Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обеспечение долговечности трубопроводов в условиях длительного нагружения

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

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение долговечности трубопроводов в условиях длительного нагружения"

На правах рукописи

КУДИН ВЛАДИСЛАВ ОЛЕГОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 25.00.19- «Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2006

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете

Научный руководитель: - доктор технических наук,

профессор Сысоев Ю.Г.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Шуваев А.Н.

кандидат технических наук Симонов В.В.

Ведущая организация - ОАО «Гипротюменьнефтегаз»

Защита состоится 30 июня 2006г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан 30 мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.И. Челомбитко

/оШ\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

В процессе производства, эксплуатации и ремонта трубопроводов металл снижает характеристики работоспособности. Это обуславливает необходимость оценки ресурса работы трубопровода с увеличением его механического нагружения.

Изучением степени надежности при создании трубопроводных систем занимались A.B. Бакиев, B.JI. Березин, П.П. Бородавкин, P.C. Зайнулина, А.Д. Никифоров и др. Однако, в настоящее время малоизучены вопросы длительного технологического нагружения при восстановлении и эксплуатации трубопроводых систем нефтегазового профиля.

Вопросами оценки остаточного ресурса трубопроводов в настоящее время занимается большое количество научно-исследовательских организаций.

В связи с недостаточным совершенством средств и методов неразрушающего контроля нефтегазопроводных систем вероятность эксплуатации трубопроводов с недопустимыми дефектами в настоящее время остается достаточно высокой. Расчетам напряженного состояния, оценки несущей способности и долговечности трубопроводов с дефектами посвящены исследования известных ученых O.A. Бакши, Г.Г. Васильева, В.А. Иванова, Г.А. Николаева, О.И. Стеклова, H.A. Махутова и др.

В имеющихся литературных источниках мало сведений о влиянии на ресурс трубопроводов изменения характеристик металла при продолжительной эксплуатации, которые происходят в результате деформационного старения, и долговечности конструкций рассматриваемых систем^ подверженных деформации при строительстве. Это является подтверждением актуальности рассматриваемой в диссертационной работе проблемы.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА 3 С.-Петербург

ОЭ 200feKr

Цель работы:

Обеспечить долговечность трубопроводов повышением эксплуатационного ресурса с учетом длительного нагружения рабочим давлением и методов ремонта.

Основные задачи исследований:

- оценить связь параметров длительного нагружения металла при эксплуатации, монтаже и ремонте трубопроводов;

провести анализ закономерностей изменения характеристик работоспособности трубопровода после пластических деформаций базовых элементов;

- разработать метод оценки прогнозируемого остаточного ресурса трубопроводов с учетом долговременного нагружения при эксплуатации, монтаже и ремонте;

- изучить роль гидравлических испытаний в формировании характеристик безопасности трубопроводов.

Научная новизна работы:

- предложены новые положения обеспечения безопасной работы трубопроводных систем с учетом долговременного нагружения рабочим давлением и строительных деформаций;

определены аналитические зависимости, характеризующие закономерности изменения работоспособности конструктивных элементов трубопроводных систем в зависимости от величины монтажных и эксплуатационных деформаций;

- разработан метод оценки остаточного ресурса трубопровода с учетом связи между локальными механическими характеристиками и величиной пластических деформаций конструктивных элементов системы;

получены аналитические зависимости работоспособности и безопасности трубопроводной системы с заданными параметрами гидравлических испытаний при малоцикловом нагружении.

Методы исследований:

Поставленные задачи решались методами теорий прочности, механики разрушений, металловедения, теории надежности. Научные положения подтверждены опытом эксплуатации.

Практическое значение работы:

Основные результаты исследований используются при чтении лекционных курсов специальных предметов по сооружению и ремонту трубопроводных систем для студентов специальности ПСТ.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах и конференциях (2001-2005 г.г.). Диссертация заслушана и рекомендована к защите на межкафедральном научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета (Протокол № 2 от 26 апреля 2006г.).

Публикации, структура и объем диссертации:

Основное содержание работы опубликовано в 3 научных статьях. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, списка использованной литературы (155 Наименований). Диссертация изложена на 152 страницах текста, содержит 55 рисунков, 4 таблицы.

Содержание работы:

Во введении обоснованы актуальность и цель диссертационной работы. Сформулированы задачи исследований, связанные с обеспечением надежной работы трубопроводных систем с учетом продолжительности эксплуатации и изменения характеристик их конструктивных элементов.

В первом разделе освещены вопросы длительного технологического нагружения при восстановлении и последующей эксплуатации трубопроводных систем. Рассмотрены физико-механические закономерности при обработке заготовок гнутых отводов, обуславливающие изменение характеристик сопротивления металла разрушению.

Анализ процесса обработки заготовок и монтажа трубопроводов говорит, что весь комплекс операций можно условно разделить на формоизменяющие, термические и контрольные (рис. 1).

Такое разделение операций позволяет выделить основные факторы (характерные для каждой группы), влияющие на работоспособность трубопроводов.

При формоизменении (гнутые отводы) характерным является степень пластической деформации и остаточные напряжения. При подогреве кромок секций для сварки - неоднородность физико-механического состояния кромок и остаточные (сварочные) напряжения. Контроль операций определяет качество конструктивных элементов и трубопровода в целом.

Рассмотрим некоторые примеры обработки заготовок трубопровода. Секции труб перед сваркой имеют овальность, которая подлежит исправлению с помощью внутренних или наружных центраторов. Заготовка отводов обычно производится однократным упругопластическим изгибом. При однократном изгибе заготовки пластические деформации пропорционально увеличиваются с ростом толщины Я и кривизны Я заготовки.

Деформации по толщине стенки заготовки распределяются неравномерно и после снятия нагрузки в отводе возникают остаточные напряжения. На противолежащих образующих стенок они достигают предела текучести металла а т . Отсюда, даже без приложения внешних и внутренних сил, трубопровод оказывается в напряженном состоянии.

Рис. I. Структура технологического процесса монтажа и ремонта трубопровода.

Это является причиной разрушений некоторых трубопроводов под воздействием незначительной внешней нагрузки. Очистка трубопровода не связана с изменением формы, но сопровождается возникновением остаточных деформаций и напряжений, так как при дробеструйной обработке поверхность трубопровода подвергается локальному динамическому воздействию. При очистке металлическими щетками тонкие поверхностные слои тоже получают пластические деформации сдвига, но эти слои очень тонкие и их влияние на механическое разрушение незначительно.

Таким образом, все процессы обработки заготовок обуславливают в металле остаточные деформации и напряжения. Сборочные напряжения (правка формы трубопровода) в последствии складываются с рабочими и могут вызвать перенапряжение и возможность разрушения металла трубопровода.

Значительную роль в работоспособности трубопроводов играют мягкие прослойки сварных соединений, которые являют собой участки элементов трубопровода с повышенными прочностными характеристиками в сравнении с основным металлом. Тепловое воздействие при резке и сварке трубопровода вызывает появление остаточных напряжений, которые в активной зоне могут достигать предела текучести металла. Все это может привести к пластическим деформациям трубопровода.

Предварительный подогрев и быстрое охлаждение секций является технологическим способом регулирования параметров сварочного цикла, и, соответственно, структуры, механических характеристик и коррозионной стойкости трубопровода.

Трубопровод, даже после добросовестного контроля качества, имеет различного рода дефекты, возникающие в процессе производства, транспортировки, хранения, строительства, эксплуатации и ремонта. Одним

из распространенных методов контроля качества строительства и капитального ремонта является гидравлическое испытание. Обычно давление испытания Р„ в 1,25 раза больше рабочего Рр, но при этом обнаруживаются лишь «крупные» дефекты. Более «мелкие» остаются в стенке трубопровода. После гидравлических испытаний оставшиеся дефекты значительно изменяют свою форму и размеры. Это в существующих расчетах не учитывается при прогнозировании работоспособности трубопровода.

Метод и круг задач, решаемых в настоящей диссертации, поставлены из проведенного анализа причин повреждаемости или разрушения трубопровода в стадии строительства, эксплуатации и капитального ремонта.

В зависимости от свойств металла, величины напряженно-деформированного состояния трубопровода и рабочей среды, накопление дефектов формируется процессами статической или циклической усталости и др. При достижении критической величины накопленных дефектов происходит разрушение или разгерметизация трубопровода, что означает полную или частичную потерю его работоспособности.

В настоящей работе основное внимание уделено разработке метода прогнозирования и увеличения долговечности трубопроводной системы.

Методы оценки критического состояния по долговечности трубопровода базируются на силовых, деформационных и энергетических критериях сопротивления материалов и механики разрушений. Оценка напряженного состояния конструктивных элементов системы с угловатостями выполнена методами теории тонких оболочек с использованием метода конечных элементов.

/

Во втором разделе осуществлена оценка взаимосвязи величины технологического нагружения и формоизменения при строительстве и ремонте трубопроводов.

Исправление овальности труб происходит при приложении нагрузок на наружную поверхность. Исключение локализованных деформаций, при котором нагрузка была равномерно распределенной по некоторой площадке, в основном имеет вид круга.

В процессе правки овальности и гибке отводов трубопровода возникают упругие и пластические деформации изгиба. При этом, в зависимости от угла гиба и овальности, а также условий силового воздействия, возможно появление двух предельных состояний: местная (вмятины) и общая (сплющивание) потеря устойчивости формы. Поэтому большое практическое значение имеют исследования напряженно-деформированного состояния и максимальных нагрузок в зависимости от геометрических размеров заготовок, имеющих овальность, прочностных свойств металла и др.

По существующим нормативам, овальность труб определяет безразмерный параметр а :

а = (D max - D min) / D, Где D шах; D min; D - максимальный, минимальный и номинальный диаметры труб.

Как было отмечено, правку овальных труб производят усилием Р, которое обуславливает изгибные деформации и напряжения. При этом максимально напряженными являются четыре участка, которые находятся в точках пересечения контура трубы с двумя взаимно перпендикулярными осями.

В процессе правки предлагается осуществлять локальный нагрев в

точках с максимальной напряженностью (4-е точки) при вариациях

количества и последовательности зон нагрева.

В третьем разделе приведены исследования закономерностей

изменения свойств металла при формоизменении элементов трубопровода

при строительстве и ремонте. Даны рекомендации оценки критических

деформаций по показателям ресурса.

Известно, что пластическая деформация приводит к росту

прочностных и снижению пластических характеристик, а предварительная

пластическая деформация приводит к охрупчиванию стали. Вследствие

этого при выполнении операций по изготовлению гнутых отводов величину

деформации ограничивают. Следовательно, имеем характеристику стали,

критическая степень пластической деформации которой ( е ) .

кр

Следующие параметры труб обозначим индексом «кр»: д (радиус);

кр

6 ^ (толщина).

В работе рассматривается подход, основанный на определении критических деформаций с учетом известных условий работы трубопровода. Для этого предлагается установить зависимость какой-либо характеристики работоспособности Л от степени пластической деформации е ^

Это может быть ударная вязкость, относительное удлинение 8 , критический коэффициент интенсивности напряжений.

Переменные механические характеристики металла труб обусловлены холодной пластической деформацией, которая происходит задолго до эксплуатации трубопровода. При эксплуатации же она является следствием цикличности нагрузки в концентраторах напряжений и дополнительно может реализовываться от действия непредвиденных механических

воздействий (хранение, транспортировка, строительство и эксплуатация трубопроводов).

Деформационное старение заключается в направленной диффузии атомов (азота, водорода, углерода и др.) к наведенным пластической деформацией дислокациям с образованием у последних скоплений этих атомов, блокирующих деформации. Следовательно, деформационное старение определяется не только величиной холодной пластической деформации е ,д , но и температурно-временными факторами эксплуатации

трубопровода Те, тс.

По литературным данным влияние на степень деформационного старения величины холодной пластической деформации е д ограничивается диапазоном Ед < 0,1. Величина в д =0,1 регламентируется ГОСТом 7262-82 для оценки ударной вязкости сталей после искусственного старения.

В общем виде имеем закономерности: увеличение ед приводит к росту а т и <т в ; относительное удлинение 8 и сужение ч> уменьшаются.

Формирование дислокационных структур при деформации указывает, что коэффициент деформационного старения о г (е Л ) должен иметь сложный характер с экстремумом в области

ед=К-ОД,

где /Г «1.0. ^

Деформационное старение, одновременно с величиной деформации е 1Д , зависит от времени т с и температуры Тс старения в процессе

эксплуатации. В общем виде коэффициент деформационного старения запишем:

Большой рост процессов деформационного старения отменен на начальных этапах эксплуатации трубопровода. Затем следует насыщение процесса деформационного старения.

Установленные закономерности дали возможность разработать ускоренный метод оценки динамики изменений механических характеристик металла в процессе эксплуатации, это определяет целесообразность и эффективность существующих методов учета старения при оценке ресурса трубопровода.

Длительные исследования показали, что в процессе эксплуатации механические характеристики трубопровода, т.е. основного металла в целом мало изменяются. Все изменения свойств длительно работающих трубопроводов следует связывать с масштабным фактором и явлением технологического нагружения при: производстве; строительстве; транспортировке и хранении труб.

В четвертом разделе обоснованы и предложены методы расчета безопасности трубопровода с учетом локальных процессов деформационного старения, остаточных строительных, ремонтных, циклических нагружений и др.

Предлагаемая в работе методика предназначена для определения работоспособности нефтегазопроводов. Ресурс трубопровода рассчитывается по формуле:

гр=Ир1у = <р, ■п)12у,

где пе — е„р / £пл - коэффициент запаса пластичности металла, определяемый по фактическому значению относительного сужения У металла трубопровода и максимальной величине пластической деформации £„, в концентраторе напряжений;

ет = еа - £„; еа - полная деформация в концентраторе напряжений;

еу = е., / Е - упругая составляющая полной деформации;

<т_1 » 0,4 • ав - предел усталости;

Е - модуль упругости;

(Ув - временное сопротивление;

(р,- величина, зависящая от многих факторов: времени эксплуатации, степени концентрации напряжений, деформационного упрочнения стали и др. Со снижением ф, долговечность трубопровода сокращается.

Таким образом, разработан новый метод оценки ресурса трубопровода, учитывающий процесс деформационного старения металла. Неучет локализованного деформационного старения приводит к ошибочной оценке ресурса трубопровода.

В результате неравномерного нагрева и деформаций при строительных операциях в металле трубопровода возникают остаточные напряжения, которые могут существенно снизить прочность трубопровода. В связи с этим предложены аналитические зависимости в оценке распределения сварочных напряжений. Установлено распределение остаточных сварочных напряжений по сложным кривым с максимумом в центре шва и зонах термического влияния.

В работе проведен анализ кинетики напряжений в трубопроводах с остаточными напряжениями. Выявлено, что остаточные напряжения существенно снижают коррозионную долговечность трубопроводов при упругих деформациях.

Проведенные исследования позволили произвести расчеты характеристик безопасности.

Предложенные методики расчетов позволяют оценить: степень опасности и очередности ликвидации дефектов; остаточный ресурс;

причины механических отказов трубопровода. Эти методики расчета базируются на надежных и простых критериях механики разрушения.

Выводы и рекомендации по работе:

На основе теории упругости выполнен анализ напряженно-деформированного состояния трубопроводов при их строительстве, монтаже, эксплуатации, ремонте и гнутье отводов.

1. Предложена математическая модель для описания изменений характеристик работоспособности трубопровода в зависимости от параметров формоизменяющих операций.

2. Разработан метод расчета ресурса трубопроводов с учетом локализованных процессов деформационного старения металла.

3. Разработана методика оценки предельных параметров технического состояния трубопроводов, позволяющая определить степень опасности и очередности устранения дефектов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Кудин В. О. Методы повышения ресурса трубопровода при наличии сварочных напряжений. / Кудин В. О., Сысоев Ю. Г./ / Сб. науч. тр. «Нефть и газ». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006 г., № 1. - С. 73-74.

2. Кудин В. О. Коррозионное повреждение - определяющий фактор предельных нагрузок. / Сб. науч. тр. «Мегапаскаль». - Тюмень: «Феникс», 2006 г., №2.-С 7.

3. Кудин В. О. Анализ силовых воздействий на трубопровод при строительстве и ремонте.. / Сб. науч. тр. «Мегапаскаль». - Тюмень: «Феникс», 2006 г.,№2.-С 8-9.

JOObJ:

06 t 3 82 7^

Подписано к печатие/^ЙПР^- Бум. писч№1

Заказ Уч л у

Формат 60x84 '/16 Усл. ПСч. л. /

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учрежден*« «пешего профессионального образом ни*

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кудин, Владислав Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

Раздел 1. АНАЛИЗ ИСТОРИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ.

1.1. Анализ основных факторов безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования.

1.2. Анализ силовых воздействий на трубопровод при строительстве и ремонте.

1.3. Оценка характеристик безопасной эксплуатации трубопроводов

1 А. Определение геометрических параметров деталей заготовок для ремонта трубопроводов.

Выводы по разделу 1.

Раздел 2. ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ЗАГОТОВОК ДЛЯ РЕМОНТА ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ ТРУБОПРОВОДА.

2.1. Оценка критических дефектов заготовок трубопровода.

2.2. Оценка критических дефектов формоизменения заготовок по механическим свойствам.

2.3. Ресурсная оценка прочности трубопровода от величины критических величин.

Выводы по разделу 2.

Раздел 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ.

3.1. Разработка методики расчета ресурса трубопроводов с учетом локализованного старения металла.

3.2. Расчет долговечности трубопроводов в условиях механохимической коррозии и деформационного старения.

3.3. Методика расчета ресурса трубопроводов с учетом сварочных напряжений.

Выводы по разделу 3.

Раздел 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРУБОПРОВОДОВ ПО АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

4.1. Разработка методики расчета критических параметров трещины трубопровода.

4.2. Методика расчета предельных нагрузок в элементах трубопроводной системы с угловыми швами.

4.3. Методика расчета предельных нагрузок трубопроводов с коррозионными повреждениями.

Выводы по разделу 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обеспечение долговечности трубопроводов в условиях длительного нагружения"

Безопасная эксплуатация нефтегазопроводов закладывается при проектировании, обеспечивается при производстве, монтаже, поддерживаются при эксплуатации.

При производстве монтажа и ремонта трубопроводов в результате длительного технологического нагружения в металле происходят структурные изменения, снижающие их безопасность и работоспособность. Поэтому при оценке ресурса работы трубопровода фактор нагружения имеет большое практическое значение.

Вопросам изучения надежности при создании нефтегазовых трубопроводов посвящено много известных работ профессоров A.B. Бакиева, П.П. Бородавкина, P.C. Зайнуллина, А.Д. Никифорова, Р.Г. Ризванова, А.Г. Халимова. В настоящее время малоизученным является вопрос технологического нагружения при монтаже и ремонте трубопроводов.

На территории страны расположено более 200 тысяч километров нефтегазопроводов. Одной из причин нарушения экологии являются аварии из-за изношенности трубопроводов. По экспертной оценке специалистов их износ в настоящее время достигает более 50% и такое же количество трубопроводов выработало свой расчетный ресурс.

Обеспечить безопасность и долговечность трубопроводных систем можно путем ликвидации опасных предприятий, замене изношенных трубопроводов и последующую их эксплуатацию с соблюдением критериев безопасности, проведением своевременной диагностики и назначением безопасных сроков эксплуатации на базе использования современных достижений в области материаловедения и механики разрушения. Первые два направления в настоящее время не реальны из-за сложного экономического положения в стране.

Вопросами оценки остаточного ресурса трубопроводов в настоящее время занимается большое количество научно-исследовательских и учебных институтов. Это является подтверждением актуальности рассматриваемой проблемы.

Известно, что оценка остаточного ресурса трубопроводов проводится на основании работ по анализу технической документации, результатов диагностики, экспертного обследования, анализу механизмов повреждений и по параметрам технического и напряженного состояний, а также характеристик металла, выбору критериев повреждаемости и др.

В связи с несовершенством средств неразрушающего контроля вероятность эксплуатации трубопроводов с недопустимыми дефектами, в том числе и трещиноподобными, достаточно высокая. Распространенным дефектом трубопроводов является геометрическая неоднородность (угловатость и смещение сварных кромок и др.). Расчетам напряженного состояния, оценки несущей способности и долговечности элементов с отклонениями от округлости посвящено большое количество работ, в частности, известные исследования проф. Г.А. Николаева, O.A. Бакши, О.И. Стеклова, H.A. Махутова, Е.М. Морозова, Г.С. Васильченко, А.Д. Никифорова и др.

Необходимо отметить, что наиболее полно изучено влияние на ресурс трубопроводов смещение кромок и овальности. В литературных источниках недостаточно сведений о влиянии на ресурс трубопроводов изменения характеристик металла при длительной эксплуатации в результате деформационного старения. При оценке ресурса трубопроводов не учитываются локальные напряжения, обусловленные геометрической и механической неоднородностью. Поэтому практическое значение приобретает развитие подходов механики разрушения при оценке ресурса трубопроводов с геометрической и механической неоднородностью. Требуют совершенствования подходы учета механохимической коррозии и старения металла при оценке остаточного ресурса трубопроводов.

Работа выполнена по научному направлению Государственной научно-технической программы (ГНТП) "Безопасность", - "Новые методы и критерии обеспечения безопасности рабочих процессов, технологий, конструкций, сложных технических систем и окружающей среды в случае возникновения техногенных катастроф", и, в частности, его проекту 1.5. "Разработка механики катастроф и методов оценки безопасности по критериям механики разрушения и живучестисложных технических систем в поврежденных условиях"; "Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе".

Цель работы: обеспечить безопасность эксплуатации нефтегазовых трубопроводов повышением ресурса с учетом технологического нагружения и изменения характеристик конструктивных элементов при их строительстве и ремонте.

Основные задачи исследований:

- оценка связи параметров технологического нагружения металла при производстве, монтаже и ремонте трубопроводов;

- анализ закономерностей изменения характеристик работоспособности трубопроводов после выполнения формоизменяющих операций базовых элементов;

- разработка методов оценки прогнозируемого и остаточного ресурса трубопроводов с учетом технологического нагружения при монтаже и ремонте;

- изучение роли гидравлических испытаний в формировании характеристик безопасности трубопроводов;

- разработка нормативной базы по обеспечению безопасности эксплуатации трубопроводов с учетом технологического нагружения при их монтаже и ремонте.

Научная новизна работы заключается:

- в создании основ обеспечения безопасности нефтегазовых труб с учетом явления технологического нагружения при монтаже и ремонте, базирующихся на полученных закономерностях;

- получении аналитических зависимостей, описывающих основные закономерности изменения работоспособности трубопроводов в зависимости от величины формоизменения при монтаже и эксплуатации с учетом температурно-временных факторов;

- разработке метода расчета ресурса трубопровода, основывающегося на новых закономерностях связи между локальными механическими свойствами и величиной пластических деформаций, возникающих при эксплуатации;

- получении аналитических зависимостей, позволяющих описывать работоспособность трубопроводов с заданными параметрами гидравлических испытаний в условиях малоциклового нагружения и коррозии.

На защиту выносится:

- уравнение, связывающее параметры временного старения металлов и сварочных операций;

- закономерности временного старения металлов при монтажных операциях;

- методика расчета характеристик надежности трубопроводов с учетом временного старения геометрических неоднородностей трубопроводов, цикличности нагружения и коррозии;

- способы уменьшения влияния геометрической неоднородности и остаточных напряжений на работоспособность трубопроводов.

Практическое значение работы.

Основные результаты исследования положены в разработку нормативно-технических документов, позволяющих регламентировать безопасный срок эксплуатации трубопроводов с учетом технологического нагружения.

Внедрение в производство разработанных нормативных документов позволяет снизить себестоимость монтажа трубопроводов.

Методы исследования.

Методологические и теоретические основы настоящего исследования составили труды отечественных и зарубежных ученых в области механики разрушения, металловедения и сварки, технологии аппаратостроения.

Полученные в диссертации положения подтверждены лабораторными и натурными испытаниями.

Информационную базу исследования составили данные и сведения из монографий, журнальных статей, научных докладов, материалов конференций, семинаров, материалов, полученных с помощью современных информационных технологий, в том числе сети Интернет.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников из 120 наименований. Изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 3 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Кудин, Владислав Олегович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. В результате анализа литературных источников установлено, что существующие расчетные методы определения ресурса элементов трубопровода не учитывают динамику изменения механических характеристик металла в процессе длительного нагружения трубопровода, коэффициенты старения вводятся лишь для основного металла конструкций.

2. Базируясь на теории упругости и пластичности оболочек выполнен анализ напряженно-деформированного состояния заготовок трубопровода в процессе исправления отклонений от заданной формы.

Получены аналитические зависимости для расчета усилий и изгибающих моментов в процессе исправления формы труб.

Определены локальные пластические деформации, возникающие при выполнении монтажных операций в областях концентраторов напряжений.

3. Предложена и обоснована математическая модель для описания основных закономерностей изменения характеристик работоспособности металла в зависимости от параметров формоизменяющих операций, срока и температуры эксплуатации оборудования.

4. Разработан новый метод расчета ресурса оборудования и трубопроводов с учетом локализованных процессов деформированного старения металла.

5. Разработаны методики расчета характеристик работоспособности трубопровода с учетом остаточных (монтажных и сварочных) напряжений. Установлено, что остаточные напряжения в основном сказываются на характеристиках работоспособности лишь при сравнительно низких уровнях рабочих напряжений. При расчете предельных характеристик работоспособности остаточными напряжениями можно пренебречь.

6. Разработана методика оценки предельных параметров технического состояния оборудования и трубопроводов на основе диагностической и априорной информации, позволяющая оценивать: остаточный ресурс конструктивных элементов

- периодичность диагностики и испытаний.

Получены формулы для определения предельного состояния трубопровода трещиноподобными дефектами различной конфигурации, ориентации и местоположения, имеющих технологическое и коррозионное происхождение.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кудин, Владислав Олегович, Тюмень

1. Аснис А.Е., Иващенко Г.Д. Повышение прочности сварных конструкций.- Киев: Наукова Думка, 1979 -193 с.

2. Атомистика разрушения / Под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Мир. 1987.248с.

3. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочностных сталей. М.: Металлургия, 1974. - С. 256.

4. Браун У., Сроулли Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. М.: Мир, 1972.-246 с.

5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

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

7. Бакиев A.B. Технологическое обеспечение качества функционирования нефтегазопромыслового оборудования оболочкового типа: Автореф. дисс. доктора техн. наук: 05.04.07. М.: МИНХ и ГП им. И.М. Губкина, 1984.-38 с.

8. Бернштейн М.А. Займовский В.А. Механические свойства металлов.- М: Металлургия, 1979. С 314-325.

9. Ю.Броек Д. Основа механики разрушения М.: Высшая школа, 1980. -368с.

10. П.Гутман Э.М., Зайнуллин Р.С, Шаталов А.Г., Зарипов P.A. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа. М.: Недра, 1984.-75 с.

11. Гумеров K.M. Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов регламентацией периодичности диагностики и совершенствованием технологии их ремонта. // Автореф. дисс. доктора техн. Наук.-Уфа, 2001.

12. Гумеров K.M., Надршин A.C., Сабиров У.Н. Оценка циклической долговечности труб с дефектами. // В кн.: «Вопросы безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов системы газо- и водоснабжения». -Уфа: УГНТУ, 1995. -С. 32-52.

13. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Ямалевв K.M. и др. Старение труб нефтепроводов. -М.: Недра, 1995.-218 с.

14. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Гумеров P.C. и др. Восстановление работоспособности труб нефтепроводов. Уфа: Башк. кн. изд-во, 1992.-236 с.

15. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C. Безопасность нефтепроводов. М.: Недра, 2000.-308 с.

16. Гумеров А.Г., Зайнулдин P.C., Мокроусов С.Н., Пирогов А.Г., Надршин A.C., Тарабарин О.И., Щепин JI.C., Хажиев Р.Х. Оценка остаточного ресурса трубопроводов и их конструктивных элементов по параметрам испытаний. М.: Недра, 2003. - 79 с.

17. ГОСТ 1497-84 /СТ СЭВ 471-77/. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Изд-во стандартов. 1985. - 17 с.

18. ГОСТ 10006-80 /СТ 476277/. Трубы металлические. Методы испытаний на растяжение. М.: Изд-во стандартов, 1981. - 31 с.

19. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. М.: Изд-во стандартов, 1978. - 29 с.

20. ГОСТ 9454-78 /62 СЭВ 472-77/. Металлы. Методы испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах. -М.: Изд-во стандартов, 1980. — 41 с.

21. ГОСТ 14782-86. /Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. -М.: Изд-во стандартов. 1987. 12 с.

22. ГОСТ 7512-82. Контроль неразрушающий Соединения сварные. Радиографический метод. М.: Изд-во стандартов. 1983. - 14 с.

23. ГОСТ 23855-78. Контроль неразрушающий. Сварка металлов плавлением. Классификация сварных соединений по результатам радиографического контроля. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 8 с.

24. ГОСТ 25-506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Изд-во стандартов, 1985.-61с.

25. ГОСТ 20911-75. Техническая диагностика. Основные термины определения. М.: Изд-во стандартов. 1978. - 14 с.

26. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г., Морозов Е.М. и др. Гидравлические испытания действующих нефтепроводов. М.: Недра, 1990. - 221 с.

27. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. Уфа: ИПК Госсобрание РБ, 1997.-426 с.

28. Зайнуллин P.C., Абдуллин P.C., Усманов P.M., Тарабарин О.И. и др. Методика оценки остаточного ресурса оборудования с геометрической и механической неоднородностью (согласована ВНИИНЕФТЕМАШ). Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 1997. - 43 с.

29. Зайнуллин Р.С, Хажиев Р.Х., Щепин JI.C., Тарабарин О.И. Оценкамеханических характеристик конструктивных элементов нефтепроводов (Методические рекомендации МР-8 согласованы Госгортехнадзором РФ). -Уфа: ИПТЭР, МНТЦ «БЭСТС», 1998. 14 с.

30. Зайнуллин P.C., Абдуллин Р.С, Тарабарин О.И. и др. Методика расчета ресурса сварных элементов с механической неоднородностью. (Методические рекомендации МР-9 согласованы с Госгортехнадзором РФ). -Уфа: ИПТЭР, МНТЦ «БЭСТС», 1998. 20 с.

31. Зайнуллин P.C., Шарафиев Р.Г., Тарабарин О.И. и др. Методика расчетной оценки ресурса элементов нефтезаводского оборудования (руководящий документ согласован Башкирским управлением Госгортехнадзора РФ). М.: ВНИИНЕФТЕМАШ, 1998. - 17 с.

32. Зайнуллин P.C., Вахитов А.Г., Тарабарин О.И., Щепин JI.C. Оценка эксплуатационных характеристик сосудов и труб с учетом деформационного старения. Уфа: РНТИК «Баштехинформ». 1996. - 41 с.

33. Зайнуллин P.C., Тарабарин О.И., Щепин JI.C. Кинетика механо-химического разрушения. М.: Международный институт безопасности сложных технических систем, 1996. - 121 с.

34. Зайнуллин P.C., Бакши O.A., Абдуллин P.C., Вахитов А.Г. Ресурс нефтехимического оборудования с механической неоднородностью. М.: Недра, 1998.-268 с.

35. Зайнуллин P.C., Тарабарин О.И. Метод расчета ресурса элементов конструкций. // Обеспечение работоспособности трубопроводов: Сб. научн.трудов. М.: Недра, 2002. - С. 7-8.

36. Зарецкий Е.М. Влияние деформации на потенциалы металлов. // Журнал прикладной химии. 1951. - Т.ХХ1У - № 6. - С. 614-623.

37. Зарецкий Е.М. Влияние деформации на коррозию металлов. // Журнал прикладной химии. 1951. -ТХХ1У. - № 5. - С. 477-484.

38. Зорин Е.Е. Некоторые направления развития методов и средств диагностики конструкций в процессе эксплуатации. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1995. - № 3. - С. 27-30.

39. Иванов Е.А., Дадонов Ю.А. и др. О техническом состоянии магистрального трубопроводного транспорта в России. // Безопасность труда в промышленности. 2000. - № 9. - С. 34-37.

40. Ито Ю., Мураками Ю., Хасэбэ Н. и др. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений в 2-х томах. М.: Мир, -1016 с.

41. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

42. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. Пер. с польского. М.: Металлургия, 1990. - 621 с.

43. Коттрелл А.Х. Дислокация и пластическое течение в кристаллах. -М.: Металлургия, 1958.-273 с.

44. Кросовский А.Я. Хрупкость металлов при низких температурах. -Киев: Наукова Думка, 1980. 338 с.

45. Кудин В.О. Взгляд на построение информационных систем на предприятии./ Кудин В.О. / Сб. науч. тр. Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. С. 83-88.

46. Кудин В.О. Методы повышения ресурса трубопровода при наличии сварочных напряжений. / Кудин В.О., Сысоев Ю.Г./ / Сб. науч. тр. «Нефть и газ». Тюмень: ТюмГНГУ, 2006, № 1. - С. 73-74.

47. Кудин В.О. Коррозийное повреждение определяющий фактор предельных нагрузок. /Сб. науч. тр. «Мегапаскаль». - Тюмень: «Феникс», 2006, № 2. - С 7.

48. Кудин В.О. Анализ силовых воздействий на трубопровод при строительстве и ремонте. /Сб. науч. тр. «Мегапаскаль». Тюмень: «Феникс», 2006, № 2. - С 8-9.

49. Кузеев И.Р., Куликов Д.В., Мекалова И.В. и др. Физическая природа разрушения. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997. - 168 с.

50. Коффин Л.Ф. О закономерностях малоцикловой усталости / ВЦП. -№ Ц-16265 (а). Пер. статьи из журн. «Journal of Materials». 1971. - т. 6, № 2. - С. 388-402.

51. Когаев В.П. Расчеты при напряжениях переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

52. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1976.-456 с.

53. Качанов JI.M. Основы механики разрушения. М.: Наука. 1974.311 с.

54. Колмогоров B.JI., Богатов A.A., Мигачев Б.А. и др. Пластичность и разрушение. М.: Металлургия, 1977. - 336 с.

55. Лобанов Л.М., Махненко В.Н., Труфяков В.И. Основы проектирования конструкций. Том 1. Киев: Наукова Думка, 1993. - 416 с.

56. Лейкин И.М., Литвиненко Д.А., Рудченко A.B. Производство и свойства низколегированных старей. М.: Металлургия, 1972. - 256 с.

57. Лебедев A.A., Чаусов Н.Г. К оценке трещиностойкости пластических материалов. // Проблема прочности. 1982. - № 2. - С. 11-13.

58. Лютцау В.Г. Современные представления о структурном механизме деформационного старения и его роли в развитии разрушения малоцикловой усталости. // В кн.: Структурные факторы малоциклового разрушения. М.: Наука, 1977. - С. 5-19.

59. Москвитин В.В. Циклическое нагружение элементов конструкций. -М.: Наука, 1961.-344 с.

60. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкции хрупкому разрушению. -М.: Машиностроение, 1973. 201 с.

61. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения М.: Машиностроение, 1981.-272 с.

62. Методика определения опасности повреждений стенки труб магистральных трубопроводов по данным обследования внутритрубными дефектоскопами. М.: АК «Транснефть», 1997. - 25 с.

63. Мешков Ю.Я. Физические основы разрушения стальных конструкций. Киев: Наукова Думка, 1981. - 238 с.

64. Мешков Ю.Я., Пархоменко Г.А. Структура металла и хрупкость стальных изделий. Киев: Наукова Думка, 1985. - С. 89-120.

65. Макрочев В.М. К вопросу расчета на прочность при наличии трещины. // Физика и механика деформации и разрушения. 1979. - В.7. -С. 67-75.

66. Малов Е.А., Карнаух H.H., Котельников B.C. и др. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России. // Безопасность в промышленности. 1996. - №3. - С. 45-51.

67. Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах. Сб. научн. трудов: Пер. с англ. / Под редакцией Фридляндера М.Н. М.: Металлургия, 1983.- 432 с.

68. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие. Том 2. К.: Наукова Думка, 1988. - 619 с.

69. Миланчев B.C. Методы расчета ресурса эксплуатации сварной нефтеаппаратуры. // Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования. -1983.-№2. -С.7-13.

70. Муханов К.К., Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Методы оценки несущей способности сварных стальных конструкций при малоцикловом нагружении. // Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1976. - Вып. 17. -С. 259-284.

71. Микляев И.Г., Нешпор Г.С., Кудряшов В.Г. Кинетика разрушения. -М.: Машиностроение. 1979. 279 с.

72. Махутов H.A., Морозов Е.М., Зайнуллин Р.С, Щепин J1.C., Тарабарин О.И., Мокроусов С.Н. Оценка трещиностойкости газопроводных труб. М.: Международный институт безопасности сложных технических систем, 1977.10 с.

73. Мочернюк Н.П., Красневский СМ., Лазаревич Г.И. и др. Влияние времени эксплуатации и рабочего давления газа на физико-механические характеристики трубной стали 19Г. // Газовая промышленность. 1991. - №3. -С. 34-36.

74. Методика оценки работоспособности труб линейной части нефтепроводов на основе диагностической информации. РД 39-00147105-00191. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1992. - С. 120-125.

75. Методика по выбору Параметров труб и поверочного расчета линейной части магистральных нефтепроводов РД 39-0147103-361-86. Уфа: ВПИИСПТнефть, 1987. - 38 с.

76. Морозов Е.М. Техническая механика разрушения. Уфа.: МНТЦ «БЭСТС», 1997.-429 с.

77. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.: Машиностроение, 1974. 344 с.

78. Механика разрушения на прочность материалов: Справочное пособие. Том 2. К.: Наукова Думка, 1988. - 619 с.

79. Нейбер Г. Концентрация напряжений. / Пер. с нем. Под ред. А.И. Лурье. М.: Гостехиздат, 1947. - 204 с.

80. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформаций конструкций. М.: Металлургия, 1978. — 256 с.

81. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энерготехнических установок. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с.

82. Нотт Дж. Основа механики разрушения. М.: Металлургия, 1978.256 с.

83. Навроцкий Д.И. Расчет сварных соединений с учетом концентрациинапряжений. JI.: Машиностроение, 1968. - 170 с.

84. Николе Р. Конструирование и технология изготовления сосудов давления. М.: Машиностроение, 1975. - 464 с.

85. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. / Под редакцией Брайента К.Л. М : Металлургия, 1988. - 555 с.

86. Орлов А.Н., Перезвенцев В.Н., Рыбин В.В. Граница зерен в металлах. М.: Металлургия, 1980. 154 с.

87. Обеспечение работоспособности сосудов и трубопроводов. / Под редакцией проф. P.C. Зайнуллина. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. - 44 с.

88. Овчаренко Ю.Д. V-образные вырезки в линейной механике разрушения. М.: Леп. ВИНИТИ, № 4359-77,1977. - С. 16.

89. Окерблом Н., Демянцевич В.П., Байкова И.П. Проектирование технологий изготовления сварных конструкций. Л.: Судпромгиз, 1963. -602 с.

90. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962. - 260 с.

91. Пластичность и разрушение. / Под редакцией В.Л. Колмогорова. -М.: Металлургия. 1977. 336 с.

92. Попов Ю.В. Единая нормативно-техническая база по диагностированию и прогнозированию ресурса оборудования. Безопасность в промышленности. 1996. - № 6. - С. 14-18.

93. Поведение стали при циклических нагрузках. / Под ред. Проф. В. Даля. М.: Металлургия, 1983. - 568 с.

94. Прочность. Устойчивость. Колебания. (Том 2). М.: Машиностроение, 1968.-831 с.

95. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. М: Мир. 1997.-302 с.

96. ЮО.Порядок разработки декларации безопасности промышленного объекта Российской Федерации, М.: Госгортехнадзор, 1996. 22 с.

97. Ю1.Ризванов Р.Г., Тарабарин О.И. Оценка несущей способностиэллиптических днищ сосудов давления с учетом конструктивных параметров. // Ресурс сосудов и трубопроводов.: Сб. научн. трудов. Уфа: 2001. - С. 105120.

98. РД 0385-95. Правила сертификации поднадзорной продукции для потенциально опасных промышленных производств, объектов и работ. -Госгортехнадзор России, 1995. 8 с.

99. РД 39-014103-334-86. Инструкция по отбраковке труб при капитальном ремонте нефтепроводов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1986. - 9 с.

100. РД 50-345-82 Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении. М.: Изд-во стандартов, 1986.-95 с.

101. РД 39-0147103-387-87. Методика определения трещиностойкости материала труб нефтепроводов. Уфа: «ВННИСПТнефть», 1987. - 35 с.

102. Юб.Романов О.Н., Никифорчин. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. М.: Металлургия, 1986. - 294 с.

103. Романов О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. М.: Металлургия. 1989. - 176 с.

104. Саакиян Л.С., Ефремов А. П. Защита нефтепромыслового оборудования от коррозии. М.: Недра, 1982. - С. 4-35.

105. Ю9.Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.: Машиностроение, 1976. - 200 с.

106. СНИП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 53 с.

107. Ш.Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: «Наука», 1975.-576 с.

108. Талыпов Г.Б. Сварочные напряжения и деформации. Л.: Машиностроение, 1973. - 280 с.

109. ПЗ.Тарабарин О.И. Оценка предельных параметров при их формоизменении в условиях монтажа оборудования. Набережные Челны: КамПИ, 1999.-33 с.

110. Н.Тарабарин О.И. Определение параметров формоизменения заготовк при монтаже оборудования. Набережные Челны: КАМпи, 2000. - 24 с.

111. Тарабарин О.И. Оценка остаточных напряжений при монтаже оборудования. // Безопасность сосудов и трубопроводов: Сб. научн. трудов; под редакцией проф. P.C. Зайнуллина. М.: Недра, 2003. - С. 63-65.

112. Тарабарин О.И. Формирование ресурса оборудования при монтаже. -М: Недра, 2003. 35 с.

113. Tot.JI., Ромавари. Применение концепции удельной работы разрушения для оценки циклической трещиностойкости сталей. // Проблемы прочности. 1986.-С. 11-17.

114. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Гурьянов М.К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании: Справочник. М.: Машиностроение, 1971. 263 с.

115. Школьник JI.M. Скорость роста трещин и живучесть металла. М.: Металлургия, 1973. - 215 с.

116. Халимов A.A. Вопросы технологии сварки элементов трубопроводов из стали 15Х5М при ремонте. // В кн.: Проблемы нефтегазового комплекса России. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Уфа: УГНТУ, 1995.-С. 23-33.