Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Научные основы обеспечения повышенной пропускной способности объектов трубопроводного транспорта

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Научные основы обеспечения повышенной пропускной способности объектов трубопроводного транспорта"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Кантемиров Игорь Финсурович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 2012

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИПТЭР»)

Научный консультант

Официальные оппоненты: -

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Зайнуллин Рашнт Сибагатовнч

Морозов Евгений Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», профессор кафедры физики прочности

Халимов Андались Гарифович,

доктор технических наук, профессор, ЗАО «Научно-технический центр «Технология, экспертиза и надежность», генеральный директор

Азметов Хасан Ахметзиевич,

доктор технических наук, профессор, ГУЛ «ИПТЭР», главный научный сотрудник отдела «Безопасность эксплуатации трубопроводных систем»

Открытое акционерное общество «Институт «Нефтегазпроект»

Защита состоится 26 апреля 2012 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ «ИПТЭР». Автореферат разослан 26 марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета *

доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова

РОССИЙСКАЯ J

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА общая ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Повышение эффективности объектов трубопроводного транспорта (OTT) является одной из важнейших и приоритетных задач экономики страны, которая во многом предопределяется их пропускной способностью.

Пропускная способность OTT является комплексной характеристикой, зависящей от совершенства методов и технологий, применяемых на всех стадиях жизненного цикла: проектировании, строительстве и эксплуатации.

Все это вызывает необходимость совершенствования существующих и создания новых методов расчетной оценки характеристик безопасности, технологий производства, ремонта и диагностики. При этом особую значимость приобретают технологии и средства диагностики OTT без вывода из эксплуатации с оперативной и адекватной оценкой их остаточного ресурса и выдачей соответствующих рекомендаций по оптимальным эксплуатационным режимам с соблюдением требований безопасности.

В указанных направлениях были определены цель и основные задачи настоящего исследования.

Работа выполнялась в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструктивных материалов и технологии» п. 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», а также в рамках реализации подпрограммы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» (подпрограмма «Безопасность»), входящей в состав Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения».

Цель работы - обеспечение безопасности эксплуатации OTT с повышенной пропускной способностью на основе разработки и внедрения усовершенствованных методов расчета на прочность, технологии сварки, прогнозирования остаточного ресурса и диагностики.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

— анализ современного состояния и определение перспективных направлений обеспечения повышенной пропускной способности OTT;

— разработка математических моделей физико-механических процессов повреждаемости базовых элементов OTT;

— совершенствование методов расчета на прочность и оценки ресурса базовых элементов OTT с повышенной пропускной способностью, работающих под давлением коррозионных рабочих сред;

— создание теоретических основ технологического обеспечения безопасности OTT с повышенной пропускной способностью;

— разработка и практическая реализация тепловизионного контроля OTT.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов теории коррозии и механохимии металлов, пластичности, механики разрушения, физики твердого тела, теории надежности работоспособности и безопасности трубопроводных систем.

Научная новизна результатов работы:

— базируясь на эволюционно-дискретных процессах разрушения твердого деформируемого тела, обусловленных кинетикой и переходом различных структурных оболочек металла из одного термодинамического состояния в другое, в работе предложено модифицированное уравнение механической активации коррозии на всех этапах устойчивого упругого и пластического деформирования металла; данное уравнение явилось научной базой для создания усовершенствованных методов расчета на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом коррозии;

— на основе известных подходов теории пластичности неоднородных тел выполнен уточненный анализ напряженного и предельного состояний наклонных мягких и твердых прослоек в составе базовых элементов OTT, на основании которого произведена оценка допускаемых (оптимальных) параметров механической неоднородности, обеспечивающих необходимую работоспособность и безопасность при статическом и циклическом нагружениях базовых элементов OTT, а также позволяющих расчетным путем устанавливать их остаточную напряженность и дефектность после проведения гидравлических испытаний;

- натурными исследованиями стальных труб доказана возможность задержки роста трещиноподобных повреждений после проведения испытаний повышенным давлением;

- базируясь на многочисленных экспериментальных данных, в работе предложен и апробирован метод расчета полных диаграмм циклической повреждаемости базовых элементов OTT различной прочности в зависимости от остаточных напряжений, коэффициентов концентрации напряжений (ККН) и характеристик цикличности нагружения и механической неоднородности сварных кольцевых швов и др.;

- установлены и описаны основные закономерности взаимосвязей между характеристиками трещиностойкости, пластичности сталей различной прочности и температурой испытаний;

- разработан метод оценки степени напряженности базовых элементов OTT с помощью тепловизора, включающий панорамную и детальную съемку базовых элементов в эксплуатационных условиях, обработку термоизображений, расчет экспериментальных значений ККН;

- адаптирован к условиям применения в резервуарных парках метод оптико-эмиссионной спектрометрии для определения химического состава, марки стали металла стенки резервуаров и трубопроводов без вывода их из эксплуатации; установлены аналитические зависимости между твердостью и химическим составом сталей.

На защиту выносятся:

- комплекс результатов исследований, определяющих научную и практическую ценности;

- математические модели повреждаемости металла в различных условиях эксплуатации;

- методы расчета на прочность и долговечность и технологического обеспечения безопасности OTT;

- методы тепловизионного контроля диагностических параметров при испытаниях и эксплуатации OTT;

- методы оценки балльной экспертизы и степени напряженности базовых

элементов OTT с применением тепловизора;

- аналитическая взаимосвязь твердости и химического состава сталей.

Практическая ценность результатов работы:

— результаты выполненных исследований позволяют научно обоснованно устанавливать параметры гидравлических испытаний и технологические свойства мягких кольцевых сварных швов, при которых обеспечиваются пониженные остаточная напряженность и дефектность базовых элементов при сохранении необходимого уровня безопасности эксплуатации OTT;

- разработанные методы определения ресурса базовых элементов OTT позволяют расчетным путем определять долговечность и устанавливать безопасные сроки эксплуатации OTT с повышенной пропускной способностью.

Некоторые полученные научные результаты апробированы на предприятиях нефтегазового комплекса России и нашли применение в практике диагностирования и экспертизы промышленной безопасности OTT, в частности:

• «Методика экспертизы параметров дефектов вертикальных стальных резервуаров РВС» была внедрена на ОАО «Башкирнефтепродукт»;

• «Методика оценки напряженно-деформированного состояния стальных резервуаров и трубопроводов с помощью тепловизора» была внедрена на ОАО «Башкирнефтепродукт», ОАО «Северные магистральные нефтепроводы», ОАО «Уралтранснефтепродукт»;

• Научно-практические исследования по проведению анализа химического состава и оценке механических свойств резервуарных и трубных сталей в эксплуатационных условиях были внедрены на ОАО «Башкирнефтепродукт», ОАО «Уралтранснефтепродукт».

Разработана нормативно-методическая база по оценке ресурса безопасности объектов трубопроводного транспорта.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах, Конгрессах нефтегазопромышленников России и конференциях, проведенных в УГНТУ, ГУП «ИПТЭР» и др. в период с 1996 по 2011 гг.

Работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании секции Ученого совета «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» ГУП «ИПТЭР» (протокол № 3 от 9 декабря 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 75 научных трудах, в том числе в 18 ведущих рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 271 наименование, 7 приложений. Работа изложена на 379 страницах машинописного текста, содержит 158 рисунков, 33 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, обозначены положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе проанализированы основные экспериментальные методы исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций, отмечена ограниченность их использования на промышленных объектах. В этой связи подчеркивается перспективность применения для оценки НДС конструкций тепловизионного метода.

Рассмотрены физические основы и технология тепловизионного контроля, основанного на регистрации аномалий температурного поля, к появлению которых приводят градиенты теплопроводности, возникающие при наличии повреждений. Измерение температуры наружной поверхности базовых элементов OTT производится бесконтактно, что позволяет проводить их тепловизион-ный контроль без остановки технологического процесса. Раскрыты и описаны основные этапы исследований по визуализации полей механических напряжений в базовых элементах тепловизионным методом.

Показано, что пропускная способность OTT может быть увеличена за счет применения для их монтажа и строительства базовых элементов с повышенными прочностью и толщиной стенок, а также внедрения комплекса мероприятий по обеспечению их безопасной и бесперебойной эксплуатации.

Применение высокопрочных сталей для строительства OTT вызывает необходимость разработок способов и средств технологического снижения остаточной повреждаемости и напряженности, обусловленных локализованными механическими и термическими воздействиями на металл их базовых элементов. В этом плане одним из наиболее доступных и легко реализуемых технологических приемов является применение для выполнения монтажных стыков высокопрочных труб электродов, обеспечивающих достаточную сопротивляемость металла шва к образованию технологических повреждений (трещин), а также способность к де-концентрации послесварочных напряжений в процессе испытаний OTT. Несмотря на широкую апробацию отмеченного технологического приема в практике производства различного оборудования и трубопроводов остается ряд нерешенных проблем, связанных, в основном, с оценкой ресурса их безопасной эксплуатации. При этом важнейшими характеристиками, предопределяющими ресурс OTT, являются деформативность и трещиностойкость; чувствительность к концентрации напряжений и асимметрии цикла; пределы кратковременной, малоцикловой и усталостной прочности; механическая неоднородность сварных соединений базовых элементов из сталей различного структурно-прочностного состояния.

Другим направлением повышения пропускной способности OTT является применение базовых элементов с повышенной толщиной стенок.

Факторами, ограничивающими применение высокопрочных труб, являются снижение пластичности и повышение уровня напряженности металла, что приводит к ускорению процессов повреждаемости и требует значительного повышения качества проектирования, строительства и эксплуатации OTT.

В связи с этим в настоящее время назрела необходимость комплексной оценки безопасности OTT, позволяющей оперативно, без вывода из эксплуатации проводить диагностику и ремонт, адекватную оценку степени перенапряженности и характеристик безопасности (прочности, долговечности и ресурса) их базовых элементов.

При выполнении исследований придерживались общей схемы формирования характеристик безопасности OTT (рисунок 1).

Вторая глава диссертационной работы охватывает круг вопросов, связанных с физической природой разрушения, оценкой характеристик безопасности и сущности тепловизионного контроля базовых элементов OTT.

Рисунок 1 - Общая схема формирования характеристик безопасности объектов трубопроводного транспорта

На основании анализа современных представлений о микро- и макроскопическом разрушениях металлов и конструктивных элементов в работе сформулированы и описаны основные принципы и методы расчетной оценки предельного состояния базовых элементов OTT с использованием критерия общей и локализованной неустойчивости пластических деформаций при статическом нагружении.

Получены аналитические формулы для расчетного определения предельных разрушающих давлений и напряжений для оболочковых элементов сложной формы в зависимости от их геометрических параметров и сертификатных механических свойств металла.

Показано, что повреждаемость и долговечность базовых элементов OTT являются результатом эволюционно-дискретных процессов разрушения, обусловленных кинетикой и переходом различных структурных оболочек из одного термодинамического состояния в другое.

Базируясь на современных представлениях и достижениях теории усталости металлов и конструктивных элементов, предложена и научно обоснована усовершенствованная математическая модель циклической повреждаемости базовых элементов OTT, связывающая количество циклов или время до разрушения и коэффициент запаса прочности по предельным напряжениям в соответствии со степенной функцией. Предложены аналитические зависимости параметров кинетического уравнения циклической повреждаемости от сертификатных механических характеристик сталей с различными структурно-прочностными состояниями.

В дальнейшем на основании анализа механохимических процессов и литературных данных по механохимии металлов обоснована наиболее адекватная математическая модель, связывающая скорость коррозионно-механического износа с характеристиками НДС и механическими свойствами металла базовых элементов OTT.

Выполненный анализ результатов экспериментальных исследований - как собственных, так и полученных другими исследователями - позволил автору выявить физическую сущность коэффициента трещиностойкости атп (или эффек-

тивного ККН образца с трещиной) и получить адекватную его взаимосвязь с сертификатными деформационными характеристиками механических свойств металла при различных температурах. Кроме этого, в работе предложены аналитические зависимости для расчетов теоретических и эффективных ККН для базовых элементов с отклонениями геометрической формы и толщины стенок, трой-никовых соединений и др.

Важной проблемой является экспертиза диагностической информации для обоснованной количественной оценки потенциальной опасности выявленных дефектов, и в частности для конструкций вертикальных стальных резервуаров (РВС). В работе проведены исследования методических основ по разработке методики балльной экспертизы дефектов РВС, включающей в себя идентификацию дефектов, индивидуальное ранжирование и планирование ремонтных работ по ликвидации дефектов.

При идентификации дефектов по результатам неразрушающего контроля основного металла и сварных соединений РВС уточняются вид повреждения, его характеристические размеры, форма и местоположение.

Ранжирование дефектов производится по значению индивидуального суммарного балла Qz , получаемого путем сложения основного и корректирующих баллов Q,: gE = QK„ + £ Q^ Qrm- б™ +X • (1) Значения основного балла выбираются в зависимости от характеристических размеров дефектов и их влияния на прочность и устойчивость РВС. Значения корректирующих баллов назначаются на основании анализа условий эксплуатации резервуара £?»„), конструктивных особенностей РВС (£&•/« ). вида и типа сварных соединений (£&■„), местоположения дефекта &„„„)■

Для установления значений корректирующих баллов автором была проведена экспертная оценка путем опроса специалистов ведущих предприятий ТЭК.

На этапе планирования ремонтных работ по значению суммарного балла принимается окончательное решение о степени опасности дефекта, устанавливаются необходимость, очередность и методы проведения ремонтно-восстановительных работ, а также даются рекомендации по обеспечению безопасных режимов эксплуатации РВС.

При диагностировании резервуаров РВС и наземных трубопроводов теп-ловизионным методом ключевыми моментами являются выявление зон значительной концентрации напряжений и определение ККН а",.

Экспериментальные значения ККН а™ рассчитываются по формуле:

а = д Г4* / д Г"4"" = Г** - Т*ф, (2)

где АТ*Ф - изменение значений «видимых» температур в дефектной области; дГ"""и - изменение значений температур в бездефектной области; Т'г и Г{ - значения температур, замеренные при уровнях нагрузки Р7 и Р,.

Здесь под «видимой» температурой понимается численное значение параметра температурного поля на наружной поверхности объекта, полученное при анализе интенсивности инфракрасного (ИК) излучения, зафиксированного тепловизором. Под «дефектной» областью понимается локальная область (участок) контролируемого объекта, имеющая на наружной поверхности аномальное распределение температурного поля. Под «бездефектной» областью понимается участок с равномерным распределением температурного поля.

ИК-съемка может проводиться с помощью промышленных тепловизоров, имеющих следующие основные технические характеристики:

— диапазон измерений температур от минус 20 °С до 350 °С;

— чувствительность ±0,1 °С;

— представление уровней температур на термоизображении в серой или цветной гамме (непрерывная, 5-, 10-, 128-уровневая градация и более);

— возможность работы в режиме реального времени, возможность измерения температур в режиме «стоп-кадр», возможность построения изотерм и т.д.

Проведены исследования условий применения разработанной методики. На основе сравнения коэффициентов теплового излучения кпш («степени черноты») различных материалов показано, что значение кШ1 определяется в большей степени состоянием наружной поверхности. Для стенки РВС равномерная коррозия, лаковые или масляные покрытия повышают значение квш от 0,56 до 0,70...0,90, что обеспечивает возможность достоверных тепловизионных измерений.

Практический интерес имеет проведенный анализ зависимости коэффициента теплового излучения к„ш от угла наблюдения. Как результат разработана

схема проведения панорамной тепловизионной съемки стенки резервуара РВС (рисунок 2), при которой при минимальном числе точек ИК-съемки обеспечивается охват всей поверхности стенки с перекрытием соседних кадров и справедливость закона Ламберта для собственного ИК-излучения стенки резервуара.

Рисунок 2 - Схема проведения тепловизионной съемки стенки РВС

Показано, что тепловизионный метод, обладая интегральностью, достаточной точностью и быстродействием позволяет оперативно в эксплуатационных условиях выявлять участки и зоны базовых элементов OTT с высокой степенью перенапряженности металла.

В третьей главе выполнен комплекс исследований по совершенствованию методов обеспечения безопасности OTT на стадии их проектирования, в частности по расчетам на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом механической активации коррозии металла.

Существующие методы расчетов на прочность базовых элементов OTT, работающих под действием коррозионных рабочих сред, не лишены недостатков. В частности, кинетические уравнения, на которых базируются сущест-

стенка РВС

0

вующие методы расчетов на прочность и долговечность, в ряде случаев приводят к заметному занижению характеристик безопасности эксплуатации OTT, в особенности, в случаях их оценки по предельным состояниям и с учетом особенностей деформационной механической активации коррозии металла.

Также, на наш взгляд, в кинетических уравнениях, выражающих зависимость скорости коррозии от характеристик НДС, необходимо адекватно отразить значимость основных термодинамических параметров, в первую очередь, температуры рабочей среды.

Именно поэтому актуальной задачей становится усовершенствование методов оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов конструктивных элементов OTT, в частности оболочковой формы, работающих под давлением коррозионных рабочих сред.

Базируясь на данных главы 2 взаимосвязь скорости коррозии и характеристик НДС образца при осевом растяжении, представлена в следующем виде:

. =кЛт)Кс(т), (3)

ехре,

где и(т) и о„ - скорости коррозии напряженного и ненапряженного металла; кт, = 0,00096 МПа']; е » 2,72; сг, - интенсивность напряжений; к, - температурный коэффициент, к, = 293/(^+273); ¿>„ - равномерное удлинение стали; е, - интенсивность пластических деформаций; г- время эксплуатации; К„ (г), Кс (г) и Кт (т) - соответственно силовой, деформационный и общий коэффициенты механической активации коррозии.

При упругих деформациях (г, = 0): Ка =1 + к,м - к,-о, (г). (4)

Рассмотрим конкретный пример расчета вертикального стального резервуара на прочность с учетом коррозии.

В практике расчетов на прочность и ресурс резервуаров на основании формулы (3) необходимо учитывать динамику изменения напряжения о и температуры /, особенности напряженного состояния металла, масштабный фактор и др. Как известно, расчеты на прочность резервуаров проводятся при упругих напряжениях (а < ат, где ат - предел текучести).

При оценке температурного коэффициента к, вместо I необходимо подставлять среднегодовую температуру гс2: к, = 293 /(/с2 + 273).

Как известно, в стенках резервуаров реализуется не одноосное, а плоское (двуосное) напряженное состояние, характеризуемое отношением главных меридиональных (сх2) к окружным (ст,) напряжениям (та = ег2 /о-,).

В результате происходит увеличение коэффициента жесткости напряженного состояния ц/а (х|/„ = ст^ /ст]) в металле стенки, что заметно повышает коэффициент механической активации коррозии металла.

В общем случае плоского напряженного состояния (с произвольным параметром т„) коэффициент у/а определяется по формуле:

уга = (\ + та)/3^\-та +тга. При этом для цилиндрических резервуаров

(та = 0,5): =1/л/з ; для сферических резервуаров (т„ = 1,0 ): у/а = 2/3.

Для учета этого фактора величину км следует умножить на :

= (! + «.)/ V1 -т°+т1 ■ (5)

Величина окружных напряжений в стенках резервуаров при эксплуатации изменяется от некоторых начальных значений сг„ до предельных (допускаемых) величин а„р=усКу1у„, где ус - коэффициент условий работы (ус =0,7...0,8); Яу - расчетное сопротивление стали по пределу текучести; у„ - коэффициент надежности по назначению (у„ =1,0... 1,1). Расчетное сопротивление стали Я, определяется делением предела текучести Яут (или сгт) на коэффициент надежности по материалу ут =1,025... 1,500. Следовательно: апр = Кт ■ а„, где Кт = уе! у „-у т - коэффициент использования несущей способности материала {К„„ =0,55...0,78).

С учетом падения гидростатического давления по высоте резервуара, величин *„ и Кш коэффициент К„ в формуле (4) можно рассчитывать как:

к п к?Л\ + т„)у -аЛ^-Ю-К (6)

где = z/H; z - расстояние от днища резервуара до нижней кромки пояса; Н -высота налива продукта в резервуаре.

Из данной формулы видно, что увеличение параметров та,Кт и пт ведет к росту Ка, скорости коррозии и и припуска на коррозию С„..

При этом: CL = li• г„, где т„ - назначенный срок эксплуатации. По результатам всех дополнительных поверочных расчетов на прочность и устойчивость устанавливаются начальная (до эксплуатации) толщина стенок /ш для каждого /-ого пояса и фактический ресурс тиф:

(7)

Здесь Svt - минимальная расчетная толщина стенок каждого пояса /, определяемая по формуле: А, = [гр(Н - ), (8) где g - ускорение свободного падения; р - плотность продукта.

Аналогичным образом рассчитываются на прочность и долговечность базовые элементы OTT другой формы и назначения.

В пластической стадии деформации: cr,=Asгде А и т- константы стали, m**5., Aaa-t(e/ö,f', а, - предел прочности стали.

На начальных этапах работы выполнен анализ кинетики скорости коррозии и напряженного состояния круглого стержня в процессе испытаний при постоянной нагрузке Q.

В этом случае v (г) = drldt, а время до разрушения г будет определяться

'■г ф.

интегрированием (3): гар = J-=-)_ _ п . (9)

+ k, ff, (г)

Долговечность круглого стержня без учета механической активации коррозии [тшр) определяется по формуле: г„„„ = —

1 +

ехр ё?

шр V

где ст„ и а' - соответственно начальное и предельное напряжения (временное сопротивление) при температуре эксплуатации Отношение тпр к топр представляет собой коэффициент снижения долговечности <р„ =т.1тм =\/К%, где К % -среднеинтегральный коэффициент механической активации коррозии, со-

ответствующий достижению в элементе предельного состояния (например, предела прочности ст.).

Результаты численного интегрирования уравнения (9) можно представить

следующим выражением: К„ =

1 +

у!".)

(l + л/П (Ю)

где п, - коэффициент запаса по пределу прочности (и„ =ег„/ст,„); <тй - предельная интенсивность напряжений. Величину <тй можно определять по формуле: сг„=С-5, где С - константа прочности стали (с » а]/сг„).

Время до разрушения цилиндра г, определяется по формуле: г„ = т„ !Кт. (11) В таблице 1 даны расчетные формулы для определения долговечности различных конструктивных элементов с учетом механической активации коррозии на всех этапах упруго-пластического деформирования металла.

Таблица 1 - Формулы для расчета долговечности базовых элементов OTT

о, ^ о-»,: Р. = сгр !оя = 1 о-/ ^о-,.: К =<V°"„ =1/",

PUM . Г„

/ТТЛ Г wr »1 д »1 . v„ 1 3 S.

Ч 1' jHrr^ -«- 2 3 2-s. 3

Ц-Лъ) V, 1 3 S.

H-F.) V„ 1 3 8.

1 Я s„ 7з

-«- 1 + т„ зф-т„+т2

2 3 2 — m 3

Таким образом, базируясь на полученном кинетическом уравнении механической активации коррозии металла, разработаны расчетные методы определения ресурса базовых элементов OTT.

Получены аналитические зависимости для расчетов среднеинтегральных коэффициентов механической активации коррозии металла на всех этапах их упруго-пластического деформирования.

Четвертая глава посвящена вопросам технологического обеспечения безопасности эксплуатации базовых элементов OTT.

Применение высокопрочных сталей для производства базовых элементов OTT обуславливает ряд технологических проблем, связанных с обеспечением трещиностойкости и снижением остаточных напряжений в кольцевых сварных стыках. Реализация этих задач, как правило, порождает известное явление механической неоднородности (наличие мягких и твердых участков-прослоек). В результате возникают проблемы, связанные с оценкой коэффициентов прочности таких сварных соединений.

Проблема механической неоднородности сварных соединений возникла давно и решалась известными учеными в области прочности сварных конструкций (Б.Е. Патоном, Н.О. Окербломом, O.A. Бакши и др.).

Тем не менее, до сих пор в литературе отсутствуют адекватные решения по оценке напряженного и предельного состояний сварных соединений с мягкими прослойками.

Одним из наиболее существенных недостатков имеющихся аналитических формул для оценки прочности сварных соединений с мягкой прослойкой является тот факт, что при устремлении ее относительной толщины х (х = Мб, h - абсолютная толщина мягкой прослойки; S - толщина стенок труб) к нулю (х->0) прочность трубы стремиться к бесконечности (и, -><ю). Этот факт объясняется тем, что практически все имеющиеся решения сводятся к гиперболической взаимосвязи прочности сварных соединений с мягкой прослойкой: (х) = < (0,785 + 1/ 4%).

Отношение <т„ = Кг принято называть коэффициентом контактного упрочнения мягкой прослойки. Указанные значения Kz являются предельно

возможными и они реализуются, когда прочность твердого металла (Т) со сторон контактных плоскостей значительно больше прочности мягкого (М) металла: £г.(*) = <т; (0,785 + 1/4*).

Характер деформирования таких соединений показан на рисунке 3.

Для реальных значений коэффициентов механической неоднородности К„ (К, = <х" /ст.", а" и а" - пределы прочности твердого и мягкого металлов) значения Кг оказываются значительно меньшими, чем определенные по гиперболической формуле.

Одной из основных причин указанного расхождения значений Кх является принятие в теоретических решениях достаточно жестких допущений, в частности достижение на всей поверхности контактных плоскостей касательных напряжений тху, равных пределу текучести металла мягкой прослойки при чистом сдвиге (г^ =<тга"/л/з = а" /л/з). Этот факт отмечается при деформации тонких (х < ОД) мягких прослоек между двумя жесткими частями (рисунок 3, б), для которых К„ »1,0.___| 0)

Т М

.а" т~ 5 = 8

а) в) и (х, у)

Рисунок 3 - Схема соединения с мягкой прослойкой (а) и картины линий равных осевых (б) и поперечных (в) перемещений в ней

В реальных случаях К, < 3,0. Для большинства сварных соединений К, < 1,5.

Ряд попыток видоизменения распределения контактных касательных напряжений не привели к желаемому результату. Получаемые при этом формулы для оценки К в сущности остаются гиперболическими.

В работе на основе анализа большого количества теоретических и экспериментальных данных по работоспособности разнородных соединений получе-

ны простые и адекватные аналитические зависимости для расчетной оценки прочности мягких прослоек в составе сварных соединений труб и других оболочковых элементов. При этом основывались на двух неоспоримых положениях: первое - при % = 0 прочность сварного соединения должна быть не менее прочности основного (твердого) металла: <т™ = а"; второе - в области % > 1,0 прочность сварного соединения предопределяется прочностью металла мягкой прослойки: а" = а".

В этом случае формула для оценки коэффициента контактного упрочнения Кх мягкой прослойки имеет следующий вид:

\)х\ (12) где с - константа, которая при статическом растяжении: с »1,0.

Таким образом, пределы текучести а„ и прочности а, при растяжении образцов с мягкими прослойками должны определяться с учетом Кх:

На рисунке 4 приведена зависимость предела прочности сварного соединения а, от относительной толщины мягкой прослойки х • Видно, что расчетные значения ст„ (х) достаточно близки к экспериментальным, полученным другими авторами. Заметим, что формула (13) адекватно отвечает эксперименту не только для сварных соединений с гомогенной, но и с композитной структурами.

Разделив предел прочности сварного соединения ег„ на предел прочности основного (твердого) металла ст™, получаем коэффициент прочности <рс сварного соединения с мягкой прослойкой:

(14)

к«

В реальных сварных соединениях часто имеют место наклонные мягкие прослойки (рисунок 5).

Поэтому в работе решена задача о деформации сварных соединений с наклонными мягкими и твердыми прослойками. Решение задачи выполнялось с исходными условиями и допущениями, принимаемыми в теории пластичности.

(13)

Особенностью настоящего решения является установленная закономерность: значение контактных касательных напряжений г^ зависит от параметра а и К,.

Анализ силовых воздействий на наклонную линию сплавления показывает, что за расчетную схему можно принимать некоторую эквивалентную модель при ад = 0 (рисунок 5, б), но с соответствующим действием поперечных сил <2а.

МПа 65

600

550

500

450

400

6...1,8

о9

э \

О о

0,2

0,4 0,6

0,8 1,0

О - эксперимент (O.A. Бакши и P.C. Зайнуллин);--расчет по формуле (13)

Рисунок 4 - Зависимость ап (%)

а р

Т S Ьа л

i

"от*

Q, М

т

P«

а) б>

Рисунок 5 - Модель с наклонной мягкой прослойкой (а) и ее расчетная схема (б)

При Qa = 0 получаем частную модель, рассмотренную д.т.н. P.C. Зайнуллиным и д.т.н. A.A. Халимовым.

Номинальное напряжение в рассматриваемой модели (рисунок 5) ап = PIFa, где F0=SaB„\B0- ширина пластины. При этом Bg/So >5.

При выполнении условия ап < сг„и имеем упругие деформации и однородное напряженное состояние. Когда приложенная нагрузка достигает значений, соответствующих уровню напряжений, равных пределу текучести ol в мягкой части модели (ст„ = ст„"), происходит переход в пластическое состояние. Затем по мере развития пластических деформаций НДС приобретает все более сложный пространственный характер, отличный от одноосного растяжения. Деформированию мягкого металла в окрестности линии сплавления препятствует металл твердой части модели, в результате появляются касательные напряжения rv и в окрестности линий сплавления реализуются зоны взаимодействия разнородных металлов со сложными полями напряжений - зоны со сложным напряженным состоянием (ЗСН).

В случае а" » сг"„ полагаем, что те может достигать предела текучести мягкой части металла при чистом сдвиге: К„ = а^ /-Уз .

Для соединений в реальных конструкциях значения а™ и al могут иметь незначительные отличия. В этой связи представляет интерес оценка касательных напряжений по линии сплавления модели для случаев произвольного значения отношения ст™ к ст*. Также важно определить зависимость изменения касательных напряжений вдоль линии сплавления и их развитие по мере увеличения нагрузки (или номинального напряжения ст„). При этом наличие поперечных сил способствует более раннему наступлению текучести металлов.

Таким образом, предопределяющим параметром контактного взаимодействия разнородных соединений с наклонными линиями сплавления является отношение поперечных сил Q к растягивающим Р. ku = Q„/Pa = tgä.

В соответствии с принятыми исходными допущениями и условиями, функция распределения касательных напряжений в объеме (ЗСН)" имеет вид:

V Кс

где = ег„ /сг„", сг„ - номинальное напряжение в мягком металле вне зоны контакта, сг " - временное сопротивление мягкого металла; Кт„ = сг„" / а ", а^ - предел текучести мягкого металла; £ = 2х / 5а; т? = 2у / ; ЛД1а = 2А „„ / ; С „ - коэффициент

(сЛ1 - ¡.о...з,о).

В уравнении (15) выражение под корнем представляет собой коэффициент нагрузки К„ = [(ст„ - Ктв )/(1 - Кт„ )]°,2!, который характеризует степень развития касательных напряжений на линии сплавления модели от = 0 до = 1,0 (рисунок 6, а). Чем меньше величина , тем быстрее реализуется предельное состояние модели (рисунок 6, б).

Отношение (к* -1 =КГ в уравнении (11) характеризует степень реализации предельного состояния тк. = в зависимости от коэффициента механической неоднородности К„. Установлено, что параметр ? -1,0. Уменьшение коэффициента механической неоднородности К, способствует значительному снижению контактных касательных напряжений т,. (рисунок 6, а) и лишь при К„-*аа, хк. = 1,0. (т.. = Км) Рост К, приводит к увеличению Кр (рисунок 6, б).

Аналогичные закономерности распределения касательных напряжений получены для базовых элементов (рисунок 7).

На основании дифференциальных уравнений равновесия и критерия пластичности Мизеса-Губера установлены закономерности распределения всех компонент нормальных напряжений о „о, и <т_. в объеме плоских и осесиммет-

четов статической прочности сварных базовых элементов с наклонными мягкими и твердыми прослойками (швами).

0,5

0,25

4=1 0,75

0,5

0,25

Кр

0,5

0,25

/

1 6)

К.

2 Ъ К, \ 2 3

Рисунок 7 - Зависимости г„. (а) и Кр (б) от К,

Установлено, что при определенных значениях геометрических и механических параметров мягких прослоек может обеспечиваться равнопрочность сварного элемента и основного металла. Это объясняется известным фактом упрочнения мягкого металла, деформируемого в стесненных условиях, - эффект контактного упрочнения, оцениваемый коэффициентом Кга:

где х„а = К ■ Зависимости Кга от х,,а показаны на рисунке 8. к:'

(16)

1.4

1,3

1.2

1,1

1,0

к„ =1.0 К. =1,0

а = 0 С. =0

15'

30'

а =» 45* У

0,5 0,6 0,7 0,8 0.9

Рисунок 8 - Зависимости коэффициента контактного упрочнения Кг„

от относительной толщины при различных углах наклона а

Уменьшение хяа заметно повышает Кха. С ростом угла наклона а значение Кснижается. В твердой части модели проявляется эффект механического разупрочнения К"^. В работе дана теоретическая оценка коэффициента механического разупрочнения твердого металла К"р.

В дальнейшем произ^а на оценка коэффициентов контактного упрочнения сварных соединений с мягкой прослойкой при циклических нагрузках. Показано, что при симметричном цикле нагружения предел усталости сварного соединения с мягкой прослойкой определяется подстановкой ст., и а:" вместо а, и tr," в формулу (13). При этом показатель степени С = 0,5. Кроме этого, в работе даны рекомендации по оценке эффективных ККН и влияния коэффициентов асимметрии г на предел усталости <УГ.

Установленные закономерности изменения статической и циклической прочности базовых элементов с мягкими прослойками положены в основу разработанных методических рекомендаций по повышению характеристик безопасности OTT на стадии монтажа и строительства оптимизацией свойств кольцевых швов и величины испытательного давления.

Эффективность разработанных методических рекомендаций подтверждена проведенным комплексом следующих исследований.

В пределах зоны, где при сварке произошли термопластические деформации (т.н. «активная» зона), имеются остаточные напряжения а^, примерно равные по величине пределу текучести металла соответствующего участка [Бакши O.A., Зайнуллин P.C. О снятии сварочных напряжений в сварных соединениях с механической неоднородностью приложением внешней нагрузки // Сварочное производство. -1973. -№ 7. - С. 10-11.]. За пределами такой зоны а„т меняют знак на обратный, а величина этих напряжений будет определяться из условия статической эквивалентности.

Но даже для однородных соединений (< = сг''", где <т„" - предел текучести мягкого шва, а■'„'" - предел текучести основного металла) остаточные напряжения в окрестности кольцевых швов изменяются по сложным полиэкстремальным

функциям: = о™ (l -xf /(l -x)A, где x = х/x.; x. - размер активной зоны.

При х = 0 (центр шва) остаточные напряжения принимают свое максимальное значение (сг„т = сг°" я ст", где <т™ - предел текучести металла шва).

Приложение внешней нагрузки, вызывающей напряжения «т„ (при гидравлических испытаниях), приводит к снижению максимальных остаточных напряжений в кхт раза: к„ =tT^/<7™ =o-L,/a„u, где о£. - остаточ-

ные напряжения после испытаний.

При этом определяется по формуле:

*«-(l-5?)M),'M)\ (17)

где äu - относительное испытательное напряжение трубопровода, Уц = aja *m.

Отсюда следует простой и важный вывод: чем меньше предел текучести металла кольцевого шва (er™), тем должна быть меньше величина испытательного напряжения <т„ при условии полного снятия остаточных напряжений. Проведенные в ГУП «ИПТЭР» многочисленные экспериментальные исследования на натурных сосудах и трубах подтверждают справедливость формулы (17).

Необходимо отметить, что остаточные напряжения а1хт могут значительно снижать характеристики безопасности базовых элементов OTT. В частности, в работе установлена следующая взаимосвязь коэффициента снижения усталостной прочности к/. кг = апх!аг -Л"!, (18) где ат и стг - пределы усталости сварного элемента и основного металла; Кш =ат/а/, коэффициент, определяемый по формуле (17); q- константа. Очевидно, что при полном снятии сварочных напряжений = 0) предел усталости сварного элемента становится равным пределу усталости основного металла.

Повышение уровня испытательного давления, наряду со снятием остаточных напряжений, приводит к снижению степени опасности возможных в металле базовых элементов трещиноподобных повреждений (несплавлений различного рода). Натурными испытаниями доказана возможность торможения развития трещиноподобных повреждений после перегрузочных гидравлических испытаний. В работе установлена взаимосвязь остаточной дефектности базовых элементов с величиной испытательного давления при различных структурно-

прочностных состояниях металла. Установлено, что при одних и тех же уровнях испытательного напряжения =cr*/e7„) с увеличением отношения

Кш=ат1ав происходит снижение остаточной дефектности базовых элементов OTT. Поэтому необходимо констатировать, что гидравлические испытания являются эффективным методом обеспечения безопасности OTT.

В работе научно обоснован и апробирован метод оценки и повышения циклической долговечности сварных соединений OTT с резкими изменениями толщины их стенок.

Как известно, характеристики НДС и статической прочности разнотол-щинных, со смещением кромок и угловых швов сварных соединений базовых элементов OTT существенно зависят от угла перехода {ß) в окрестности резкого изменения толщины стенок базовых элементов.

При этом рост относительного угла перехода ß{ß = ß/л) способствует снижению степени перенапряженности металла и соответствующему росту несущей способности и циклической долговечности сварных элементов с резким изменением толщины стенок. Эта закономерность достаточно адекватно описывается следующей формулой:

*r(ß)=^ + {vr-KV)ß\ (19)

где <т, (Д) - предел усталости элемента с угловым переходом; К]? - пороговый коэффициент интенсивности напряжений при заданном коэффициенте асимметрии цикла г, соответствующий базе циклических испытаний ns (ns =106...10? циклов нагружения); аг- предел усталости бездефектного элемента. В работе обоснованы расчетные методы определения K'h.

Полученная взаимосвязь малоцикловой долговечности от параметра ß хорошо согласуется с экспериментальными данными других авторов (рисунок 9).

Анализ литературных и полученных в работе данных позволяет рекомендовать следующий метод расчетного построения полной диаграммы циклической повреждаемости стальных элементов, показанной на рисунке 9. Характерные точки на этой ломанной кривой (С, М и У) соответствуют пределам статической, малоцикловой и усталостной прочности (<т„ <r„,crr). Величину а, уста-

навливают при определенной базе испытаний ns (ns =106).

Установлено, что положение точки перелома М на полных диаграммах циклической повреждаемости зависит от отношения пределов текучести а„ и прочности а, Повышение Кт сужает область малоцикловой усталости в полных диаграммах циклической повреждаемости (с ростом ст„ и снижением NM ). В работе получены соответствующие формулы и предложены рекомендации для построения полных диаграмм циклической повреждаемости базовых элементов OTT.

Одной из наиболее важных проблем безопасности эксплуатации OTT является обеспечение достаточной трещиностойкости их базовых элементов, в особенности, работающих при отрицательных температурах.

-- теоретические данные автора; • , ши А-эксперимент

ГУП «ИПТЭР» (P.C. Зайнуллин, А.Г. Вахитов)

и ИМАШ РАН им. A.A. Благонравова (А.П. Гусенков, В.В. Москвитин); • - гладкие образцы; ■ - сварные образцы со смещением кромок ( Д = 0,2) и плавным переходом; А - сварные образцы со смещением кромок (А = 0,2) с острым угловым переходом

Рисунок 9 - Полные диаграммы усталости сварных образцов

Несмотря на несомненные достижения в области оценки ресурса безопасной эксплуатации OTT, работающих при отрицательных температурах, в литературе недостаточно сведений по расчетному определению степени низко-

температурного охрупчивания металла их базовых элементов.

Большой практический интерес представляет оценка ресурса безопасной эксплуатации конструктивных элементов OTT с использованием критериев трещиностойкости. Этот вопрос становится особенно важным для конструктивных элементов из высокопрочных сталей, работающих при отрицательных температурах.

В настоящей работе на основании выполненных экспериментов и анализа литературных данных произведена оценка статической и динамической низкотемпературной трещиностойкости базовых элементов OTT с различными исходными прочностью и пластичностью.

Статическую трещиностойкость оценивали по результатам испытаний прямоугольных образцов. Первоначально на заготовки фрезой наносился острый надрез (радиус в вершине надреза р < 0,1 мм). Далее циклическим консольным изгибом выращивали усталостную трещину. В образцах варьировали относительную глубину трещин ц (77 = h/S, где h и S- глубина и толщина образца).

Образцы на растяжение и изгиб изготавливались из пластин, вырезанных из листового проката с различными исходными прочностью и пластичностью.

При испытаниях (в специальном термостате) фиксировали температуру испытаний 1, и соответствующие параметры разрушения. По результатам испытаний определяли параметр трещиностойкости атр и критическую интенсивность напряжений Кс в соответствии с основными требованиями ГОСТ 25.506-85 и РД 39-0147103-387-87.

На основании литературных данных (ТУП «ИПТЭР») и выполненных экспериментальных исследований обоснована следующая зависимость для расчетной оценки параметра трещиностойкости awp:

где Кт=а„/а-„ при заданной температуре испытаний; - коэффициент трещиностойкости при температуре 20 "С; f - относительная температура испытаний, f = (¿э+273)/293; I,- температура испытаний, "С; q- константа, зависящая от марки стали.

На рисунке 10 показана взаимосвязь атр (г}) для СтЗ при испытаниях /3 =20 °С и t3= минус 50 °С.

г-■- -■— —■—1 СтЗ \Т /,=20 'С -1—7

Г, " минус 50 'С

^тр.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 V

Рисунок 10 - Зависимость а^, (7) при температурах = 20 "С И/,= минус 50 "С

Видно, что отрицательная температура заметно снижает трещиностойкость СтЗ. При этом взаимосвязь атр (77) - экстремальная с минимумом при г;-0,5.

Обозначим атр, - коэффициент трещиностойкости атр при тн =0,5.

Установлено, что при выполнении инженерных расчетов для низкоуглеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей можно принимать величину равную соответственно: 1,75, 1,50 и 1,25.

В дальнейшем величину Тч будем обозначать символом к'тр и называть температурным коэффициентом трещиностойкости.

Аналогичные результаты следуют из данных других авторов (рисунок 11).

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента низкотемпературной трещиностойкости а,р (17) сталей 12Х18Н10Т (а) и 8Х12Н10МТ(б)

В работе показано, что на основании положений механики разрушения (Е.М. Морозов и др.) температурный коэффициент трещиностойкости к'яр можно использовать для оценки критических коэффициентов интенсивности напряжений К1с,Кс,Кл и др. В частности, на рисунке 12 представлена зависимость К1с (г), построенная на основании формулы (20) для нержавеющей стали (15Х2НМФА) при статическом нагружении. Там же сопоставлены экспериментальные данные ИЭС им. Е.О. Патона (JI.M. Лобанов и др.). Как видно, снижение Т приводит к монотонному уменьшению Kic. При этом формула (20) достаточно адекватно описывает экспериментальные результаты многих авторов.

На рисунке 13 представлены температурные зависимости для трех широко применяемы марок сталей (СтЗ, 09Г2С и 12Х18Н10Т).

К\с<

МПа-Ш 12

8

4

0

50 100 150 200 250 Т, К

• - эксперимент (ИЭС им. Е.О. Патона);--по формуле (20)

Рисунок 12 - Взаимосвязь Kte (Т)

Данные этого рисунка свидетельствуют о том, что по величине k'mp можно оценивать не только характеристики трещиностойкости, но и пластические характеристики, в частности относительное удлинение S5 и др.

В целом для всех исследуемых сталей уменьшение температуры Т приводит к снижению их деформационной способности и трещиностойкости. Наиболее интенсивные снижения Ss и атр отмечаются для сталей СтЗ и далее -

09Г2С и 12Х18Н10Т.

8„ %

20 15

СтЗ /

/

/

1

тр 0,8

0.6

0,4

0,2

СтЗ /

/

^3

а) 50 100 150 200 250 Т,К б) 50 100 150 200 250 Т,К

%

25 20

'—1 09Г2 -- С 1

/

Г

| /

~ 1

0.8 0,6 0,4 0,2

- 09Г2 - С I / '

в) 50 100 150 200 250 Т,К г) 50 100 150 200 250 Т,К

6,.

%

40 30 20 10

12X18 Н10Т ■-2

/

0,8 0,6 0,4 0,2

ГН Ч1

/з

2 \ 12ХК нют

Ь/

д) 50 100 150 200 250 Т.К е) 50 100 150 200 250 Т.К

1 - данные автора; 2 - [ИЭС им. Е.О. Пэтона]; 3 - по формуле (20)

Рисунок 13 - Температурные зависимости 55 и атр для СтЗ (а, б), 09Г2С (в, г), 12Х18Н10Т (д, е)

Для сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т в зависимостях атр (Т) отмечается плато. Чем выше исходная пластичность стали (б5), тем больше область плато на температурной зависимости коэффициента трещиностойкости атр.

Предложенная температурная зависимость (20) достаточно адекватно согласуется с общими положениями механики разрушения и экспериментальными данными.

Кроме этого, в работе произведена оценка зависимости повышения степени перенапряженности металла базовых элементов OTT от температурных перепадов. Даны рекомендации по учету температурных напряжений в расчетах на прочность и долговечность OTT.

Пятая глава посвящена вопросам обеспечения безопасности OTT на стадии их эксплуатации совершенствованием методов диагностического контроля.

Разработанные методики тепловизионного контроля апробировались при испытаниях образцов с различными концентраторами напряжений (таблица 2, рисунки 14, 15) и натурных моделях, изготовленных из труб с отводами, коническими переходами, днищами, сварными швами и др. (таблица 3, рисунок 16).

После этого было проведено промышленное апробирование на реальных резервуарах и различных воздушных переходах нефтепроводов.

Некоторые результаты испытаний образцов приведены в таблице 2 и на рисунках 14 и 15. В целом, полученные значения характеристик напряженного состояния образцов с концентраторами напряжений достаточно хорошо согласуются с опытными данными.

ИК-съемка проводилась в закрытом помещении. Для снижения погрешности выполнялась «прицельная» съемка - на поверхность экспериментальной установки (рисунок 16) наносилась сетка хорошо видимых на термоизображениях точек, позволяющих точно совмещать записанные изображения в разное время при различных уровнях нагрузки тепловых полей участков при их анализе.

По результатам обработки термограмм были рассчитаны экспериментальные значения ККН. Например, для дефекта глубиной 1,3 мм а",=1,687, для дефекта глубиной 5,0 мм а™ =2,063. Эти значения отличаются на 15... 18 % в большую сторону от теоретических ККН.

Таблица 2 - Результаты тепловизионных исследований изменения

параметров температурного поля при испытании образцов

№ групп №№ образцов Характеристика образца, геометрические параметры искусственного дефекта Дефектная область Бездефектная область ККН а" и/

1. Чистая неокрашенная поверхность основного металла без дефектов

1 1.1 толщина стенки 6.0 мм - 4.1 1.00

1.2 толщина стенки 10.0 мм - 4.0 1.00

2. Неокрашенная корродированная поверхность металла без дефектов

2.1 Сталь ВСтЗсп, толщина 4.0 мм 7.2 5.5 1.31

2.2 Сталь ВСтЗсп, толщина 5.0 мм 6.8 5.4 1.26

2 2.3 Сталь ВСтЗсп, толщина 6.0 мм 7.0 5.5 1.27

2.4 Сталь ВСтЗсп, толщина 9.0 мм 6.7 5.6 1.20

2.5 Сталь 09Г2С, толщина 9.0 мм 6.6 5.6 1.18

2.6 Сталь 09Г2С, толщина 10.0 мм 6.6 5.8 1.14

2.7 Сталь 09Г2С, толщина 12.0 мм 6.6 5.7 1.16

3. Поверхность, окрашенная алюминиевой пудрой без сварного шва

3 3.1 толщина стенки 5.0 мм - 4.1 1.00

3.2 толщина стенки 9.0 мм - 4.0 1.00

4. Поверхность, окрашенная алюминиевой пудрой с поперечным швом

4 4.1 высота усиления шва 0.5 мм 5.2 4.6 1.08

4.2 высота усиления шва 2.5 мм 5.3 4.4 1.18

4.3 высота усиления шва 5.0 мм 5.4 4.4 1.22

5. Центральное круговое отверстие

5.1 радиус кривизны 1.25 мм 9.6 3.3 2.91

5 5.2 радиус кривизны 2.50 мм 9.2 2.9 3.17

5.3 радиус кривизны 3.75 мм 8.9 3.1 2.87

5.4 радиус кривизны 5.00 мм 10.2 3.3 3.09

5.5 радиус кривизны 6.25 мм 9.8 3.1 3.16

6. Центральное эллиптическое отверстие

6.1 длина 10.0 мм, ширина 8.0 мм 11.3 3.1 3.64

6 6.2 длина 10.0 мм, ширина 5.0 мм 12.8 2.6 4.92

6.3 длина 12.5 мм, ширина 10.0 мм 9.9 2.8 3.53

6.4 длина 15.0 мм, ширина 10.0 мм 11.8 3.0 3.39

6.5 длина 15.0 мм, ширина 12.5 мм 11.2 2.9 3.86

7. Боковой поперечный надрез

7.1 глубина надреза 2.5 мм 7.5 3.5 2.14

/ 7.2 глубина надреза 5.0 мм 8.4 3.4 4.47

7.3 глубина надреза 7.5 мм 10.9 3.6 3.06

8. Боковой поперечный надрез + усталостная трещина

8 8.1 глубина (с трещиной) 12.0 мм 14.1 3.7 3.81

8.2 глубина (с трещиной) 14.5 мм 15.3 3.2 4.78

Области максимальных напряжений

Боковой надрез |

Растягивающая | нагрузка

начальный этап нагружения начало разрушения

Рисунок 14 - Термоизображения растягиваемого образца

с искусственным концентратором напряжений

Рисунок 15 - Результаты тепловизионной съемки испытываемых образцов

Таблица 3 - Характеристики конструктивных элементов экспериментальной _установки__

Наименование элементов установки Размеры, мм Результаты замеров

Диаметр наружный Длина (высота) Толщина стенки, мм Твердость по Бринеллю, кгс/мм2

Труба 0 273x13 273 1500 12,4...12,7 170...207

Переходник 0273/ 0159 273/159 180 10,6. ..10,8 146...171

Труба 0159x9 (гор.) 159 550 9,2...9,5 184... 198

Труба 0159x9 (верт.) 159 1050 9,7...9,8 194...231

Сферическое днище 273 100 11,7...11,8 205...235

Сферическое днище 159 55 11,4...11,7 201...218

I -труба 0273x13 мм; 2 - конический переход 273/159 мм;

3 - труба 0159x9 мм с заглушкой; 4 - сферические заглушки;

5 - труба 0159x9 мм; 6 - сварные швы;

7 - опорные стойки; 8 - бак для воды;

9 - насос ГН-60; 10 - стрелочный манометр;

II - резиновые шланги; 12 - игольчатые вентили;

13 - зоны «прицельной» съемки

Рисунок 16 - Схема экспериментальной установки

Окончательная апробация методики оценки степени напряженности конструктивных элементов с использованием тепловизионного метода была проведена в процессе заполнения нефтепродуктом резервуаров РВС-5000 ОАО У НПЗ и при гидравлическом испытании вновь построенных РВС-20000 НПС «Нурли-но» ОАО «УСМН им. Д.А. Черняева».

Исследования НДС стенки РВС включали несколько основных этапов: • 1 этап (ознакомительный) - сбор и анализ документации на РВС, рекогносцировка объекта, определение мест установки и подключения аппаратуры;

• 2 этап (подготовительный) - разработка индивидуальных программ, анализ технического состояния РВС (данных предыдущих обследований), изготовление приспособлений и технологической оснастки, съемочных столиков;

• 3 этап (рабочий) — внешний осмотр и выполнение эскизов развертки стенки РВС, проверка и настройка аппаратуры, исследование НДС стенки РВС тепловизионным методом (панорамная ИК-съемка всего резервуара и локальная ИК-съемка «дефектных» участков) с помощью тепловизора «ТНУ-470», запись термоизображений на диск, ведение «Журнала наблюдений»;

• 4 этап (камеральный) - обработка записанных термоизображений на компьютере с использованием программы СМ-БоА, расчет ККН для выявленных «дефектных» участков, анализ полученных результатов.

Для исключения тепловых помех съемка проводилась в ночное время.

При уровне взлива продукта Нш=10,43 м в резервуаре РВС-5000 № 89 в зоне врезки приемо-раздаточного патрубка определенное экспериментально значение ККН составило а", = 3,6, что практически совпадает с расчетным значением, полученным методом конечных элементов.

При анализе термоизображений участка второго пояса с заплатой-вставкой на вертикальном сварном шве были выявлены следующие дефекты: грубая че-шуйчатость; натеки наплавленного металла; вырывы основного металла. При этом уровень максимальной напряженности в стенке РВС наблюдался в районе сопряжения с днищем (уторный шов) и вокруг неусиленых подкрепляющими кольцами технологических врезок. Стыковые сварные швы при отсутствии недопустимых дефектов не создают опасных уровней концентрации напряжений.

Также в работе произведена оценка НДС двух вантовых и двух балочных воздушных переходов магистральных нефтепроводов ОАО «Северные МН». При тепловизионном обследовании на трех переходах выявлены дефектные зоны, определены экспериментальные значения ККН, с использованием которых проведены расчеты переходов методом конечных элементов и даны рекомендации по безопасным режимам эксплуатации.

Результаты анализа зон концентрации напряжений воздушных переходов магистральных нефтепроводов представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Степень напряженности вантовых и балочных _воздушных переходов магистральных нефтепроводов

Нефтепровод Переход через реку (ручей) Координаты «дефектной» области Изменение параметров температурного поля, °С ккн _т

дефектная область бездефектная область

Ухта-Ярославль Иоссер 66 м 2.3 0.9 2.55

Тобысь 66 м 1.7 0.8 2.12

Тобысь 78 м 1.5 0.9 1.67

Уса-Ухта Холуйница 2..,4м 1.3 1.0 1.30

Морьель - 1.4 1.4 1.00

На следующем этапе работы проведены тепловизионные исследования по адаптации метода оптико-эмиссионной спектрометрии (ОЭС) для определения химического состава и марки стали металла стенки резервуаров и трубопроводов в действующих резервуарных парках. С помощью тепловизора «THV-470» для нескольких значений толщин стенок были проведены лабораторные и натурные эксперименты по измерению теплового воздействия на стенку РВС дуги обжига прибора ARC-MET 930 S&P в момент проведения анализа химического состава методом ОЭС.

В лабораторных условиях температуры пластин не превышали 62,0 °С и 38,5 °С (толщины стенок 3,0 и 12,0 мм соответственно), на реальных объектах максимальные измеренные температуры составили для РВС-200 57 СС (толщина стенки 3,5 мм), для РВС-2000 47 °С (толщина стенки 6,6 мм).

Адаптация метода ОЭС для применения в действующих резервуарных парках на заполненных РВС обеспечивает получение высокоточных результатов без нарушения целостности корпуса, в кратчайшие сроки и при значительном снижении затрат по сравнению с традиционными методами проведения химического анализа (не требуется опорожнение, зачистка, дегазация оборудования, вырезка образцов и заварка заплаток). Эффективность применения метода ОЭС подтверждена результатами обследований без вывода из эксплуатации более 200 резервуаров и технологических трубопроводов ОАО «Башкирнефтепродукт».

На основе обработки полученных во время обследований экспериментальных данных для резервуарных сталей были исследованы зависимости твердости по Бринеллю (НВ) от содержания углерода, от значений эквивалента углерода металла (Сэ), рассчитанных по известным критериям - свариваемости,

разрезаемости кислородной резкой, трещинообразования. Наилучшее значение коэффициента корреляции было получено для критерия разрезаемости кислородной резкой:

HB « 95 + 78• (Сэ - 0,2), (21)

где HB - твердость по Бринеллю, кг/мм2; Сэ - эквивалент углерода.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили автору разработать практические методики, направленные на внедрение современных методов неразрушающего контроля OTT - тепловизионного и оптико-эмиссионной спектрометрии, которые позволяют проводить обследование резервуаров и трубопроводов без вывода из эксплуатации и в сочетании с экспериментальной оценкой НДС.

Таким образом, разработан метод экспертизы параметров дефектов в элементах трубопроводных систем, выявляемых при их диагностировании, включающий идентификацию, двухэтапное балльное ранжирование, планирование ремонтных работ.

Основные выводы н рекомендации

1. Пропускная способность OTT рассматривается как комплексная характеристика, обеспечиваемая внедрением оптимальных научно-технических решений и мероприятий на всех стадиях их жизненного цикла (проектировании, строительства, монтажа, эксплуатации), в частности усовершенствованием и созданием: новых методов расчетов на прочность и долговечность, технологических приемов и методов снижения степени напряженности и дефектности, а также диагностического контроля и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации.

2. На основании термодинамических представлений о разрушении предложены и научно обоснованы математические модели статической, циклической и коррозионно-механической повреждаемости базовых элементов OTT, на основании которых разработаны методы расчетного определения ресурса их безопасной эксплуатации.

3. Базируясь на основных положениях и подходах механохимии металлов, теории упругости и пластичности, разработаны усовершенствованные ме-

тоды расчетов на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом механической активации коррозии.

4. Выполненный анализ напряженного и предельного состояний базовых элементов OTT с механической и геометрической неоднородностью позволил разработать комплекс научно обоснованных методических рекомендаций по оценке и повышению ресурса безопасной эксплуатации при различных условиях эксплуатации.

5. Разработаны и внедрены в производство методы тепловизионного контроля и оценки степени напряженности металла базовых элементов OTT, что позволило на ряде предприятий повысить эффективность OTT.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Кантемиров И.Ф., Мухаметшин P.P., Шишков Э.О. Расчеты предельного ресурса базовых элементов оборудования при упругих деформациях, механохимиче-ской повреждаемости и температурного разупрочнения металла // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2009. -Вып.4(78).-С. 55-58.

2. Кантемиров И.Ф., Кравченко C.B. Метод оценки ресурса конструктивных элементов нефтегазовых резервуаров по критериям статической и циклической тре-щиностойкости // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 1 (79). - С. 104-106.

3. Кантемиров И.Ф., Кравченко C.B. Расчетная оценка несущей способности сварных стыков разнородных элементов нефтегазовых резервуаров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. -Вып. 1 (79). -С. 107-111.

4. Кантемиров И.Ф. Исследование напряженного состояния в окрестности сплавления двух разнородных сталей // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 2 (80). - С. 73-78.

5. Кантемиров И.Ф. Оценка ресурса тройниковых соединений трубопроводных систем при циклических нагрузках // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 2 (80). - С. 85-90.

6. Гаплямов A.M., Шишков Э.О., Кантемиров И.Ф. Определение статической прочности обечаек и труб с вмятинами по критерию локальной неустойчивости пластических деформаций // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 3 (81). - С. 50-55.

7. Галлямов A.M., Кантемиров И.Ф., Шишков Э.О. Натурные испытания труб с локальными искажениями поверхностей // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 3 (81). - С. 56-60.

8. Кантемиров И.Ф. Оценка циклической долговечности высокопрочных конструктивных элементов с несплавлениями в сварных швах // НТЖ «Проблемы сбора,

подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 4

(82).-С. 96-100.

9. Кантемиров И.Ф. Метод оценки ресурса безопасной эксплуатации резервуаров с учетом коррозионно-механического и температурного воздействия рабочей среды // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - Вып. 4 (82). - С. 101-105.

10. Галлямов A.M., Харисов P.A., Кантемиров И.Ф. Оценка прочности труб с комбинированными трещиноподобными повреждениями // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 1

(83).-С. 86-91.

11. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Галлямов A.M. Основы расчетов ресурса безопасной эксплуатации нефтепроводов, проложенных в скальных грунтах // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. -Уфа, 2011. - Вып. 2 (84). - С. 67-73.

12. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф. Оценка фактической степени напряженности элементов трубопроводных систем при эксплуатации // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 3 (85).-С. 84-90.

13. Латыпов A.M., Харисов P.A., Кантемиров И.Ф. Метод расчета циклической долговечности базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта по результатам неразрушающего контроля сварных стыков // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - Уфа, 2011. - Вып. 3 (85). - С. 91-96.

14. Гумеров А.Г., Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Латыпов A.M. Общие закономерности формирования характеристик безопасности объектов нефтепроводного транспорта // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - Уфа, 2011. - Вып. 3 (85). - С. 125-132.

15. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Сазонов К.А., Зайнуллин P.C. Основы расчетов на прочность и устойчивость с учетом прибавки на компенсацию коррозионно-механического износа базовых элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 4 (86). - С. 47-53.

16. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Исаев Ш.З., Зайнуллин P.C. Оценка сопротивления разрушениям трубопроводов с нарушенными рабочими сечениями // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 5. - С. 96-104. URL: http://www.ogbus.rn/authois/Kharisov/Kharisov_5.pdf.

17. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Даминов И.А., Герасимов A.B. Оценка эффективности ремонта нефтепровода по данным диагностики // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - №5. - С. 105-111. URL: http://www.ogbus.ni/authors/Kharisov/Kharisov_6.pdf.

18. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Зайнуллин P.C. Оценка скорости и торможения развития трещин в трубах при однократных перегрузках // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2011. - № 4 . - С. 15-18.

Учебные пособия, монографии и брошюры

19. Очистка полости и испытание трубопроводов: Учебное пособие для вузов / Ф.М. Мустафин, А.Г. Гумеров, О.П. Квятковский, С.А. Котельников, Ф.М. Мустафин, К.А. Фазлетдинов, И.Ф. Кантемиров и др. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. — 255 с.

20. Трубопроводная арматура: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / Ф.М. Мустафин, А.Г. Гумеров, И.Ф. Кантемиров и др. - Уфа: ГУЛ РБ УПК, УГНТУ, 2007. - 326 с.

21. Технология сооружения газонефтепроводов: Учебник / Ф.М. Мустафин, Л.И. Быков, Г.Г. Васильев, А.Г. Гумеров, А.Е. Лаврентьев, И.Ф. Кантемиров и др.; под ред. Г.Г. Васильева. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2007. - Т. 1. - 632 с.

22. Строительные конструкции нефтегазовых объектов: учебник / Ф.М. Мустафин, Л.И. Быков, В.Н. Мохов, В.М. Латыпов, Н.И. Коновалов, И.Ф. Кантемиров и др. - СПб: ООО «Недра», 2008. - 780 с.

23. Машины и оборудование газонефтепроводов: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / Ф.М. Мустафин, Л.И. Быков, A.A. Коршак, Г.Г. Васильев, И.Ф. Кантемиров и др. - Уфа: ГОФР, 2009. - 576 с.

24. Галлямов A.M. и др. Механизмы водородно-механического растрескивания элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов / A.M. Галлямов, Э.О. Шишков, И.Ф. Кантемиров. Галлямов A.M., - Уфа: Изд-во «Безопасность эксплуатации сложных технических систем», 2006. - 32 с.

25. Роль механохимических процессов при оценке ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов / P.P. Мухаметшин, A.M. Галлямов, Э.О. Шишков, И.Ф. Кантемиров; под ред. проф. P.C. Зайнуллина. - Уфа: Изд-во «БЭСТС», 2007. - 106 с.

26. Мухаметшин P.P. и др. Методические рекомендации по расчетной оценке критических параметров трещиноподобных дефектов в конструктивных элементах нефтегазового оборудования / P.P. Мухаметшин., C.B. Кравченко, И.Ф. Кантемиров. -Уфа: БЭСТС, 2008.-51 с.

27. Кравченко C.B., Кантемиров И.Ф. Обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с повышенной производительностью. -Уфа: НТЦ «БЭСТС», 2009. - 70 с.

28. Зайнуллин P.C. и др. Расчеты долговечности оболочковых элементов с учетом коррозии / P.C. Зайнуллин, И.Ф. Кантемиров, К.А. Сазонов. - Уфа: АН РБ, «ТИЛЕМ», 2011.-92 с.

Нормативно-методические материалы

29. Кантемиров И.Ф., Рафиков С.К. Методика экспертизы параметров дефектов вертикальных стальных резервуаров РВС. - Уфа: УГНТУ, 2000. - 12 с.

30. Кантемиров И.Ф., Рафиков С.К. Методика оценки напряженно-деформированного состояния стальных резервуаров и трубопроводов с помощью тепловизора. - Уфа: УГНТУ, 2000. - 11 с.

31. ОСТ 153-39.4-010-2002. Методика определения остаточного ресурса нефте-газопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений / Ф.М. Мустафин и др.; Минтопэнерго России. - Уфа: ООО «Издательство научно-технической литературы «Монография», 2002. - 57 с.

32. Расчеты на прочность и ресурс толстостенных конструктивных элементов, работающих под давлением коррозионных сред: Методические рекомендации / И.Ф. Кантемиров, Э.О. Шишков, А.Р. Зайнуллина, К.А. Сазонов; под рук. д.т.н., проф. P.C. Зайнуллина. - Уфа, 2010. - 16 с.

33. Кантемиров И.Ф. и др. Обеспечение ресурса монтажных швов высокопрочных труб: Методические рекомендации / И.Ф. Кантемиров, C.B. Кравченко, А.Р. Зайнуллина; под рук. д.т.н., проф. P.C. Зайнуллина. - Уфа, 2010. - 19 с.

34. Расчеты конструктивной прочности элементов нефтегазовых объектов: Методические рекомендации / И.Ф. Кантемиров, А.Т. Фаритов, В.В. Лунев, А.Р. Зайнуллина; под рук. д.т.н., проф. P.C. Зайнуллина. - Уфа, 2011. - 20 с.

35. Определение толщины стенок оболочковых элементов нефтегазового оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы), работающих под давлением коррозионных рабочих сред: Методические рекомендации / P.C. Зайнуллин, К.А. Сазонов, И.Ф. Кантемиров, P.A. Харисов. - Уфа, 2011. - 15 с.

36. Программное обеспечение для определения остаточного ресурса трубопроводов по ОСТ 153-39.4-010-2002: Методические рекомендации / P.A. Харисов, И.Ф. Кантемиров, К.А. Сазонов, А.Р. Зайнуллина, A.M. Латыпов. - Уфа: УГНТУ, 2011.-169 с.

37. Основы расчетов на прочность базовых элементов нефтегазового оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы): Методические рекомендации / P.C. Зайнуллин, И.Ф. Кантемиров, К.А. Сазонов, P.A. Харисов, А.Р. Зайнуллина. -Уфа, 2011.-18 с.

38. Расчетная оценка характеристик безопасности элементов нефтегазового оборудования с учетом воздействия отрицательных температур: Методические рекомендации / P.C. Зайнуллин, И.Ф. Кантемиров, P.A. Харисов, А.Р. Зайнуллина. - Уфа, 2011.-16 с.

Материалы конференций, семинаров, сборники научных трудов

39. Барышев В.А., Галлямов А.М., Кантемиров И.Ф. Эволюция дефектной структуры стали при малоцикловой деформации // Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах. Сб. докл. II Между нар. школы-семинара. - Барнаул, 1994. -С. 214-215.

40. Кантемиров И.Ф, Бабин JI.A. Исследование влияния малоцикловой деформации на дислокационную структуру стали СтЗпс // Матер. 46-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. - Уфа, 1995. - С. 88.

41. Кантемиров И.Ф., Бабин JIA. Диагностика нефтезаводского оборудования с помощью тепловизора // Нефть и газ. Межвуз. сб. научн. ст. - Уфа, 1997. - Вып. 1. С. 150-153.

42. Кантемиров И.Ф., Бабин JI.A. Применение тепловизора для обследования воздушных переходов магистральных нефтепроводов // Проблемы гидродинамики, надежности и прочности в современном трубопроводном транспорте. Тез. докл. научн. семинара / ИПТЭР. - Уфа, 1997. - С. 55-57.

43. Кантемиров И.Ф. Диагностирование потенциально опасных объектов трубопроводного транспорта в эксплуатационных условиях тепловизионным методом // Сб. научн. тр., посвященный 50-летию Уфимского государственного нефтяного технического университета. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - С. 43-49.

44. Кантемиров И.Ф. Современные методы неразрушающего контроля для диагностирования объектов трубопроводного транспорта в эксплуатационных условиях // Матер. 49-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. -Уфа, 1998.-С. 29-30.

45. Кантемиров И.Ф. Диагностирование объектов трубопроводного транспорта в эксплуатационных условиях тепловизионным методом // Методы кибернетики химико-технологических процессов» (КХТП-У-99). Тез. докл. V Междунар. научн. конф. Уфа, 1999.-Т. 2, Кн. II.-С. 171-172.

46. Кантемиров И.Ф. Исследования с помощью тепловизора условий применения метода оптико-эмиссионной спектрометрии для анализа химического состава ре-зервуарных сталей без вывода РВС из эксплуатации // Новоселовские чтения. Сб. научн. тр. Всеросс. научн.-техн. конф. - Уфа, 1999. - Вып. 1. - С. 64-69.

47. Кантемиров И.Ф. Применение тепловизора для экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния металлических конструкций ii

Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан. Матер. Второго научн.-техн. семинара. - Уфа: УГНТУ, 1999. - С. 205-214.

48. Кантемиров И.Ф. Экспериментальные исследования напряженного состояния стенки резервуаров с помощью тепловизора // Матер. 50-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. - Уфа, 1999. - С. 72.

49. Мухаметгареев А.Ф, Кантемиров И.Ф., Сунагатов М.Ф. Анализ зависимости прочностных характеристик от химического состава резервуарной стали ВСтЗсп // Матер. 50-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. - Уфа, 1999.-С. 74.

50. Мустафин Ф.М., Гаделыпин Р.З., Кантемиров И.Ф., Сунагатов М.Ф. Опыт практической работы по экспертизе промышленной безопасности трубопроводов // Совершенствование государственного надзора за безопасностью эксплуатации магистральных трубопроводов. Матер. IX Всеросс. семинара-совещания. - Уфа, 2001. -С. 177-183.

51. Мустафин Ф.М., Лукьянова И.Э., Кантемиров И.Ф. Методика вероятностной оценки остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов // Трубопроводный транспорт нефти и газа. Матер. Всеросс. научн.-техн. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию с начала подготовки специалистов трубопроводного транспорта в УНИ-УГНТУ. - Уфа: УГНТУ, 2002. -С. 102-103.

52. Мустафин Ф.М., Рафиков С.К., Лукьянова Н.Э., Воронин Н.В., Кантемиров И.Ф. О введении в действие методики определения остаточного ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов и трубопроводов головных сооружений // Трубопроводный транспорт - сегодня и завтра. Матер. Междунар. научн.-техн. конф. - Уфа, 2002. - С. 155-156.

53. Мустафин Ф.М., Кантемиров И.Ф., Щепетов А.Е., Сунагатов М.Ф., Мухаметгареев Р.Ф. Опыт практической работы по экспертизе промышленной безопасности трубопроводов // Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ. Сб. научн. тр. - Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 199-205.

54. Ишбулатов А.Р., Рафиков С.К., Кантемиров И.Ф. Сравнительный анализ методов и приборов диагностирования объектов транспорта и хранения нефти и газа // Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ. Сб. научн. тр. -Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 220-228.

55. Лукьянова И.Э., Кантемиров И.Ф. Применение программного комплекса ANSYS® для оценки напряженно-деформированного состояния воздушных переходов магистральных нефтепроводов // Новоселовские чтения. Матер. 2-ой Междунар. научн.-техн. конф. - Уфа: УГНТУ, 2004. - С. 106.

56. Кантемиров И.Ф. Вопросы повышения экологической безопасности магистральных газонефтепроводов // Трубопроводный транспорт - 2008. Матер. IV Междунар. учебн.-научн.-пракг. конф. - Уфа: УГНТУ, 2008. - С. 202-203.

57. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Мустафин Ф.М. Экспертная оценка защитных покрытий трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-пракг. конф. 27 мая 2009 г. в рамках VIII Конгресса нефтегазопромышленников России. - Уфа, 2009. - С. 205-206.

58. Харисова К.А., Хайруллина Р.Ф., Харисов P.A., Ваньков A.A., Кантемиров И.Ф. Разработка технологического регламента по эксплуатации трубопроводов систем сбора и внутрипромыслового транспорта нефти восточно-перевального месторождения НГДУ «Ритэкнефть» //Матер. 60-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов

и молодых ученых / УГНТУ. - Уфа, 2009. - Кн. 1. - С. 76.

59. Зайнуллнн P.C., Кантемиров И.Ф., Харисов P.A. Оценка механической активации коррозии // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов. Сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - С. 7-8.

60. Кантемиров И.Ф., Харисов P.A., Латыпов A.M. Плотность энергии разрушения при нормальных и отрицательных температурах // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов. Сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - С. 9-14.

61. Зайнуллнн P.C., Кантемиров И.Ф., Исаев Ш.З. Оценка низкотемпературных зависимостей трещиностойкости базовых элементов объектов трубопроводного транспорта // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов. Сб. научн. тр./ИПТЭР. -Уфа, 2010. -С. 35-43.

62. Кантемиров И.Ф., В.В. Лунев. Оценка степени перенапряженности металла разнотолщинных стыков методами теории тонких оболочек // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. -Уфа, 2010.-С. 149-151.

63. Кантемиров И.Ф., Комплексная система обеспечения безопасности эксплуатации объектов трубопроводного транспорта // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-пракг. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа, 2010.-С. 236-240.

64. Зайнуллнн P.C., Кантемиров И.Ф., Харисов РА. Основы расчетов на прочность и ресурс оболочковых элементов с учетом коррозии // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов. Сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - С. 4-15.

65. Кантемиров И.Ф., 3 айну длина А.Р. Оценка коэффициентов прочности мягких кольцевых швов высокопрочных труб // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов. Сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - С. 16-21.

66. Кантемиров И.Ф. Оценка напряженного состояния в окрестности линии сплавления разнородных материалов // Трубопроводный транспорт - 2011. Матер. VII Междунар. учебн.-научн.-пракг. конф. - Уфа: УГНТУ, 2011.-С. 150-151.

67. Кантемиров И.Ф. Оценка ресурса конструктивных элементов вертикальных стальных резервуаров ii Трубопроводный транспорт - 2011. Матер. VII Междунар. учебн.-научн.-пракг. конф. - Уфа: УГНТУ, 2011. - С. 151-152.

68. Зайнуллина А.Р., Кантемиров И.Ф., Харисов P.A. Методы расчетов на прочность и долговечность элементов нефтегазового оборудования с учетом механической активации коррозии // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов. Сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - С. 54-60.

69. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф. Оценка устойчивости труб в рабочих средах // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. в рамках Нефтегазового форума и XIX Междунар. специапиз. выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2011». - Уфа, 2011. - С. 193-195.

70. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Исаев Ш.З. Скорость распространения коррозионной трещины в сероводородсодержащих средах // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г. в рамках Нефтегазового форума и XIX Междунар. специализ. выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2011». -Уфа,2011.-С. 242-243.

71. Латыпова Р.И., Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Исаев Ш.З. Уравнение кор-розионно-механического разрушения металла // Сб. тез. докл. 62-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 2011. - Кн. 1. - С. 45

72. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Исаев Ш.З. Оценка ресурса трубопроводов

в сложных условиях эксплуатации // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. XI Всеросс. научн.-пракг. конф. 19 октября 2011 г. в рамках XI Российск. энергетического форума, XVII Междунар. специализ. выставки «Энергетика Урала -2011» и IX Междунар. специализ. выставки «Энергосбережение - 2011». - Уфа, 2011. -С. 214-218.

73. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф., Исаев Ш.З. Механохимическая повреждаемость трубопроводов от циклического нагружения // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта. Матер. VII Междунар. научн.-техн. конф. 22-25 ноября 2011 г. / Полоцк, гос. ун-т. - Новополоцк, 2011. - С. 47.

74. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф. Кинетическое уравнение механохимическо-го разрушения // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта. Матер. VII Междунар. научн.-техн. конф. 22-25 ноября 2011 г. / Полоцк, гос. ун-т. - Новополоцк, 2011. - С. 48-49.

75. Харисов P.A., Кантемиров И.Ф. Растрескивание трубопроводов, перекачивающих сероводородсодержащие среды // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта. Матер. VH Междунар. научн.-техн. конф. 22-25 ноября 2011 г./Полоцк.гос.ун-т.-Новополоцк,2011.-С. 94-95.

Фонд содействия развитию научных исследований Подписано к печати 16.03.2012 г. Бумага писчая. Заказ № 77. Тираж 100 экз. Ротапринт ГУЛ «ИПТЭР» РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3

9 38 7.

2012093523

Содержание диссертации, доктора технических наук, Кантемиров, Игорь Финсурович

Введение.

Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И

ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА.

1.1 Основные факторы повреждаемости и снижения характеристик безопасности элементов OTT.

1.2 Роль диагностики технического состояния элементов в обеспечении безопасности OTT.

1.3 Общие закономерности формирования характеристик безопасности объектов трубопроводного транспорта.

1.4 Общая методология выполнения настоящего исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2 ФИЗИЧЕСКИЕ И ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИНИЦИАЦИИ И РАЗВИТИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ OTT.

2.1 Оценка степени напряженности и предельных состояний базовых элементов OTT при статическом нагружении.

2.2 Физико-механические закономерности кинетических процессов разрушения элементов при длительном статическом нагружении в рабочих средах.

2.3 Основные механизмы циклической повреждаемости базовых элементов OTT.

2.4 Современные методы оценки влияния параметров рабочей среды на повреждаемость базовых элементов OTT.

2.5 Особенности тепловизионного контроля характеристик безопасности элементов OTT.

2.5.1 Исследование коэффициента ИК-излучения материалов.

2.5.2 Исследование зависимости коэффициента ИК-излучения от угла наблюдения.

2.6 Оценка риска появления аварий на OTT.

Выводы по главе 2.

Глава 3 РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБЪЕКТОВ

ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА.

3.1 Обоснование рационального уровня напряженности металла базовых элементов OTT.

3.2 Расчеты коэффициентов механической активации коррозии металла и долговечности базовых элементов OTT при упругих деформациях.

3.3 Разработка методов расчета предельной прочности и долговечности базовых элементов OTT.

Выводы по главе 3.

Глава 4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ OTT.

4.1 Обоснование оптимальных параметров механохимической неоднородности базовых элементов OTT.

4.1.1 Явление и характерные схемы механохимической неоднородности OTT.

4.1.2 Исследование напряженного состояния в окрестности наклонной линии сплавления двух разнородных сталей.

4.1.3 Расчетная оценка несущей способности сварных стыков разнородных элементов OTT.

4.1.4 Особенности оценки оптимальных параметров механической неоднородности элементов при малой степени механической неоднородности.

4.1.5 Расчеты циклической прочности механически неоднородных базовых элементов OTT.

4.2 Взаимосвязь характеристик безопасности и испытательного давления OTT.

4.2.1 Оценка остаточной дефектности базовых элементов OTT после испытаний.

4.2.2 Оценка остаточной напряженности элементов после испытаний.

4.2.3 Особенности развития и торможения трещиноподобных повреждений в базовых элементах OTT после гидравлических испытаний.

4.3 Основы нормирования параметров резкого изменения толщины стенок базовых элементов OTT.

4.3.1 Оценка статической прочности базовых элементов с резкими изменениями толщины стенок.

4.3.2 Особенности определения долговечности базовых элементов OTT с трещиноподобными повреждениями.

4.3.3 Оценка и повышение сопротивляемости хрупкому разрушению базовых элементов с угловыми швами при статическом и циклическом нагружениях.

4.3.4 Оценка натурной прочности цилиндрических элементов с угловыми швами.

4.3.5 Оценка температурных зависимостей характеристик безопасности базовых элементов OTT.

Выводы по главе 4.

Глава 5 РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ OTT 298 ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

5.1 Результаты тепловизионного контроля напряженности базовых элементов OTT при периодических переиспытаниях.

5.2 Тепловизионный контроль степени напряженности базовых элементов OTT при эксплуатации.

Выводы по главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Научные основы обеспечения повышенной пропускной способности объектов трубопроводного транспорта"

Создание объектов трубопроводного транспорта (OTT) с высокими эксплуатационными показателями, снижение их металлоемкости, оценка и повышение несущей способности и ресурса безопасной эксплуатации всегда были и будут актуальными проблемами жизнедеятельности. При этом особое внимание придается разработке OTT, работающих в экстремальных условиях, как по параметрам нагружения, так и рабочим средам. Применение для производства таких объектов высокопрочных сталей в сочетании с локализованными тепловыми и механическими воздействиями на металл их базовых элементов обуславливает большую вероятность возникновения в последних технологических и эксплуатационных трещиноподобных повреждений. Высокая стоимость, масштабность и уникальность большинства представителей объектов трубопроводного транспорта, а также несомненные достижения в области механики разрушения предопределяют использование новых подходов к их проектированию и эксплуатации, базирующихся на допущении в их конструктивных элементах безопасных трещиноподобных повреждений. Все это позволяет в ряде случаев в несколько раз повышать прогнозируемый ресурс, а также обеспечивать маневренность регулирования режимами и параметрами безопасной эксплуатации базовых элементов OTT.

С другой стороны, применение высокопрочных сталей для производства OTT вызывает необходимость разработок способов и средств технологического снижения остаточной напряженности, обусловленных локализованными механическими и термическими воздействиями на металл их базовых элементов. В этом плане одним из наиболее доступных и легко реализуемых технологических приемов является применение для выполнения кольцевых стыков высокопрочных труб электродов, обеспечивающих достаточную сопротивляемость металла шва к образованию технологических повреждений (трещин), а также способность к деконцентрации послесварочных концентраторов напряжений в процессе испытаний объектов трубопроводного транспорта. Несмотря на широкую апробацию отмеченного технологического приема в практике производства различного оборудования и трубопроводов остается ряд нерешенных проблем, связанных, в основном, с оценкой их ресурса безопасной эксплуатации и обеспечением надлежащего качества проектирования, изготовления и эксплуатации. При этом важнейшими характеристиками, предопределяющими ресурс объектов трубопроводного транспорта, являются деформативность, чувствительность к концентрации напряжений и ассиметрии цикла, пределы кратковременной, малоцикловой и усталостной прочности, механическая неоднородность сварных соединений базовых элементов из сталей различного структурно-прочностного состояния.

Другим направлением повышения пропускной способности OTT является применение для их производства базовых элементов с повышенной толщиной стенок. Необходимо отметить, что применение высокопрочных базовых элементов связано со снижением характеристик трещиностойкости и реализацией высоких сварочных напряжений. В результате этого возможно снижение характеристик безопасности OTT на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, изготовление и эксплуатация) из-за механической активации коррозии, цикличности силовых нагрузок, воздействия отрицательных температур и др. Это позволяет констатировать, что использование базовых элементов с повышенной толщиной стенок (с целью повышения пропускной способности OTT) может оказаться одним из рациональных решений, хотя и в этом случае возникает ряд проблем, связанных с оценкой ресурса их безопасной эксплуатации.

Как известно, современные расчетные методы оценки ресурса OTT основываются на теории сопротивления материалов и некоторых механических характеристиках металлов (предел текучести стт, временное сопротивление сгв). При этом коррозионная активность среды учитывается на данных испытаний ненапряженных образцов в соответствующих рабочих средах. Другими словами, в расчетах на прочность OTT не учитывается известный феномен активизации скорости коррозии металла от действия приложенных механических напряжений (механохимический эффект) [1, 2, 35,48-52, 55-57, 60, 66, 67, 70-72, 75, 76, 79, 80, 82, 83, 86, 113].

Поэтому необходимы научные разработки методов расчетов на прочность и ресурс базовых элементов OTT с повышенной пропускной способностью элементов и в особенности, работающих в условиях коррозионно-механического воздействия рабочих сред.

Эффективность OTT во многом предопределяется пропускной способностью магистральных трубопроводов и вертикальных стальных резервуаров (РВС). Это, в свою очередь, вызывает необходимость повышения их эксплуатационной надежности и безопасности. В настоящее время на состояние безопасности OTT оказывают негативные факторы, связанные со сложными экономическими условиями, падением объемов добычи нефти; отсутствием достаточных инвестиций для реконструкции, ремонта и развития систем транспорта и хранения нефти и газа; увеличением доли промышленных объектов с большими единичными мощностями и более жесткими режимами эксплуатации; ужесточением требований экологической безопасности и надежности к потенциально опасным промышленным объектам; ростом доли объектов трубопроводного транспорта, выработавших назначенный срок эксплуатации.

В этих условиях предотвращение аварийных ситуаций и экологическая защита возможны лишь при своевременном проведении технического диагностирования OTT с выдачей научно обоснованных рекомендаций по срокам безопасной эксплуатации.

Непрерывный рост числа OTT при одновременном увеличении периодов эксплуатации неизбежно приводят к увеличению объемов и стоимости работ по техническому диагностированию. Это определяет актуальность внедрения современных методов неразрушающего контроля, обеспечивающих ускорение диагностирования, и на этой основе создание научно обоснованных методов оценки технического состояния и характеристик безопасности.

Приоритетными и особо значимыми являются методы контроля и ремонта, не требующие вывода OTT из эксплуатации, что обеспечивает значительное снижение материальных затрат.

Немаловажную научно-практическую ценность приобретают разработки методов расчетной оценки долговечности и остаточного ресурса, базовых элементов OTT, базирующихся на адекватных математических и физических моделях, а также фактических данных по диагностической и априорной информации.

Особую значимость имеют разработки технологического (при монтаже и ремонте) обеспечения безопасности эксплуатации OTT.

Таким образом, в настоящее время назрела необходимость комплексной оценки безопасности OTT, позволяющей оперативно, без вывода из эксплуатации проводить диагностику и ремонт, адекватную оценку степени перенапряженности и характеристик безопасности (прочность, долговечность и ресурс) их базовых элементов.

В целом, решение вопроса повышение пропускной способности OTT должно базироваться на комплексном подходе усовершенствования и развития новых методов повышения их качества OTT на всех стадиях их жизненного цикла (проектирование, изготовление и эксплуатации). В указанных направлениях и построена настоящая работа.

Цель работы - обеспечение безопасности эксплуатации OTT с повышенной пропускной способностью на основе разработки и внедрения усовершенствованных методов расчета на прочность, технологии сварки, прогнозирования остаточного ресурса и диагностики.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи: анализ современного состояния и определение перспективных направлений обеспечения повышенной пропускной способности OTT; разработка математических моделей физико-механических процессов повреждаемости базовых элементов OTT; совершенствование методов расчета на прочность и оценки ресурса базовых элементов OTT с повышенной пропускной способностью, работающих под давлением коррозионных рабочих сред; создание теоретических основ технологического обеспечения безопасности OTT с повышенной пропускной способностью; разработка и практическая реализация тепловизионного контроля OTT.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов теории коррозии и механохимии металлов, пластичности, механики разрушения, физики твердого тела, теории надежности работоспособности и безопасности трубопроводных систем.

Научная новизна результатов работы: базируясь на эволюционно-дискретных процессах разрушения твердого деформируемого тела, обусловленных кинетикой и переходом различных структурных оболочек металла из одного термодинамического состояния в другое, в работе предложено модифицированное уравнение механической активации коррозии на всех этапах устойчивого упругого и пластического деформирования металла; данное уравнение явилось научной базой для создания усовершенствованных методов расчета на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом коррозии; на основе известных подходов теории пластичности неоднородных тел выполнен уточненный анализ напряженного и предельного состояний наклонных мягких и твердых прослоек в составе базовых элементов OTT, на основании которого произведена оценка допускаемых (оптимальных) параметров механической неоднородности, обеспечивающих необходимую работоспособность и безопасность при статическом и циклическом нагружениях базовых элементов OTT, а также позволяющих расчетным путем устанавливать их остаточную напряженность и дефектность после проведения гидравлических испытаний; натурными исследованиями стальных труб доказана возможность задержки роста трещиноподобных повреждений после проведения испытаний повышенным давлением; базируясь на многочисленных экспериментальных данных, в работе предложен и апробирован метод расчета полных диаграмм циклической повреждаемости базовых элементов OTT различной прочности в зависимости от остаточных напряжений, коэффициентов концентрации напряжений (ККН) и характеристик цикличности нагружения и механической неоднородности сварных кольцевых швов и др.; установлены и описаны основные закономерности взаимосвязей между характеристиками трещиностойкости, пластичности сталей различной прочности и температурой испытаний; разработан метод оценки степени напряженности базовых элементов OTT с помощью тепловизора, включающий панорамную и детальную съемку базовых элементов в эксплуатационных условиях, обработку термоизображений, расчет экспериментальных значений ККН; адаптирован к условиям применения в резервуарных парках метод оптико-эмиссионной спектрометрии для определения химического состава, марки стали металла стенки резервуаров и трубопроводов без вывода их из эксплуатации; установлены аналитические зависимости между твердостью и химическим составом сталей.

На защиту выносятся: комплекс результатов исследований, определяющих научную и практическую ценности; математические модели повреждаемости металла в различных условиях эксплуатации; методы расчета на прочность и долговечность и технологического обеспечения безопасности OTT; методы тепловизионного контроля диагностических параметров при и испытаниях и эксплуатации OTT; методы оценки балльной экспертизы и степени напряженности базовых элементов OTT с применением тепловизора; аналитическая взаимосвязь твердости и химического состава сталей.

Практическая ценность результатов работы: результаты выполненных исследований позволяют научно обоснованно устанавливать параметры гидравлических испытаний и технологические свойства мягких кольцевых сварных швов, при которых обеспечиваются пониженные остаточная напряженность и дефектность базовых элементов при сохранении необходимого уровня безопасности эксплуатации OTT; разработанные методы определения ресурса базовых элементов OTT позволяют расчетным путем определять долговечность и устанавливать безопасные сроки эксплуатации OTT с повышенной пропускной способностью.

Некоторые полученные научные результаты апробированы на предприятиях нефтегазового комплекса России и нашли применение в практике диагностирования и экспертизы промышленной безопасности OTT, в частности:

• «Методика экспертизы параметров дефектов вертикальных стальных резервуаров РВС» была внедрена на ОАО «Башкирнефтепродукт»;

• «Методика оценки напряженно-деформированного состояния стальных резервуаров и трубопроводов с помощью тепловизора» была внедрена на ОАО «Башкирнефтепродукт», ОАО «Северные магистральные нефтепроводы», ОАО «Уралтранснефтепродукт»;

• Научно-практические исследования по проведению анализа химического состава и оценке механических свойств резервуарных и трубных сталей в эксплуатационных условиях были внедрены на ОАО «Башкирнефтепродукт», ОАО «Уралтранснефтепродукт».

Разработана нормативно-методическая база по оценке ресурса безопасности объектов трубопроводного транспорта.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах, Конгрессах нефтегазопромышленников России и конференциях, проведенных в УГНТУ, ГУП «ИПТЭР» и др. в период с 1996 по 2011 гг.

Работа заслушана и рекомендована к защите на расширенном заседании секции Ученого совета «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» ГУП «ИПТЭР» (протокол № 3 от 9 декабря 2011 г.).

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Кантемиров, Игорь Финсурович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ Основные выводы и рекомендации

1. Пропускная способность OTT рассматривается как комплексная характеристика, обеспечиваемая внедрением оптимальных научно-технических решений и мероприятий на всех стадиях их жизненного цикла (проектировании, строительства, монтажа, эксплуатации), в частности усовершенствованием и созданием: новых методов расчетов на прочность и долговечность, технологических приемов и методов снижения степени напряженности и дефектности, а также диагностического контроля и определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации.

2. На основании термодинамических представлений о разрушении предложены и научно обоснованы математические модели статической, циклической и коррозионно-механической повреждаемости базовых элементов OTT, на основании которых разработаны методы расчетного определения ресурса их безопасной эксплуатации.

3. Базируясь на основных положениях и подходах механохимии металлов, теории упругости и пластичности, разработаны усовершенствованные методы расчетов на прочность и долговечность базовых элементов OTT с учетом механической активации коррозии.

4. Выполненный анализ напряженного и предельного состояний базовых элементов OTT с механической и геометрической неоднородностью позволил разработать комплекс научно обоснованных методических рекомендаций по оценке и повышению ресурса безопасной эксплуатации при различных условиях эксплуатации.

5. Разработаны и внедрены в производство методы тепловизионного контроля и оценки степени напряженности металла базовых элементов OTT, что позволило на ряде предприятий повысить эффективность OTT.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Кантемиров, Игорь Финсурович, Уфа

1. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Худяков М.А. Анализ стадий зарождения и развития малоцикловой коррозионной усталости металла магистральных нефтепроводов // Трубопроводный транспорт нефти. 1999. - № 6. -С. 31-34.

2. Абдуллин И.Г. и др. Диагностика коррозионного растрескивания трубопроводов / И.Г. Абдуллин, А.Г. Гареев, A.B. Мостовой. Уфа: Гилем, 2003.- 100 с.

3. Аварийно-восстановительный ремонт магистральных нефтепроводов / А.Г. Гумеров, Х.А. Азметов, P.C. Гумеров, М.Г. Векштейн. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1998. -271с.

4. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974. - 236 с.

5. Артамошкин C.B., Астафьев В.И., Тетюева Т.М. Влияние микроструктуры и неметаллических включений на склонность низколегированных сталей к сульфидному разрушению под напряжением // Физико-химическая механика материалов. 1991. - Т. 27. - № 6. - С. 60-66.

6. Атомистика разрушения / Под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Мир,1987.-248 с.

7. Бакиев A.B., Зайнуллин P.C., Гумеров K.M. Напряженное состояние в окрестности острых концентраторов напряжений конструктивных элементов газонефтехимического оборудования // Известия вузов «Нефть и газ».1988.-№8.-С. 85-88.

8. Бакиев A.B., Пригула В.В., Надршин A.C., Покровская Н.В., Муста-фин У.М. Концепция обеспечения надежности городских подземных газопроводов в коррозионных условиях эксплуатации // Наукоемкие технологии в машиностроении. Уфа: Гилем, 2000. - С. 178-184.

9. Бакши O.A., Шрон Р.З. Прочность при статическом растяжении сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство. 1962. -№ 5. - С.6-10.

10. Бакши O.A. О напряженном состоянии мягких прослоек в сварных соединениях при растяжении (сжатии) // Сб. научн. тр. / ЧПИ. 1965. -Вып. 33.-С. 5-26.

11. Бакши O.A., Зайнуллин P.C. О снятии сварочных напряжений в сварных соединениях с механической неоднородностью приложением внешней нагрузки // Сварочное производство. 1973. - № 7. - С. 10-11.

12. Бакши O.A., Анисимов Ю.И., Зайнуллин P.C., Голиков В.Н., Рахманов A.C., Чабуркин В.Ф. Прочность и деформационная способность сварных соединений с композиционной мягкой прослойкой // Сварочное производство.-1974.-№ 10.-С. 3-5.

13. Бакши O.A., Анисимов Ю.И., Зайнуллин P.C., Голиков В.Н., Рахманов A.C., Чабуркин В.Ф. Механические свойства сварных соединений с мягкой двухслойной прослойкой // Вопросы сварочного производства: Сб. научн. тр. / ЧПИ. 1974. - Вып. 139. - С. 4-19.

14. Бакши O.A., Анисимов Ю.И., Пуйко A.B. и др. Несущая способность кольцевых композитных сварных соединений труб большого диаметра // Сварочное производство. 1977. -№ 6. - С. 12-14.

15. Березин B.JL, Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1973. - 200 с.

16. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.

17. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990.-448 с.

18. Борьба с коррозией в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Металлические материалы / Под ред. И.Я. Клинова. М.: Машиностроение, 1967. — 206 с.

19. Буренин В.А. Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров: Дисс. . д-ра техн. наук. Уфа, 1994.-270 с.

20. Быков Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков С.К. и др. Типовые расчеты при проектировании, строительстве и ремонте газонефтепроводов. М.: Недра, 2011.-730 с.

21. Быков Л.И. и др. Типовые расчеты при проектировании, строительстве и ремонте газонефтепроводов / Л.И. Быков, Ф.М. Мустафин, С.К. Рафиков и др. -М.: Недра, 2011. 730 с.

22. Вавилов В.П. Инфракрасная термография механических напряжений в строительных конструкциях (диагностика казармы ТВВКУС в г. Томске после катастрофы) // Контроль. Диагностика. 1998. - № 1. - С. 21-25.

23. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля. М.: Радио и связь, 1984. - 200 с.

24. Веревкин С.И., Ржавский Е.Л. Повышение надежности резервуаров, газгольдеров и их оборудования. М.: Недра, 1980. - 284 с.

25. Верушин А.Ю., Галкин В.А., Шолухов В.И., Баранов В.П. Техническая диагностика резервуаров с применением акустико-эмиссионного метода контроля // Трубопроводный транспорт нефти. 1997. - № 10. - С. 7-12.

26. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

27. Воробьев В.А. Комплексная система оценки и снижения опасности повреждений конструктивных элементов действующих нефте-продуктопроводов: Дисс. . д-ра техн. наук. Уфа, 2005. - 282 с.

28. Галканов В.А., Беляев Б.Ф., Кулахметьев P.P. О повышении эффективности капитального ремонта резервуаров // Трубопроводный транспорт нефти. 1999. - № 11. - С. 30-32.

29. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. Определение прибавки к толщине стенок сосудов и трубопроводов на коррозионный износ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1983. - № 11. - С. 38-40.

30. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Зарипов P.A. Кинетика механохими-ческого разрушения и долговечность растянутых конструктивных элементов при упруго-пластических деформациях // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1983. - № 7. - С. 2-4.

31. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. Оценка скорости коррозии нагруженных элементов трубопроводов и сосудов давления // Физико-химическая механика материалов. — 1984. № 4. - С. 95-97.

32. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Зарипов P.A. Кинетика механохими-ческого разрушения и долговечность растянутых конструктивных элементов при упруго-пластических деформациях //Физико-химическая механика материалов. 1984. - № 2. - С. 14-17.

33. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Шаталов А.Т., Зарипов P.A. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа. М.: Недра, 1984.-75 с.

34. Гутман Э.М., Зайнуллин P.C. К методике длительных коррозионно-механических испытаний металла газопромысловых труб // Заводская лаборатория. 1987. - № 4. - С. 63-65.

35. Дадонов Ю.А. Состояние аварийности на трубопроводном транспорте // Безопасность труда в промышленности. 1994. - № 7. - С. 2-8.

36. Дадонов Ю.А., Мокроусов С.Н. Коррозионное растрескивание магистральных трубопроводов и возможные меры по предупреждению аварийности // Безопасность труда в промышленности. 1999. - № 4. - С. 43-50.

37. Дидковский O.B. Проблемы проектирования резервуаров по зарубежным стандартам // Монтажные и специальные работы в строительстве. -1997.- №7. -С. 18.

38. Доможиров Л.И. Обобщенное уравнение для оценки влияния трещин на предел выносливости материалов // Заводская лаборатория. 1995. -№ 10.-С. 27-32.

39. Дорофеев А.Г., Медведева М.Л., Лившиц Л.С., Зубкова Л.Ф. Исследование влияния механических свойств стали на ее стойкость сульфидному растрескиванию // РНТС «Коррозия и защита в нефтяной и газовой промышленности». 1983. — № 5. - С. 2-3.

40. Ешмагамбетов Б.С. Повышение безопасности нефтепроводов с протяженными металлургическими несплошностями: Дисс. . канд. техн. наук. -Уфа, 2006.-109 с.

41. Зайнуллин P.C. и др. Расчеты ресурса оборудования и трубопроводов с учетом механохимической коррозии и неоднородности / P.C. Зайнуллин, А.Г. Гумеров, А.Г. Вахитов, А.П. Медведев, М.М. Велиев. М.: Недра, 2004. - 195 с.

42. Зайнуллин P.C. и др. Торможение развития разрушения элементов нефтепроводов испытаниями / P.C. Зайнуллин, А.Г. Пирогов, Л.П. Худякова, У.М. Мустафин; под ред. академика АН РБ А.Г. Гумерова. Уфа: Мир печати, 2005.-224 с.

43. Зайнуллин P.C. Влияние анизотропии механических свойств листовых сталей на несущую способность труб // Строительство трубопроводов. -1977.-№9.-С. 22-24.

44. Зайнуллин P.C. Коррозионно-механическая прочность сварных соединений из углеродистых сталей с мягкой прослойкой в растворе нитратов // Сварочное производство. 1982. - № 9. - С. 24-27.

45. Зайнуллин P.C. Несущая способность сварных сосудов с острыми поверхностными дефектами // Сварочное производство. 1981. - № 3. - С. 5-7.

46. Зайнуллин P.C. К методике коррозионных испытаний образцов при изгибе // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1983. — № 4. -С. 3-4.

47. Зайнуллин P.C. Ресурс элементов трубопроводных систем. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2005. - 836 с.

48. Зайнуллин P.C. и др. Технологическое обеспечение безопасности нефтегазохимического оборудования / P.C. Зайнуллин, А.Г. Халимов, А.Г. Вахитов; под ред. академика АН РБ A.B. Бакиева. Уфа, 2005. - 343 с.

49. Зайнуллин P.C. Определение долговечности толстостенных труб и сосудов, работающих под действием внутреннего давления, температурного перепада и коррозионных сред // Химическое и нефтяное машиностроение. -1986.-№2.-С. 47.

50. Зайнуллин P.C. Определение остаточного ресурса нефтепроводов: Методические рекомендации. М.: Недра, 1998. - 209 с.

51. Зайнуллин P.C. и др. Торможение развития повреждений в трубопроводах накладными элементами / P.C. Зайнуллин, В.А. Воробьев, Л.П. Худякова; под ред. академика АН РБ А.Г. Гумерова. Уфа: ГУП «Уфимский полиграфкомбинат», 2005. - 393 с.

52. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. Уфа, 1997. - 426 с.

53. Зайнуллин P.C., Морозов Е.М., Александров A.A. Критерии безопасного разрушения элементов трубопроводных систем с трещинами. М.: Наука, 2005.-316 с.

54. Зайнуллин P.C., Морозов Е.М. Безопасное развитие трещин в элементах оболочечных конструкций / Под ред. А.Г. Гумерова. СПб.: Недра, 2005.-168 с.

55. Зайнуллин P.C., Вахитов А.Г. Предельное состояние элементов трубопроводных систем / Под. ред. проф. Е.М. Морозова. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2005.-421 с.

56. Зайнуллин P.C. и др. Расчеты долговечности оболочковых элементов с учетом коррозии / P.C. Зайнуллин, И.Ф. Кантемиров, К.А. Сазонов. -Уфа: АН РБ, «ШЛЕМ», 2011. 92 с.

57. Захаров М.Н., Лукьянов В.А. Прочность сосудов и трубопроводов с дефектами стенок в нефтегазовых производствах. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. - 216 с.

58. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

59. Ильюшин A.A. Пластичность: Репр. воспр. текста изд. 1948 г. М.: Логос, 2004. Ч. 1. Упруго-пластические деформации. - 388 с.

60. Канарчук И.И., Дмитриев H.H., Деркачев О.Б., Желнов Г.Н. Исследование теплового излучения стальных образцов при циклическом разрушении // Проблемы прочности. 1989. - № 2. - С. 55-59.

61. Кандаков Г.П., Кузнецов В.В., Лукиенко М.И. Анализ причин аварий вертикальных цилиндрических резервуаров // Трубопроводный транспорт нефти. 1995. - № 4. - С. 6-7.

62. Кантемиров И.Ф. Анализ результатов дефектоскопии вертикальных резервуаров для нефтепродуктов // Материалы 48-ой научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. — Уфа, 1997. С. 33-34.

63. Кантемиров И.Ф. Разработка методов диагностики объектов трубопроводного транспорта на основе тепловизионного контроля: Дисс. . канд. техн. наук. Уфа, 2000. - 161 с.

64. Кантемиров И.Ф., Бабин Л.А. Диагностика нефтезаводского оборудования с помощью тепловизора // Нефть и газ. Межвуз. сб. научн. ст. Уфа, 1997.-Вып. 1.-С. 150-153.