Повышение безопасности эксплуатации магистральных трубопроводов с дефектом типа ликвационной полосы

На правах рукописи

МУФТАХОВ МИННАСЫР ХАЙДАРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТОМ

ТИПА ЛИКВАЦИОННОЙ ПОЛОСЫ

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2006 2

Работа выполнена в ЗАО «ЯмалГазИнвест» и Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук Закирничная Марина Михайловна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Халимов Андалис Гарифович;

доктор технических наук Султанов Марат Хатмуллинович.

Ведущая организация МОП «Центр безопасной эксплуатации сложных технических систем», г. Уфа.

Защита состоится 8 декабря 2006 года в 14-00 на заседании совета по за щите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском го сударственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Респуб лика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государст венного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « » ноября 2006 года

Ученый секретарь совета Закирничная М.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из наиболее важных задач трубопровод ного транспорта углеводородов является обеспечение его надежной и безопас ной работы путем сокращения риска возникновения аварийных ситуаций. Ее решение позволит снизить безвозвратные потери транспортируемых продуктов, улучшить экологическую обстановку, предотвратить разрушение инженерных сооружений и обеспечить, таким образом, оптимальное функционирование тру бопроводных систем.

Актуальность данной проблемы связана с высокой частотой отказов ма гистральных трубопроводов, приводящих в ряде случаев к катастрофическим последствиям. Более 30 % отказов происходят на трубопроводах, проработав ших более 20 лет, что связано с ухудшением их технического состояния. При этом кроме традиционных дефектов сварных соединений, рисок, вмятин, зади ров имеют место и металлургические дефекты, например, в виде расслоения металла трубы. Как показывает анализ результатов внутритрубной диагности ки, количество расслоений составляет примерно 20 % от общего числа выяв ленных опасных дефектов. В зонах расслоения наблюдаются раскатанные за грязнения, характерные для трубных кремнемарганцовистых сталей, являю щиеся дефектом металлургического производства.

Эти участки имеют большую химическую неоднородность, загрязнены примесями (оксиды, нитриды, сульфиды, силициды), то есть являются ликва ционными зонами, отличающимися по значениям характеристик механических свойств от основного металла трубы.

Известно, что металл труб магистральных трубопроводов работает в ус ловиях циклического нагружения от изменения внутреннего давления перека чиваемого продукта. Поэтому оставленные без "внимания" неметаллические включения, обладающие повышенной твердостью и хрупкостью и, следова тельно, являющиеся концентраторами напряжений, могут стать источниками зарождения усталостных трещин и привести к аварийным разрушениям трубо проводов.

Цель работы: изучить степень влияния ликвационной полосы на срок безопасной эксплуатации трубопроводов из стали 17Г1С.

Основные задачи исследований:

1 Получить распределение основных химических элементов по сечению стенки трубы из стали марки 17Г1С с ликвационной полосой.

2 Изучить закономерности изменения механических свойств металла в зоне ликвационной полосы при статическом и малоцикловом условиях нагру жения.

3 Определить напряженно-деформированное состояние металла трубы в зоне ликвационной полосы.

4 Разработать методику определения срока безопасной эксплуатации тру бопроводов с ликвационной полосой в стенке труб.

Методы исследований Поставленные задачи решались путем проведения экспериментальных исследований статической прочности и малоцикловой усталостной долговечно сти металла труб, имеющего значительную химическую неоднородность в виде ликвационной полосы. При этом были использованы стандартные методы оп ределения механических свойств на растяжение, микротвердости, макро– и микроструктуры металла, рентгеноспектральный и рентгенфазовый методы оп ределения основных химических элементов по сечению стенки трубы, а также оригинальные методики определения механических свойств металла труб в зо не ликвационной полосы на срез и в условиях малоциклового нагружения.

В работе использовался метод конечных элементов (МКЭ) для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) металла труб с ликвационной полосой.

Научная новизна 1 Установлено, что под действием циклически изменяющихся нагрузок в стенке труб длительно эксплуатирующихся магистральных трубопроводов рас слоение металла образуется в зоне ликвационной полосы.

2 Определено напряженно-деформированное состояние металла с ликва ционной полосой по толщине стенки трубы. При этом в зоне ликвационной по лосы максимальные значения напряжений от действия внутреннего давления перекачиваемого продукта превышают номинальные в 1,7 раза.

3 Обоснованы время проведения внутритрубной диагностики для выяв ления возможного расслоения стенки трубы из стали 17Г1С, имеющей ликва ционную полосу, и корректировка рабочего давления для обеспечения безопас ной эксплуатации трубопровода.

Практическая значимость и реализация результатов работы На основании результатов проведенных исследований разработана «Ме тодика назначения срока внутритрубной диагностики трубопроводов для выяв ления расслоения металла по ликвационной полосе», которая используется в ОАО «Уренгойтрубопроводстрой» и ООО «Сибрегионгазстрой» при оценке технического состояния магистральных трубопроводов, а также алгоритм кор ректировки рабочего давления при достижении предельного числа циклов на гружения, соответствующего началу расслоения.

Апробация работы Основные результаты и положения работы докладывались и обсужда лись: на Международной научно-технической конференции, посвященной па мяти Ильи Пригожина, «Прикладная синергетика – II» (Уфа, 2004 г.);

II межот раслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования спе циалистов топливно-энергетического комплекса» (Уфа, 2005 г.);

VI Конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2005 г.);

V Российском энергетиче ском форуме «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2005г.);

Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2005».

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов, содержит 114 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 38 рисунков, библиографический список из 118 наименований и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные с низким металлургическим качеством труб, являющимся причиной образова ния ликвационных полос в металле труб и приводящим к аварийному разруше нию линейной части магистральных трубопроводов.

Анализ причин аварийных отказов нефтепроводов показал, что разруше ние происходит по основному металлу труб в местах поверхностных дефектов, заводским продольным и монтажным кольцевым сварным швам. Их протяжен ность может достигать четырех метров.

Разрушения газопроводов носят, как правило, лавинный характер и со провождаются взрывами и пожарами. Общим для всех случаев является отсут ствие заметного уменьшения толщины стенки труб в очагах разрушения трубо проводов, а также отсутствие остаточной деформации по периметру трубы.

На рисунке 1 приведен вид прямошовной трубы после разрушения на 11-м км газопровода СРТО - Торжок диаметром 1420 мм с толщиной стенки 18,7 мм. Один из фрагментов трубы длиной 7,3 метра был выброшен на рас стояние 250 метров по ходу газа. Как показало проведенное расследование причины аварии, разрушение произошло из-за расслоения стенки трубы (ри сунки 2, 3), которое является характерным видом дефектов, встречающихся на нефте - и газопроводах.

Как показал анализ литературных данных, в металле труб, особенно из кремнемарганцовистых сталей, могут присутствовать раскатанные загрязнения, являющиеся дефектом металлургического производства. Эти участки имеют большую химическую неоднородность, загрязнены примесями (оксиды, нитри ды, сульфиды, силициды), то есть представляют собой ликвационные зоны, от личающиеся по значениям характеристик механических свойств от основного металла трубы.

Рисунок 1 - Вид разрушения на 11 км газопровода СРТО - Торжок а б а – с 11 км;

б - с 50 км Рисунок 2 – Фрагменты трубы газопровода СРТО – Торжок с расслоением Такие ликвационные зоны, находящиеся практически в середине стенки трубы по толщине, образуются из-за специфических условий кристаллизации при непрерывной разливке стали. Образование слитка начинается от стенок кристаллизатора, и последние порции жидкого металла переходят в твердое со стояние в его центральной части. Неметаллические включения, которыми за грязнен расплав, по мере его кристаллизации оттесняются в центр слитка и об разуют ликвационную зону. Сильное замедление кристаллизации слитка, от сутствие перемешивания расплава способствуют чрезвычайному развитию лик вационного процесса и созданию его неоднородного строения. После прокатки слитка ликвационная зона будет присутствовать в листе или полосе, из которых изготавливают трубы для магистральных трубопроводов, прямошовные или спиральношовные соответственно.

Общий вид образца с расслоением и ликвационной полосой, вырезанного нами из дефектного участка нефтепровода Сургут-Полоцк (труба из стали 17Г1С Ду 1020 мм толщиной 9 мм, спиральношовная, термоупрочнённая), по казан на рисунке 3. ликвационная полоса Рисунок 3 - Расслоение металла трубы по ликвационной полосе Таким образом, расслоение, возникшее при изготовлении труб, может стать одной из причин разрушения трубопровода в процессе эксплуатации.

Наиболее опасным является случай, когда расслоение выходит на по верхность трубы, уменьшая рабочую толщину ее стенки. В то же время, опыт эксплуатации показывает, что трубопроводы, имеющие внутренние расслоения, параллельные поверхности трубы, эксплуатируются длительное время без раз рушения.

На рисунке 4 приведена макроструктура сварного соединения (нефтепро вод ТОН-II) с расслоением основного металла.

Рисунок 4 – Расслоение стенки трубы у кольцевого сварного шва Так как выход расслоения на кромки труб по нормативно-техническим документам не допускается, то можно предположить, что оно под действием рабочих напряжений распространялось вдоль ликвационной полосы и было ос тановлено сварным швом.

Для повышения металлургического качества слитков в настоящее время существуют специальные методы воздействия на расплав в процессе выплавки стали и непосредственно при ее разливке. Основными из них являются: ваку умно–дуговой и электрошлаковый переплавы, вибрационный метод литья, пе ремешивание расплава при литье слитков магнитным полем, воздействие на расплав ультразвуком, обработка жидкого металла синтетическими шлаками.

Однако при производстве металла для изготовления труб магистральных нефте и газопроводов они практически не применяются.

Результаты анализа, проведенного в первой главе, позволили сформули ровать цель работы, задачи исследований и основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе приведены исследования микроструктуры и химической неоднородности металла труб в зоне ликвационной полосы.

Исследования проводились на образцах, вырезанных из трубы диаметром 820 мм с толщиной стенки 11 мм производства Челябинского трубопрокатного завода;

марка стали 17Г1С. Труба для исследований была предоставлена Управлением Урало-Сибирскими магистральными нефтепроводами им.

Д.А. Черняева из аварийного запаса.

Для изучения микроструктуры использовался микроскоп МИМ-8М. По верхность подготовленного шлифа травилась концентрированным раствором пикриновой кислоты в этиловом спирте. Структура исследуемого металла (ри сунок 5) типична для горячедеформированной стали.

В центральной части образца имеется ликвационная полоса толщиной порядка 0,5 мм. Структура стали ферритно-перлитная. Для изучения влияния термообработки на толщину ликвационной полосы был проведен отжиг при температуре 850 0С, время выдержки 30 минут. Было определено, что ширина ликвационной полосы увеличилась до 0,7 мм. Это указывает на дополнительное выделение карбидов и оксидов при высоких температурах. Поэтому устранить ликвационную полосу указанной термообработкой не представляется возмож ным. ликвационная полоса Рисунок 5 – Микроструктура металла в зоне ликвационной полосы Химический состав металла определялся на сканирующем электронном микроскопе JEOL в микрорентгеноспектральном анализаторе модели JXA– при напряжении 20 кВ и увеличении 1000Х. Определялось содержание основ ных химических элементов, присутствующих в кремниймарганцовистых ста лях: железа, хрома, марганца, кремния и алюминия. Точки выбирались на по верхности исследуемого образца в зонах основного металла и ликвационной полосы поперек толщины стенки трубы: точка №1 – внутренняя поверхность, №11 – наружняя поверхность, №6 - середина ликвационной полосы. Распреде ление марганца, кремния и алюминия в локальных участках стенки трубы при ведено на рисунке 6.

Повышенное содержание рассматриваемых химических элементов в зоне ликвационной полосы указывает на возможность присутствия в ней оксидов марганца, кремния и алюминия.

Для проверки данного предположения был проведен качественный рент генофазовый анализ зоны ликвационной полосы на рентгеновском дифракто метре ДРОН 2.0 в отфильтрованном излучении трубки CoK. При анализе по лученных рентгеновских рефлексов установлено, что в пробе содержатся кри сталлические фазы – оксиды MnO, SiO2, Al2O3, что подтверждает результаты выше приведенных исследований.

1, элементов, атомарные % Содержание химических 1, 1, Mn 1, Si Al 0, 0, 0, 0, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Номера точек Рисунок 6 – Характер распределения химических элементов В третьей главе приведены методики и результаты измерения микро твердости, определения основных механических свойств металла трубы с лик вационной полосой на растяжение, срез, малоцикловую усталость.

Для оценки неоднородности механических свойств по сечению стенки трубы определялась микротвердость основного металла и ликвационной поло сы в соответствии с ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1,96 Н.

Обработка полученных результатов исследований и их визуализация в виде графического изображения с интервальной оценкой ошибки эксперимента проводилась на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ для ма тематической и статистической обработки данных.

Проведенные исследования показали, что в зоне ликвационной полосы микротвердость составляет 2800 Н/мм2, а в основном металле – от 1700 до 1850 Н/мм2 (рисунок 7), что также подтверждает результаты распределения хи мических элементов по сечению металла трубы.

Испытание на растяжение проводилось по стандартной методике в соот ветствии с ГОСТ 1497-84 на плоских образцах с галтелью типа I (№ 15). Значе ния механических характеристик основного металла трубы определялись на разрывной машине Р-50. Скорость перемещения подвижного захвата составля ла 0,1 мм/мин.

Значение микротвердости, Н/мм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Номера точек Рисунок 7 – Распределение микротвердости по сечению образца Как показали результаты испытания на растяжение, значения механиче ских характеристик стали марки 17Г1С соответствуют требованиям норматив ных документов. В изломе протяжённость раскрытия образца по ликвационной полосе составляет более 3 мм и расслоение не выходит на боковую поверхность (рисунок 8). Это соответствует баллу 2 шкалы балльности осевой химической неоднородности.

Рисунок 8 - Расслоение металла после испытания образцов на растяжение Таким образом, показано, что ликвационная полоса не оказывает влияния на значения механических характеристик трубной стали при растяжении.

Испытания на малоцикловую усталость проводились на плоских образцах размером 480х38х11 мм жестким нагружением по схеме чистого изгиба.

В работе применялся отнулевой цикл нагружения с частотой 50 циклов в минуту. Величина деформации составляла 0,24 %. Исследования проводились на воздухе при комнатной температуре.

Измерение длины растущей трещины производилось в момент макси мального раскрытия ее кромок с использованием микроскопа МБС-9 при деся тикратном увеличении.

Одновременно для определения времени до начала расслоения металла по ликвационной полосе с той же периодичностью проводился ультразвуковой контроль с использованием ультразвукового дефектоскопа марки УД2-70 и толщиномера марки УТ-93 П.

Как показали результаты исследований, максимальное число циклов до разрушения стали марки 17Г1С при данных условиях испытаний составило 24600 циклов.

Зависимость длины трещины от числа циклов до разрушения приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Зависимость длины растущей трещины от числа циклов нагружения образцов При испытаниях на воздухе образуется узкая неветвящаяся трещина, од нако при приближении к ликвационной полосе она отклоняется и некоторое время растет вдоль стенки трубы, а затем вновь возвращается к основному на правлению своего роста. На рисунке 10 показан вид такой трещины.

Рисунок 10 - Вид растущей трещины при малоцикловых усталостных испытаниях (стрелкой показано отклонение растущей трещины в зоне ликвационной полосы от магистрального направления) В процессе усталостных испытаний по линии перехода от ликвационной полосы к металлу происходит рост образующихся трещин и расслоение.

Вид излома образца с ликвационной полосой после проведения малоцик ловых усталостных испытаний приведен на рисунке 11.

Рисунок 11 – Вид излома образца после проведения малоцикловых усталостных испытаний (стрелкой показано отклонение растущей трещины в зоне ликвационной полосы от магистрального направления) С использованием полученной зависимости длины растущей трещины от числа циклов нагружения проводился отбор образцов для дальнейших испыта ний на срез.

В процессе исследований изучалось изменение прочности металла трубы на срез в зоне ликвационной полосы после различного числа циклов нагруже ния в условиях малоцикловой усталости.

Испытания проводились на разрывной машине Р-50 с применением спе циально разработанных захватов.

Вид образца для испытаний на срез приведен на рисунке 12, при этом ли квационная полоса находилась в середине сечения стенки трубы.

Рисунок 12 - Внешний вид образца для испытаний на срез Как показали результаты исследования, напряжения среза у образцов в исходном состоянии (до усталостных испытаний) составляют 375 МПа, а после 23500 циклов – 190 МПа. Изменение напряжений среза произошло на 49 % и началось примерно с 10000 циклов нагружения. Зависимость изменения напря жений среза от числа циклов нагружения приведена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Зависимость напряжений среза от числа циклов нагружения образцов Анализ полученных результатов показывает, что образование макротре щин вдоль ликвационной полосы в данном случае начинается в области циклов. Это можно считать началом расслоения стенки трубы.

Таким образом, срок внутритрубной диагностики трубопроводов из стали 17Г1С для выявления возможного расслоения стенки трубы из-за наличия в ней ликвационной полосы может назначаться исходя из Np =, (лет), (1) - цикличность изменения давления в трубопроводе, цикл/сут;

где Nр– количество циклов до начала расслоения.

Оценку работоспособности труб с ликвационной полосой можно прово дить используя критерий циклической прочности. Относительный показатель повреждаемости металла трубы в концентраторе напряжений для магистраль ных трубопроводов определяется по зависимости, предложенной М.Х. Султа новым:

n n D 2 (1+ с ) р mc раб вн П = П0 Np ) ( 2 n 1 (1 c ) (1+ c ), (2) где П0 – относительный показатель структурной повреждаемости металла;

n – коэффициент надежности по нагрузке;

- относительное сужение;

Рраб – рабочее давление, МПа;

n - коэффициент запаса по деформации;

- толщина стенки трубы, мм;

n - коэффициент запаса по напряжениям;

Dвн – внутренний диаметр трубы, мм;

mс – коэффициент условий работы металла;

Е – модуль упругости, МПа;

- коэффициент, характеризующий пластические свойства металла;

с – коэффициент деформационного упрочнения;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений.

С учетом относительного показателя повреждаемости металла трубы в концентраторе напряжений определяется коэффициент изменения рабочего давления в трубопроводе:

m y = (1 П )mc (1+ c ) 2. (3) Допускаемое рабочее давление в трубе с ликвационной полосой в этом случае определяется:

р = р раб m y. (4) При этом все входящие в (2), (3), (4) параметры являются характеристи ками трубы и определяются условиями эксплуатации по нормативным доку ментам, кроме коэффициента концентрации напряжений. Для его определе ния требуется проведение дополнительных исследований напряженно деформированного состояния металла труб в зоне ликвационной полосы.

В четвертой главе приведены модель и метод расчета напряженно деформированного состояния (НДС) металла труб в зоне ликвационной полосы методом конечных элементов (МКЭ).

Так как металл трубы с ликвационной полосой, как было показано выше, характеризуется неоднородностью механических свойств, то в процессе экс плуатации трубопроводов под действием внутреннего давления перекачиваемо го продукта в стенке труб должно создаваться неоднородное напряженно деформированное состояние. Анализ различных типов дефектов и всего много образия соответствующих им расчётных схем показал, что выполнить оценку напряжённо-деформированного состояния в различных зонах дефектных участ ков трубопровода при общей постановке задачи можно только с использовани ем численного метода расчёта, в качестве которого был выбран конечно элементный анализ, как один из наиболее эффективных методов решения ин женерных задач.

Конечно-элементный анализ участка трубопровода был выполнен в среде программного комплекса ANSYS10.0. Для определения напряжённо деформированного состояния в области перехода основного материала и лик вационной зоны была построена модель фрагмента трубопровода с ликвацион ной полосой в центральной части его поперечного сечения. С учетом значи тельной величины отношения диаметра трубы к толщине ее стенки фрагмент трубопровода был выполнен в виде пластины размером 100х50х10 мм. Пласти на находится под действием результирующих растягивающих нагрузок от дей ствия внутреннего давления анализируемого участка трубы.

Задача решалась в трехмерной (3D) постановке. Расчет выполняли в уп ругой области. Свойства основного материала трубы и ликвационной полосы приняты изотропными.

Исходные данные для расчета НДС трубы с ликвационной полосой сле дующие:

- металл трубы – сталь марки 17Г1С;

- рабочее давление 5,5 МПа;

- условный диаметр трубы – 820 мм, с толщиной стенки 10 мм;

- модуль упругости стали 2·105 МПа;

- коэффициент Пуассона 0,3;

- ликвационная полоса располагается в центре сечения стенки трубы, её толщина в расчётах принята 0,5 мм;

- коэффициент Пуассона 0,17;

- модуль упругости неметаллических включений 1,6·105 МПа.

Фрагмент трубопровода определен 3D октаэдрическим элементом перво го порядка «Solid 185». Общее число элементов в модели равно 17600.

Первоначально определялись интенсивность напряжений и деформаций для бездефектной трубы от внутреннего давления перекачиваемого продукта в ее части и полученные результаты использовались в последующих расчетах.

Участок ликвационной полосы занимает часть рассматриваемого фрагмента модели. Такая конструкция позволяет оценить НДС на границе раз дела основного материала и ликвационной полосы вдоль и поперек образую щей трубы. Модель фрагмента трубы с ликвационной полосой представлена на рисунке 14.

Необходимо отметить, что фрагмент трубы имеет две характерные по верхности: А - располагается поперек оси трубы, Б - вдоль оси трубы.

Граничные условия в модели были следующими. К поверхности А фраг мента трубы были равномерно приложены растягивающие напряжения, равные 207,52 МПа, вдоль направления оси OZ, которые создаются в стенке трубы от действия внутреннего давления. Противоположная поверхность закреплена от перемещения вдоль направлений ОZ.

Рисунок 14 - Конечно-элементная модель фрагмента трубы с ликвационной полосой Поверхность Б и противоположная ей поверхность закреплены от пере мещения вдоль направления оси ОX.

На рисунке 15 представлены эпюра распределения интенсивностей на пряжений и деформаций на поверхностях фрагмента трубы А и Б.

Результаты расчета показали, что значения напряжений в ликвационной полосе выше, чем в основном материале трубы, - 298,6 МПа и 202,0 МПа соот ветственно.

На границе перехода ликвационной полосы в основной материал наблю дается скачкообразное изменение величины интенсивности напряжений с 202, до 330,7 МПа.

а б Рисунок 15 - Эпюра распределения интенсивности напряжений (а) и ин тенсивности деформаций (б) в поперечном сечении фрагмента трубы Величина упругой деформации в аналогичных участках фрагмента трубы составляет соответственно 0,1 и 0,13%. Необходимо отметить, что в зоне пере хода от ликвационной полосы к основному материалу значение упругой де формации локально увеличивается до 0,15%.

На рисунке 16 а, б представлены эпюры распределения интенсивности напряжений и деформации на краях ликвационной полосы в теле фрагмента трубы, расположенные параллельно плоскостям А и Б. Максимальные значения интенсивности напряжений отмечены в ликвационной полосе и составляют ве личину 342,3 МПа, а величина интенсивности деформации в ней составляет 0,12%.

а б Рисунок 16 - Эпюра распределения интенсивности напряжений (а) и интенсивности деформаций (б) в поперечном сечении фрагмента трубы на границе раздела ликвационной полосы и основного металла Наибольшие значения интенсивности напряжений располагаются в про дольном направлении фрагмента трубы, а наименьшие - в поперечном направ лении.

В вершине ликвационной полосы значения интенсивности напряжений максимальны и составляют величину 342,3 МПа, а в стенке трубы – 203,4 МПа.

Таким образом, расчетное значение теоретического коэффициента кон центрации напряжений в указанной области составляет порядка 1,7.

Подставляя численные значения для рассматриваемых условий в (2), по лучаем 2 (1+0.42 ) 1.1 1.34 820 1.7 5.5 0. П = 0.772 10000 = 0.19, ( ) 2 0.5 2.1 105 10 1.34 0.551 (10.42 ) (1+0.42 ) m y = (1 0,19 ) 0, 5 (1+ 0, 42 ) = 0,93, р = 5,5 0,93 = 5,1 МПа.

Таким образом, проведенный расчет показал, что для обеспечения безо пасной эксплуатации трубопровода с учетом ликвационной полосы в рассмот ренном случае допускаемое рабочее давление необходимо снизить до 5,1 МПа.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1 Установлено, что для обеспечения безопасной эксплуатации трубопро вода срок внутритрубной диагностики должен назначаться с учетом возможно сти нахождения ликвационной полосы в стенке трубы и необходима корректи ровка рабочего давления при достижении предельного числа циклов нагруже ния, соответствующего началу расслоения.

2 Показано, что ликвационная полоса не оказывает влияния на значение механических характеристик стали при испытании на растяжение, но снижает прочность на срез после предварительных испытаний на малоцикловую уста лость. Для стали 17Г1С образование микротрещин по границе ликвационная полоса – металл начинается с 10000 циклов нагружения.

3 В зоне ликвационной полосы образцов из стали 17Г1С микротвердость выше, чем в основном металле (2800 Н/мм2 и 1700 – 1850 Н/мм2 соответствен но), что связано с наличием кристаллических фаз – MnO, SiO2, Al2O3, которые при скоплении образуют протяженный, твердый и хрупкий металлургический дефект в стенке трубы.

4 Установлено, что для труб с ликвационной полосой характерно нерав номерное напряженно-деформированное состояние. При этом максимальные значения напряжений создаются на границе металл - ликвационная полоса. Для исследуемой модели трубы из стали 17Г1С с ликвационной полосой толщиной 0,5 мм они составляют 342,3 МПа. При этом теоретический коэффициент кон центрации напряжений в указанной области равен 1,7.

5 Разработана методика для определения срока безопасной эксплуатации трубопроводов с ликвационной полосой, которая используется в ОАО «Урен гойтрубопроводстрой» и ООО «Сибрегионгазстрой» при оценке технического состояния магистральных трубопроводов.

Содержание работы опубликовано в 7 научных трудах, из которых № включен в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, вы пускаемых Российской Федерации, в соответствии с требованиями ВАК Ми нобразования и науки РФ:

1 Муфтахов М.Х., Бердин В.К., Худяков М.А., Закирничная М.М. Влия ние ликвационной полосы на распределение напряжений в стенке трубы// Неф тегазовое дело.- http://www.ogbus.ru/ authors/ Hudyakov/ Hudyakov_1.pdf.

2 Худяков М.А., Закирничная М.М., Муфтахов М.Х. Роль неметалличе ских включений в расслоении трубных сталей// Прикладная синергетика – II:

сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф.– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.– Т. 2.– С.

156 – 158.

3 Худяков М.А., Муфтахов М.Х. К вопросу о расслоении металла труб.

Мировое сообщество и пути решения: Сб. науч. статей.– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004.- № 16.- С. 36-39.

4 Худяков М.А., Муфтахов М.Х. Неметаллические включения в трубных сталях// Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса: материалы II межотраслевой науч.- практ. конф.- Уфа: Монография, 2005.– С. 300 – 301.

5 Худяков М.А., Муфтахов М.Х. Особенности расслоения трубных ста лей при циклических нагрузках// Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: материалы науч.-практ. конф., проводимой в рамках VI Конгресса нефтегазопромышлен ников России.– Уфа: ТРАНСТЭК, 2005.- С. 29-30.

6 Муфтахов М.Х., Худяков М.А., Закирничная М.М. Влияние неметалли ческих включений на механические свойства трубных сталей// Энергоэффек тивность. Проблемы и решения: тез. докл. науч.-практ. конф., проводимой в рамках V Российского энергетического форума.– Уфа: ТРАНСТЭК, 2005.– С.

139 – 145.

7 Муфтахов М.Х., Худяков М.А., Закирничная М.М. Определение напря женно-деформированного состояния металла трубы в зоне ликвационной поло сы методом конечных элементов// Трубопроводный транспорт – 2005: тез. докл.

Междунар. учеб.-науч.-практ. конф.- Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2005.– С.

220 - 221.