Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода оценки работоспособности нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода оценки работоспособности нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой"

Ухтинский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ С МАЛОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

005017370

МИХАЛЕВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

1 0 !!»■ "Г")

Ухта-2012

005017370

Диссертация выполнена в ФБГОУ ВПО «Ухтинский государственный тсхническ

университет»

Научный руководитель: доктор технических наук

Руслан Викторович Агиней

Официальные оппоненты: Василий Иванович Кучерявый,

доктор технических наук, профессор, Ухтинский государственный технический униве ситет, профессор кафедры «Сопротивления мате алов и деталей машин»

Александр Сергеевич Кузьбожев,

доктор технических наук,

филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта,

заведующий лабораторией «Натурных исследовг

ний объектов газотранспортной системы»

Ведущая организация: ООО «Газпром трансгаз Ухта»

Защита состоится 24 мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационно совета Д 212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете адресу: 169300, г. Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государстве ного технического университета.

Автореферат разослан 20 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор н. М. Уляшева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Системы магистрального трубопроводного транспорта газа и нефти эксплуатируются в течение длительного времени. Основная часть нефтегазопроводов выработала более 50% назначенного ресурса, а часть из них работают с выработкой более чем 100% назначенного ресурса.

В результате действия на трубопроводы различных факторов (постоянные статические нагрузки, переменные нагрузки, пульсации среды в системе, изменение температуры окружающего грунта и транспортируемой среды) со временем происходят преобразования в структуре металла труб, снижающие остаточный ресурс металла, что подтверждают исследования механических свойств металла длительно эксплуатируемых трубопроводов, результаты электронной микроскопии. В частности, профессором И.Н. Андроновым предложен метод оценки ресурса металла труб по произведению значений временного сопротивления разрыву и относительного удлинения образцов при статическом растяжении.

Однако подобные изменения в металле не всегда могут быть зафиксированы с помощью стандартных методов испытания материалов, что не позволяет корректно оценить остаточный ресурс основного металла труб, кроме того все существующие методы оценки ресурса металла имеют разрушающий характер и неприменимы к действующим объектам.

Оценка остаточного ресурса металла труб нефтегазопроводов является актуальной задачей и для повторного использования бывших в эксплуатации труб как в составе объектов транспорта нефти и газа, так и для изготовления из них ремонтных конструкций, в частности трубных катушек и обечаек ремонтных муфт. Действующие отраслевые нормативные документы предлагают оценивать состояние металла путем определения его механических характеристик. Методов, позволяющих оценить остаточный ресурс металла труб без его разрушения в настоящий момент не разработано.

Цель работы. Разработка неразрушающего метода оценки остаточного ресурса нефтегазопроводов по значениям параметров распределения твёрдости с малой

Задачи исследования:

- установление степени однородности изменения распределения ТМН испьп емого объекта под действием различных факторов (напряжений в металле, темпер туры измерения, времени);

- исследование изменения распределения ТМН трубной стали под действт нагрузки в области упругой деформации;

- проведение ресурсных испытаний с целью исследования возможности оце ки остаточного ресурса нефтегазопроводов по результатам многократного измерен ТМН;

- разработка методики реализации предлагаемого метода на нефтегазопро!

дах.

Научная новизна:

1. Установлено, что микропластические изменения в сталях трубопровод! определяемые по значению дисперсии ТМН, отмечаются при статическом наруя нии 0,7сг0,2 через время 30 мин.

2. Установлено, что приращение дисперсии ТМН при стендовых циклическ испытаниях пропорционально числу отнулевых циклов и определяется формул Б2-82М = 0,Ш.

3. Изменение дисперсии ТМН Б2 является необратимым и изменяется при | лаксации металла за 12 месяцев на величину, не превышающую погрешности изн рения прибора.

4. По результатам ресурсных испытаний на усталостную прочность трубн стали установлена эмпирическая формула для определения максимального чис циклов до разрушения Мтах = N + 6,ОБ2, где N - текущее число циклов.

5. Установлен феномен различного влияния напряжений в металле на значен дисперсии ТМН: увеличение дисперсии для металла, обладающего большим остап ным ресурсом (Б2 < 800) и ее уменьшение для поврежденного материала (Б2 > 800).

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием г исследования образцов из фрагментов металла труб, бывших в эксплуатации в I ставе магистрального газопровода, значительным количеством измерений, выраж ным большими объемами выборок значений ТМН (не менее 100), использовани

сверенного оборудования и приборов.

Основные защищаемые положения:

1. Значение дисперсии ТМН Б2 зависит от неоднородности структуры металла, бусловленной его поврежденностью, механических напряжений в металле объекта

I от его температуры.

2. Дисперсия ТМН Б2 является параметром, характеризующим поврежденность [ остаточный ресурс конструкционных низколегированных сталей перлитно->ерритного класса. В процессе эксплуатации основного металла нефтегазопроводов начения дисперсии ТМН линейно увеличиваются от начального значения 200-300 Ш2 до конечных, определяемых на разрушенных образцах 2000-2500 НВ2.

3. Разработанная методика позволяет оценить ресурс основного металла тру-опроводов без его разрушения.

Практическая ценность заключается в разработке метода оценки остаточного есурса основного металла нефтегазопроводов, базирующегося на многократном из-[ерении твердости с малой нагрузкой. Также на основе метода разработана методи-а оценки остаточного ресурса основного металла действующих нефтегазопроводов.

Результаты работы использовались:

- при выполнении работ темы «Разработка неразрушающего метода оценки |ункционального состояния металла трубопроводов на основе тестирования твердо-ги с малой нагрузкой» в рамках проведения Федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 эды;

- при формировании учебных материалов для организации учебного процесса одготовки магистров по программе 131006 - Надежность газонефтепроводов и хра-илищ на кафедре «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепро-эдов» Ухтинского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представились, докладывались и обсуждались на межрегиональных семинарах «Рассохин-аде чтения» (УГТУ, г. Ухта, 2010, 2011, 2012 г.), IV научно-практической конфе-гнции молодых специалистов ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта» (г. Ухта, 2009 г.),

II научно-практической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Газ-

пром ВНИИГАЗ» «Инновации в нефтегазовой отрасли» (г. Ухта, 2009 г.), X - > международных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех» (УГТУ, Ухта, 2009, 2010, 2011, 2012 г.), VI и VII международных учебно-науч] практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (УГНТУ, г. Уфа, 20 20II г.), IV Международной научно-технической конференции «Актуальные nj блемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (ТГНГУ, г. Тюмень, 2010 i X - XII научно-технических конференциях молодёжи ОАО «Северные МН» {QI «Северные МН, г. Ухта, 2009, 2010, 2011 г.), научно-технических конференци УГТУ (г. Ухта, 2009, 2010, 2011 г.), открытом научно-техническом семинаре раб< ников ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта» (г. Ухта, 2011 г.), конференции 8-Международного молодежного нефтегазового форума (КазНТУ, г. Алматы, 20111 VII международной научно-технической конференции «Надежность и безопасное магистрального трубопроводного транспорта» (ПГУ, г. Новополоцк, 2011г.), научно-практическая конференция молодых работников ООО «Газпром трансг Ухта» (г. Ухта, 2011 г.), научно-технических семинарах кафедры ПЭМГ УГТУ (У та, 2009-2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 в ведущ рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введет четырех глав, заключения. Содержит 128 страниц текста, включая 41 рисунок и сп сок литературы из 112 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степе] ее разработанности, охарактеризованы научно-методические пути ее решения.

В первой главе «Анализ средств и методов оценки ресурса основного м тсиша трубопроводов» проанализированы существующие подходы к вопроса снижения ресурса металла нефтегазопроводов и методы его оценки.

В ходе анализа использовались как источники труды специалистов в област оценки работоспособности и ресурса нефтегазопроводов и оценки свойств ко) струкционных материалов: Андронова И. Н., Бабич В.К., Болотова В. В., Бородавю

на П. П., Ивановой В. С., Иванцова О. М., Котгрелла А. X., Кучерявого В. И., Ми.

6

ера К. Ж., Кузьбожева А. С., Марковиа М. П., Харноновского В. В., Черняева В. Д, увильдеева В. Н. и др.

Одной из основных причин снижения ресурса нефтегазопроводов современные сследователи называют деградацию металла труб. Выделяются два механизма де-радашш металла: старение и усталостное накопление поврежденное™.

Известным фактом является изменение механических свойств металла нефтега-"> про водов с возрастанием длительности их эксплуатации (пределы текучести о0.2 и рочности ов увеличиваются на 5-15%; ударная вязкость уменьшается на 20-50%; гмпература хрупко-вязкого перехода смещается в область повышенных темпера-ур). Однако установить тенденцию к ухудшению свойств испытуемого металла ожно лишь при больших количествах испытаний с последующей статистической эработкой результатов. Важно отметить, что методы определения механических зойств металла имеют разрушающий характер и неприменимы для оценки состоя-ия металла действующих объектов.

Профессором В.Н. Чувилеевым предложен метод оценки состояния металла гфтегазопроводов, позволяющий регистрировать деградационные процессы и бази-/ющинея на определении предела макроупругости ст0, определяемом при испытали на релаксацию дисковых образцов. Протекание процессов старения в металле >уб нефтегазопроводов неизбежно приводит к снижению значений <з0. В процессе арения величина стандартных механических характеристик остается практически ¡изменной, при этом уровень допустимых рабочих напряжений ораб, рассчитывае-ый из предела текучести стт в состаренной стали выбирается таким же, как и для не-ютаренной стали. Однако по причине снижения с0 величина <зраб оказывается выше >едела макроупругости, в результате состаренный металл при рабочих нагрузках йотает не в области упругости, а в области микропластических деформаций, т. е. ловие длительной прочности для состаренного металла не выполняется. Данный гтод является разрушающим, реализуется с помощью испытаний на релаксацию на шиндрических образцах металла.

К неразрушающим методам оценки работоспособности металла действующих фтегазопроводов относится метод, реализуемый путем многократного измерения ердости с малой нагрузкой (ТМН) и последующей статистической обработкой ре-

зультатов, предложенный A.C. Кузьбожевым. Автором доказано, что метод чувств телен к напряженному состоянию трубопроводов и позволяет оценить динамику и менения свойств металла во время эксплуатации объекта, что позволяет прогнозир вать его работоспособность.

Однако, несмотря на значительную проработку метода, остаются неосвеще ным ряд вопросов, связанный с его практической реализацией. В частности не уст новлена связь между параметрами распределения ТМН металла испытуемого объе та с его ресурсом.

В общем случае значения дисперсии ТМН зависит от множества факторов и определяется как

s2 = s2M + S2a+S2H + S2T+S2B, (1)

где S2M - изначальная неоднородность структуры испытуемого металла, HB2;

S2a— неоднородность структуры металла, образовавшаяся в результате проце сов деградации металла (старения и усталости), HB2;

S2H— влияние механических напряжений в испытуемом металле, HB2;

S2T — влияние температуры испытуемого объекта, HB2;

S2B—влияние изменения дисперсии ТМН во времени, HB2.

Во второй главе «Исследование изменения распределения значений meepdt emu с малой нагрузкой под действием статических нагрузок» был проведен ря лабораторных исследований с применением образцов с размерами 4x4x210 мм, и: готовленных из фрагментов бывших в эксплуатации труб магистральных газопров< дов. Марка стали - 17Г1С. Образцы нагружались с помощью машины, позволяюще создавать в образцах статическое напряжение.

Целью первого этапа исследований было установление однородности измене ния распределения ТМН испытуемого объекта. На 5 образцах отмечали по 4 зон] контроля, по которым производили многократное (не менее 100 раз) измерени твердости с малой нагрузкой (ТМН) равномерно по всей поверхности, затем к обра; цам прилагалась нагрузка, создающая в металле статическое одноосное напряжени с = 250 МПа. После снятия нагрузки повторно проводили многократное измерени ТМН по всем зонам контроля. Результаты испытаний представлены на рис. 1.

Установлено, что при нагружении до 0,7а0,2 в испытуемом металле происходит изменение значений параметров распределения ТМН, характер изменений однородный для среднего значения твердости, значений медианы, моды и дисперсии ТМН. Для асимметрии и эксцесса однородность изменения не установлена.

.................314,48.........................................................—'

350

ш 300 X

X 255 2

t- 2С0 х

I 550

400 3SO 300 25Q

ш

х. -00

I 150

а До нагружвния е Пост нагружении

350 300 250

5 100

Зоны контроля ТМН

а)

.........320..........................-.........

о До нагрюкаиия

¡ЭПОС/:» НЛГру'ЖвНИ«

Зоны контроля ТМН

б)

262

и ■ -

В.......175.5

297 2000 18С0

1600

— Ш! 1400

178 р дигоо «1000 5 зоо

* 600

s «<» 4 200

1720 53 ....... <75*7.35............................... 1767.65

: и =..........

Ш

в До нагружения Е После нагружения

Зоны коитропя ТМН

С До нагружеммя <з Посла иагрулвния

Зоны контроля ТМН

в)

г)

-0,2 -0,4

и

и-

0,4

0,3

0

-0,1

5 5 -0,2

3 -0,3

-0,5

-0,6

□До нагружения а После нагружения

Зоны контроля ТМН

О До нагружения 0 После нагружения

-0,5034

Зоны контроля ТМН

Д) е)

'ис. 1. Изменение значений статистических параметров распределения ТМН под действием статической нагрузки: а-среднего значения; б-моды; в-медианы; г - дисперсии; д - эксцесса; е - асимметрии

Второй этап исследований проводился для определения характера изменения

тчений параметров распределения ТМН нагруженном образце во времени. Перед ачалом испытания многократно (не менее 100 раз) измеряли ТМН по всей поверх-зсти образцов. Далее к образцам прикладывалась нагрузка, создающая в металле гатическое одноосное напряжение а = 250 МПа. Сразу после приложения нагрузки

9

и далее с шагом в 10 минут и проводились повторные измерения ТМН по по верхи сти. Обобщенные результаты испытаний по 5 образцам на рис. 2.

.......1—.....< ♦

ф

у®

100 200 300 400

Время нагружения, мин

100 200 300

Время нагружения, мин

а)

б)

100 200 300 400

Время нагружения, мин

*.....

100 200 300 Время нагружения, мин

В)

Г)

Рис. 2. Изменение значений параметров распределения ТМН в присутствии м ханических напряжении в испытуемом металле во времени: а - среднего значения ТМН; б - моды; в - медианы; г - дисперсии

Установлено, что изменение значений параметров распределения ТМН прои

ходит сразу после приложения нагрузки к образцу. Изменение среднего значен* моды и медианы постоянно до окончания испытания, рост значений дисперсии ТМ наблюдается полчаса, после чего стабилизируется.

В рамках третьего этапа оценивалась степень влияния напряжений в испыту мом металле на распределение ТМН в зоне упругих деформаций. После многокра: ного измерения ТМН образцы нагружали поэтапно, напряжения в металле образщ увеличивались с шагом в 30 МПа. На каждом этапе нагружения образцов с получ совым интервалом многократно измеряли ТМН. Результаты испытаний с использ-ванием 4 образцов представлены на рис. 3.

Обнаружена зависимость между величиной напряжений в металле образцов и средним значением, медианой, а также дисперсией ТМН.

ш

X 250

х"

S

200

ф

s I

150

«о

X

ф 100 I

I 50

О

300 250 I200

^ -.«г—с-............" ..... .ж „.-..-лф"" ▼ . ^ ..... 'у. 250 200 1,3386.4 + 18.3.28 ш R- - 0.9584 1 §150 о 2 Ш >■ . Ф

50 • ---, 0 -

50 100 150 200 250

Напряжение в металле образца, МПа

300

= 0.2.579Х - J 97,62 R- - 0,5747

50 100 150 200 250

Напряжение в металле образца, МПа

а)

б)

-щГ"

у = 0,3426х - 182,36

■......-f................. К- ■ 0.9162

............. ; !

50, 100 150 200 250 Напряжение в металле образца, МПа

..............1....... i........... ......; :: ' tZX^sfi' - ..............

у = 6,3441s + 187,64 R* - 0,9419

................1..............#•.....:.......

* ■Г "I ~.....

В)

50 100 150 200 250 300

Напряжение в металле образца, МПа

Г)

Рис. 3. Зависимость значений параметров распределения ТМН от напряжений в образце: а - среднего значения; б - моды; в - медианы; г - дисперсии

Четвертый этап исследований проводился с целью получения информации о

также при снятии нагрузки. Испытания проводили в следующем порядке: многократно измеряли ТМН по всей поверхности образцов, поэтапно нагружали образец, а осле заданного максимума начали пошаговое снятие нагрузки. Шаг нагружения разгружения) - 30 МПа, интервал изменения нагрузки и измерения ТМН - 30 ми-ут. Максимальная величина напряжений в металле образцов, созданных в ходе испытаний ст = 250 МПа. Обобщенные результаты испытаний по 7 образцам представлены на рис. 4.

Установлено, что изменение значений параметров распределения ТМН носит . братимый характер. Значения параметров, определяемых по результатам многоратного измерения ТМН, увеличивались в ходе нагружения образцов, а по ходу по-тапного снижения нагрузки наблюдалось уменьшение их значений, среднее значе-

ние твердости и медиана после полного снятия нагрузки вернулись к значениям.' ответствующим первоначальным.

Значения дисперсии ТМН после проведения испытаний не вернулись к пе-начальным. Конечные значения дисперсии ТМН превышало начальные не менее ■. на 25%.

нагружении образцов с последующим снятием нагрузки: а - среднего знамени б - моды; в — медианы; г — дисперсии

Далее исследовалось изменение значений параметров распределения ТМН

приложении нагрузки при измерениях на поврежденном металле, длительно не лившемся в эксплуатации на стенде (рис. 5). Трубный элемент стенда имеет еле ющие параметры: срок эксплуатации в составе действующего объекта - 30 . наружный диаметр D = 325 мм, длина L = 3 м, толщина стенки 8 = 8 мм, мате ал - сталь марки 14ХГС. ,

Поэтапно увеличивали прилагаемое к трубному элементу стенда усилие, Г1 каждом шаге нагружения напряжения в испытуемом металле увеличивались на >' МПа до 125 МПа. Многократно измеряли ТМН до нагружения стенда и на каж; этапе нагружения по всем зонам контроля. Результаты испытаний представлены tJ рис. 6.

а) б)

II, III, IV — обозначения зон контроля ТМИ 1 - трубный элемент, 2 - неподвижная опора, 3 - гидравлический домкрат; 4 — место расположения зон контроля Рис. 5. Испытательный стенд (а) и зоны контроля ТМН (б)

20 40 60 80 100 120 Напряжение в зонах контроля, МПа

40 60 30 100 Напряжение в зонах контроля, МПа

180

175

m fíl

X

1fi!>

Я 1ÖU

Ж 155

150

145

20 40 60 30 100 120 Напряжение в зонах контроля, МПа

40 60 30 100 120 Напряжение в зонах контроля, МПа

в) г)

Зоны контроля: ♦ -1; И - II; А - III; X - IV. Рис. 6. Изменение значений параметров распределения ТМН при поэтапном нагру-женпн к стенда: а - среднего значения; б - моды; в - медианы; г - дисперсии

Не установлено зависимости между изменением среднего значения, моды и

медианы от напряжений в металле. Установлено, что значения дисперсии ТМН уменьшались во время приложения нагрузки к трубному элементу стенда.

В третьей главе «Исследование ТМН образцов испытанных на ударный изгиб» описаны исследования, основной целью которых было установление связи

между значениями параметров распределения ТМН и ударной вязкостью.

Для проведения испытании из фрагментов основного металла магистральны трубопроводов бывших в эксплуатации разное время было изготовлено 18 образцо для испытаний на ударный изгиб. Марка стали - 17Г1С. На образцы наносился коь центратор 11-типа. Разделенные на 3 группы по температуре проведения испытани (20 °С - группа 1, 0 "С - 2 группа и минус 40 °С - 3 группа) образцы были испытан! на ударный изгиб согласно ГОСТ 9454-78. Все образцы были разрушены, результат! испытаний представлены в табл. 1.

Табл. 1. Результаты испытаний на ударный изгиб

Номер группы 1 (20 °С) 2 (0 °С) 3 (минус 40 °С)

Номер образца 1 2 -л 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

кси>„ Дж/см" 94 90 88 97 91 87 47 53 54 79 83 84 45 40 26 76 76 80

После испытаний на ударный изгиб по поверхности каждой части всех разру шенных образцов многократно измеряли ТМН. Результаты сопоставления значенш параметров распределения ТМН на удалении от излома со значениями ударной вязкости образцов представлены на рис. 7.

На образцах, испытанных на ударный изгиб при положительных температура* (группы 1 и 2) среднее значение твердости для образцов варьируется в пределах погрешности твердомера, изменение расчетных статистических характеристик также незначительно. На образцах, испытанных на ударный изгиб при отрицательных температурах (группа 3) наблюдается значительный разброс по всем рассчитываемым параметрам распределения ТМН, значительно превышающий погрешность измерения. Для данной выборки образцов установлены линейные зависимости дисперсии от ударной вязкости, определенной при положительных температурах (группа 1 и 2), коэффициенты достоверности аппроксимации Я2 равны 0,9088 и 0,8689 соответственно.

Для подтверждения достоверности полученных результатов необходимо оценить однородность материала испытуемых образцов, для этого проверим принадлежность всех выборок значений твердости единой генеральной совокупности. Для этого воспользуемся непараметрическим критерием Краскера и Уоллиса.

14

У100 х

I 50 ч о. и

0

у = -0 054 1х R' = 0.0134

у = -1,940Эх • 36:.74

R'» о ты

(

- \у = 0.0021 \_g^

0026* - 133,44 Я SE-06

V = -4.5714К 553,64 у = -0.0594ч * lo<=. Q7 к

R" = 0,0091 }/ ~

1 у = 0.4737*134,58 R- = 0.1277

60 30 100

Ударная вязкость, Дж/смг

60 30 100

Ударная вязкость, Дж/смг

б)

у » -0.0691Х + 166.9 R-'=. 0.0134

у = -2.3Э29Х * 402.29 R= = 0.7479

, /с» ■ :

\ R; = 9Е-06

20 40 60 ВО 100 120

Ударная вязкость, Дж/см* Ударная вязкость, Дж/см'

»> Г)

♦ - группа 1; ■ - группа 2; ▲ - группа 3 Рис. 7. Зависимость значений параметров распределения ТМН от значений ударной вязкости: а-среднего значения; б-моды; в-медианы; г-дисперсии

Общее число результатов испытаний п = £п,, принадлежащих m независимым выборкам (1, 2, ..., i, ..., ш), располагают в единый вариационный ряд и каждому значению члена ряда присваивают соответствующий ранг от 1 до п с отметкой номера выборки. Для равных значений членов вариационного ряда, принадлежащих разным выборкам, присваивают одинаковый (средний) ранг.

Статистикой критерия Краскела и Уоллиса служит величина

12 m R2 Н=--(Е—)-3(п+1),

(2)

п(п+1) ы где И, - сумма рангов ¡-й выборки.

Правильность подсчета ранговых сумм Я; контролируют по формуле:

ХК,=4п(п+1). 1=1 2

Величина Н при П1 > 5 и гп > 4 распределена по закону у_2 с к=гп - 1 степенями свободы.

(3)

В случае выполнения неравенства

Н^- (4)

нулевую гипотезу о тождественности генеральных распределений, из которых взят! выборки, не отвергают. В противном случае принимают альтернативную гипотезу неоднородности совокупностей. В дальнейшем путем отбрасывания резко выделя ющихся выборок, для которых ранговые суммы чрезмерно малы или велики, на ос новании условия (3) можно выделить однородную группу выборок.

При равных объемах отдельных выборок (п, = гъ = ... = nm= n/m) статистику 1 допускается вычислять по формуле

12m т п (n+1)

Задавшись уровнем значимости а = 0,05 при общем числе в 1800 измерен™ твердости, соответствующих 18 образцам (выборкам) определили критическое зна чение x~o,os = 35,7.

Установлено, что выборки значений твердости, соответствующие 1 и 2 rpynni образцов принадлежат единой генеральной совокупности, значения твердости по ! группе образцов были исключены в ходе вычислений как несоответствующие.

В четвертой главе «Ресурсные стендовые и лабораторные испытания ме толпа длительно эксплуатируемых газопроводов» приводится описание ресурс ных испытаний металла, проводившихся в два этапа: на полноразмерном промыш ленном стенде и с использованием образцов.

В ходе первого этапа испытаний в качестве объекта испытания принимала« труба, которая в течение 30 лет проработала в составе магистрального газопровода Диаметр трубы - 1420 мм, толщина стенки - 16,7 мм, длина -5 м. Марка стали ■ 09Г2ФБ. Для проведения измерений ТМН выделены три зоны: зона 1 расположена на удалении в 52 мм от продольного сварного шва, на удалении в 30 мм от зоны контроля присутствует сетка мелких трещин длиной 2-3 мм. Зона 2 и зона 3 расположены на бездефектных участках: зона 2 на расстоянии 373 мм от сварного шва, а зона 3 в непосредственно близости с продольным сварным швом, в области термического влияния. Стенд циклически нагружался 8500 раз в режиме 0 - Рра6 - 0, где Рра5 = 7,4 МПа, что приводило к накоплению поврежденное™ металла, разрушения стенда не

произошло. Производили пересчет числа циклов в годы эксплуатации, сымитированных в ходе испытаний согласно «Руководству по проведению ресурсных испытаний труб, отремонтированных с применением муфтовых и сварочных технологий» ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Определено, что 8500 циклов соответствует длительности эксплуатации в течение 15,32 лет, таким образом 1 году эксплуатации соответствует 554,8 цикла нагружения 0 - Ррг,5 - 0.

Измеряли ТМН до начала нагружения и после реализации разного количества циклов по всем зонам контроля (рис. 8).

150 -

Ё

Ï »)

;<ХЧ! -1'Уя v-n scioo

'Гнело иишли шируэгения

а)

-1<№() 6000 SiX' О

Hikviw пиклпп нпгружгния

: 250

; :оо

: J 50

Числи

6000 i:ir руодшш

в)

20Л0 4ГЮ0 6СЮУ R'.KIO

Число пякмоо ня»ру.*лмтя

Г)

♦ - 1 зона контроля; Я-2 зона контроля; А —3 зона контроля Рис. 8. Зависимость значений параметров ТМН от накопления повреждаемости в металле под действием циклических нагрузок: а - среднего значения; б - моды; в - медианы; г — дисперсии

Установлено, что металл трубопровода имел изначально повышенный разброс

¡иачений твердости с дисперсией 800-1000 НВ2, что свидетельствует о наличии гачальной поврежденности металла в процессе эксплуатации в составе газопровода. >гмечена тенденция увеличения дисперсии показаний ТМН с ростом количества цик-юв испытания, т.е. времени эксплуатации трубопровода, что подтверждает возмож-юсть тестирования поврежденности металла трубопроводов методом ТМН.

Коэффициент корреляции между дисперсией показаний ТМН и количеством [иклов по всем зонам контроля составляет 0,94-0,96. Значения дисперсии с ростом

накопления повреждаемости изменяются по закону

5: = 0,Ш + 5\„ (6)

где N - число циклов перепада давления в трубопроводе за расчетный период;

Б"« - начальная неоднородность структуры испытуемого металла, НВ2.

Среднее значение ТМН, мода и медиана после испытаний имели более высоки« значения, увеличились в среднем на 25-30%. Зависимости между значениями эксцесс; рассеяния и коэффициента асимметрии и количеством циклов не установлено. Суще ственного влияния дефектной области и продольных сварных швов на результаты измерения не обнаружено.

Для установления изменений значений параметров распределения ТМН во вре мени после испытаний из стенда были удалены фрагменты металла, содержащие зоны контроля. ТМН измеряли с интервалом в 3 месяца в течение года (рис. 9).

3,0 г 350

" 2 4 о * 10 12 0 2-168 10 12

В|м?мй,мес Времянке

в) г)

♦ - 1 зона контроля; Я - 2 зона контроля; А - 3 зона контроля Рис. 9. Изменение значении параметров распределения ТМН во времени после испытаний: а - среднего значения; б-моды; в-медианы; г-дисперсии

Установлено, что происходит уменьшение среднего значения, моды и медианы

ТМН при нахождении металла в ненагруженном состоянии в течение времени. После

12 месяцев в состоянии покоя эти значения снизились в среднем на 25-40% по всем

зонам контроля. Значения дисперсии в течение времени изменялись незначительно и

отличались от определенных после испытаний не более чем на 5%.

Таким образом, с учетом постоянства дисперсии значений ТМН во времени, установлено, что для материала стенда при имитации 1 года эксплуатации объекта происходило увеличение дисперсии ТМН в среднем на Д52 = 60 н- 80 НВ2. Важно отметить, что работа газопровода имитировалась с известным числом циклов перепада давления в трубопроводе и без присутствия коррозионно-активных факторов.

Ресурсные испытания проводили на 15 плоских стальных образцах с размерами 4 х 4 х 50 мм. Вырезка образцов осуществлялась из фрагментов металла магистральных газопроводов с разным сроком эксплуатации (от 10 до 30 лет). Марка стали 17Г1С. Образцы подвергались циклическому изгибающему нагружению с постоянной амплитудой. Все образцы были разрушены. Ресурс металла образцов определяется числом циклов нагружения 14, которое образцы выдерживали до разрушения. ТМН измерялась до начала испытаний, значения параметров распределения сопоставлялись с числом циклов нагружения образцов (рис. 10).

20000

!<НКХ>

18000

£

17000

2 115000

15000

14000

* 13000

г 12000'

11000

10000

50 100 150

Сречяет ?начепиг ТМН, НВ

а)

20000

■ 115000 х

% 18000 а 17000 1 16000

! И

а 14000 § 13000 Г 12000 11000 10000

; 15000

20000 а 19000

Ё шоо э

817000 1 10000 I 1501Н) § 1400(1 | 15000 У 12000 11000 10000

20000 я 10000 | 18000 £17000 1 16000 I 15000 114000 | 13000 | 12000 11000 10О00

б)

Мелвяв«, ГШ

1000 . , 1500 2000

Лисперсп«, НВ2

в) г)

Рис. 10. Зависимость значений параметров распределения ТМН от числа циклов нагружения, выдерживаемого образцом до разрушения: а - среднего значения; б -моды; в-медианы; г-дисперсии

Установлена линейная зависимость между значениями дисперсии ТМН и чис-

юм циклов нагружения до разрушения, коэффициент достоверности аппроксимации

Я2 равны 0,8818. Прочих зависимостей установлено не было. Зависимость числа цик-

лов нагружения образца до его разрушения для образцов из стали марки 17Г1С от сывается уравнением

где Nmax - максимальное количество циклов нагружения, выдерживаемое образцом;

S2 - значение дисперсии ТМН определенное для металла образца до испытаний.

После разрушения образцов измеряли ТМН в непосредственной близости к mi cry разрушения. Установлено, что значения дисперсия ТМН разрушенных образце (S2pa3) лежат в интервале от 2000 до 2500 НВ2. До достижения этих значений происх< дит накопление повреждаемости, после чего материал разрушается.

Вследствие того, что в условиях эксплуатации накопление поврежденности м< талла может проходить с различной интенсивностью, предложена следующая формул для оценки остаточного ресурса Тост по измеренным значениям дисперсии ТМН S2„3M

где Тэкс — время эксплуатации объекта на момент обследования, лет;

82нач — начальная дисперсия неповрежденного металла (определяется на труба аварийного запаса и составляет порядка 200-300 НВ2).

На основании выполненных исследований составлена методика оценки остато1 ного ресурса основного металла труб магистральных нефтегазопроводов, изготовлен ных из низколегированной конструкционной стали марок 17ГС, 09Г2ФБ, 17Г2СФ ближайших аналогов (рис. 11).

1. По результатам литературного обзора установлено, что в процессе эксплуата ции нефтегазопроводов увеличивается гетерогенность структуры двухфазных трубны сталей: происходит снижение прочности зерна феррита и увеличение прочности гра ницы зерна. Изменения в структуре можно определять неразрушающим методом, за ключающимся в многократном измерении микротвердости или твердости с мало] нагрузкой с последующим расчетом статистических характеристик.

2. Экспериментально установлено, что в образцах трубной стали происходит из менение дисперсии ТМН при приложении статической нагрузки а = 0,7а0д при ком натной температуре через 30 минут после начала нагружения.

N = Nmax - 6,0'S2,

(7)

(8)

Основные выводы:

Подготовка поверхности испытуемого объекта для проведения измерений (очистка от загрязнения, устранение излишней шероховатости, определение разметка контрольных зон)

Няже -20с

Номере пне температуры объекта

Выполнить подогрев

, Выше -20 С

Есть папряжеиия

Оценка

Нет напряжений

* f состояния металла

1 Снять напряжения в металле

* г Не ранее чем через 30 минут ч t

Многократное (не менее 100 раз) измерение твердости с малой нагрузкой по размеченнойэоне контроля

_±___

Внесение измеренных значений ТМН в табличный редактор с последующимрасчетом дисперсии Ё^лт, установление времени эксплуатации объектаТ„с определение начального значения дисперсии Б и значения дисперсии 32р„ соответствующего разрушенному материалу (для конкретной марки стали)

Имеются все необходимые данные

Часть данных отсутствует

Рис. 11. Алгоритм оценки остаточного ресурса основного металла труб нефтегазопроводов

При однократном нагружении с последующим снятием нагрузки происходит 1 полная релаксация значений дисперсии ТМН: конечные значения превышают нача) ные, измеренные до нагружения на 25%. Установлено, что изменения происходят равной степени по всей поверхности образца.

3. Установлена зависимость между работой, затраченной на разрушение метаг и дисперсией ТМН для образцов, испытанных на ударный изгиб при положительн температурах, что позволяет без разрушения материала прогнозировать значен ударной вязкости металла. Проведение измерений ТМН с целью дальнейшего опре, ления дисперсии значений целесообразно проводить при температурах не ниже - 20 для марки стали 17Г1С.

4. Лабораторными и стендовыми испытаниями доказано, что цикличеа нагружение приводит к пропорциональному увеличению дисперсии ТМН тестир; мого металла, определяемой по росту. Получена зависимость значения дисперсии ] меренного до испытания от количества циклов нагружения до разрушения образ Установлено, что после разрушения металла всех испытанных образцов характери ется значением дисперсии 2000-2500 НВ2.

5. Разработана методика определения дисперсии ТМН и расчета остаточного ] сурса основного металла нефтегазопроводов при постоянных режимах эксплуатаи на действующем объекте.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Александров, Ю. В Неразрушающая диагностика деградационных п[ цессов в металле газопроводов / Ю. В. Александров, Р. В. Агиней, А. Ю. Ми: лев // Газовая промышленность. - № 6. - 2011. - С. 60-63.

2. Михалев, А. Ю. Исследование повреждаемости металла магистральн газопроводов при стендовых циклических испытаниях / А. Ю. Михалев П Т] бопроводный транспорт: теория и практика. - № 1. - 2012. — С. 8-11.

3. Михалев, А. Ю. Исследование совместного влияния на металл трубопро] дов длительных статических нагрузок и коррозионно-опасных факторов / А. Ю. N халев, А. В. Свирида // Материалы XI международной молодежной научная коне ренция «Севергеоэкотех-2010» (17-19 марта 2010 г., Ухта) : в 5 ч.; ч. 4. - Ух УГТУ, 2010.-С. 171-173.

4. Михалев, А. Ю. Предварительная подготовка образцов металла трубопровода для исследования влияния длительной статической нагрузки / /7 Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференшш (13-15 апреля 2010 г.) : в 3 ч.; ч. 1 / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2010. - С. 246-248.

5. Михалев, А. Ю. Экспериментальное исследование изменения свойств металла трубопроводов при нагружении менее предела текучести / А. Ю. Михалев, С. Ю. Любимова // Рассохинские чтения: материалы межрегионального семинара (3-4 февраля 2011 года) / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. 316-319.

6. Михалев, А. Ю. Изменение свойств металла трубопроводов под действием нормативных нагрузок / А. Ю. Михалев, С. Ю. Любимова, Ал. Ю. Михалев // Мате-эиалы XII международной молодежной научная конференция «Севергеоэкотех-2011» (16-18 марта 2011 г., Ухта) : в 5 ч.; ч. 2. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. 243-245.

7. Михалев, А. Ю. Деградационные процессы в металле трубопроводов / А. Ю. Михалев, Н. С. Бекряшев, Ал. Ю. Михалев // Сборник научных трудов: материалы иучно-технической конференции (20-23 сентября 2011 г.): в 3 ч. ; ч. 1 / под ред. Н. I. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. 228-231.

8. Михалев, А. Ю. Метод неразрушающего контроля, чувствительный к провесам старения металла трубопроводов / А. Ю. Михалев, Ал. Ю. Михалев, Н. С. Бе-;ряшев // Сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции 20-23 сентября 2011 г.): в 3 ч.; ч. 1 / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2011. - С. :б0-2б2.

9. Михалев, А. Ю. Применение результатов измерения твердости с малой [агрузкой для оценки степени состаренности стали магистральных трубопроводов /

Ю. Михалев // Трубопроводный транспорт - 2011: материалы VII Международной чебно-научно-практической конференции, г. Уфа, УГНТУ, 10-11 ноября 2011 г. / едкол.: А. М. Шаммазов и др. - Уфа, Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 70-71.

Отпечатано в типографии Ухтинского государственного технического университета Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13. Усл. печ. л. 1,4. Подписано в печать 19. 04. 2012 г. Тираж 100 экз. Заявка Ж 3086.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Михалев, Андрей Юрьевич, Ухта

61 12-5/2691

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Михалев Андрей Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ ПО ТВЕРДОСТИ С МАЛОЙ НАГРУЗКОЙ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, Р. В. Агиней

Ухта 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РЕСУРСА

ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ 10

1.1. Анализ существующих подходов к оценке ресурса машин и конструкций 10

1.2. Изменение структуры и свойств металла при старении 11

1.3. Изменение структуры и свойств металла при усталости 15

1.4. Методы выявления процессов старения и усталости в металлах 20

1.4.1. Металлографический анализ структуры 20

1.4.2. Методы электронной микроскопии 21

1.4.3. Механические испытания 22 1.4.3.1. Определение и оценка предела макроупругости 24

1.4.4. Магнитные методы 33

1.4.5. Оценка состояния металла по результатам тестирования ТМН 34 1.4.5.1. Влияние напряженного состояния на результаты измерения ТМН 37

1.5. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 39

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ТВЕРДОСТИ С МАЛОЙ НАГРУЗКОЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СТАТИЧЕСКИХ

НАГРУЗОК ' 41

2.1. Приборы для тестирования ТМН 41

2.2. Оценка свойств распределения значений ТМН с использованием методов описательной статистики 42

2.3. Исследования влияния напряжений в металле на результаты тестирования ТМН с использованием лабораторных образцов 43

2.3.1. Образцы для испытаний и их подготовка 43

2.3.2. Оборудование для создания напряжений в металле 44

2.3.3. Исследование однородности изменения распределения значений ТМН по поверхности испытуемого металла 44

2.3.4. Исследование влияния механических напряжений на свойства

распределения значений ТМН 48

2.3.4.1. Установление времени изменения распределения значений ТМН

при наличии напряжений в металле 52

2.3.4.2. Установление степени влияния напряжений на распределение ТМН в зоне упругих деформаций 55

2.3.4.3. Исследование изменения распределения значений ТМН при поэтапном и полном разгружении образцов 56

2.4. Исследования влияния напряжений в металле на результаты тестирования ТМН с использованием лабораторного стенда 60

2.4.1. Описание стенда 60

2.4.2. Ход испытаний 63

2.4.3. Анализ результатов 63

2.5. Выводы по главе 2 64

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДОСТИ С МАЛОЙ НАГРУЗКОЙ

ОБРАЗЦОВ ИСПЫТАННЫХ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ 68

3.1. Образцы для испытаний 68

3.2. Результаты испытаний на ударный изгиб и макроструктурный анализ излома 68

3.3. Измерение ТМН образцов 71

3.4. Анализ полученных результатов 72

3.5. Проверка достоверности полученных результатов. 76

3.6. Влияние температуры материала на тестирование ТМН 77

3.7. Анализ результатов 78

3.8. Выводы по главе 3 83

ГЛАВА 4. РЕСУРСНЫЕ СТЕНДОВЫЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

МЕТАЛЛА ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ГАЗОПРОВОДОВ 85

4.1. Сущность испытаний 85

4.2. Описание стенда 87

4.3. Проведение испытаний 89

4.4. Оценка изменения параметров распределения твердости с малой нагрузкой во времени 96

4.4.1. Анализ результатов . 99

4.5. Ресурсные испытания образцов металла длительно эксплуатируемых газопроводов 99

4.5.1. Образцы и оборудование для испытаний 99

4.5.2. Расчет параметров нагружения образцов испытательной машиной ЮЗ

4.5.3. Ход испытаний 104

4.5.4. Результаты испытаний 106

4.6. Методика оценки остаточного ресурса основного металла труб нефтегазопроводов на основе измерения твердости с малой нагрузкой 110

4.7. Выводы по главе 4 115 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 118

ВВЕДЕНИЕ

Системы магистрального трубопроводного транспорта газа и нефти эксплуатируются в течение длительного времени. Основная часть нефтегазопроводов выработала более 50% назначенного ресурса, а часть из них работают с выработкой более чем 100% назначенного ресурса. [2, 3]

Уникальным примером таких объектов на севере России может служить система магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Ухта» протяженностью более 11 тыс. км, построенных преимущественно в 1970-1980 годы из нормализованной стали 17ГС и ее модификаций 17Г1С, 17Г1С-У, термоулучшенной стали 14Г2САФ производства Челябинского трубопрокатного завода, стали 17Г2СФ для спиральношовных труб Волжского трубного завода и стали контролируемой прокатки класса проч-ности Х60-Х70 производства Франции, Италии, Японии. [1]

В результате действия на трубопроводы различных факторов (постоянные статические нагрузки, переменные нагрузки, пульсации среды в системе, изменение температуры окружающего грунта и транспортируемой среды) со временем происходят преобразования в структуре металла труб, снижающие остаточный ресурс металла, что подтверждают исследования механических свойств металла длительно эксплуатируемых трубопроводов, результаты электронной микроскопии. В процессе эксплуатации трубопроводов в структуре металла накапливается поврежденность за счет процессов старения [69, 73, 81 102, 108-112] и усталости [8, 38, 63, 65, 74, 81, 93, 95].

В частности, профессором И. Н. Андроновым предложен метод оценки ресурса металла труб по произведению значений временного сопротивления разрыву и относительного удлинения образцов при статическом растяжении. [4, 5]

Однако подобные изменения в металле не всегда могут быть зафиксированы с помощью стандартных методов испытания материалов, что не позволяет корректно оценить остаточный ресурс основного металла труб, кроме того все существующие методы оценки ресурса металла имеют разрушающий характер и неприменимы к действующим объектам.

Оценка остаточного ресурса металла труб нефтегазопроводов является актуальной задачей и для повторного использования бывших в эксплуатации труб

как в составе объектов транспорта нефти и газа, так и для изготовления из них

5

ремонтных конструкций, в частности трубных катушек и обечаек ремонтных муфт [57]. Действующие отраслевые нормативные документы [36, 86] предлагают оценивать состояние металла путем определения его механических характеристик. Методов, позволяющих оценить остаточный ресурс металла труб без его разрушения в настоящий момент не разработано.

Цель работы. Разработка неразрушающего метода оценки остаточного ресурса нефтегазопроводов по значениям параметров распределения твердости с малой нагрузкой.

Задачи исследования:

- установление степени однородности изменения распределения ТМН испытуемого объекта под действием различных факторов (напряжений в металле, температуры измерения, времени);

- исследование изменения распределения ТМН трубной стали под действием нагрузки в области упругой деформации;

- проведение ресурсных испытаний с целью исследования возможности оценки остаточного ресурса нефтегазопроводов по результатам многократного измерения ТМН;

- разработка методики реализации предлагаемого метода на нефтегазопроводах.

Научная новизна:

1. Установлено, что микропластические изменения в сталях трубопроводов, определяемые по значению дисперсии ТМН, отмечаются при статическом нару-жении 0,7ао,2 через время 30 мин.

2. Установлено, что приращение дисперсии ТМН при стендовых циклических испытаниях пропорционально числу отнулевых циклов и определяется формулой Б2 - 82м = 0,1 N.

3. Изменение дисперсии ТМН Б2 является необратимым и изменяется при релаксации металла за 12 месяцев на величину, не превышающую погрешности измерения прибора.

4. По результатам ресурсных испытаний на усталостную прочность трубной стали установлена эмпирическая формула для определения максимального числа циклов до разрушения Ытах = N + 6,ОБ2, где N - текущее число циклов.

5. Установлен феномен различного влияния напряжений в металле на значе-

ния дисперсии ТМН: увеличение дисперсии для металла, обладающего большим остаточным ресурсом (Б2 < 800) и ее уменьшение для поврежденного материала (Б2 > 800).

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием для исследования образцов из фрагментов металла труб, бывших в эксплуатации в составе магистрального газопровода, значительным количеством измерений, выраженным большими объемами выборок значений ТМН (не менее 100), использованием поверенного оборудования и приборов.

Основные защищаемые положения:

1. Значение дисперсии ТМН Б2 зависит от неоднородности структуры металла, обусловленной его поврежденностью, механических напряжений в металле объекта и от его температуры.

2. Дисперсия ТМН Э2 является параметром, характеризующим поврежден-ность и остаточный ресурс конструкционных низколегированных сталей перлитно-ферритного класса. В процессе эксплуатации основного металла нефтегазопроводов значения дисперсии ТМН линейно увеличиваются от начального значения 200-300 НВ2 до конечных, определяемых на разрушенных образцах 2000-2500 НВ2.

3. Разработанная методика позволяет оценить ресурс основного металла трубопроводов без его разрушения.

Практическая ценность заключается в разработке метода оценки остаточного ресурса основного металла нефтегазопроводов, базирующегося на многократном измерении твердости с малой нагрузкой. Также на основе метода разработана методика оценки остаточного ресурса основного металла действующих нефтегазопроводов.

Результаты работы использовались:

- при выполнении работ темы «Разработка неразрушающего метода оценки функционального состояния металла трубопроводов на основе тестирования твердости с малой нагрузкой» в рамках проведения Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 -2013 годы;

- при формировании учебных материалов для организации учебного процесса подготовки магистров по программе 131006 - Надежность газонефтепрово-

дов и хранилищ на кафедре «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» Ухтинского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на:

- межрегиональных семинарах «Рассохинские чтения» (УГТУ, г. Ухта, 2010, 2011, 2012 г.);

- IV научно-практической конференции молодых специалистов ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта» (г. Ухта, 2009 г.);

- VII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Газпром ВНИИГАЗ» «Инновации в нефтегазовой отрасли» (г. Ухта, 2009 г.), X - XIII международных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех» (УГТУ, г. Ухта, 2009, 2010, 2011, 2012 г.);

- VI и VII международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (УГНТУ, г. Уфа, 2009, 2011 г.);

- IV Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири» (ТГНГУ, г. Тюмень, 2010

г.);

- X - XII научно-технических конференциях молодёжи ОАО «Северные МН» (ОАО «Северные МН, г. Ухта, 2009, 2010, 2011 г.);

- научно-технических конференциях УГТУ (г. Ухта, 2009, 2010, 2011 г.), открытом научно-техническом семинаре работников ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта» (г. Ухта, 2011 г.);

- конференции 8-го Международного молодежного нефтегазового форума (КазНТУ, г. Алматы, 2011 г.);

- VII международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (ПГУ, г. Новополоцк, 2011 г.);

- VI научно-практическая конференция молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ухта» (г. Ухта, 2011 г.);

- научно-технических семинарах кафедры ПЭМГ УГТУ (Ухта, 2009-2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 128 страниц текста, включая 41 рисунок и список литературы из 112 наименований.

Глава 1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РЕСУРСА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ТРУБОПРОВОДОВ

В настоящей главе обоснована актуальность диссертационной работы. Рассмотрены основные подходы к оценке остаточного ресурса, основные причины ухудшения функционального состояния металла магистральных нефтегазопроводов. Проанализированы существующие методы оценки ресурса основного металла магистральных нефтегазопроводов.

1.1. Анализ существующих подходов к оценке ресурса машин и конструкций

Задача определения остаточного ресурса приобрела особую актуальность в связи со значительным сроком эксплуатации промышленных систем и оборудования. Значительный износ делает их эксплуатацию небезопасной и неэффективной. Решение вопроса повышения надежности и безопасности эксплуатации промышленных систем и оборудования стало катализатором для проведения широких исследований в области оценки остаточного ресурса потенциально опасных объектов, которые охватывают научные [16, 17, 35, 39, 59, 71, 79], нормативно-методические [60, 61, 62, 76] и инженерные аспекты [28, 41, 92, 98-100, 103]. Важно отметить, что интерес к этим проблемам проявляется и за рубежом [101].

Обзор отмеченных выше работ показывает, что для практических целей безопасной эксплуатации объектов оценка остаточного ресурса представляет собой сочетание научных и методических аспектов, объединенных системным подходом. Научные аспекты включают исследования механики повреждений, моделей и критериев предельного состояния, моделирования при различных видах нагружения. В большинстве случаев в этих исследованиях рассматривается общая задача оценки и прогнозирования ресурса конструкций на базе анализа кинетики повреждений.

Ресурс оценивается как время накопления повреждений до достижения уровня предельного состояния по заданному критерию разрушения. Специальных уточнений расчетной оценки остаточного ресурса по указанной схеме, как правило, не делается. Расчеты основываются на формулах, используемых для прогно-

зирования ресурса конструкций по детерминированным [59] или вероятностным [50] схемам.

При детерминированных подходах используют фиксированные данные по сопротивлению развитию трещин в материалах, нагруженности конструкций и наличию в них дефектов. Ресурс прогнозируют с использованием коэффициентов безопасности (запаса по трещиностойкости) и живучести. Остаточный ресурс определяется невыходом существующих или гипотетических трещин (непревышением ими безопасных размеров) из области безопасных состояний поврежденной системы по критериям механики трещин и живучести [30].

Для проведения вероятностных расчетов используется теория надежности, основанная на статистических данных по механическим свойствам материалов, нагрузкам, воздействиям и дефектоскопическому контролю.

Различные формы вероятностной поставки задачи оценки ресурса можно найти в работах [49, 51, 52, 53]. В большинстве случаев они используют математические построения из теории случайных процессов.

Ресурс конструкций сильно зависит от свойств материала, из которого они изготовлены и от его текущего состояния. Значительную опасность для нефтегазопроводов представляют деградационные процессы, протекающие в трубной стали, из которой они изготовлены. Само по себе подобное изменение состояния металла не приводит к разрушению конструкций, но делает его более вероятным при воздействии негативных факторов. Далее рассматриваются основные механизмы деградации основного металла нефтегазопроводов.

1.2. Изменение структуры и свойств металла при старении

В результате старения с течением времени изменяются физико-механические свойства материала. Прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются. Старение может происходить при температуре 20°С (естественное старение) или при нагреве (искусственное старение).

Различают два вида старения металла: термическое, протекающее в закаленных сплавах, и деформационное (механическое), происходящее в сплавах, пластически деформированных при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Термическому старению подвергаются сплавы, компоненты которых обладают ограниченной переменной растворимостью в твердом состоянии. Деформационное старение не связано с диаграммой состояния сплава. К старению склонны многие сплавы железа и сплавы цветных металлов. Результаты старения могут быть разными. В одних случаях старение является положительным, и его используют при термической обработке алюминиевых, магниевых, титановых и некоторых других цветных сплавов для повышения их прочности и твердости (термическое старение); для упрочнения деталей из пружинных сталей, которые при эксплуатации должны обладать высокими упругими, прочностными и усталостными свойствами (деформационное старение). В других случаях старение является отрицательным: резкое снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости в результате старения (особенно деформационного) могут явиться причиной разрушения конструкции.

Деформационному старению подвержена сталь,