Совершенствование методических основ нормирования характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем при пульсационных давлениях рабочих сред

Латыпов, Азамат Мирзалифович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование методических основ нормирования характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем при пульсационных давлениях рабочих сред
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методических основ нормирования характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем при пульсационных давлениях рабочих сред"

иио0б0882

На правах рукописи

Латыпов Азамат Мирзалифовнч

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ НОРМИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ ОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ДАВЛЕНИЯХ РАБОЧИХ СРЕД

Специальности: 25.00.19 — Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 — Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б И!0Н 2013

Уфа 2013

005060882

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

Научный руководитель - Заннуллин Рашит Сибагатович,

доктор технических наук, профессор

Научный консультант - Харисов Рустам Ахматнурович,

кандидат технических наук

Официальные оппоненты: - Азметов Хасан Ахметзиевнч,

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

- Габбасов Дмитрий Фанисович,

кандидат технических наук, ЗАО «Научно-технический центр «Технология, экспертиза, надежность», ведущий инженер

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Институт

«Нефтегазпроект»

Защита состоится 19 июня 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 17 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор --Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Проблема обеспечения безопасности потенциально опасных объектов трубопроводных систем (ТС) нефтегазовой отрасли была и будет чрезвычайно острой и актуальной. При этом основным направлением решения указанной проблемы является оперативная и комплексная оценка технического состояния оболочковых элементов (ОЭ) трубопроводных систем с применением адекватных методов и средств неразрушающего контроля и расчетного определения прочности и долговечности с учетом реальных процессов повреждаемости металла, в частности перенапряженности и циклической усталости.

Важным фактором, существенно влияющим на прочность и долговечность оболочковых элементов трубопроводных систем, является циклическая повреждаемость металла, интенсифицируемая различными концентраторами и повреждениями. В связи с этим разработки по совершенствованию характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем с учетом циклической повреждаемости металла являются, несомненно, актуальными и важными в жизнедеятельности. При этом следует иметь в виду, что многие объекты трубопроводных систем работают за пределами проектного ресурса.

Цель работы - обеспечение прочностной безопасности эксплуатации оболочковых элементов трубопроводных систем с различными концентраторами напряжений регламентацией их остаточного ресурса, определяемого по адекватным критериям циклической трещиностойкости и усталости металла.

Основные задачи работы:

- исследование взаимосвязи деформационных, силовых и энергетических характеристик ОЭ ТС с образцами из них;

- обоснование метода оперативной и адекватной оценки характеристик полных диаграмм циклической усталости оболочковых элементов трубопроводных систем;

- разработка метода расчетного определения циклической долговечности оболочковых элементов трубопроводных систем по данным неразрушающеш контроля;

- разработка методов расчета прогнозируемого и остаточного ресурсов оболочковых элементов трубопроводных систем при пульсационных изменениях внутреннего давления.

Научная новизна:

• базируясь на основных закономерностях диаграмм статического разрушения, установлена зависимость удельной работы разрушения оболочкового элемента от предела прочности, относительного удлинения и пределов текучести и прочности металла;

• получены аналитические формулы для определения констант в степенных уравнениях малоцикловой и многоцикловой повреждаемости сталей с произвольными струтурно-прочностными характеристиками;

• установлены закономерности взаимосвязей характеристик статической и циклической прочностей различных сталей и оболочковых элементов из них с учетом степени перенапряженности, механических свойств, трещиностойкости металла и цикличности нагружения.

Практическая ценность результатов работы

• предложенные методы расчетного определения ресурса оболочковых элементов позволяют оперативно и адекватно устанавливать безопасные сроки эксплуатации объектов трубопроводных систем;

• основные результаты использованы при разработке практических рекомендаций по расчетному определению большинства характеристик безопасности эксплуатации объектов трубопроводных систем, работающих в условиях пульсационнош изменения нагрузок, которые согласованы компетентными организациями.

На защиту выносятся:

• методы оценки взаимосвязей деформационных силовых и энергетических характеристик ОЭ ТС и образцов из них;

• результаты исследований по обоснованию расчетных методов оценки диаграмм малоцикловой и усталостной повреждаемости сталей с различными исходными прочностью и пластичностью;

• комплекс результатов исследований по обоснованию методов определения ресурса ОЭ ТС с учетом степени перенапряженности и циклической повреждаемости металла;

• методические рекомендации по расчетам характеристик прочностной безопасности ОЭ ТС, полученным по результатам неразрушающего контроля.

Методы решения поставленных задач

Основные характеристики прочностной безопасности ОЭ ТС базируются на известных положениях механики твердого деформируемого тела, усталостного разрушения и упругопластичности, а также получены в результате натурных и лабораторных испытаний.

Достоверность результатов

Установленные закономерности взаимосвязей характеристик статической и циклической прочностей ОЭ ТС согласуются с экспериментальными данными других авторов, а также с современными научными положениями и представлениями механики деформирования и усталостного разрушения твердых тел.

Личный вклад автора

Участие во всех этапах теоретических и экспериментальных исследований и разработке методических рекомендаций по расчетам ресурса безопасной эксплуатации ОЭ ТС по критериям циклической трещиностойкости и усталости. Лично автором научно обоснованы основные аналитические зависимости для оценки характеристик прочностной безопасности ОЭ ТС по критериям циклической трещиностойкости и усталости.

Апробирование результатов исследования

Теоретические и экспериментальные данные работы были доложены на: научных семинарах «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» (г. Уфа, 2010 г., 2011 г.); на научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках Российских энергетических форумов (г. Уфа, 2010 г., 2011 г.); на VII Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2011» (г. Уфа, 2011 г.).

Диссертационная работа заслушана и рекомендована к защите на секции «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» Ученого совета ГУП «ИПТЭР» (14 ноября 2012 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 93 наименования, 1 приложения. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены причины нарушения прочностной безопасности эксплуатации трубопроводных систем нефтегазовой отрасли.

Обозначены общие принципы и направления по обеспечению безопасности эксплуатации объектов трубопроводных систем на всех стадиях их жизненного цикла.

Анализ литературных данных показывает, что основной причиной снижения ресурса различных оболочковых конструкций является степень перенапряженности металла в областях их оболочковых элементов с резкими изменениями их геометрической формы и толщины стенок, обусловленными конструктивными особенностями, технологиями производства и монтажа и режимами их эксплуатации.

Несмотря на громадное количество известных в литературе исследований по рассматриваемой проблеме, до сих пор не решен круг проблем по оценке влияния степени перенапряженности в широких интервалах ее изменения на характеристики безопасности эксплуатации оболочковых элементов трубопроводных систем. Как известно, степень перенапряженное™ металла оценивается известным в литературе теоретическим коэффициентом концентрации напряжений а„. При этом величина а„ в большей степени предопределяется радиусом кривизны (р) вершины концентратора (повреждения). Ясно, что при р -» О оо.

Показано, что наиболее адекватная оценка взаимосвязи и

характеристик безопасности оболочковых элементов произведена в ГУП «ИПТЭР» под руководством доктора технических наук, профессора А.Г. Гумерова. Однако эти данные преимущественно относятся к статическому нагружению оболочковых элементов.

Вторая глава посвящена исследованию взаимосвязи деформационных, силовых и энергетических характеристик труб и образцов из них в условиях статического нагружения.

При нагружении труб и образцов из них статической нагрузкой (внутренним давлением и продольной силой) последовательно изменяются деформационно-силовые, а следовательно, и энергетические характеристики в соответствии с физико-механическими состояниями и законами упругости, упруго-пластичности и разрушения.

Как известно, переход из упругого в пластическое состояние образца при растяжении определяется достижением в нем деформаций (гт) и напряжений (сгт) текучести (ет=сгг/Е, где Е- модуль упругости, равный около 2,1 -105 МПа). В ряде случаев для сталей с четко не выраженным пределом текучести <т,„ целесообразно вводить условные пределы текучести сг02 и <т05, соответствующие остаточным деформациям е„а„, равным 0,2 % и 0,5 %. Для производства объектов нефтепроводного транспорта, в основном, используются стали с ет =0,10...0,25 %. Как правило, чем меньше £т, тем пластичнее сталь.

Переход из упругого в пластическое состояние образца изменяет отношение поперечных деформаций к продольным (коэффициент Пуассона ц) с 0,3 до 0,5. Значение ц = о,5 предопределяет известный закон постоянства пластически деформированного металла. При этом в зависимости от соотношений главных деформаций и напряжений силовые характеристики могут изменяться до 2/л/з раза, деформационные характеристики - до 1/л/з раза. В каждом конкретном случае все деформационно-силовые и энергетические характеристики различных оболочковых элементов определяются с использованием критерия неустойчивости пластических деформаций. Вкратце продемонстрируем сущность этого подхода на примере изменения образцов при растяжении. Вначале определяют величины интенсивностей напряжений <х, и деформаций е, : а, = Ру / ; я, = т . Здесь и в дальнейшем индексами у и (9 будем обозначать текущие и начальные геометрические и силовые параметры образцов (труб), например площади поперечного сечения и . Характерно, что для большинства сталей с ех< 0,25 % зависимости между ст, и г, достаточно адекватно описываются степенной функцией следующего вида: сг, = С е", где Сип- константы прочности и упрочнения, являющиеся основными характеристиками истинных диаграмм растяжения образцов.

При растяжении в образце одновременно происходят процессы упрочнения деформационного и разупрочнения (уменьшения) поперечного

сечения. В связи с этим в диаграммах растяжения, как правило, отмечается экстремум (максимум). Дальнейшее деформирование приводит к шейкообразованию. При Р < Ртах превалируют процессы деформационного упрочнения. Состояние Р = Ртах, или ¿Р1йе = 0 (критерий неустойчивости пластических деформаций), является предельным для элемента. Поскольку Р = сг, • ^ и е, = Ы / Р!, то Р = ■ а, е"', где е 2,72 - основание натурального логарифма. Легко показать, что при Р = Рт{„ предельные интенсивности деформаций е, = е„, и напряжений с, = а п:

еи = п\ аи = С • л" (1)

)

где- коэффициент деформационного упрочнения, С - константа прочности.

Истинный сг, и условный сг, пределы прочности и соответствующие им предельные истинные еы и условные г, деформации находятся в следующих соотношениях:

£7„/<т, =е" «1 + 2и/л/з; (2)

=е0'5" «1 + и/л/з. (3)

Рост коэффициента упрочнения п приводит к соответствующему увеличению СГ, /<Тв И £■,„/£■„ (рисунок 1).

Коэффициент деформационного упрочнения п предопределяет важную характеристику диаграммы растяжения Кт„, представляющую собой отношение пределов текучести сгт(ст02, сг0!) и прочности сг, (рисунок 2).

О".

а) О

у/

✓ /У ' / /

/у //

¿г

0,1

0,2

б) 0

Рисунок 1 - Взаимосвязь сг,.„ / сг„ (а) и гг„, / г„ (б) с и

Рисунок 2 - Зависимость Кт„(п)

Предложенная в работе взаимосвязь Кп(п), соответствующая формуле К„ = 1/(1 + 2,5п), наиболее адекватно отвечает экспериментальным данным для сталей с коэффициентом упрочнения « = о,1...о,з .

При оценке характеристик сопротивления хрупкому и усталостному разрушениям большая роль отводится энергетическим параметрам.

Одной из энергетических характеристик диаграмм растяжения сталей является удельная (к единице объема) работа деформации м>. В пределах упругой деформации в соответствии с законом Гука величина и< = ыу прямо пропорционально увеличивается с ростом напряжений а и деформаций: ■м>у = а ■ е . Предельная упругая работа деформации и>т = о,5 • ат ■ гт = 0,5 а; / Е.

В области пластических деформаций £,>£/■

В случае степенной взаимосвязи сг,(й-,) это уравнение (4) дает следующую оценку >ув, соответствующую Р = Ртш =Р„ (см. формулу 1):

=а1а еи /(1 + гс). (5)

Рассматривая совместно формулы (1), (2) и (4), можно получить:

»". = о", ■ ^ ■ / (л), / (") = е1,5'" /(1 + п). (6)

Значения / (и) в интервале п = О..ДЗ незначительно отличаются от единицы (/(«) = 1Д..1,2) (рисунок 3, а).

Аналогично величину можно выразить через параметр Кп :

к = ст„ ■ е„ • / («•„) = сг„ • ■ 0,4(з,5 -К„). (7)

Зависимость/(Кув) показана на рисунке 3, б. /

1,15

1Д

1,05

// // У

/ // с/

а) О

0,1

0,2

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 КТ,

Рисунок 3 - Функции / (п) (а) и/(#„) (б)

Указанные закономерности позволяют утверждать, что удельная энергия разрушения [м>р = м/,) образца при растяжении в пределах устойчивого пластического деформирования (е, < п) в первом приближении равна произведению предельных условных напряжений (ст„) и деформаций (е,)-.пр=м>й «а,-е.. К примеру, для стали 17ГС

(ега = 550МПа; аТ = 380М77а; 8в=ва= 0,18; = 0,2) удельная работа деформации -100 мДж/м'. Перевод стали 17ГС в другое структурно-прочностное состояние термообработкой (закалка + отпуск 600 °С) приводит к увеличению ст„ до 770 МПа и снижению е„ до 0,12. При этом м>а = 92,4 мДж/м1. Отсюда ясно, что для оценки качества сталей целесообразно использовать критерии,

учитывающие деформационные, силовые и энергетические характеристики.

Область неустойчивого пластического деформирования образцов (при в>£„) принято оценивать предельными локальными напряжениями и ек = Л- =^"[1/(1-'//)]. Здесь /», и ^ - усилие и площадь поперечного сечения к моменту разделения образца на две части (разрушения); V = Р.-

По данным работы М.П. Марковца, =<т„ (1 + 1,35)//). Для наиболее распространенных сталей, применяемых при производстве оболочковых конструкций нефтегазовой отрасли, £,/<7, =1,5...2,0.

Анализ деформированного состояния в зоне шейки образца показывает, что параметры 35, у/,ев и (//„ находятся в следующей зависимости:

V*. =1 + а-УЛе.> (8)

где а « 0,125 - коэффициент, определяемый по диаграмме растяжения.

Расчеты по формуле (8) показывают, что при изменении от 1 до 10 отношение <55М„ возрастает от 1,00 до 2,25. При этом необходимо учитывать, что у/, = ев=35. С учетом формулы (8) значение можно представить в зависимости от 35 и <5„ (г,):

= 1 + (9)

а. а

Полученные закономерности и анализ диаграмм растяжения показывают, что для расчетной оценки удельной работы разрушения образца может быть использована следующая взаимосвязь »с и /<",„:

= /(*„)=л/*Г я°.4 + 3*„/5. (10)

Увеличение К1а с 0,5 до 1,0 приводит к росту отношения м» - о-, от 0,7 до 1,0 (рисунок 4). Рассмотрим конкретный пример оценки для образца из стали 17ГС (К„= 0,69 и 35 = 0,26). При этих значениях свойств стали по формуле (10) получаем: = 0,81; у>р »123 мДж/ л/3.

/ // 1 ' 2 у 1

> / / / 2-/ = 0,4 + 3 Кы / 5 = = 0,4(1 +1,5 А'„)

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ктв

Рисунок 4 - Графики зависимости \мр! 3, ■ <ти от К„

Установлено, что величина существенно снижается при

пульсационных нагрузках (давление, наличие в металле дефектов и агрессивных компонентов в рабочих средах).

Таким образом, установлены основные закономерности взаимосвязей деформационных, силовых и энергетических характеристик сталей, определяемых по результатам испытаний образцов на растяжение до разрушения в различных рабочих средах. Результаты работы использованы при оценке остаточного ресурса и разработке экспресс-методов определения характеристик прочностной безопасности ОЭ ТС по критериям статической и циклической трещиностойкости.

В третьей главе предложен и обоснован новый подход к оценке характеристик усталостной повреждаемости и циклической долговечности оболочковых элементов трубопроводных систем.

На начальных этапах работы выполнен анализ существующих методов оценки циклической повреждаемости и долговечности ОЭ ТС.

Показано, что современные методы оценки ресурса ОЭ ТС, работающих в условиях циклического нагружения, базируются на уравнении Коффина-Мэнсона. При этом основным контролируемым процесс усталости параметром является амплитуда пластических деформаций еа, устанавливаемая в

зависимости от аа с использованием известной формулы Нейбера для перехода от упругих (аt7) к пластическим (Кс) коэффициентам концентрации деформаций. Здесь, как и при статическом нагружении, возникает неопределенность оценки ресурса элементов с аа—> оо (или при больших значениях аа).

В связи с этим возникает необходимость разработки новых подходов и методов оценки циклической долговечности оболочковых элементов с концентраторами напряжений в широких диапазонах изменения аа .

В ИМАШ РАН им. A.A. Благонравова предложен подход к оценке малоцикловой долговечности на основании степенного закона: cr-N' =сг, N'., где N - число циклов нагружения при напряжении er; Na - число циклов нагружения при напряжении <jr . При условии, когда ст., = 0,4 ■ ап (<у_, - предел усталости при симметричном цикле нагружения) и Nt = 10, показатель степени у = 0,08. В работе на основании обобщения большого объема экспериментальных литературных данных показано, что показатель у является постоянным лишь для данной марки стали (с заданными механическими свойствами). Для оценки показателя степени у получена следующая взаимосвязь:

r = (11)

При изменении Кт„ от 0,5 до 1,0 показатель степени у снижается от 0,015 до 0 (рисунок 5).

Кривые циклической усталости представлены в соответствии с уравнением:

(12)

где и, /сгр - коэффициент запаса прочности по сг„; ар- рабочее (окружное) напряжениев оболочковом элементе; тц =\ly = \QilKv = 10/(l-2Sj4b).

Кривые малоцикловой усталости, построенные на основании формул (11) и (12), показаны на рисунке б. Видно, что кривые малоцикловой усталости

существенно зависят от отношения Л"т„=<гт / сгв. Снижение относительного рабочего напряжения сТр/ае приводит к росту долговечности.

0,01

0,005

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 К,.

Рисунок 5 — Зависимость показателя степени тц от К1а

0,9

0,8

—.я,.1-1,( ""—--- -—0,75 Ч | 1

0,5 N. 1 1

ю1

10-

10'

ю4

Рисунок 6 - Кривые малоцикловой усталости

На следующем этапе работы произведена оценка усталостной (многоцикловой) повреждаемости, в частности, показано, что предел усталости при симметричном цикле нагружения <т_, и предел статической прочности <т„

взаимосвязаны в соответствии с формулой:

а_х1<у„ = (13)

где С = 0,2...0,3. При К„= 1,0 среднее значение С = 0,25 совпадает с таковым по

М.П. Марковцу. Если Кп= 0,625 (многие низколегированные стали повышенной

прочности), то ст., = 0,4 • а, (ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН) (рисунок 7).

О"-, .___.

1 N 2

__i 1—

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 !(■„

1 - по формуле (13); 2 - данные ИМАШ им. A.A. Благонравова РАН;

3 - данные М.А. Марковца

Рисунок 7 - Зависимость сг_, /ств от Кп

На основании установленных закономерностей взаимосвязей пределов статической сг,, малоцикловой ам и усталостной сг_, прочностей с обобщенным параметром механических свойств в работе предложена и обоснована следующая формула для расчета показателя степени кривой усталостной повреждаемости:

r = lgO,4-Kl„"/(6-2,5/К„). (14)

В области KJ&= 0,5...0,6 отмечается резкое снижение у (рисунок 8). При К'„ >0,6 величина у близка к постоянной, равной у а 1/6 ~ 0,167.

Рисунок 8 — Зависимость у от К_,а

Заметим, что для большинства конструкционных сталей, применяемых в нефтегазовой отрасли, К„ > 0,6. Это позволяет утверждать, что у = сом; = о,167 .

Результаты расчетов циклической повреждаемости по предложенным формулам (11) - (13) достаточно адекватно согласуются с таковыми, полученными под руководством члена-корреспондента АН Украины Л.М. Лобанова (Институт электросварки им. Е.О. Патона).

Таким образом, предложен и обоснован новый подход расчетного определения характеристик полных диаграмм циклической повреждаемости сталей с произвольными исходными механическими показателями и свойствами, адекватно отражающий основные закономерности теорий усталости и многочисленные экспериментальные данные других авторов.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния степени перенапряженности металла (сеа) на характеристики циклической усталости ОЭ ТС по данным неразрушающего контроля и диагностики.

Несмотря на простоту схемы нагружения образцов на осевое растяжение и кажущую неадекватность их напряженного состояния таковым, реализуемым в реальных условиях эксплуатации, все основные характеристики прочности и ресурса ОЭ ТС базируются на результатах испытаний указанных образцов {ат.а.,3,,ч1 и др.).

В работе показано, что "для оценки степени перенапряженности металла на циклическую прочность (ст.,) целесообразно введение коэффициента циклической прочности а^, представляющего отношение предела усталости элемента (образца) с концентратором напряжений сг_и к пределу усталости гладкого элемента (образца) «С'„ = <У-и / сг ,. Ясно, что а^, <1,0. Базируясь на многочисленных экспериментальных данных и положениях теории усталости, в работе для оценки ачш получена следующая аналитическая формула:

«'„ =1/«™. О5)

где т - постоянная, определяемая экспериментально; ориентировочная оценка величины т может быть произведена из отношения пределов текучести <гт и прочности ав: т и .

Отличительной особенностью этой формулы (15), наряду с простотой и ясностью, является тот факт, что она позволяет оценивать в достаточно широком диапазоне изменения аа. Наиболее резкое снижение о.]п («я) отмечается при сравнительно низких значениях аа< 5 (рисунок 9). В области > 5 можно допускать а'„ = ацтр = а"р/ал , где а"р - предел усталости образца с трещиной. Необходимо отметить, что величина а"тр не является константой, а зависит от геометрических параметров трещиноподобных повреждений, в частности от относительных глубины (mh=h/S) и длины (m,=e/D = C/B) (рисунок 10). Здесь h vi 1 - глубина и длина трещины; s и D — толщина и диаметр (трубы, обечайки и образца); в - ширина модели. На рисунке 10 значение соответствует а'/11р = а'':и -(аа. <= 5).

Оценку а* можно производить методами механики усталостного разрушения с использованием порогового коэффициента интенсивности напряжений Klh. В частности, по данным ИМАШ им. A.A. Благонравова РАН (В .П. Когаев, H.A. Махутов и А.П. Гусенков):

Кл =12,7 -0,006 -о-т, (16)

где К,1:, МП а -1м \ ат — предел текучести стали, МПа. Кроме этого, в работе получена аналитическая взаимосвязь и коэффициента симметрии цикла г.

Величина коэффициента интенсивности напряжений для плоского образца с протяженной (t>D = B) трещиной равна: iC, = <т„ 4h ■ У5, где ст„ -номинальное напряжение в элементе; У5 - поправочная функция. В работе для оценки Vs на основании метода плоских сечений (Е.М. Морозов) получена следующая формула: Y, =2(l + 6-m;j). (17)

Формула (17) значительно проще приведенной в ГОСТ 25.506-85.

На основании формул (16) и (17) можно получить следующую формулу для оценки предельных номинальных напряжений в элементе сг['„,р, соответствующих базе циклических испытаний Ns (например Ns = io6):

Рисунок 9 — Взаимосвязь аЦ„, аа и Кп

Рисунок 10 - К построению полной диаграммы циклической

повреждаемости элементов с концентраторами напряжений

0,25

0,2

0,15

ОД

0,05

17ГС

0,5

0,75

1,0

1,25

1.5

1,75 Л, мм

Рисунок 11 — Зависимость коэффициента циклической

трещиностойкости от глубины протяженной трещины

Разделив <т11С на ст.,, получаем величину а'':р. На рисунке 11 построена зависимость а''1р от h для стали типа 17ГС.

При т( < 1 необходимо производить оценку анпр с учетом поддерживающего эффекта (ГУП «ИПТЭР», проф. P.C. Зайнуллин). Для этого величину ацтр необходимо определять по формуле:

(19)

Расчеты показывают, что уменьшение т( значительно увеличивает a'lv, и при т, = 0 усталостная прочность элемента становится равной ст_,. При этом <Р= 0-

Немаловажным фактором, определяющим усталостную прочность, является коэффициент асимметрии цикла к, =ст, /ст_,, где <тг - предел усталости с заданным коэффициентом ассиметрии цикла г .

При отнулевом пульсационном изменении внутреннею давления в оболочковых элементах объектов нефтепроводного транспорта на основании

известной в теории усталости диаграммы предельных амплитуд напряжений можно получить следующую формулу для расчетной оценки коэффициента асимметрии кг при г = о(кя):

К = <*„1 = 0 - 0,375- #„). (20)

Эта зависимость отражена на рисунке 12. Величина ко показывает, во сколько раз предел усталости (<то) при отнулевом цикле больше предела усталости (<т_,) при симметричном цикле нагружения.

Рост от 0,5 до 1,0 приводит к увеличению степени отличия пределов усталости сг, и ач (параметра /с,,) с 1,35 до 1,60 раза.

Рисунок 12 — Взаимосвязь коэффициентов к0 и Кта

Таким образом, установлены основные закономерности взаимосвязи характеристик статической и циклической прочностей различных сталей с таковыми ОЭ ТС из них с учетом степеней перенапряженности и поврежденности, характеристик механических свойств, трещиностойкости металла и цикличности (пульсаций) внутреннего давления рабочих сред.

В работе установлены взаимосвязи кг и К„, для произвольных значений г .

В Приложении разработаны методические рекомендации по выполнению расчетов циклической прочности и долговечности базовых элементов оборудования и трубопроводов, изготовленных из сталей с различными

исходными деформационными и прочностными характеристиками. Методические рекомендации проиллюстрированы конкретными примерами расчетов коэффициентов концентрации напряжений, статической и циклической прочности, долговечности и остаточного ресурса ОЭ ТС. В них приведены механические характеристики широкого класса углеродистых и низколегированных сталей в различных структурно-прочностных состояниях. Даны соответствующие номограммы и таблицы, облегчающие выполнение необходимых расчетов характеристик безопасности эксплуатации ОЭ ТС.

Основные выводы и рекомендации

1. Определены и описаны основные закономерности взаимосвязи деформационных, силовых и энергетических характеристик ОЭ ТС и образцов из них. Установлена зависимость удельной работы разрушения оболочкового элемента от предела прочности, относительного удлинения и пределов текучести и прочности металла.

2. Предложен и обоснован усовершенствованный подход к расчетной оценке характеристик малоцикловой и усталостной повреждаемости ОЭ ТС из сталей с различными исходными прочностью и пластичностью, позволяющий оперативно определять их характеристики прочностной безопасности при минимальных затратах на проведение соответствующих лабораторных испытаний образцов на прочность и усталость. Показано, что предложенные аналитические зависимости для расчетного определения характеристик циклической усталости адекватно согласуются с экспериментальными данными других авторов и современными представлениями теорий прочности и усталости для различных конструкций.

3. Установлены закономерности взаимосвязей характеристик статической и циклической прочностей различных сталей и ОЭ ТС из них с учетом степени перенапряженности и повреждаемости, характеристик механических свойств, трещиностойкости металла и цикличности нагружения.

4. Впервые введено и научно обосновано понятие циклического относительного предела трещиностойкости и установлена его взаимосвязь с

основными характеристиками вязкости статического разрушения и нормируемыми механическими свойствами. Предложены формулы для расчетного определения пороговых коэффициентов интенсивности напряжений при произвольных значениях коэффициента асимметрии.

5. На основании результатов проведенного комплекса исследований разработаны методические рекомендации по расчетной оценке характеристик безопасности ОЭ ТС на основании неразрушающего контроля и диагностики.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Латыпов, А. М. Метод расчета циклической долговечности базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта по результатам неразрушающего контроля сварных стыков [Текст] / А. М. Латыпов, Р. А. Харисов, И. Ф. Кантемиров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011. - Вып. 3 (85). -С. 91-96.

2. Гумеров, А. Г. Общие закономерности формирования характеристик безопасности объектов нефтепроводного транспорта [Текст] / А. Г. Гумеров, И. Ф. Кантемиров, Р. А. Харисов, А. М. Латыпов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011. -Вып. 3 (85). - С. 125-132.

3. Харисов, Р. А. Взаимосвязь плотности энергии деформации и характеристик безопасности элементов оборудования нефтегазовой отрасли [Текст] / Р. А. Харисов, А. М. Латыпов, К. А. Сазонов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2011.-Вып. 4 (86).-С. 120-125.

4. Харисов, Р. А. Расчетная оценка кривых малоцикловой трещиностойкости металла труб [Текст] / Р. А. Харисов, Ш. 3. Исаев, А. М. Латыпов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». — 2012. — № 2. - С. 349-353. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Kharisov/Khaisov_7.pdf.

Методические рекомендации

5. Зайнуллин, Р. С. Расчеты циклической прочности и долговечности базовых элементов оборудования и трубопроводов: методические рекомендации [Текст] / Р. С. Зайнуллин, А. М. Латыпов, Р. А. Харисов, А. Р. Зайнуллина, К. А. Сазонов. - Уфа: НТЦ «БЭСТС», 2010. - 18 с.

Прочие печатные издания

6. Харисов, Р. А. Прочность труб с концентраторами напряжений [Текст] / Р. А. Харисов, А. М. Латыпов // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов: сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - С. 3-6.

7. Кантемиров, И. Ф. Плотность энергии разрушения при нормальных и отрицательных температурах [Текст] / И. Ф. Кантемиров, Р. А. Харисов, А. М. Латыпов // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов: сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - С. 9-14.

8. Латыпов, А. М. Методы расчетной оценки конструктивных элементов в условиях циклического нагружения [Текст] / А. М. Латыпов // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов: сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010.-С. 15-20.

9. Латыпов, А. М. Особенности оценки степени перенапряженности металла оболочковых элементов, работающих под давлением [Текст] / А. М. Латыпов, И. Ф. Кантемиров // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов: сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - С. 21-26.

10. Зайнуллин, Р. С. Усовершенствование методов оценки циклической прочности труб [Текст] / Р. С. Зайнуллин, А. М. Латыпов, Р. А. Харисов // Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов: сб. научн. тр. / ИПТЭР. - Уфа, 2010. - С. 44-51.

11. Латыпов, А. М. Разработка методических основ нормирования ресурса базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта с учетом перенапряженности и циклической повреждаемости металла [Текст] / А. М. Латыпов // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2010. — С. 131-133.

12. Латыпов, А. М. Основы оценки циклической долговечности труб [Текст] / А. М. Латыпов // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XI Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. - Уфа, 2011. - С. 143-150.

13. Харисов, Р. А. Расчет циклической долговечности базовых элементов [Текст] / Р. А. Харисов, А. М. Латыпов, Ш. 3. Исаев // Трубопроводный транспорт - 2011. Матер. VII Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. / УГНТУ. -Уфа, 2011.-С. 179.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 14.05.2013 г. Формат 60 х 90 1/16.

Усл. печ. л. 0,78. Бумага писчая.

Тираж 100 экз. Заказ № 106.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Латыпов, Азамат Мирзалифович, Уфа

Государственное унитарное предприятие «ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТРАНСПОРТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ»

(ГУП «ИПТЭР»)

УДК 622.692.4

На правах рукописи

0420ПЧ914Ч

Латыпов Азамат Мирзалифович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ НОРМИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ ОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ДАВЛЕНИЯХ РАБОЧИХ СРЕД

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д-р техн. наук, доцент Кантемиров Игорь Финсурович

Научный консультант -канд. техн. наук, доцент Харисов Рустам Ахматнурович

Уфа 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение........................................................................... 4

1 Анализ современных подходов по расчетам характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем в условиях пульсационного изменения внутреннего давления рабочих сред................................................8

1.1 Усталостные процессы металлов............................................ 9

1.2 Анализ расчетных методов оценки характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем с исходными повреждениями, работающих под действием

пульсационного изменения давления рабочих сред..................... 12

Выводы по главе 1...................................................................... 22

2 Расчетная оценка взаимосвязей деформационных, силовых и энергетических характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем при статическом и циклическом нагружениях....................... 23

2.1 Определение плотности энергии деформации стандартных образцов на осевое растяжение до разрушения........................... 23

2.2 Оценка степени снижения предельной плотности энергии деформации оболочковых элементов с повреждениями............... 31

2.3 Взаимосвязь плотности энергии деформации и характеристик

усталости оболочковых элементов с трещинами........................ 37

Выводы по главе 2..................................................................... 44

3 Совершенствование методов расчета циклической долговечности оболочковых элементов технических систем..... 45

3.1 Основные характеристики прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем 45 при пульсационных давлениях рабочих сред...........................

3.2 Оценка характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем по критериям усталости......... 61

3.3 Усовершенствованный метод расчета циклической долговечности оболочковых элементов трубопроводных систем по результатам

неразрушагощего контроля сварных стыков.............................. 68

Выводы по главе 3..................................................................... 74

4 Исследование влияния повреждений в металле

на циклическую прочность и долговечность оболочковых элементов трубопроводных систем..................................... 75

4.1 Роль микромеханической неоднородности и концентрации напряжений при оценке характеристик циклической усталости оболочковых элементов трубопроводных систем..................... 75

4.2 Взаимосвязь усталостных характеристик и микроскопических деформаций....................................................................... 81

4.3 Исследование взаимосвязей характеристик циклической усталости и коэффициентов концентрации напряжений оболочковых

элементов трубопроводных систем......................................... 91

Выводы по главе 4....................................................................... 97

Основные выводы и рекомендации..................................... 98

Библиографический список использованной литературы......... 99

Приложение..................................................................... 109

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Цель работы — обеспечение прочностной безопасности эксплуатации оболочковых элементов трубопроводных систем с различными концентраторами напряжений регламентацией их остаточного ресурса, определяемого по адекватным критериям циклической трещиностойкости и усталости металла.

Основные задачи работы:

исследование взаимосвязи деформационных, силовых и энергетических характеристик ОЭ ТС с образцами из них;

разработка метода расчетного определения циклической долговечности оболочковых элементов трубопроводных систем по данным неразрушающего контроля;

Научная повнзна:

• базируясь на основных закономерностях диаграмм статического разрушения, установлена зависимость удельной работы разрушения оболочкого элемента от предела прочности, относительного удлинения и пределов текучести и прочности металла;

• получены аналитические формулы для определения констант в степенных уравнениях малоцикловой и усталостной повреждаемости сталей с произвольными струтурно-прочностными характеристиками;

Практическая ценность результатов работы

• основные результаты использованы при разработке практических рекомендаций по расчетному определению большинства характеристик безопасности эксплуатации объектов трубопроводных систем, работающих в условиях пульсациопного изменения нагрузок, которые согласованы компетентными организациями.

На защиту выносятся:

• комплекс результатов, обозначенных в научно-практической ценности результатов работы;

• методы оценки взаимосвязей деформационных силовых и энергетических характеристик ОЭ ТС и образцов из них;

• комплекс результатов исследований по обоснованию методов определения ресурса ОЭ ТС с учетом степеней перенапряженности и циклической повреждаемости металла;

Методы решения поставленных задач

Достоверность результатов

Личный вклад автора

безопасности ОЭ ТС по критериям циклической трещиностойкости и усталости.

Апробирование результатов исследования

В настоящее время, когда проблемы жизнедеятельности, в том числе и обеспечение промышленной безопасности, становятся особо острыми, отмечается тенденция интенсификации внедрения методов и подходов прочностной безопасности, базирующихся на критериях механики хрупкого и квазихрупкого разрушения твердых тел с исходными трещинообразными микро- и макроскопическими повреждениями в металле. Этот факт оправдывается тем, что подходы механики разрушения позволяют производить количественную оценку основных характеристик прочностной безопасности не только для простейших моделей с трещинами, но реальных оболочковых элементов трубопроводных систем, работающих в сложных условиях нагружения и действия рабочих сред.

Несмотря на огромные достижения в области прикладной механики разрушения, в литературе недостаточно сведений по оперативной и адекватной расчетно-экспериментальной оценке критических (предельных) параметров механики разрушения, а следовательно - характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем.

Наряду с этим следует отметить, что в литературе нередко появляются неадекватные данные по предельным параметрам механики разрушения, в частности, по критическим величинам коэффициента интенсивности напряжений (ККИН). Поэтому важность проблемы создания экспресс-методов расчетно-экспериментального определения характеристик прочностной безопасности ОЭ ТС еще более актуализируется.

Особо важную значимость приобретает развитие подходов механики разрушения на случаи развития и торможения трещиноподобных повреждений в оболочковых элементах при воздействиях различных рабочих сред, вызывающих общую неравномерную и сильно локализованную коррозию и охрупчивание металла. При этом необходимо учитывать

современную тенденцию применения сталей и сплавов, обеспечивающих снижение материалоемкости при соблюдении требований по прочностной безопасности ОЭ ТС.

Ниже рассмотрены особенности современных подходов по расчетно-экспериментальному определению характеристик прочностной безопасности различных конструктивных элементов, работающих при переменных во времени действующих нагрузках (напряжениях).

1.1 Усталостные процессы металлов

Как известно [8, 43, 45, 46, 50, 54, 55, 87 и др.], усталостные процессы повреждаемости материала принято связывать с изменением его механических характеристик при длительном действии циклических напряжений (или деформаций). Способность материала сопротивляться циклическому разрушению оценивают пределом усталости (выносливостью) при заданном коэффициенте асимметрии цикла нагружения г(аг). Заметим, что в зависимости от исходных механических характеристик и параметра г предел усталости <гг может снижаться в сравнении с пределом прочности <ти до четырех раз: кг =аъ/<уг =1...4. Наибольшая степень снижения предела усталости отмечается для симметричного цикла нагружения (г = -\): К = о-„ /о-_, = 4 .

Пределы усталости аг устанавливаются по диаграммам выносливости или усталости (Велера) в координатах «максимальное напряжение цикла сгтах - число циклов нагружения до разрушения N ».

По нашему мнению, диаграммы усталости должны описываться в соответствии с логистической кривой (рисунок 1.1).

Для диаграмм усталости характерно, что при N>Ntт она стремится к

предельной амплитуде а. В качестве N8 часто принимают л^ = 106 [54]. Напряжение, соответствующее N = принимают за условный предел усталости сг_! или иг. Ясно, что аг > <т_,.

К*

--действительная; — ■ — схематизированная

Рисунок 1.1— Типичная кривая усталости

Отметим, что кривая усталости позволяет определить уровень рабочих напряжений по требуемой долговечности (число циклов нагружения до разрушения) ОЭ ТС.

Инициацию и развитие трещин усталости обычно связывают с исходными повреждениями структуры стали, размерами структурных составляющих (зерен), количеством, размерами и ориентацией неметаллических включений, особенностями дислокационных структур и др. При этом немаловажным являются степень остаточной напряженности, состояние поверхности элементов (образцов), технологии термомеханической обработки, наличие покрытий и др.

Усталостные процессы во многом определяются параметрами рабочей среды, наличием различного рода утонений и выступов, оказывающих влияние на степень перенапряженности металла (концентрацию напряжений) и др. [8,9,15,39,48,58].

Исходя из стадийности усталостных разрушений, в расчетной практике утвердились два основных направления оценки характеристик прочностной безопасности ТС: а) по критериям инициации трещин и б) по критериям распространения трещин.

Ясно, что указанные направления отличаются как по физическим, так и феноменологическим закономерностям.

Практически все существующие кинетические уравнения циклической повреждаемости материалов и конструктивных элементов описываются феноменологическими степенными законами типа Бэсквина и Коффина-Мэнсона. То же самое можно сказать о кинетических уравнениях, описывающих процесс распространения усталостных трещин, например уравнение Пэриса-Эрдогана или H.A. Махутова.

В ряде случаев представляется целесообразным полную диаграмму усталости разделять на малоцикловую и многоцикловую области. Малоцикловая область ограничивается числом циклов нагружения < 103'75...10'. Многоцикловая область соответствует долговечности N р > Ns.

Промежуточную область Npu < Nр < NiS относят к области ограниченной

долговечности.

Малоцикловая область диаграммы усталости достаточно адекватно описывается уравнением Коффина-Мэнсона [58, 59]. Здесь уместно отметить, что это уравнение нашло использование в ряде нормативных допущений по оценке характеристик прочностной безопасности многих потенциально опасных объектов в различных отраслях промышленности [71, 72, 79, 81].

Подход Коффина-Мэнсона описывается следующей взаимосвязью [59]:

Здесь С - постоянная, связанная с пластичностью стали: Аср - амплитуда деформации.

Одним из основных недостатков подхода Коффина-Мэнсона является сложность определения Ас для оболочковых элементов ТС с различными

макроскопическими повреждениями. В некоторых случаях адекватная оценка Аер практически невозможна в связи с неопределенностью геометрических

параметров реальных повреждений в металле оболочковых элементов. Поэтому, на наш взгляд, целесообразно кардинальное усовершенствование

(1-1)

подхода Коффина-Мэнсона или использование других феноменологических уравнений, например Бэсквина или Вейбулла [46, 80, 89].

По Вейбуллу кривая усталости описывается следующим уравнением [55,59]:

{а - <т, )/(сгА - <тг) = схр [-а (/„ АО'" ], (1.2)

где аь - временное сопротивление стали; аг - усталости; а, т- константы.

Число постоянных можно сократить в случае применения степенного уравнения типа Бэсквина:

а'"Ы = С, (1.3)

где Си»/ - экспериментально определяемые параметры.

К аналогичному выражению (1.3) можно прийти путем несложных преоб�

Информация о работе

Латыпов, Азамат Мирзалифович
кандидата технических наук
Уфа, 2013
ВАК 25.00.19

Диссертация

Совершенствование методических основ нормирования характеристик прочностной безопасности оболочковых элементов трубопроводных систем при пульсационных давлениях рабочих сред - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы