Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов расчетного остаточного ресурса нефтепроводов с расслоениями в стенках труб

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

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Олешко, Вячеслав Дмитриевич

Введение.

1. Проблемы безопасности эксплуатации нефтепроводов.

1.1. Техническое состояние нефтепроводов.

1.2. Классификация и параметры дефектов типа "расслоение".

1.3.Основные подходы к оценке предельного состояния труб с расслоениями.

Выводы по разделу 1.

2. Исследование напряженного состояния и несущей способности труб с замкнутыми расслоениями.

2.1. Напряженное состояние труб с замкнутыми расслоениями.

2.2. Оценка несущей способности труб с замкнутыми расслоениями по критериям трещиностойкости.

2.3. Совместное влияние трещиноподобных дефектов и расслоений на несущую способность труб.

Выводы по разделу 2.

3. Напряженное состояние и несущая способность труб с незамкнутыми расслоениями.

3.1. Напряженное состояние наклонных расслоений.

3.2. Предельное состояние труб с незамкнутыми расслоениями.

Выводы по разделу 3.

4. Исследование долговечности труб с расслоениями при статическом и малоцикловом нагружениях.

4.1. Оценка долговечности труб с расслоениями в условиях статического нагружения и коррозии.

4.2. Исследование долговечности труб с расслоениями в условиях малоциклового нагружения.

Выводы по разделу 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов расчетного остаточного ресурса нефтепроводов с расслоениями в стенках труб"

Вопросы обеспечения безопасности потенциально опасных объектов магистрального транспорта, подконтрольных Госгортехнадзору России, в частности, нефтепроводов, в настоящее время стали чрезвычайно острыми и актуальными. При этом наиболее реальным направлением решения указанных вопросов является установление технического состояния магистральных нефтепроводов на основе применения современных методов неразрушающего контроля и оценки остаточного ресурса с регламентацией срока их последующей безопасной эксплуатации.

В связи с этим разработка научно-методических основ для оценки остаточного ресурса нефтепроводов, гарантирующего безопасность их эксплуатации, является чрезвычайно актуальной. Следует иметь ввиду, что большинство объектов магистрального транспорта работает за пределами проектного ресурса.

Крупнейшие природные и техногенные аварии последних лет выявили необходимость углубления исследований в области теории безопасности и катастроф, а также прикладных разработок по обеспечению промышленной и экологической безопасности.

В целях реализации основ национальной политики в области обеспечения безопасности в 1991 году была принята Государственная научно-технологическая программа «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных аварий и катастроф» (ГНТП «Безопасность»). В программе декларируется принципиально новый подход, заключающийся в необходимости реального обеспечения безопасности человека, сложных технических систем и окружающей среды на базе решения следующих проблем:

- разработки фундаментальных основ теории техногенных и природных аварий и катастроф, технических, технологических решений на обеспечение защиты и безопасности;

- создания единой национальной, региональной, международной нормативно-законодательной базы по техническому, правовому и экономическому регулированию вопросов безопасности,

- перехода к проектированию, созданию и эксплуатации потенциально опасных производств и объектов на базе новых критериев, методов и средств обеспечения безопасности;

- создания методов и средств оповещения, защиты и спасения людей, а также ведение восстановительных работ в зонах возникновения и развития катастроф.

Первые три направления в той или иной степени связаны с разработкой новых нормативных документов (НД) по оценке остаточного ресурса и нормированию безопасности магистральных нефтепроводов, гарантирующих безопасность их эксплуатации.

Существующие в настоящее время методы расчета, в ряде случаев позволяют решать вопросы прогнозирования работоспособности (остаточного ресурса) нефтепроводов с дефектами различного происхождения, размеров и конфигурации. Однако при этом требуется достаточно большой объем достоверной информации по характеристикам металла и напряженного состояния в зоне дефектов на момент расчета и др. Получение такой информации представляет сложную проблему, а в большинстве случаев и невозможно.

В настоящее время для решения подобных проблем все широкое применение находят подходы механики разрушения базирующихся на критериях трещиностойкости. В ряде случаев применение подходов механики разрушения позволяет упрощать расчетные модели и решать сложные проблемы, связанные с оценкой остаточного ресурса нефтепроводов на основе диагностической информации.

Одним из распространенных и опасных дефектов в трубах нефтепроводов являются дефекты типа «расслоение». Опасность расслоений в трубах обусловлена тем, что они представляют собой трещинообразную

Одним из распространенных и опасных дефектов в трубах нефтепроводов являются дефекты типа «расслоение». Опасность расслоений в трубах обусловлена тем, что они представляют собой трещинообразную полость, в вершине которых создается высокая степень концентрации напряжений. Некоторые расслоения могут выходить на поверхность труб, что приводит к дополнительной концентрации напряжений вследствие уменьшения их рабочего сечения.

Существующие в литературе (см. работы профессоров А.Г. Гумерова, P.C. Гумерова, P.C. Зайнуллина, H.A. Махутова, Е.М. Морозова, Ю.Г. Матвиенко, Ю.И. Пашкова и др.) подходы и решения по оценке трещиностойкости элементов трубопроводов не позволяют решать все проблемы по прогнозированию характеристик работоспособности нефтепроводов на основе диагностической информации, и в частности, с обнаруженными при диагностике расслоениями.

Настоящая работа направлена на решение вопросов оценки возможности эксплуатации нефтепроводов с расслоениями в стенках труб.

Цель работы - разработка методов расчетного определения несущей способности и долговечности труб нефтепроводов с обнаруженными при диагностике расслоениями.

Для выполнения основной цели были поставлены следующие основные задачи исследования:

- исследование напряженного состояния труб с расслоениями различной формы и размеров;

- разработка методов определения несущей способности труб с расслоениями при статическом нагружении; оценка долговечности труб с расслоениями в условиях механохимической коррозии и малоцикловой усталости ;

- разработка методики расчета остаточного нефтепроводов с расслоениями в стенках труб.

На защиту выносятся методы расчета: 6

- коэффициентов интенсивности напряжений;

- напряженного состояния;

- несущей способности и долговечности труб с расслоениями в условиях статического и малоциклового нагружения и коррозии.

Автор выражает благодарность док. техн. наук Азметову Х.А. за консультации при выполнении работы над диссертацией.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Олешко, Вячеслав Дмитриевич

Выводы и рекомендации по работе

1. Предложена новая конструкция образца (СДКБ - образец), адекватно отражающая работу труб с замкнутыми расслоениями.

Выведены формулы для определения коэффициентов интенсивности напряжений для предложенных СДКБ - образцов, на основании которых представляется возможным оценивать напряженное состояние и несущую способность труб с замкнутыми расслоениями.

2. Получены аналитические зависимости для определения предельного давления труб с замкнутыми расслоениями различной формы и размеров. Установлены критические параметры расслоений не сказывающихся на несущей способности труб.

Предложены расчетные зависимости для оценки влияния дефектов сварных соединений и конструктивных концентраторов напряжений (патрубков, ответвлений и др.) на несущую способность труб с заикнутыми расслоениями.

3. Получены аналитические зависимости для оценки поправочных функций и коэффициентов интенсивности напряжение (КИП) в трубах с наклонными расслоениями, которые позволили произвести расчеты их напряженного состояния.

Установлено, что уменьщение угла наклона расслоений (по отношению продольной оси труб) существенно снижает степень напряженности в окрестности вершины расслоений.

4. С использованием критериев трещиностойкости произведена оценка предельных состояний труб с расслоениями в зависимости от их угла наклона у и протяженности.

125

Произведена оценка несущей способности труб с расслоениями, пересекающимися с трещинами, а также с выходом на внешнюю поверхность по сложным кривым.

5. Базируясь на критериях механики разрушения и механохимии металлов разработаны методы расчетной оценки долговечности труб с расслоениями, работающих в условиях механохимической коррозии и малоциклового нагружения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Олешко, Вячеслав Дмитриевич, Уфа

1. Анохин A.A., Георгиев М.Н. Оценка прочности полых брусьев квадратного сечения с трещинами // Проблемы прочности, 1989, № 2, с. 109110.

2. Анохин A.A., Георгиев М.Н,, Морозов Е.М. Определение предела трещиностойкости пластичных сталей в тонких сечениях // Заводская лаборатория, 1985, № 8, с. 69-71.

3. Аверин СИ., Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М. Расчет допустимых размеров трещин в корпусе ВВЭР // Атомная энергия, 1987, т. 63, 6, с. 379382.

4. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой A.B. Коррозионно-механическая стойкость нефтегазопроводных систем (Диагностика и прогнозирование долговечности). Уфа: Гилем, 1997. - 220 с.

5. Айнбиндер А.Б., Камерщтейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. // Актуальные вопросы технической эксплуатации магистральных нефтепроводов. / ВНИИСПТнефть. Уфа, 1989. - С. 95-98.

6. Адиев Р.К, Напряженное состояние ремонтных муфт нефтепроводов.// Ресурс сосудов и трубопроводов. ИПТЭР: ТРАНСТЭК, Уфа, 2 0 0 0 .-С. 123-135.

7. Адиев Р.К. Методика расчета на прочность ремонтных цилиндрических муфт нефтепроводов. МНТЦ "БЭСТС", Уфа, 2001, - 12 с.

8. Баско Е.М. Диаграммы трещиностойкости строительных сталей в связи с размерами трещин и видом нагружения // Заводская лаборатория, 1990, Х2 12, с. 75-79.

9. Бабин Л.А., Быков Л.И., Волохов В,Я. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов. М.: Недра, 1979. - 176 с.

10. Березин В.Л., Ращепкин К.Е., Телегин Л.Г. Капитальный ремонт магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1973. 197 с.

11. Березин В.Л., Шутов В.Е. Прочность и устойчивость резервуаров и трубопроводов. М.: Недра, 1973. - 196 с.

12. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. / Пер. с англ. под ред. Б.А. Дроздовского и Е.М. Морозова. М.: Мир. 1972. 246 с.

13. Васютин А.Н. О критериях прочности материала при наличии коротких трещин // ФХММ, 1988, № 3, с. 68-74,

14. Васютин А,Н,, Махутов Н,А,, Морозов Е,М, Об энергетическом критерии разрушения тел с физически короткими трещинами // ФХММ, 1991, №4, с, 81-85.

15. Васильченко Г,С, Морозов Е,М, Расчет допускаемых длин трещин // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика и техника ядерных реакторов, 1985, вып. 6, с. 58-65.

16. Васильченко Г.С, Морозов Е.М. Расчет на на прочность массивных конструкций, содержащих дефекты // Вестник машиностроения, 1977, № 3, с. 72-74.

17. Васильченко Г.С. Критерий прочности тел с трещинами при квазихрупком разрушении материала// Машиностроение, 1978, № 6, с. 103108.

18. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Адиев Р.К, Ресурс ремонтных муфт нефтепроводов, ИПТЭР: ТРАНСТЭК, Уфа, 2000, - 147 с,

19. Георгиев М,Н,, Морозов Е.М. Предел трещиностойкости и расчет на прочность в пластическом состоянии // Проблемы прочности, 1979, № 7, с. 45-48.

20. Гольцев В.Ю., Морозов Е.М. Предел трещиностойкости и несущая способность листовых материалов с трещинами //В сб. Физика и механика деформации и разрушения конструкционных материалов. М.: Атомиздат, 1978, вып. 5, с. 18-29.

21. ГОСТ 25.506-85. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрущени) при статическом нагружении. М.: Госстандарт, 1985. -62 с.

22. Георгиев М.Н. Заводская лаборатория, 1997, № 12 с.

23. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. М.; Энергоатомиздат, 1997, 288 с.

24. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении, М,: Издательство стандартов, 1986, - 61 с,

25. Гумеров А,Г,, Азметов Х,А,, Гумеров Р,С, и др. Аварийно-восстановительный ремонт нефтепроводов, М.: Недра, 1998. - 271 с.

26. Гумеров А.Г,, Гумеров Р,С, и др, РД 39-0147103-360-89, Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопроводов под давлением, Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989, - 49 с,

27. Гумеров А,Г,, Зайнуллин Р,С. Безопасность нефтепроводов. М.: Недра, 2000. - 308 с.

28. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Адиев Р.К. Повышение работоспособности ремонтных муфт нефтепроводов. ИПТЭР: ТРАНСТЭК, Уфа, 2000. - 144 с.

29. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Гумеров P.C. Восстановление работоспособности труб нефтепроводов. Уфа: Башкирское книжное издательство, 1992. - 240 с.

30. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Гумеров P.C. Прогнозирование долговечности нефтепроводов на основе диагностической информации. // Нефтяное хозяйство, 1991, № 10. С. 33-36.

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

32. Гумеров А,Г,, Ямалеев К,М,, Гумеров Р.С, и др. Дефектность труб нефтепроводов и методы их ремонта. М,: Недра, 1989, - 252 с.

33. Гумеров P.C. Комплексная система обеспечения работоспособности нефтепроводов. // Автореферат дис. на соискание ученой степени доктора технических наук 05,1 5. 1 3 .-Уфа: УГНТУ, 1997.-47 с.

34. Зайнуллин P.C. Обеспечение работоспособности оборудования в условиях механохимической повреждаемости. ИПК Государственного собрания РБ. Уфа, 1997. - 426 с.

35. Зайнуллин P.C., Бакши O.A., Абдуллин P.C. Ресурс нефтехимического оборудования с механической неоднородностью. М.: Недра, 1989.-268 с.

36. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г. Повышение ресурса нефтепроводов. -М.: Недра, 2000.-493 с.

37. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г., Морозов Е.М., Галюк В.Х. Гидравлические испытания действующих трубопроводов. М.: Недра, 1990. -224 с.

38. Зайнуллин P.C., Абдуллин P.C., Пирогов А.Г. и др. Исследование трещиностойкости элементов оборудования с учетом конструкционного факторов. —Ресурс сосудов и трубопроводов. ИПТЭР: ТРАНСТЭК, Уфа, 2000. - С. 87-94.

39. Зайнуллин P.C., Адиев Р.К. Оценка трещиностойкости угловых сварных швов ремонтных муфт нефтепроводов. // Ресурс сосудов и трубопроводов. ИПТЭР: ТРАНСТЭК, Уфа, 2000. - С. 11-27.

40. Зайнуллин P.C., Абдуллин P.C., Адиев Р.К. и др. Влияние механической неоднородности на несущую способность нахлесточных соединений. // Ресурс сосудов и трубопроводов. ИПТЭР: Уфа, 2000. - С. 9599.

41. Инструкция по отбраковке труб при капитальном ремонте нефтепроводов. / Гумеров А.Г., Султанов М.Х., Собачкин A.C. и др. // РД 39-0147103-334-86. Утв. 26.03.86. Введен с 1.04,86. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1986.- 10 с.

42. А 46. Лобанов Л.М., Махненко В,И., Труфяков В.И. Основы проектирования конструкций. Том 1. Киев: Наукова думка, 1993. - 416 с.

43. Морозов Е.М., Фридман Я.Б. Анализ трещин, как метод оценки характеристик разрушения // Заводская лаборатория, 1966, № 8, с. 977-984.

44. Морозов Е.М., Партон В.З. Применение вариационного принципа в задачах теории трещин // Инженерный журнал. Механика твердого тела, 1968, №2, с. 173-177.

45. Морозов Е.М. Энергетическое условие роста трещины в упругопластических телах// Доклады АН СССР, 1969, т. 187, № 1, с. 57-60.

46. Морозов Е.М. Метод расчета на прочность при наличии трещин // Проблемы прочности, 1971, № 1, с. 35-40.

47. Морозов Е.М. Расчет на прочность сосудов давления при наличии трещин // Проблемы прочности, 1971, № 1, с. 7-11.

48. Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М. Двухпараметрические критерии разрушения на основе энергетических представлений // Заводская лаборатория, 1990, № 12, с. 79-83,

49. Морозов Е.М. Расчет на прочность при наличии трещин // В сб.: Прочность материалов и конструкций. Киев: Наукова думка. 1975.

50. Морозов Е.М., Сапунов В.Т. Применение энергетического критерия к расчету трубопроводов по критерию «течь перед разрушением» // ФХММ, 1996, Х2 1, с. 67-75.

51. Морозов Е.М. Концепция предела трещиностойкости // Заводская лаборатория, 1997, № 12, с. 42-46.

52. Матвиенко Ю.Г. Модели разрушения трещиностойкости. -Заводская лаборатория, 1997, № 12, с. 49-53,

53. Матвиенко Ю.Г. Коррозионные повреждения материала и изменение критической температуры хрупкости // ФХММ, 1988, № 3, с, 7-12,

54. Махутов H.A., Доможиров Л.И. Двухпараметрический критерий разрушения в связи с уточненными размерами пластической зоны // Заводская лаборатория, 1989, № 1, с. 54-59.

55. Матвиенко Ю.Г., Остсемин A.A., Никешичева Е.В, Методика оценки склонности материалов к неустойчивому посту трещины // Заводская лаборатория, 1989, № 1, с. 75-78.

56. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю., Морозов Е.М. Сопротивление росту трещины в связи с пределом трещиностойкости // Проблемы прочности, 1986, № 3, с. 36-40.

57. Морозов Е.М. Двухкритериапьные подходы в механике разрушения //Проблемы прочности, 1985, № 10, с. 103-108.

58. Морозов Е.М. Предел трещиностойкости в нелинейной механике разрушения // В сб.: Современные проблемы механики и авиации. М.: Машиностроение, 1982, с. 203-215.

59. Маркочев В.М., Морозов Е.М. Предел трещиностойкости в системе критериев прочности тел с трещинами // В сб.: Исследование хрупкойпрочности строительных металлических конструкций. М.: ЦКОТИПСК, 1982, с. 102-112.

60. Металлы. Методы испытаний на растяжение. ГОСТ 1497-84. М.: Издательство стандартов, 1985. - 40 с.

61. Методика оценки работоспособности труб линейной части нефтепроводов на основе диагностической информации. РД 39-00147105-001-91.-Уфа: ВНИИСПТнефть, 1992.- 141 с.

62. Методика по выбору параметров труб и поверочного расчета линейной части магистральных нефтепроводов на малоцикловую прочность, РД 39-0147103-361-86. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1986.-41 с.

63. Магистральные нефтепроводы. СниП 2.05.06-86. М.: Стройиздат, 1985.-52 с.

64. Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие. В 4-х томах. Т. 2. Саврук М.П. Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами. Киев: Наукова думка. 1988. 620 с.

65. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов, / Пер. с англ. под ред. Е.М. Морозова и Б.М. Струнина. М.: Миор. 1970. 443 с.

66. Нейбер Г. Концентрация напряжений, М,: ГИТТЛ, 1947, - 204 с,

67. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. М.: Высшая школа, 1982.-272 с.

68. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. М.: Мир, 1977. -3 02 с.

69. Правила капитального ремонта подземных трубопроводов. Уфа: ИПТЭР, 1992.

70. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. / Под ред. В.И. Труфякова. Киев: Наукова думка, 1990. - 255 с.

71. Суханов В. Д. Оценка качества труб демонтированных нефтепроводов. Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.15.13. УГНТУ, 1999. 22 с.

72. Трубы сварные стальные для магистральных газонефтепроводов. ГОСТ 20295-85.- М.: Издательство стандартов, 1986. 12 с.

73. Тимошенко СП., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. -М.; Наука, 1966.-635 с.

74. Хажинский Г.М., Сухарев Н.Н. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений для угловых сварных швов фланцевых соединений трубопроводов. / Монтаж и сварка резервуаров и технологических трубопроводов. -М.: 1983, с. 58-70.

75. Шумайлов А. С, Гумеров А.Г., Молдаванов О.И. Диагностика магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1992. - 251 с.

76. Фридман Я.Б, Механические свойства металлов. М. : Машиностроение, 1974, т. 1 - 472 с; т. 2-368 с.

77. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука. 1986. 512 с.

78. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. - 640 с.

79. Яблонский И. С Трещиностойкость листовых материалов при статическом нагружении // Проблемы прочности, 1980, № 5, с. 26-29.

80. Matvitnko Yu. G., Morozov E.M. Some problems m Imear and nonlinear fracture mechanics // Eng Fract. Mech., 1987, v. 28, 127-138.

81. Morozov E.M. Limit analysis for structures with flows // Eng. Fract. Mech,, 1974, V, 6, N l, p , 297-306,

82. Morozov E,M, Some problems in experimental fracture mechamcs // Eng, Fract, Mech,,v, 13,N3,p, 541-561,

83. Morozov E. M., Parton V. Z. Mechanics of Elastic-Plastic Fracture. 2 nd Ed. N. Y. Hemisphere, 1989, 522 p.

84. Morozov E.M. An ultimate crack resistance concert. Fatigue and fracture of engineering materials and structures, 1999, N 11, p. 997-1002.in