компенсують деформації, що виникають при наступному зварюванні, який дозволяє звеличити продуктивність та ергономічність процесу зниження ЗН обробкою вибухом. Науково обґрунтована і підтверджена експериментально можливість усунення істотної систематичної помилки, що виникає при визначенні напруженого стану металоконструкцій методом магнітопружної тензометрії, яка заснована на використанні особливості методу вимірювати різницю нормальних напружень. Усунення помилки значно розширює коло практичних завдань, які можуть бути вирішені за допомогою зазначеного методу.

Сукупність наукових положень і технічних розробок, представлених у дисертації, являє собою вирішення важливого науково-технічного завдання оптимізації технології зниження зварювальних, залишкових напруг у кільцевих швах трубопроводів обробкою вибухом, а також способів контролю результатів обробки та оцінки напруженого стану металоконструкцій. Вирішення цього завдання уможливлює широке промислове використання технології обробки вибухом кільцевих швів труб без участі розробника, розширює практичні можливості методу магнітопружної тензометрії.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені дослідження послужили основою для розробки і впровадження технологічних процесів ОВб кільцевих швів газопроводів Олишевського ЛПУ, ВО “Якутгазпром”, водоводів Ташлицької гідроакумулюючої електростанції, вимірювання напружень у стінці споруджуваного нафтосховища ВАТ “Ексимнафтопродукт”, стінок згущувачів Нікелевого заводу “Пунта Горда” (Куба), зварних з'єднань декомпозерів АТ „Алюміній Казахстану”. Розробка методики визначення режимів ОВб забезпечує можливість використання технології без залучення фахівців-розробників, що дозволяє розглядати її як продукцію, придатну для реалізації замовникові.

Особистий внесок здобувача складається в обґрунтуванні загальної концепції роботи, формулюванні цілей і завдань дослідження, виборі загальних і створенні спеціальних методів їхнього вирішення, особистій участі в плануванні й проведенні експериментів, розробці технологічного процесу попередньої (до зварювання) ОВб, розробці методу й методики визначення режимів ОВб кільцевих швів труб, способів вимірювання напруженого стану, особистій участі в практичній апробації технологій ОВб на промислових об'єктах. Розробка способу підвищення точності вимірювання напружень методом магнітопружної тензометрії проводилася автором самостійно.

У дисертації узагальнено наукові й практичні результати, отримані автором разом зі співробітниками ІЕЗ ім. Є.О. Патона, фахівцями інших наукових установ й організацій-замовників. Здобувачеві також належать основні положення наукової новизни і загальні висновки по дисертаційній роботі.

Наукові й практичні результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно або в співавторстві відповідно до основних публікацій, у яких особисто авторові належать: у роботі [1] - визначення режимів ОВб кільцевих швів труб, проведення експериментальних досліджень, [2, 23] - дослідження й аналіз напруженого стану кільцевих швів труб після різних видів обробки, [3] - експериментальне дослідження характеристик джерел живлення для зварювання трубопроводів, [4] - аналіз впливу ОВб на напружено-деформований стан зварних з'єднань; [5, 11] - розробка способів оцінки напруженого стану металоконструкцій за результатами вимірювання напружень механічним способом і методом магнітопружної тензометрії, [6, 8, 10, 27] - проведення експериментальних досліджень, [7] - практична реалізація ОВб на газопроводі Таас-Тумус-Якутськ, [9] - обґрунтування ефективності використання методу магнітопружної тензометрії. [12] - запропонована схема одночасного ініціювання зарядів ВМ, [13] - експериментальне дослідження впливу інертних прокладок на стан оброблюваної поверхні, [14] - запропоновано використати ДШ у якості ВМ для створення зон стискування в трубах, [15] - запропонований спосіб розрахунку маси заряду ВМ, проведення експериментальних досліджень, [16] - запропоновано вважати відстань від осі шва до ближнього краю заряду рівним величині усадочних пластичних деформацій від зварювання, [17] - запропоновано створювати вибухом на кінцях труб до зварювання деформацій, зворотних зварювальним, [18] - запропоновано трактування механізму утворення ЗН після попередньої ОВб і зварювання, [19, 20] - проведення експериментальних досліджень, [21] - розробка й експериментальне дослідження способу вимірювання механічних напружень, [22] - розрахунок економічної ефективності ОВб, [24, 25, 26] участь у розробки методики проведення корозійних іспитів, виготовлення зразків.

Апробація роботи. Результати досліджень доповідалися на VII й VIII Всесоюзній нараді по зварюванню, різанню й обробці металів вибухом (1987, м. Київ; 1990, м. Мінськ - 2 доповіді), Міжнародних конференціях “Застосування енергії вибуху для виробництва металевих матеріалів з новими властивостями” (1988, Пардубіце, ЧРСР), Конгресі Міжнародного інституту зварювання (1991, Гаага, Нідерланди).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 27 друкованих праць, у тому числі 17 робіт опубліковано в наукових журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, отримано 9 авторських свідоцтв на винахід, один патент України.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, списку використаної літератури і додатків. Вона містить 137 сторінок машинописного тексту з 46 малюнками та 14 таблицями, бібліографія нараховує 136 найменувань. Загальний об'єм роботи становить 154 сторінки наскрізної нумерації.

2. Основний зміст роботи

У вступі викладені актуальність і ціль роботи, об'єкти й методи дослідження, наукова новизна, сукупність отриманих результатів, практична цінність роботи, основні завдання, що розв'язані у роботі, наведені положення, що виносяться на захист. У першому розділі представлений огляд існуючих технологічних процесів ОВб, розглянуті механізми впливу ОВб на службові властивості металоконструкцій, способи регулювання параметрів вибухового навантаження при проведенні ОВб, проблеми забезпечення надійності трубопроводів.

У цей час, завдяки дослідженням і практичним розробкам, проведеним в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона, поняття “обробка вибухом” має на увазі технологічні процеси, спрямовані на підвищення службових властивостей зварних металоконструкцій, насамперед корозійної стійкості, циклічної довговічності, розмірної стабільності, зносостійкості та ін. Основою таких процесів є вплив вибуху на тонку структуру металу, взаємодія власних полів напружень конструкції з напруженнями, що створює вибухове навантаження, створення малих пластичних деформацій, порівнянних по величині з пружними. При цьому величина та положення заряду ВМ є основними параметрами обробки і повинні бути строго певними.

Можна умовно виділити наступні основні діючі фактори ОВб, що забезпечують поліпшення службових властивостей конструкцій:

Зміна структури металу, що виражається в дробленні та зміні орієнтації зерен і неметалічних включень, утворенні дислокаційних скупчень, дефектів упакування, двійників і ліній ковзання, та інші зміни субструктури металу. Такий вплив ОВб на метал стає можливим при досить інтенсивному навантаженні потужним зарядом ВМ і використовується головним чином як зміцнююча обробка для підвищення зносостійкості ріжучих елементів гірничодобувної техніки, при виготовленні еталонів твердості і таке інше.

Зміна або створення нових полів ЗН. Реалізація даного механізму для осесиметричних конструкцій здійснюється або шляхом локальної радіальної роздачі (експандування) у зоні дії ЗН розтягання внутрішнім зарядом ВМ, або, навпаки, шляхом локального обтиснення конструкції двома зовнішніми зарядами ВМ у зонах дії ЗН стискування. Інший механізм реалізується при знятті ЗН у листових конструкціях. Він полягає в утворенні в металі на фронті досить потужної ударної хвилі, що вводиться у метал, так званого напружено-деформованого “сліду” (НДС) із двохосьовими напруженнями стискування. Значення напружень у НДС може досягати межі текучості металу, воно мало залежить від вихідного напруженого стану зварного з'єднання. Утворення в металі такого “сліду” приводить до примусового подовження зони дії початкових напружень, що розтягують, і отже, до їхнього зниження або суттєвого перерозподілу.

Створення макропластичних деформацій у тілі конструкції, що дозволяють регулювати або змінювати форму конструкції. Такі завдання виникають, як правило, при необхідності усунути які-небудь дефекти форми великогабаритних конструкцій, наприклад, “кутастості” замикаючих монтажних стиків циліндричних резервуарів, що виготовляють методом розгортання рулонованих полотнищ. В Інституті електрозварювання розроблені також нові технології комбінованої вибухово-термічної й попередньої ОВб крайок, що підлягають зварюванню - т. зв. вибухово-зварювальна обробка. В основі пакету запропонованих технологій лежить можливість поліпшувати механічні властивості та структуру металу шляхом зміни його тонкої структури в результаті досить інтенсивного навантаження при вибухові й перекристалізації структури в процесі наступної термообробки або зварювання.

Ефективність ОВб істотно залежить від максимального тиску і загальної тривалості імпульсу вибухового навантаження. З огляду на те, що вибір типу ВМ з міркувань доступності, технологічності, вартості і безпеки звичайно невеликий, для регулювання параметрів імпульсу навантаження використовують забивання (речовини, що перебувають поверх ВМ), прокладки (речовини, що перебувають між ВМ й оброблюваною поверхнею), відповідні матеріали опор і способи обпирання оброблюваного виробу. У багатьох роботах, що присвячені забезпеченню надійності і довговічності технологічних та магістральних трубопроводів, відзначається, що кільцеві шви є їх найбільш слабким місцем, зниження ЗН є досить актуальним завданням. У другому розділі описані характеристики матеріалів, зразків і методів дослідження, а також показана доцільність використання методу магнітопружної тензометрії (МПТ) для неруйнуючого контролю напруженого стану металоконструкцій.

На основі МПТ і традиційної руйнуючої тензометрії з використанням деформометру розроблений спосіб контролю результатів ОВб кільцевих швів труб, запропоновані варіанти практичної оцінки напруженого стану трубопроводів та інших конструкцій. Перевагами МПТ є відносно низька вартість, малі габарити й вага використовуваного для його реалізації устаткування, можливість автономно й оперативно виконувати вимірювання в польових умовах. По точності метод МПТ може бути зіставлений з іншими не руйнуючими способами вимірювання напружень. Особливістю методу є те, що з достатньою для практики точністю він дозволяє вимірювати лише різницю нормальних напружень (при плоскому напруженому стані). Важливо також ураховувати те, що методу властива деяка систематична помилка, пов'язана з якістю підготовки поверхні вимірювання, наявністю сторонніх магнітних полів та іншими факторами, що важко враховуються.

Ця помилка може бути усунута завдяки зазначеній особливості МПТ вимірювати різницю нормальних напружень. Визначивши максимальне значення показання приладу N₁ обертанням датчика в точці вимірювання одночасно визначимо напрямок дії головних напружень ,. При цьому N₁=k(у₁ - у₂)+ m, де k- тарувальний коефіцієнт, m - систематична помилка вимірювань. Лінійний характер залежності різниці нормальних напружень від показань приладу МПТ встановлений експериментально багатьма дослідниками, в тому числі й автором цієї роботи, коефіцієнт визначається при тарувальних випробуваннях приладу. Якщо тепер зняти показання приладу, повернувши датчик на , за даними таких вимірювань можна знайти різницю головних напружень, вільну від систематичної помилки - у₁ - у_{2 =}0,5(N₁-N₂)/k. При проведенні ОВб кільцевих швів для контролю результатів обробки доцільно використовувати сполучення двох методів тензометрії - деформометром і МПТ. Величина зміни ЗН у шві може бути визначена за допомогою деформометра.

Епюри різниці нормальних напружень у кільцевому шві до і після ОВб будуються за даними вимірювання МПТ. Порівнюючи епюри, які були отримані до й після ОВб, можна якісно оцінити ефективність ОВб з огляду на той факт, що площі під кривими характеризують потенційну енергію пружних деформацій кільцевого шва. При цьому виявляється можливим судити про якість обробки по виду епюри ЗН, отриманої за даними вимірюівнь після ОВб. Важливою процедурою діагностики трубопроводів є періодичне вимірювання осьових напружень у точках, що представляють найбільшу небезпеку з огляду на перевищення допустимих напружень. Для цього також може бути використаний метод МПТ, який дозволяє вимірювати величину зміни осьових напружень у порівнянні з яким-небудь вихідним станом.

Визначимо як

N₀=N₂₀-N₁₀=2k(у_x0-P₀R/h)-A+B, (1)

де - внутрішній тиск під час зняття попередніх показів, - радіус труби, - товщина її стінки.

Різниця між діючими осьовими напруженнями на поточний момент і виміряними спочатку:

у_xi - у_x0=0,5(N_i-N₀)/k+(P_i-P₀)R/h. (2)

Проводячи вимірювання з певною періодичністю, можна спостерігати за динамікою зміни осьових напружень. Різка їхня зміна по відношенню до первісних є приводом для більш ретельного обстеження трубопроводу з метою виявлення причин цього явища. Якщо врахувати, що внутрішній тиск створює осьові напруження, які становлять 30…50 % (залежно від умов прокладки й траєкторії трубопроводу, які відомі для місця вимірювання) від окружних, можна визначити зміну осьових напружень, викликану зовнішніми факторами:

у_xi - у_x0=0,5(N_i-N₀)/k+(0,5…0,7)(P_i-P₀)R/h (3)

Для визначення зміни осьових напружень, не пов'язаних з температурними деформаціями, від цього виразу треба відняти напруження, викликані зміною температури:

у_xi - у_x0=0,5(N_i-N₀)/k+(0,5…0,7)(P_i-P₀)R/h-бE(T_i-T₀), (4)

де - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу трубопроводу, , - температура трубопроводу в момент попередніх і наступних вимірювань відповідно. Важливим завданням є також визначення згинальних напружень у вигнутих ділянках трубопроводу:

у_x=o,25(N₂-N₁)/k. (5)

Ряд прикладів використання МПТ може бути продовжений, однак, можна зробити висновок, що він придатний як для контролю ефективності ОВб, так і у цілому для оцінки напруженого стану металоконструкцій. Порівняльні дослідження корозійної стійкості металу після ОВб, термообробки й випробувань підвищеним тиском проводилися у трьох напрямках. Дослідження впливу післязварювальних обробок на стійкість безпосередньо металу кільцевих швів і основного металу труб Шмм до сірководневого розтріскування при різному рівні напружень розтягання проводилося за методикою і в умовах ВНДІГазу на стандартних (за ГОСТ 6996-66) циліндричних зразках діаметром 6 мм, які відрізнялися тим, що їхня галтельна частина мала різьбу для приєднання до розривної машини, що створювала заданий рівень напружень. З кільцевих швів зразки вирізалися таким чином, щоб робоча частина зразка містила в собі наплавлений метал і ЗТВ, з основного металу - у стані поставки та у місці розташування заряду. Випробування проводилися в середовищі NACE (вода +5% +0,5% + насичений - ). Зазначені труби класу міцності Х46 (Японія) застосовувалися при будівництві промислових газопроводів Оренбурзького газоконденсатного родовища (вміст сірководню 6%).

Натурні випробування повномасштабних зразків труб Шмм (довжина зразка 1,6 м, кільцевий шов посередині, шви приварки сферичних днищ посилені бандажами) проводилися ІЕЗ ім. Є.О. Патона, інститутом “ВолгоУралНДПІГаз” і Оренбурзьким політехнічним інститутом по спільно розробленій методиці на базі ПО “Оренбурггаздобуток”. Іспитовим середовищем була вода, насичена сирим сірководневим газом, що подавався безпосередньо зі свердловини. Вміст сірководню постійно контролювався і підтримувався за допомогою барботажу на рівні не менш 1800 мг/л. З метою скорочення строків випробувань шляхом підвищення агресивності іспитового середовища в неї додавали соляну кислоту до . Тиск випробування підтримувався в межах МПа. Строк випробувань становив 30 діб, після чого випробувані зварні шви доводили до руйнування підвищенням внутрішнього тиску.

Оцінка впливу інтенсивного динамічного навантаження, яке створювалося ОВб, на корозійну стійкість металу була проведена за методикою Волгоградського державного технічного університету. Випробуванню піддавалися плоскі сталеві зразки завтовшки 2 мм після ОВб у різних режимах. На зразку із двох сторін закріплювалися дві електрохімічні комірки - катодна й анодна. З катодної сторони комірка заповнювалася розчином: 5% ваг. NaCl+2,5% CH₃COOH+0,55% HCl+0,2% H₂S (pH1). Процес насичення воднем супроводжувався катодною поляризацією з густиною струму 500 А/м². Це дозволило прискорити процес і зняти паразитний вплив загальної корозії за рахунок катодного захисту. З анодної сторони на зразку кріпилася комірка, в яку заливався електролітичний розчин, кріпилися основний і допоміжний електроди, електрод порівняння та мікроманометр, що дозволяло визначати параметри рухливості водню в зразку: - ефективний коефіцієнт дифузії водню, - воднепроникність сталі, - загальна концентрація розчиненого в металі водню, - концентрація водню, розчиненого в кристалічній решітці, - концентрація водню, що мігрує по міжфазовим і міжзеренним границям.

По закінченні наводнення робоча сторона зразка оглядалася під мікроскопом МЕС-9 (Ч60) і при наявності блістерів підраховувалася їхня кількість по відомому методу січних. У третьому розділі наведене визначення основних параметрів ОВб, викладається новий метод їхнього розрахунку, представлені результати розробки нового способу зниження ЗН у кільцевих швах труб, який полягає в створенні необхідних деформацій стінки труби до зварювання шляхом попередньої ОВб її країв, проведений аналіз отриманих результатів.

Для однозначного визначення режиму ОВб кільцевого шва труби відомого типорозміру зарядом, що виготовляють із детонуючого шнура (оптимальним у цьому випадку, як показує практика, типом ВМ) шляхом навивки його на зовнішню поверхню труби, необхідно знайти: масу заряду m; відстань від осі кільцевого шва до ближнього до нього краю заряду -; ширину заряду -.Величина пластичних деформацій, які повинні бути створені ОВб для ефективного зниження ЗН при одночасному збереженні цілісності й бездефектності стінки труби, є величиною порівняною з деформацією, що відповідає статичній межі текучості матеріалу труби. Такі деформації можуть розглядатися як дуже малі в порівнянні з пластичними деформаціями, що звичайно розглядаються в завданнях у пружно-пластичній постановці, де їхня величина перевищує величину можливих пружних деформацій на порядок і більше. Це дає підставу прийняти за критерій вибору оптимального заряду умову створення ним у стінці труби напружень, рівних межі текучості, а необхідність створення малих пластичних деформацій після досягнення межі текучості не вимагає істотного збільшення потужності заряду. Враховуючі те, що однотипні заряди виробляються з одного й того ж ВМ, можна прийняти, що в даному завданні динамічна межа текучості пропорційна статичній межі текучості :

у_d = Kу_T (6)

З огляду на вищесказане, представляється можливим допустити, що в момент появи перших пластичних деформацій під зарядом дані розрахунку труби як пружної, статично навантаженої оболонки виявляться досить достовірними і для вирішення динамічної задачі. Враховуючі те, що метою дослідження не ставиться точний опис динаміки поводження оболонок, сформулюємо завдання в такий спосіб: використовуючи наявні результати розрахункових досліджень і накопичений досвід практичних прийомів визначення параметрів заряду, а також визначивши експериментально оптимальні параметри заряду для деякого еталонного (базового) розміру труби, розробити досить простий інженерний метод, що дозволяє оперативно призначати оптимальні значення параметрів навантаження труб інших типорозмірів.

Розрахунок ширини заряду. Ширина зовнішнього заряду приймається рівною ширині зони пружних стискаючих деформації, яки утворюються після виконання кільцевого шва. Висока ефективність ОВб забезпечується навіть при деяких відхиленнях обраної ширини заряду від номінальної, у зв'язку з цим виберемо найпростішу схему розрахунку ширини зони розташування заряду ВМ. Представимо дію зварного шва на трубу у вигляді розподіленої по окружності зовнішнього стискаючого навантаження . Ширину заряду ОВб визначимо за координатою точки , у якій прогін дорівнює 0:

(7)

Розрахунок відстані від центру шва до ближнього краю заряду. Механізм зниження ЗН при ОВб кільцевих швів труб зовнішніми зарядами полягає в створенні пластичних деформацій, що зменшують радіус труби на ділянці, яка безпосередньо прилягає до зони пластичних деформацій укорочення від зварювання. У цьому випадку ЗН перерозподіляються по більш широкій ділянці труби, що призводить до істотного зниження або повного зняття пікових напружень розтягнення у шві (Рис. 3). Відстань від осі шва до ближнього краю заряду повинна дорівнювати ширині зони пластичних деформацій укорочення, що виникають під час зварювання. Скористаємося добре відомим розрахунковим способом визначення ширини зони пластичних деформацій, запропонованим Г.А. Ніколаєвим:

, (8)

де - ширина зони пластичних деформацій при зварюванні; В - ширина пластин, що зварюються; - деформація, що відповідає напруженням, рівним границі текучості сталі;б - коефіцієнт лінійного розширення при нагріванні; Q₀=Q/2vh - погонна енергія зварювання; Q=зIU - ефективна потужність джерела нагрівання; з - коефіцієнт корисної дії джерела нагрівання; I - зварювальний струм; U - напруга дуги; v - швидкість зварювання; - теплоємність сталі в специфічних умовах зварювання, яка може бути прийнята рівною теплоємності при постійному об'ємі; x₁, x₂ - положення точок зварного з'єднання на осі x, у яких температура при зварюванні досягає 600 та 500°С відповідно; 0,484 - чисельний коефіцієнт, отриманий в результаті математичних дій з безрозмірними сталими та .

Величина пружних деформацій (що утворюються при зварюванні та залишкових) швидко зменшується з віддаленням від осі шва, а тому реактивну дію деформаціям і напруженням, пов'язаним із пластичним укороченням високонагрітого металу при зварюванні, справляє лише частина металу, що прилягає до зони пластичних деформацій укорочення. У нашому випадку ширина цієї реактивної зони (зони пружних деформацій стискування, що у вираженні (8) представлена як ширина пластин, що зварюються, - “В”) визначена вище виразом (7). Підставляючи (7) у (8), та коефіцієнти, що відображують властивості матеріалу труби для низьковуглецевих сталей, остаточний вираз для визначення відстані від осі шва до ближнього краю заряду ВВ, прийме вигляд:

, (9)

де - половина ширини кільцевого шва.

У випадку багатопрохідного зварювання ширина зони пластичних деформацій визначається проходом з найбільшим Q₀, зварювальні параметри якого і повинні бути прийняті для розрахунку. Найчастіше таким є останній прохід.

Розрахунок маси заряду. Розглянемо нескінченно довгу трубу, що у деякій своїй частині шириною навантажена рівномірним кільцевим зовнішнім тиском p. Розсічемо цю трубу по площинах x = 0,5a і x = -0,5a на три частини, а їхню дію одна на одну зрівноважимо розподілом згинальних моментів M і перерізаючих сил , що діють у цих перетинах. Найбільші кільцеві напруження для центральної (короткої) оболонки, що діють у точці x = 0, z = -0,5h, знаходяться з розв'язку диференційного рівняння симетричної деформації кругової циліндричної оболонки з постійною товщиною з урахуванням рівності прогинів, кутів повороту стінки, моментів і перерізаючих сил оболонок 1, 2 у точці x = 0,5a і з умови :

, (10)

де f(R,h,a) - функція, яка обумовлена тільки геометричними параметрами труби та схеми її навантаження.

Виходячи з того, що вираз для максимального статичного напруження складається з двох множників: силового - p і геометричного - f(R,h,a), припустимо, що в динамічній постановці структура виразу для максимального динамічного напруження буде аналогічною. З урахуванням цього, а також співвідношення одержимо умову досягнення межі текучості матеріалу труби при імпульсному навантаженні: у_T=AIf(R,h,a), де I - імпульс тиску при ОВб, A - деяка функція, що враховує динаміку процесу. Скористаємося експериментально отриманою інформацією про попередньо добре відпрацьований режим з параметрами I_0, a₀ для деякої еталонної труби з характеристиками R_0, h₀, у_T0.З урахуванням запишемо для еталонної труби:

, (11)

а також для досліджуваної труби, параметри обробки якої необхідно визначити:

. (12)

Відзначимо, що I~qn/a; а якщо в (11, 12) підставити (7), то вираз у квадратних дужках завжди буде дорівнювати одиниці. Звідси після відповідних перетворень (11) і (12) одержимо вираз для розрахунку числа витків для досліджуваної труби:

(13)

Таблиця 1. Результати експериментальної перевірки розрахункової методики

Експериментальна перевірка методики проводилася на зразках труб різних типорозмірів. Результати перевірки представлені в табл. 1, де - вихідне значення кільцевих ЗН у шві; - результуючі ЗН (після ОВб); - ефективність ОВб: . Як видно з таблиці, висока ефективність ОВб досягнута для всіх випробуваних зразків.

Таблиця 2. Результати ОВб труб без швів

Оскільки метою розробки методики є досягнення однакової ефективності зниження ЗН незалежно від параметрів труби, додатково були оброблені труби без зварних швів. Це дозволило виключити вплив випадкових факторів, пов'язаних з виконання зварного шва, на результат експерименту. Заряд, параметри якого вибиралися відповідно до запропонованої методики, розташовувався на поверхні труби відносно лінії умовного положення зварного шва. Результати вимірювання напружень у точках, що розташовані на цій лінії, наведені в табл. 2. У середньому по 4-м зразкам були наведені напруження стискування МПа. Розбіжність отриманих значень ЗН знаходиться у межах похибки вимірювання, що свідчить про досягнення приблизно однакового результату при ОВб за розрахунковими режимами.

За даними всіх експериментів отримана залежність величини зниження ЗН від їхніх вихідних значень, яка, як виявилося, може бути апроксимована прямою Ду=0,75у_i+63 [МПа]. При цьому коефіцієнт лінійної кореляції склав , що свідчить про наявність функціонального зв'язку між вихідними і результуючими ЗН. Наявність такої залежності підтверджує застосовність розробленої методики, дозволяє прогнозувати результати обробки та коригувати режими, якщо в цьому буде потреба.

Відомо, що зниження залишкових зварювальних деформацій може бути досягнуте попереднім (до зварювання) створенням деформацій стінки труби зворотних тим, що утворюються при зварюванні. Логічно припустити, що й напружений стан стінки труби в цьому випадку буде істотно відрізнятися від такого при зварюванні без попередньої підготовки. ОВб являє собою досить ефективний інструмент для створення попередніх пластичних деформацій у стінках труб. Експериментальна перевірка можливості зниження ЗН попереднім пластичним деформуванням країв труб була проведена згідно зі схемами. Дослідження показали, що величина зниження ЗН попередньою ОВб не нижча, ніж після ОВб готового кільцевого шва. Найбільш раціонально крайки труб обробляти двома зарядами: зовнішнім і внутрішнім. Переваги попередньої обробки - можливість завчасного її проведення на спеціальній ділянці з використанням необхідних засобів механізації та безпеки.

У четвертому розділі показана доцільність використання ОВб для зниження ЗН у кільцевих швах труб, що працюють у контакті із сірководневим середовищем. Звісно, що механічні напруження, у тому числі ЗН, являють собою енергетичну основу зародження та розвитку дефектів металоконструкції. Найбільш небезпечна присутність ЗН в конструкціях, яки знаходяться під впливом корозійного середовища, яке здатне ініціювати корозійне розтріщування під напруженням. Для зниження ЗН в кільцевих швах трубопроводів зараз використаються наступні способи: місцева термообробка (ТО), випробування трубопроводів підвищеним тиском (ВПТ), механічне обтискання зон дії стискаючих ЗН, ОВб. Проведено порівняльні дослідження ефективності зниження ЗН і підвищення корозійної стійкості при застосуванні зазначених способів (крім механічного обтискання, що аналогічний ОВб і відрізняється тільки способом створення деформацій). Установлено, що по ефективності зниження ЗН ОВб не поступається ТО і значно перевершує ВПТ.

Металографічні дослідження не виявили яких-небудь змін у структурі металу шва і основного металу в результаті проведення зазначених операцій зі зниження ЗН. Результати дослідження корозійної стійкості в середовищі NACE стандартних зразків, вирізаних зі зварного шва і основного металу труб після ТО, ВПТ й ОВб показали більш високу ефективність ОВб. Аналогічні результати отримані при корозійних випробуваннях натурних зразків труб з кільцевими швами, які були проведені в умовах Оренбурзького газоконденсатного родовища. За час випробування не відбулося руйнування жодного зі зразків. Однак при наступному руйнуванні зразків при поступовому збільшенні внутрішнього тиску зразки виявили різну залишкову міцність. Так, зразки зі зварними швами у вихідному після зварювання стані та після випробування підвищеним тиском зруйнувалися при внутрішньому тиску 23,0 і 23,5 МПа відповідно (у_в=480 МПа, у_в=490 МПа). Зразки зі зварними швами після ТО і ОВб зруйнувалися при приблизно однаковому тиску рівному 26,5 МПа. При цьому зародження тріщини в зразку зі зварним швом після термообробки відбулося у зварному шві, тріщина розвивалася уздовж утворюючої труби в обидва боки від кільцевого шва.

У зразку зі зварним швом після ОВб зародження тріщини почалося в основному металі, первісний напрямок розвитку тріщини уздовж утворюючої труби змінився на окружний у зоні розташування детонуючих шнурів заряду ОВб (тріщина почала закільцьовуватися), тобто зона пластичних деформацій, що утворилися після обробки вибухом, є своєрідною перешкодою розвитку тріщини. Для оцінки впливу імпульсного навантаження на стійкість до водневого ураження основного металу безпосередньо в зоні розташування ВМ проведені випробування за методикою Волгоградського політехнічного інституту, при яких наводненню піддавалися пластини зі сталей Ст3, Ст10, сталь 20 та армко-заліза. Перед випробуванням сталеві зразки завтовшки 20 мм оброблялися вибухом з різною інтенсивністю (застосовувалися різні типи ВМ, у т.ч. детонуючий шнур). Зразки розпускалися по товщині на випробувальні пластини.

Корозійна стійкість оцінювалася по кількості утворених у результаті випробувань блістерів (здуттів) на наводненій поверхні, які є характерною ознакою даного виду корозії. У всіх випадках число блістерів на пластинах, що безпосередньо прилягають до ВМ, було меншим, ніж на пластинах без ОВб. Зі збільшенням глибини вирізання пластини число блістерів зростало. Можна вважати, що ОВб не погіршує здатності основного металу протистояти водневому ураженню. Крім того, металографічними дослідженнями встановлено, що сульфідні включення, що мають витягнуту форму в металі без обробки, після ОВб дробляться й приймають більш округлу форму, що зменшує ймовірність зародження тріщин при сірководневій корозії. Таким чином, встановлено, що ОВб не знижує стійкості сталі газопровідних труб к сірководневої корозії. Корозійна стійкість кільцевих швів труб зростає задля зниженню ЗН. Застосування ОВб чи термообробки забезпечує однакову ефективність зниження ЗН.

Практичне застосування ОВб. Результати роботи успішно застосовані у виробничій практиці України й за рубежем зі значним економічним ефектом. Наведені деякі приклади промислового застосування ОВб і вимірювання ЗН за допомогою МПТ.

Висновки

Розроблено новий метод визначення режимів обробки вибухом. Метод заснований на використанні загального виду залежності деформації стінки циліндричної оболонки від зовнішнього статичного навантаження, отриманої в рамках теорії пружності, стосовно до рішення задачі визначення величини динамічного навантаження, необхідного для створення пластичних деформацій, що забезпечують зниження залишкових напружень у кільцевих швах труб до наперед заданого рівня. На основі цього методу створена методика визначення режимів обробки вибухом кільцевих швів труб різного типорозміру, яка придатна для практичного використання без участі розробників технології. Ефективність зниження залишкових напружень обробкою вибухом не нижча такої, що досягається при термообробці.

Експериментально встановлено, що величина зниження залишкових напружень у кільцевих швах труб за допомогою обробки вибухом за режимами, що визначені відповідно до розробленої методики, практично лінійно залежить від вихідних залишкових напружень. Отримана залежність дозволяє прогнозувати результати обробки вибухом і коригувати режими обробки залежно від цілей її проведення.

Запропоновано новий спосіб зниження та перерозподілу залишкових напружень у кільцевих швах попередньою (до зварювання) обробкою вибухом країв труб. Досліджені різні схеми попередньої обробки. Встановлено, що найбільш доцільно використовувати комбіновану схему попередньої обробки вибухом з розташуванням зарядів вибухової речовини всередині труби біля самого торця та зовні труби в зоні майбутніх залишкових пружних деформації стискування, що утворяться в кільцевому шві, виконаному без вживання заходів по зниженню залишкових напружень. Розроблено новий спосіб вимірювання механічних напружень методом магнітопружної тензометрії, що дозволяє усунути властиву цьому методу помилку, що в цілому істотно підвищує точність і спрощує методику вимірювання. На основі цього способу в поєднанні з відомим способом вимірювання деформацій за допомогою механічного деформометра запропоновано метод контролю результатів обробки вибухом кільцевих швів труб, а також науково обґрунтовані підходи до вирішення практичних завдань оцінки напруженого стану металоконструкцій. Експериментально показано, що стійкість до сірководневого ураження кільцевих швів труб після обробки вибухом перевершує таку неопрацьованих швів або підданих випробуванню підвищеним тиском і не нижче, ніж у швах після термообробки. Обробка вибухом не погіршує стійкість проти сульфідного розтріскування основного металу труб, що зазнав впливу імпульсного навантаження при підриві заряду вибухової речовини.

Результати виконаних у даній роботі досліджень і розроблених інженерно-технічних вирішень покладені в основу створення та промислового застосування технологічного процесу обробки вибухом кільцевих швів трубопроводів і методів оцінки напруженого стану металоконструкцій, які використовувалися на різних підприємствах як в Україні, так і за рубежем.

Основні публікації за темою дисертації

1. Гутман Э.М., Петушков В.Г., Брызгалин А.Г. и др. Сопротивление коррозии газопроводов в сероводородсодержащих средах// Автомат. сварка.- 1988, № 2.- С. 23-26.

2. Добрушин Л.Д., Эффендиев Э.Э., Брызгалин А.Г. Исследование сравнительной эффективности снижения остаточных напряжений в кольцевых швах труб из стали контролируемой прокатки обработкой взрывом// В кн.: “Применение энергии взрыва в сварочной технике”, Киев, ИЭС им. Е.О. Патона, 1985 г., с. 90-94.

3. Патон Б.Е., Титов В.А., Данильченко Б.В., Волков А.Н., Брызгалин А.Г., Золотов В.П. Новые средства повышения надежности трубопроводов как сварной конструкции// Транспорт и подземное хранение газа.- 2003, № 1.- с. 15-20.

4. Петушков В.Г., Брызгалин А.Г. Улучшение служебных свойств сварных конструкций обработкой взрывом. // Автомат. сварка.- 1995, № 9.- с. 28-33.

5. Петушков В.Г., Брызгалин А.Г., Титов В.А. и др. Оценка напряженного состояния сварных металлоконструкций методом магнитоупругой тензометрии// Автомат. сварка.- 1992, № 5.- с. 16-18.

6. Петушков В.Г., Брызгалин А.Г., Титов В.А. Механизм релаксации остаточных напряжений при нагружении сварных соединений взрывом// Автомат. сварка.- 2001, № 1.- с. 51.

7. Петушков В.Г., Первой В.М., Брызгалин А.Г. и др. Обработка взрывом кольцевых швов труб газопровода Таас-Тумус-Якутск// Газовая промышленность.- 1987, №11.- с. 24-25.

8. Петушков В.Г., Титов В.А., Брызгалин А.Г. О предельной толщине сварных соединений, обрабатываемых взрывом// Автомат. сварка.- 2002, № 1.- с. 22-28.

9. Lobanov L.M., Pivtorak V.A., Gushcha O.I., Petushkov V.G., Bryzgalin A.G. Modern methods of residual stress mesurement// Welding technology Paton Institute, UK, Abington, 1993, Paper 10.