Изучение прочностных характеристик стальных трубопроводов с дефектами типа "вмятина"

Мустафин, Тимур Раилевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Изучение прочностных характеристик стальных трубопроводов с дефектами типа "вмятина"
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Изучение прочностных характеристик стальных трубопроводов с дефектами типа "вмятина""

На правах рукописи

МУСТАФИН ТИМУР РАИЛЕВИЧ

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТАМИ ТИПА «ВМЯТИНА»

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

21т 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2013

005538618

Работа выполнена па кафедре «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и га-зонефтехрапилищ» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сооружение и ремонт ГНП и ГНХ» Уфимского государственного технического университета, Мустафин Фаннль Мухаметович

доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и хранилищ» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина, Ревазов Алан Михайлович

кандидат технических наук, доцент-кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа» Уфимского государственного технического университета, Нечваль Андрей Михайлович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государствен-

ный технический университет»

Защита состоится «5» декабря 2013 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «1» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На сегодняшний день в России функционирует развитая сеть находящихся в эксплуатации стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Их общая протяженность составляет более миллиона километров, включая промысловые, магистральные и газораспределительные трубопроводы.

Статистические данные показывают, что механические повреждения трубопроводов являются одной из основных причин отказов стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов в России и связаны с повреждением металла трубы. Они образуют на трубопроводах различного рода поверхностные дефекты, дефекты геометрии формы, которые при определенных параметрах снижают эксплуатационную надежность трубопроводов и могут привести к их отказам или авариям. Наиболее часто встречающимися при этом являются дефекты типа «вмятина».

Вмятина приводит к концентрации напряжений в зоне дефекта под действием внутреннего давления и может сопровождаться другими поверхностными дефектами, т.е. дополнительными концентраторами напряжений.

В существующих нормативах вмятины, совмещенные с другими дефектами, считаются почти всегда опасными. А вот нормы оценки опасности плавных вмятин варьируются в широких пределах и обладают в основном повышенными требованиями.

Существует большой объем расчетно-экспериментальных работ по разрушению дефектных участков или сегментов труб с вмятинами внутренним давлением. Эксперименты проводились как при нагружении внутренним давлением до разрушения для оценки прочности дефектных труб, так и при нагружении путем задания пульсирующего внутреннего давления для оценки долговечности трубы с вмятиной. С другой стороны, возможно изменение прочностных характеристик самой трубы. И если в научно-технической литературе достаточно информации по механическим испытаниям трубной стали, то сказыва-

ется недостаток работ, посвященных механическим испытаниям трубопроводов с дефектами типа «вмятина». Поэтому изучение прочностных характеристик стальных труб с вмятинами является актуальным вопросом.

Настоящая работа направлена на механические испытания и исследование микроструктуры металла стальных трубопроводов с дефектами типа «вмятина» и оценку опасности вмятин по результатам исследований.

Цель работы: Экспериментальное обоснование нормирования отбраковки дефектов типа «вмятина» на стальных трубопроводах по прочностным характеристикам и анализу микроструктуры металла.

Задачи исследований:

1. Анализ напряженно-деформированного состояния трубы в зоне дефекта типа «вмятина» по существующим расчетным и экспериментальным данным.

2. Исследование характера образования и развития на трубопроводах дефектов типа «вмятина» и влияния их геометрических параметров на уменьшение толщины стенки и изменение прочностных характеристик трубы в зоне дефекта.

3. Исследование микроструктуры металла в области формирования дефекта трубы для определения характера изменения ее прочностных характеристик.

4. Оценка влияния правки вмятин безударными методами на прочностные характеристики труб.

Научная новизна:

1. Экспериментально установлено, что вмятины относительной глубиной более 6% наружного диаметра трубопровода приводят к образованию микротрещин в наиболее напряженных зонах дефектного участка - зонах перехода основного металла в цилиндрическую часть трубы.

2. Экспериментально выявлено, что для стальных трубопроводов процесс правки вмятин приводит к снижению предела прочности металла трубы в области дефекта до 15%.

Методы исследований:

Результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в том числе численных методов, действующих методик проведения экспериментальных исследований с использованием современных средств и поверенного метрологического оборудования, статистических методов обработки и анализа результатов экспериментов.

На защиту выносятся основные результаты проведенных экспериментальных исследований, зависимость геометрических параметров вмятины от статической нагрузки, сравнение толщины стенки трубы в зоне вмятин различных размеров с отбраковочным значением, диаграммы изменения прочностных характеристик труб и снимки микроструктуры металла в области формирования дефектов, общие значимые выводы и рекомендации.

Практическая ценность заключается в том, что разработанные и сконструированные установки для моделирования дефектов типа «вмятина» используются в учебном процессе УГНТУ при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Сооружение и ремонт газонефтепроводов», а также при подготовке выпускных квалификационных работ бакалаврами направления подготовки 130500 «Нефтегазовое дело».

Аппробация работы

Результаты работы докладывались на:

- VII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2011», г. Уфа, ФГБОУ ВПО УГНТУ, 2011 г.;

- VIII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2012», г. Уфа, ФГБОУ ВПО УГНТУ, 2012 г.;

- V Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы науки и техники», г. Уфа, ФГБОУ ВПО УГНТУ, 2012 г;

- Заседаниях кафедры «Сооружение и ремонт ГНП и ГНХ», посвященных заслушиванию аспирантских диссертаций, г. Уфа, ФГБОУ ВПО УГНТУ, 2009-2012 гг.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 5 научных трудах, в том числе три статьи в научно-техническом журнале, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций; содержит 172 страниц машинописного текста, в том числе 46 таблицы, 74 рисунков и 4 приложения, библиографический список из 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

По данным годовых отчетов Ростехнадзора и Росстата за последние несколько лет проанализирована динамика роста протяженности стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Выявлены основные причины аварий в отдельности на магистральных трубопроводах, трубопроводах системы газораспределения и газопотребления, а также на промысловых трубопроводах. Показано, что коррозию металла трубы, механические повреждения трубопроводов и брак строительно-монтажных работ можно считать основными причинами выхода из строя стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов в России. Эти причины являются характерными и для трубопроводов за рубежом.

На основе конкретных примеров показано, что вмятины являются одними из самых распространенных дефектов на трубопроводах, создающие опасность их дальнейшей эксплуатации.

Автором проанализирована нормативно-техническая документация по ремонту и отбраковке стальных трубопроводов с дефектами типа «вмятина». Показано, что нормы оценки опасности вмятин варьируются в широких пределах и обладают в основном повышенными требованиями. Так, для плавных вмятин на теле трубы в зависимости от назначения и наружного диаметра трубопровода вырезка дефектного участка назначается при глубине вмятины относительно наружного диаметра от 3% до 10,2%.

Рассмотрены существующие методики оценки влияния вмятин на прочность стальных трубопроводов. Основным подходом при оценке опасности дефектов типа «вмятина» является использование классических методов с применением инженерных зависимостей, полученных при обработке экспериментальных данных.

Вопросами расчета трубопроводов на прочность и устойчивость занимались следующие ученые: П. П. Бородавкин, А. М. Синюков, В. Л. Березин, Л. И. Быков, сотрудники ВНИИСТа А. Б. Айнбиндер, А. Г. Камерштейн. Исследование влияния вмятин на прочность трубопроводов можно найти в работах А. Г. Гумерова, X. А. Азметова и др. (ГУП «ИПТЭР» РБ), В. С. Миланчева (ВНИИнефтемаш), В. Г. Бордубанова (ВНИПТИхимнефтемаш), К. В. Черняева, Е. С. Васина (АО «Центр технической диагностики»), В. А. Трубицына, М. Ф. Фокина (Нижегородский филиал института машиноведения РАН), Г. М. Хажинского (ВНИИнефтемаш), В. П. Черния, В. В. Харионовского и др. (ВНИИГАЗ), А. М. Шарыгина и др.

Показано, что большой объем расчетно-экспериментальных работ был проведен по разрушению дефектных участков или сегментов труб с вмятинами внутренним давлением.

Из анализа рассмотренных методик и экспериментальных исследований

установлено, что для «чистых» вмятин зона максимальных напряжений может

находиться в центре вмятины или в зоне перегиба на краю вмятины. Наибольшую опасность представляют вмятины, совмещенные с другими поверхностными дефектами. Значительно меньшую опасность представляют плавные вмятины. Так, на основе анализа статических разрушений подобных вмятин в работе авторов Андрея Кошама и Фила Хопкинса (А. Cosham, Р. Hopkins, Австрия) сделан вывод о том, что допустимое значение изменения вертикального диаметра с учетом необходимого запаса может быть принято равным 10% наружного диаметра, что также подтверждается расчетами в работе Г. М. Хажин-ского.

С другой стороны, показывается, что существует недостаток работ, направленных на изучение изменений прочностных характеристик самой трубы. Поэтому в соответствии с целями и задачами исследований, нами были проведены механические испытания трубопроводов с дефектами типа «вмятина».

Для исследований были подготовлены 10 стальных трубопроводов диаметрами 159... 1220 мм и классами прочности от К38 до К60.

По результатам планирования эксперимента для достоверности получаемых результатов было определено: необходимое количество вмятин, которые требуется нанести на подготовленные стальные трубы - 157 единиц; количество образцов с вмятинами, подлежащих вырезке из тела трубы для испытаний на растяжение - 58 единиц; количество образцов с вмятинами, подлежащих вырезке и последующему выпрямлению для испытаний на растяжение -15 единиц (таблица 1).

На кафедре «Сооружение и ремонт ГНП и ГНХ» УГНТУ были разработаны и сконструированы установки для моделирования дефектов типа «вмятина» на стальных трубопроводах. Установки были сконструированы с обеспечением заданной прочности и устойчивости при нагружении труб статической нагрузкой Р (рисунок 1), которая изменялась при испытаниях в интервале от 20 до 500кН.

Таблица 1 - Количество смоделированных вмятин и вырезанных образцов металла труб для экспериментальных исследований

Порядковый № Диаметр/толщина стенки трубы, мм Количество моделируемых вмятин Количество образцов с вмятинами для испытаний на растяжение Количество выпрямленных образцов для испытаний на растяжение

1 159x4,5 22 11 -

2 159x6,0 12 6 6

3 219x6,0 11 8 -

4 273x8,0 22 5 -

5 426x9,0 10 6 -

6 530x7,0 27 7 5

7 530x8,0 10 4 2

8 720x8,0 27 7 2

9 1020x14,0 8 2 -

10 1220x12,0 8 2 -

Итого: 157 58 15

шГ 'ж! ■

/ ' -

Рисунок 1 - Установки для моделирования вмятин: а - для трубопроводов диаметром 159 - 273 мм; б - для трубопроводов диаметром 426 - 530 мм; в -- для трубопроводов диаметром 530 - 1220 мм; 1 - гидравлический пресс; 2 - динамометр сжатия ДОС-500; 3 - домкрат гидравлический; 4 - труба; 5,6 -сварные рамы

На исследуемых трубах были смоделированы дефекты типа «вмятина». Вмятины наносились шаровыми штампами (инденторами) разных диаметров £инД = Ю ...35 мм и при различных усилиях Р. Геометрические параметры вмятин были определены с помощью измерительных приборов и инструментов согласно схеме, представленной на рисунке 2. Критерием для оценки опасности вмятин была выбрана глубина вмятины, отнесенная к наружному диаметру - к/Э.

Рисунок 2 - Поперечное (слева) и продольное (справа) сечение трубопровода в области вмятины: /г - глубина вмятины; 2а и 2Ь - длина и ширина вмятины соответственно; г и О - радиус и диаметр трубы соответственно

По результатам анализа существующих расчетно-экспериментальных методик по оценке опасности вмятин на трубопроводах, а также анализа нормативно-технической документации ставилась задача смоделировать вмятины глубиной до 10% наружного диаметра включительно, что и было сделано в ходе эксперимента. Получены вмятины глубиной к = 0,3...51 мм при диаметре труб О = 159. ..1220 мм.

Исследуя характер образования и развития дефектов типа «вмятина» при нагружении труб различных характеристик, была получена зависимость геометрических размеров вмятин от статической нагрузки, которая не рассматри-

валась ранее другими исследователями. Установлено, что эта зависимость носит полиномиальный характер (рисунок 3). Для конкретных труб и при определенных значениях шаровых штампов данные зависимости были описаны уравнениями.

Рисунок 3 - Зависимость глубины к (сверху), длины 2а и ширины 2Ь (снизу) вмятины от статической нагрузки для исследуемых труб при диаметре индентора Линд = 19 мм

Анализ полученных результатов позволил проследить ряд таких закономерностей как: уменьшение глубины вмятины с увеличением диаметра инден-тора при равной нагрузке; при нагружении исследуемых труб различных характеристик геометрические параметры вмятин при равной нагрузке тем меньше, чем больше толщина стенки и выше класс прочности трубы.

Кроме того, установлено, что с уменьшением диаметра трубопровода, уменьшаются и размеры вмятины при прочих равных условиях.

Согласно планам дальнейших исследований были подготовлены вырезанные из тела труб образцы стандартных размеров для испытания на растяжение.

Для определения влияния размеров вмятин на утонение стенки трубопровода измерение толщины стенки трубы проводились по длине вмятины в осевом направлении с шагом / = 10 мм (рисунок 4).

Рисунок 4 — Изменение толщины стенки трубы по длине вмятины в осевом направлении для трубы диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 мм при соответствующих значениях статической нагрузки

Выявлено, что при больших размерах инденторов (£>инд >19 мм) при образовании дефектов типа «вмятина» на трубопроводах, свойственных реальным

условиям образования плавных вмятин, глубина вмятины не влияет на уменьшение толщины стенки трубы в зоне дефекта больше допустимого значения, что подтверждается расчетами отбраковочной толщины.

На контрольных (бездефектных) образцах и образцах с вмятинами было измерено значение твердости по шкале Бринелля с помощью твердомеров ТДМ-2 и УЗИТ-З по длине образцов.

Значения показателя твердости в зоне контакта индентора с трубой выше, чем в остальной области формирования вмятины и в бездефектной трубе (контрольный образец). Это объясняется значительными пластическими деформациями в зоне внедрения индентора (наклепом). Значение твердости в зонах перегиба оказалось несколько меньше, чем для контрольного образца. Так, на рисунке 5 показана диаграмма значений твердости для трубы 159x6 мм.

Была произведена предварительная оценка прочностных характеристик труб в зоне дефекта по показаниям значений твердости.

Диаграмма значений твердости

370 320 270 220 170 120

.-А-

......

Контрольный образец (опытные точки)

—Ф—Образец с вмятиной

-Контрольный образец (среднее значение)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Ряд точек по длине образца

Рисунок 5 - Значения твердости по длине вмятины для образца из трубы 159x6 мм при /г/О = 9,6%, йинд = 19 мм

Испытания на растяжение подготовленных образцов проводились на универсальной разрывной машине УММ-20 с применением самозажимного устройства.

При моделировании вмятин на исследуемых трубах в процессе нагружения статической нагрузки в 7 случаях из 58 образовалась трещина в центре вмятины. Образцы с данными дефектами также были вырезаны из трубы в числе прочих для испытаний на растяжение с целью сравнения прочностных характеристик металла трубы с «чистой» вмятиной и с вмятиной, совмещенной с трещиной.

На основании испытаний были определены основные прочностные характеристики труб.

Установлено, что прочностные характеристики металла, полученные по данным измерений на твердость, завышены по сравнению с результатами, полученными при испытании на растяжение. Это объясняется тем, что характеристики прочности, полученные при растяжении образцов, определяются для всего объема металла, тогда как характеристики прочности, полученные с помощью твердомера, определяются в поверхностном слое.

По испытаниям на растяжение установлено, что изменение прочностных характеристик трубы в зоне образования дефекта типа «вмятина» не влияет на его дальнейшую эксплуатацию, при этом временное сопротивление растяжению изменяется не более чем на 10%, а предел текучести практически не изменяется.

Характерная для всех испытаний диаграмма растяжения стали приведена на рисунке 6 для трубы 0159x6 мм. Рабочее давление труб зависит от предела текучести. Из диаграммы видно, что предел текучести стали деформированного участка трубопровода не изменился по сравнению с бездефектной областью. Предел прочности металла снизился от 395,83 до 368,75 МПа, т.е. на 6,8%. Отношение предела текучести к временному сопротивлению основного металла труб не превышает 0,5. Это значительно меньше предельно допускаемого значения 0,9. Таким образом, изменение прочностных характеристик трубы можно считать весьма незначительными и не влияющими на дальнейшую ее эксплуатацию.

На рисунке 7 приведена диаграмма изменения предела прочности <тв металла труб от относительной глубины вмятины к при значении диаметра инден-тора 19 мм. Изменение во всех случаях при различных инденторах не превысило 10%.

Диаграмма растяжения стали

- Напряжение для

конюольмо! о образца, МПл

- * Спряжение для образца с ИМИ! иной, МПа

10 20 30

Деформация е, %

Рисунок 6 — Диаграмма растяжения контрольного образца и образца с вмятиной для трубы 0159x6 мм при к /П = 5,8 %, Dинд = 19 мм

а • ] ~ аП

а ® а

Ф а

А |

Ф А

А А А

Л) Ф

й.....»

5 10

Относительная глубина вмятины И, %

о п ытн ы е точки дл я трубы 159x4,5 мм опытные точки для трубы 159x6 мм опытные точки для трубы 219x6 мм оп ы тн ы е точк и дл я трубы 273x8 мм опытныеточкидля трубы 426x9 мм опытныеточки для трубы 530x7 мм опытныеточки для трубы 530x8 мм опытныеточки для трубы 720x8 мм опытныеточки для трубы 1020x14 мм опытныеточки для трубы 1220x12 мм - контрольны)! образец

верхняя граница уменьшения предела прочности

Рисунок 7 - Диаграмма изменения предела прочности ав металла труб от относительной глубины вмятины к

Получено, что прочностные характеристики металла трубопровода в зоне вмятины, совмещенной с трещиной, снижаются более чем в 2 раза и являются недопустимыми для дальнейшей эксплуатации стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов. На рисунке 8 представлена диаграмма растяжения образца с подобным дефектом. При этом, для дефектного образца не прослеживается площадки текучести, разрушение носит хрупкий характер.

Рисунок 8 - Диаграмма растяжения контрольного образца и образца с вмятиной, совмещенной с трещиной для трубы 0530x8 мм при h/D > 6 %, 0ИНД = 19 мм

Разорванные при растяжении образцы были исследованы на выявление характера разрушения (рисунок 9).

Выявлено, что разрушение образцов произошло в местах перехода профиля вмятины в цилиндрическую часть, т.е. в зонах перегиба.

При испытаниях образцов на разрыв значимого изменения прочностных характеристик в зоне дефекта не наблюдалось. С другой стороны, прослеживается закономерность характера разрушений образцов, продемонстрированная на рисунке 9. Обоснование нормирования отбраковки плавных вмятин потребовало дополнительных исследований, для чего был произведен анализ микроструктуры металла в зоне вмятины для пяти подготовленных образцов с различными геометрическими размерами дефектов.

Рисунок 9 - Характер разрушения образцов при испытании на растяжение: расположение образцов снизу вверх - от контрольного образца до образца с наибольшей вмятиной

в г

Рисунок 10 - Микроструктура металла по длине образца, подверженной деформации: а, в - зоны перегибов; 6 - зона соприкосновения индентора с металлом; г - исходная структура; 1,2 - микротрещины

Образцы, вырезанные из тела труб, дополнительно разрезались по центру вмятины вдоль образца. Полученная затем с помощью металлографического микроскопа микроструктура металла по длине дефектного образца при глубине вмятины 6,6% наружного диаметра трубы показана на рисунке 10.

В таблице 2 приводятся сведения о наличии микротрещин в структуре металла испытанных образцов.

Таблица 2 - Наличие микротрещин в структуре металла испытанных образцов

Относительная глубина вмятины к/й, % 2 3 5 6 6,6

Наличие микротрещин в металле, +/- - - - - +

По результатам микроанализа структуры металла выявлено, что при глубине вмятин до 6% от наружного диаметра трубы включительно нарушений в структуре металла нет, при глубине вмятины более 6% от наружного диаметра трубы в зонах перехода профиля вмятины в цилиндрическую часть начинают образовываться микротрещины (рисунок 10, а, в), которые при дальнейшей эксплуатации трубопровода в конечном итоге могут привести к его отказу или разрушению. Это также объясняет характер разрыва дефектных образцов при растяжении.

Согласно существующим нормативным документам разрешается правка «чистых» вмятин на теле трубы (при глубине вмятины до 3,5% от диаметра трубы) безударными разжимными устройствами. Для изучения изменения прочностных свойств металла при этом, в нашей работе было произведено выпрямление части образцов с дефектами типа «вмятина» гидравлическими домкратами.

В результате испытаний на растяжение выпрямленных образцов выявлено, что процесс правки вмятин снижает предел прочности металла в зоне дефекта до 15%). Характерная для всех испытаний диаграмма растяжения стали приведена на рисунке 11 для трубы 0530x7.

Диаграмма растяжения стали

Контрольный образец без вмятины

—— образец с вмятиной

— — образец с

вмятиной после выпрямления

О 10 20 30

Дефформация е,%______

Рисунок 11 - Диаграмма растяжения контрольного образца, образца с вмятиной и выпрямленного образца с вмятиной для трубы 0530x7 мм при к/й =5,8 %, Оинд = 10 мм

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально получена полиномиальная зависимость изменения геометрических характеристик вмятины от величины приложенной статической нагрузки, которая дает представление о характере образования и развития дефектов типа «вмятина» при нагружении труб различных характеристик статической нагрузкой. Геометрические параметры вмятин тем меньше, чем больше толщина стенки, выше класс прочности и меньше диаметр трубопровода.

Выявлено, что при больших размерах инденторов при образовании дефектов типа «вмятина» на трубопроводах, свойственных реальным условиям образования плавных вмятин, глубина вмятины не влияет на уменьшение толщины стенки трубы в зоне дефекта больше допустимого значения, что подтверждается расчетами отбраковочной толщины. При малой площади контакта

твердого тела с трубой (при значениях диаметра шарового штампа менее 19 мм) в зоне внедрения индентора образуются значительные пластические деформации, сопровождающиеся наклепом на поверхности металла, что в некоторых случаях может привести к недопустимому утонению стенки трубопровода.

2. Установлено, что изменение прочностных характеристик трубы в зоне образования дефекта типа «вмятина» с относительной глубиной до 10% наружного диаметра трубопровода не влияет на его дальнейшую эксплуатацию, при этом временное сопротивление растяжению уменьшается не более чем на 10%, а предел текучести практически не изменяется.

3. Доказано снижение прочностных характеристик трубопровода в зонах перехода профиля вмятины в цилиндрическую часть из-за образования микротрещин при относительной глубине дефекта типа «вмятина» более 6% наружного диаметра трубы.

На основании проведенных авторских исследований прочностных характеристик и микроструктуры металла в зоне дефекта типа «вмятина», вмятины относительной глубиной до 6% наружного диаметра трубы включительно можно считать не опасными для дальнейшей эксплуатации трубопровода.

4. Экспериментально установлено, что эксплуатацию стальных трубопроводов с дефектами типа «вмятина» допустимых размеров целесообразно проводить без выпрямления, так как процесс правки вмятин снижает предел прочности металла в зоне дефекта до 15%.

5. Выявлено качественное совпадение авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике, а именно: зона максимальных напряжений в трубопроводе с дефектом типа «вмятина» находилась в местах перехода профиля дефекта в цилиндрическую часть; вмятины, совмещенные с трещиной, являются наиболее опасными; в расчетах отдельных независимых источников с использованием классических зависимостей плавные вмятины относительной глубиной до 6% наружного диаметра включительно также считаются не опасными.

Учитывая проведенные нами исследования, можно рекомендовать норму отбраковки плавных вмятин на теле трубы, требующих немедленного устранения, при значении глубины вмятины более 6% наружного диаметра трубы.

Содержание работы опубликовано в следующих 5 научных трудах, из которых №1-3 включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобрнауки России.

1. Мустафин Т. Р. Влияние вмятин на прочность стальных газонефтепроводов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2012. - №4. - с. 62-64

2. Мустафин Ф. М., Мустафин Т. Р., Абсалямов Э. Р. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния трубопроводов с дефектами типа вмятина // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2013. - №1. - с. 23-28

3. Мустафин Ф. М., Мустафин Т. Р., Мамлиев Э. В. Актуальность изучения напряженно-деформированного состояния трубопроводов с дефектами типа вмятина // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2012. -№3.- с. 36-39

4. Мустафин Ф. М., Мустафин Т. Р., Терехов Д. А. Изучение напряженно-деформированного состояния промысловых трубопроводов с дефектами геометрии формы типа вмятин // Материалы VII международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2011». -Уфа: УГНТУ, 2011. - с. 162-164

5. Мустафин Ф. М., Мустафин Т. Р., Терехов Д. А. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния промысловых трубопроводов с дефектами геометрии формы типа вмятин // Материалы VII международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2011». - Уфа: УГНТУ, 2011. - с. 164-166

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой, д-ру техн. наук Мустафину Фанилю Мухаметовичу, а также коллективу кафедры «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» УГНТУ за помощь и ценные замечания при подготовке работы.

Подписано в печать 30.10.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 '/,,, Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 90. Заказ 174

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мустафин, Тимур Раилевич, Уфа

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТАМИ ТИПА «ВМЯТИНА»

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ»

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор Мустафин Ф.М.

Уфа 2013

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................... 4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ СТАЛЬНЫХ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.......................................................................................................................... 10

1.1 Анализ аварийности и отказов стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов....................................................... 10

1.2 Существующие методики оценки влияния вмятин на прочность трубопроводов................................................................... 25

1.3 Анализ испытаний трубопроводов с дефектами типа «вмятина» внутренним давлением......................................................... 54

1.4 Обзор проводившихся механических испытаний металла труб...... 67

1.5 Выводы по главе 1.............................................................. 70

ГЛАВА 2 ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................... 72

2.1 Анализ существующей нормативной документации по отбраковке трубопроводов с вмятинами. Выбор критерия опасности для оценки дефектов типа «вмятина» при планировании экспериментов..... 72

2.2 Цели и общий план экспериментальных исследований, материально-техническое обеспечение.................................................. 88

2.3 Составление плана эксперимента............................................ 92

2.4 Методика проведения экспериментов..................................... 98

2.5 Анализ экспериментальных данных........................................ 99

2.6 Выводы по главе 2............................................................. 107

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТАМИ ТИПА ВМЯТИНА НА СТАЛЬНЫХ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДАХ................................................................................. 108

- 3.1 Определение зависимости размеров вмятины от статической нагрузки.............................................................................. 108

3.2 Определение изменения толщины стенки труб в пределах образования вмятины................................................................... 114

3.3 Измерение значения твердости на контрольных образцах, образцах с дефектами типа «вмятина»............................................. 118

3.4 Экспериментальное определение прочностных характеристик материала труб при статическом нагружении. Испытание образцов вырезанных из тела труб на растяжение.................................... 123

3.5 Определение отбраковочной толщины стенки исследуемых труб... 134

3.6 Выводы по главе 3............................................................... 138

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ С ВМЯТИНАМИ, А ТАКЖЕ ВЛИЯНИЯ ПРАВКИ ВМЯТИН НА ПРОЧНОСТЬ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ............................................ 140

4.1 Исследование характера разрушения образцов с вмятинами.......... 140

4.2 Исследование влияния правки дефектов типа «вмятина» безударным методом с помощью домкратов....................................... 144

4.3 Выводы по главе 4............................................................. 148

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................................................ 151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................ 153

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Размеры образцов трубной стали для испытаний на растяжение........................................................................................ 162

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Зависимость геометрических размеров вмятин от статической нагрузки для исследуемых труб диаметрами 159.. .1220 мм............. 163

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Изменение прочностных характеристик дефектных труб

диаметрами 159... 1220 мм................................................................ 167

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Микроструктура металла труб в области образования дефектов типа «вмятина» относительной глубиной 2...6,6% наружного диаметра трубы.................................................................................. 171

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Справка о внедрении разработанных установок для образования дефектов типа «вмятина» в учебный процесс УГНТУ................... 172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Задачи исследований:

4. Оценка влияния правки вмятин безударными методами на прочностные характеристики труб.

Научная новизна:

Методы исследований:

Аппробация работы. Результаты работы докладывались на:

Публикации

Структура и объем работы

Краткое содержание работы

В первой главе проведен анализ основных причин отказов трубопроводов в России и за рубежом. Рассмотрены существующие экспериментальные работы, а также методики по оценке влияния вмятин на прочность трубопроводов.

Вопросами расчета трубопроводов на прочность и устойчивость занимались доктора технических наук, профессоры П. П. Бородавкин, А. М. Синюков, В. Л. Березин, Л. И. Быков, сотрудники ВНИИСТа А. Б. Айнбиндер, А. Г. Ка-мерштейн [2, 3, 6, 10, 11, 73]. Исследование влияния вмятин на прочность трубопроводов можно найти в работах А. Г. Гумерова, X. А. Азметова и др. (ГУЛ «ИПТЭР» РБ), В. С. Миланчева (ВНИИнефтемаш), В. Г. Бордубанова (ВНИП-ТИхимнефтемаш), К. В. Черняева, Е. С. Васина (АО «Центр технической диагностики»), В. А. Трубицына, М. Ф. Фокина (Нижегородский филиал института машиноведения РАН), Г. М. Хажинского (ВНИИнефтемаш), В. П. Черния, В. В. Харионовского и др. (ВНИИГАЗ), А. М. Шарыгина и др. [5, 7, 8, 12, 16, 25-28, 39, 65, 72, 75-77, 79-84, 88].

Из анализа рассмотренных методик и экспериментальных исследований установлено, что для «чистых» вмятин зона максимальных напряжений может находиться в центре вмятины или в зоне перегиба на краю вмятины. Наибольшую опасность представляют вмятины, совмещенные с другими поверхностными дефектами. Значительно меньшую опасность представляют плавные вмя-

тины. Так, на основе анализа статических разрушений подобных вмятин в работе авторов Андрея Кошама и Фила Хопкинса (А. Cosham, Р. Hopkins, Австрия) сделан вывод о том, что допустимое значение изменения вертикального диаметра с учетом необходимого запаса может быть принято равным 10% наружного диаметра, что также подтверждается расчетами в работе Г. М. Хажин-ского.

Из анализа литературных данных, можно сделать вывод о том, что известными учеными большой объем расчетно-экспериментальных работ был проведен по разрушению дефектных участков или сегментов труб с вмятинами внутренним давлением. Однако, сказывается недостаток работ, посвященных механическим испытаниям трубопроводов с дефектами типа «вмятина».

Во второй главе приведен анализ основной нормативно-технической документации по ремонту и отбраковке стальных трубопроводов с дефектами типа «вмятина». Описывается планирование и методика проведения эксперимента по исследованию прочностных характеристик и микроструктуры металла труб в зоне дефекта типа «вмятина».

Из анализа нормативно-технической документации можно сделать вывод, что нормы оценки опасности вмятин варьируются в широких пределах.

На кафедре «Сооружение и ремонт ГНП и ГНХ» в лабораториях УГНТУ были разработаны и сконструированы установки для образования дефектов типа «вмятина» на катушках, вырезанных из реальных трубопроводов. Установки были сконструированы с обеспечением заданной прочности и устойчивости при нагружении труб статической нагрузкой.

В третьей главе приведены результаты проведенных автором экспериментальных исследований.

На специально подготовленных для этого установках на исследуемые трубы были нанесены дефекты типа «вмятина» при различных усилиях. Получена полиномиальная зависимость геометрических размеров вмятин от статической нагрузки. Определены значения толщины стенки трубы в области полученных дефектов, а также значения твердости в зоне вмятины. Вырезанные из

тела труб образцы были испытаны на растяжение. На основании экспериментальных данных выявлено, что при больших размерах штампов (инденторов) при образовании дефектов типа «вмятина» на трубопроводах, свойственных реальным условиям образования плавных вмятин, глубина вмятины не влияет на уменьшение толщины стенки трубы в зоне дефекта больше допустимого значения, что подтверждается расчетами отбраковочной толщины. Установлено, что прочностные характеристики металла трубы в зоне образования вмятины изменяются незначительно и не влияют на дальнейшую эксплуатацию трубопровода.

Четвертая глава посвящена исследованию характера разрушения образцов с вмятинами, а также влиянию правки вмятин на прочность стальных трубопроводов.

По характеру разрушения дефектных образцов в результате испытаний можно сделать вывод о том, что зона максимальных напряжений в трубопроводе с дефектами типа «вмятина» находится в местах перехода профиля вмятины в цилиндрическую часть трубы.

По результатам микроанализа структуры металла выявлено, что при глубине вмятин до 6% от наружного диаметра трубы включительно нарушений в структуре металла нет, при глубине вмятины свыше этого значения в зонах перехода профиля вмятины в цилиндрическую часть начинают образовываться микротрещины, которые обуславливают уменьшение прочностных характеристик металла и при дальнейшей эксплуатации трубопровода в конечном итоге могут привести к его разрушению. Это также объясняет характер разрыва дефектных образцов при растяжении.

В работе было произведено выпрямление части образцов с дефектами типа «вмятина» гидравлическими домкратами.

В результате испытаний на растяжение выпрямленных образцов выявлено, что процесс правки вмятин снижает прочностные характеристики металла в зоне дефекта до 15% .

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОТКАЗОВ СТАЛЬНЫХ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.1 Анализ аварийности и отказов стальных газонефтепроводов и нефтепродуктопроводов

По последним данным Ростехнадзора - Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору - на 01.01.2013 г. протяженность магистральных трубопроводов составляет 250,6 тыс. км: газопроводов -173,3 тыс. км, нефтепроводов - 52,7 тыс. км, продуктопроводов - 24,6 тыс. км. Протяженность газопроводов системы газораспределения и газопотребления -797 тыс. км. Динамика изменения протяженности этих трубопроводов за последние несколько лет представлена в табл. 1 и на рис. 1, 2 [97].

Таблица 1 - Динамика изменения протяженности трубопроводов за 2005-2010 гг.

Годы Протяженность трубопроводов, тыс. км

Магистральные Газопроводы системы газораспределения и газопотребления

Газопроводы Нефтепроводы Нефте-продуктопроводы Всего

2007 166 51 22 239 659

2008 166 52 22 240 740

2009 166 53 22 240 730

2010 167 53 22 241 757

2011 180 53 22 255 826

2012 173 53 25 251 797

Данные Ростехнадзора по протяженности магистральных трубопроводов хорошо согласуются с данными Росстата - Федеральной службой государственной статистики (табл. 2) [96].

В магистральные газопроводы

В магистральные нефтепроводы

В магистральные нефтепродуктопроводы

2007 2008 2009 2010 2011 2012

Рисунок 1 - Динамика изменения протяженности магистральных трубопроводов за 2007 - 2012 гг.

—-————

I Рйи 900 ЯНИЯЕк * 800 Ш

п и

£ 3 700

I ш 600

| | 500

Ь О 400 о о.