Обеспечение безопасной эксплуатации и долговечности длительно эксплуатируемых нефте- и нефтепродуктопроводов
На правах рукописи
ШАРНИНА ГУЛЬНАРА САЛАВАТОВНА ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НЕФТЕ- И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа - 2003 2
Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Халимов Андалис Гарифович кандидат технических наук Журавлев Герман Валентинович Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество «Уралтранснефтепродукт»
Защита состоится « 2 » июля 2003 г. в 1030 на заседании диссертационного со вета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом уни верситете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонав тов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственно го нефтяного технического университета.
Автореферат разослан « 2 » июня 2003 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 г. № 116-ФЗ нефтепроводы и нефтепродуктопроводы относятся к категории опасных производственных объ ектов. Госгортехнадзор России приводит данные о том, что в Российской Феде рации эксплуатируются 49,8 тыс. км нефтепроводов и 19,5 тыс. км нефтепро дуктопроводов, из которых соответственно 66 и 65 % эксплуатируются свыше 20 лет.
Анализ аварийности, выполненный Госгортехнадзором России, показы вает, что основными причинами аварий, случившихся в 1992 – 2000 гг., явля ются внешние физические воздействия на трубопроводы (34,7 %), нарушения норм и правил производства работ при строительстве и ремонте, отступления от проектных решений (24,7 %), коррозионные повреждения (23,5 %), наруше ния технических условий при изготовлении труб, деталей и оборудования (12, %), ошибочные действия эксплуатационного и ремонтного персонала (4,7 %).
Применительно к длительно эксплуатируемым нефтепроводам на эти причины накладываются особенности, определяемые уровнем техники и технологии строительства тех лет.
В эксплуатации находятся тысячи километров нефтепроводов и нефте продуктопроводов, построенных в 50 – 80 – е годы с применением газопрессо вой и электроконтактной сварки. Необходимость быстрого сооружения нефте проводов и нефтепродуктопроводов в сочетании с несовершенством техноло гии сварочных работ приводила к снижению качества строительно-монтажных работ, что явилось причиной возникновения различных дефектов в сварных со единениях и околошовных зонах. Длительность срока эксплуатации трубопро водов, непрерывно изменяющиеся параметры перекачки и окружающей среды способствовали увеличению количества коррозионных и усталостных повреж дений в сварных соединениях и металле труб.
Например, на нефтепроводе Туймазы-Уфа-II ( 377 мм), построенном в 1950 году, внутритрубная диагностика на участке протяженностью 52 км вы явила в сварных соединениях и стенках труб более 5000 дефектов различного характера (потери металла, вмятины, гофры, расслоения, коррозионные повре ждения стенки трубы, дефекты сварных соединений и т.п.). Эти повреждения снижают несущую способность линейной части магистрального нефтепровода по сравнению с проектной, что приводит к увеличению вероятности отказов и уменьшению срока безопасной эксплуатации нефтепровода.
В настоящее время в процессе диагностирования длительно эксплуати руемых нефтепроводов и нефтепродуктопроводов выяснилось, что прочность металла сварных соединений снизилась, в том числе и из-за наличия в них раз личных дефектов, но в то же время степень коррозионного износа и деформа ционного старения металла стенок труб позволяют дальнейшую эксплуатацию трубопроводов при условии, что будет обоснованно рассчитан ресурс безопас ной эксплуатации сварных соединений и стенок труб с дефектами.
Поэтому весьма актуальной становится задача определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефтепроводов и нефте продуктопроводов с дефектами сварных соединений и стенок труб, в том числе и трубопроводов со сварными соединениями, выполненными газопрессовой и электроконтактной сваркой. Хотя газопрессовая сварка при сооружении трубо проводов в настоящее время не применяется, но трубопроводы с газопрессовы ми сварными соединениями продолжают эксплуатироваться, и их количество достаточно велико, чтобы оценка срока их безопасной эксплуатации являлась достаточно актуальной в настоящее время, а электроконтактная сварка продол жает применяться при строительстве трубопроводов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ Определение ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируе мых нефтепроводов и нефтепродуктопроводов на основе анализа режима на гружения и концентрации напряжений в сварных соединениях и дефектах труб.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. Исследовать механические характеристики основного металла, металла швов и околошовных зон электродуговых сварных соединений и металла зоны сварки газопрессовых сварных соединений длительно эксплуатируемого неф тепровода.
2. Выполнить экспериментальные исследования малоцикловой долговеч ности металла сварных соединений и основного металла длительно эксплуати руемого нефтепровода.
3. Исследовать влияние отклонений формы сварных стыков и неравно мерности распределения механических характеристик по зонам сварных соеди нений, выполненных газопрессовой сваркой, на их напряженно деформированное состояние с использованием метода конечных элементов.
4. Разработать методику определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефтепроводов и нефтепродуктопроводов на осно ве анализа режима нагружения и концентрации напряжений в сварных соеди нениях и дефектах труб.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА 1. Механические характеристики металла сварных соединений, выпол ненных газопрессовой сваркой, на участках зоны сварки значительно ниже, чем характеристики металла электродуговых швов и основного металла;
малоцик ловая долговечность при циклических испытаниях на осевое растяжение ме талла сварных стыков, выполненных газопрессовой сваркой, меньше долговеч ности основного металла в 1,5 – 2 раза, а при изгибных циклических деформа циях – в 1,6 раз, что необходимо учитывать при определении разрешенного давления и ресурса безопасной эксплуатации нефте- и нефтепродуктопроводов.
2. С использованием метода конечных элементов определены коэффици енты концентрации напряжений для типичных форм сварных соединений, вы полненных газопрессовой сваркой. Значения коэффициентов концентрации сварных соединений, выполненных газопрессовой сваркой, определенные ме тодом конечных элементов, на 4,8 – 50,2 % выше значений теоретических ко эффициентов концентрации этих соединений в зависимости от формы сварного стыка.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ Результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы УГНТУ для расчета остаточного ресурса участка нефтепровода Туймазы – Уфа – II при выполнении заключения экспертизы промышленной безопасности «Экспертная оценка соответствия нефтепровода Туймазы – Уфа – 2 очередь требованиям промышленной безопасности Федерального закона «О промыш ленной безопасности опасных производственных объектов».
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты сравнительного анализа механических характеристик ме талла сварных соединений, выполненных газопрессовой и электродуговой сваркой, и основного металла длительно эксплуатируемого нефтепровода, рас пределения микротвердости по зонам сварных соединений и сравнительного анализа малоцикловой долговечности основного металла и металла сварных со единений, выполненных газопрессовой сваркой.
2. Предложенный в работе экспериментально-расчетный подход к оценке коэффициентов концентрации напряжений сварных соединений, выполненных газопрессовой сваркой, заключающийся в исследовании неравномерности рас пределения механических характеристик по зонам сварных соединений, по строении на этой основе расчетных моделей сварных стыков и расчете методом конечных элементов напряжений и деформаций в сварных стыках.
3. Методика определения ресурса безопасной эксплуатации нефтепрово дов и нефтепродуктопроводов на основе анализа режима нагружения и концен трации напряжений в сварных соединениях и дефектах труб.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 50-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 1999);
Втором научно-техническом семинаре «Обеспечение про мышленной безопасности производственных объектов топливно энергетического комплекса Республики Башкортостан» (Уфа, 1999);
51-й науч но-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2000);
межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы неф тегазовой отрасли» (Уфа, 2000);
III-м Конгрессе нефтегазопромышленников России (секция Н «Проблемы нефти и газа», Уфа, 2001).
ПУБЛИКАЦИИ По материалам диссертации опубликовано десять работ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников из 126 наименований, содержит 158 с. ма шинописного текста, 48 рисунков, 22 таблицы и 1 приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность выбранной темы диссерта ционной работы, цель работы, основные положения, выносимые на защиту, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность.
В первой главе «Анализ аварийности, причин отказов нефте- и нефте продуктопроводов, методов оценки их долговечности и концентрации напря жений в сварных соединениях и дефектах труб» выполнен анализ работ, по священных исследованию и обоснованию сроков безопасной эксплуатации нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.
Проведен анализ аварийности и причин отказов сварных соединений и основного металла труб нефте- и нефтепродуктопроводов. Установлено, что основными причинами отказов являются несовершенства проектных решений, заводской брак труб, брак строительно-монтажных работ, общая и язвенная коррозия, коррозионное растрескивание и коррозионная усталость металла нефтепроводов, нарушения правил эксплуатации, включающие ошибки обслу живающего персонала, механические повреждения трубопроводов сторонними организациями и ремонтной техникой в процессе эксплуатации.
Из анализа разрушений линейной части нефте- и нефтепродуктопроводов последних лет видно, что из всех случаев разрушений часто встречающимися являются разрушения по основному металлу труб, в зоне заводского (продоль ного) сварного шва, а также по монтажным (кольцевым) стыкам на трубопро водах, построенных в 1940 – 1950 годах, когда основными способами сварки труб были ручная электродуговая и газопрессовая сварка, а контроль сварных стыков не был налажен в достаточной степени. На трубопроводах, построенных в течение последних 20-25 лет, число разрушений по монтажным кольцевым стыкам практически незначительно.
Проведена оценка характеристик концентрации напряжений в сварных соединениях и дефектах труб нефте- и нефтепродуктопроводов.
Выполнен анализ методов оценки долговечности при циклическом на гружении нефтепроводов, расчета опасности дефектов, оценки работоспособ ности труб нефтепроводов, позволяющих оценить вероятность разрушения труб с дефектами, степень опасности и допустимости дефектов и прогнозиро вать ресурс труб с дефектами в условиях малоцикловой усталости. Сделан вы вод о том, что разработанные методики оценки долговечности имеют ряд не достатков. В нормативных документах и опубликованных работах не даются конкретные рекомендации по анализу режима нагружения нефтепроводов для использования в расчетах ресурса. В литературе практически не рассмотрены вопросы влияния формы, размеров и неравномерности распределения механи ческих характеристик по зонам сварных соединений, выполненных газопрессо вой и электроконтактной сваркой, на концентрацию напряжений. Неравномер ность распределения механических характеристик металла по зонам газопрес совых сварных соединений, а также их влияние на концентрацию напряжений не изучены, тогда как около 40 % аварий и разрушений приходится на сварные соединения.
В заключение первой главы на основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе металла сварных соединений и основ «Исследование ного металла труб длительно эксплуатируемого нефтепровода» исследованы изменения механических характеристик металла сварных соединений, выпол ненных газопрессовой (ГПС) и электродуговой (ЭДС) сваркой, и основного металла нефтепровода после длительного срока эксплуатации (50 лет). Прове дены испытания образцов из основного металла, металла швов и зон термиче ского влияния (ЗТВ) сварных соединений, выполненных ЭДС, и металла зоны сварки, включающей зону сплавления и зону влияния, сварных соединений, выполненных ГПС (сталь Ст4сп), на растяжение и ударный изгиб. Испытания на растяжение проводились на универсальной разрывной машине фирмы «MST» со скоростью деформации, равной 8·10-3 с-1, при комнатной температу ре. Испытания на ударный изгиб проводились на маятниковом копре МК-30 с энергией удара, равной 150 Дж. В результате испытаний определены механи ческие характеристики (предел прочности, предел текучести, относительное равномерное сужение, относительное сужение при разрыве) и значения удар ной вязкости для основного металла, металла швов и металла ЗТВ сварных со единений, выполненных ЭДС, и металла зоны сварки стыков, выполненных ГПС (табл. 1). Установлено, что механические характеристики металла зоны сварки стыков, выполненных ГПС, значительно ниже, чем характеристики ме талла электродуговых швов и основного металла. Значение предела прочности основного металла после 50 лет эксплуатации находится в пределах, указан ных в ГОСТ и сертификате на трубы. При испытаниях на ударную вязкость установлено, что в сварных швах и зонах термического влияния значения ударной вязкости более низкие по сравнению с основным металлом, что ука зывает на высокую вероятность хрупкого разрушения швов. Такие низкие зна чения могут быть обусловлены влиянием микроструктуры, а также наличием непроваров и пор, обнаруженных в швах. При этом для металла зоны сварки газопрессовых сварных стыков значения ударной вязкости ниже, чем для ме талла электродуговых швов и основного металла, что, по-видимому, обуслов лено сильным наклепом ферритных зерен.
Таблица Механические характеристики основного металла и металла сварных соединений (сталь Ст4сп) Наименование Средние значения механических характеристик* металла Предел Предел Относит. Относит. Ударная текучести прочности удлинение сужение вязкость 0,2, МПа В, МПа при разры, % KCV, Дж/см ве к, % Основной металл (кольцевое направление) 270 494 31 47 Основной металл (осевое направление) 284 505 28 43 Сварной шов (электродуговая сварка) 299 515 22 39 ЗТВ (электродуговая сварка) 286 487 25 47 Металл зоны сварки (газопрессовая сварка) 227 397 20 35 Ст4сп по ГОСТ 14637- (поперечное напр-е) 265 410-530 23-26 Ст4сп по ГОСТ 19282- (продольное напр-е) 265 410-530 23-26 Сертификат на трубы - 455-565 21-30 - * - Средние значения механических характеристик устанавливались по испытаниям образцов для каждой группы образцов - основного металла и металла сварных соединений Для определения реальной прочности металла сварных соединений проводились испытания на растяжение образцов с уже имеющимися дефектами в корне швов, выполненных электродуговой сваркой (непровары и подрезы), и в зоне сварки стыков, выполненных газопрессовой сваркой (несплавления в стыках), причем наружная и внутренняя поверхности образцов механически не обрабатывались. Для образцов сварных соединений, выполненных ЭДС, раз рушение прошло по швам;
для образцов сварных соединений, выполненных ГПС, - по металлу зоны сплавления или в непосредственной близости от зоны сплавления. Установлено, что реальная прочность на растяжение металла свар ных швов, выполненных ЭДС, ниже значений предела прочности металла этих швов, установленного на стандартных образцах, в 2 раза, а реальная прочность металла зоны сварки стыков, выполненных ГПС, ниже значений предела проч ности металла зоны сварки этих стыков в 1,5 раза.
С целью определения предельного числа циклов до разрушения и зави симости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения были прове дены испытания на малоцикловую усталость натурных образцов основного ме талла и сварных соединений труб. Испытания проводились по схеме чистого изгиба по симметричному циклу. Наружная и внутренняя поверхности образ цов не обрабатывались, их толщина соответствовала толщине металла труб.
Контроль над моментом образования и роста усталостных трещин проводился с помощью бинокулярного микроскопа МБС-10. Установлены средние значения долговечности для образцов из основного металла и сварных соединений, вы полненных газопрессовой и электродуговой сваркой, построены графики зави симости длин усталостных трещин на образцах сварных соединений, выпол ненных ЭДС и ГПС, от числа циклов нагружения. Разрушение образцов свар ных соединений проходило, как правило, по основному металлу (для ГПС) или в зоне перехода от шва к основному металлу (для ЭДС). Определены значения остаточной долговечности в условиях циклически изменяющихся нагрузок с использованием графиков зависимости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения.
Проведено исследование малоцикловой долговечности металла сварных соединений, выполненных газопрессовой сваркой, и основного металла дли тельно эксплуатируемого нефтепровода при циклических испытаниях на осевое растяжение и изгиб.
Циклические испытания на осевое растяжение образцов из металла свар ных стыков, выполненных газопрессовой сваркой, и основного металла (сталь Ст4сп) проведены по ГОСТ 25.502-79. Испытания проводились при асиммет ричном мягком нагружении с частотой нагружения 5 Гц при максимальном на пряжении, равном пределу прочности, определенному именно для этой стали предварительными испытаниями на однократное растяжение для основного ме талла и металла газопрессового стыка. Образцы испытывались на 4-х уровнях напряжений (0,25, 0,5, 0,75, 0,9в), на каждом уровне по 5 образцов из основно го металла и по 3 образца из металла газопрессовых сварных стыков. В резуль тате испытаний определено предельное число циклов до разрушения на каждом уровне нагружения для основного металла и металла сварных стыков, выпол ненных газопрессовой сваркой, и построены кривые усталости, кривые распре деления долговечности по уровням напряжений и кривые усталости для раз личных вероятностей разрушения (Р = 10, 30, 50, 70, 90 %) (рис. 1, 2) для образ цов из основного металла и металла газопрессовых сварных стыков.
Уровень максимальных напряжений, 4 МПа 100 1000 10000 100000 Число циклов до разрушения N Рис. 1. Кривые усталости для различных вероятностей разрушения при цикли ческих испытаниях на осевое растяжение для основного металла:
1 – Р = 90 %;
2 – Р = 70 %;
3 – Р = 50 %;
4 – Р = 30 %;
5 – Р = 10 % Циклическими испытаниями на осевое растяжение образцов из металла сварных стыков, выполненных газопрессовой сваркой, и основного металла длительно эксплуатируемого нефтепровода установлено, что долговечность ме талла газопрессовых сварных стыков в среднем в 1,5 – 2 раза меньше долговеч ности основного металла.
4 Уровень максимальных напряжений, МПа 2 100 1000 10000 100000 Число циклов до разрушения N Рис. 2. Кривые усталости для различных вероятностей разрушения при цикли ческих испытаниях на осевое растяжение для металла газопрессовых стыков:
1 – Р = 90 %;
2 – Р = 70 %;
3 – Р = 50 %;
4 – Р = 30 %;
5 – Р = 10 % Проведены циклические испытания на изгиб образцов из основного ме талла длительно эксплуатируемого нефтепровода (сталь Ст4сп). Образцы ис пытывались на установке для испытаний на малоцикловую усталость при сим метричном мягком нагружении по схеме поперечного изгиба с частотой нагру жения 10 циклов в минуту, при температуре 20°С. Построены усталостные кри вые, кривые распределения долговечности по уровням напряжений и кривые усталости для различных вероятностей разрушения (Р = 10, 30, 50, 70, 90 %) для образцов из основного металла.
В третьей главе «Анализ напряженно-деформированного состояния свар ных соединений длительно эксплуатируемых нефтепроводов» проведена оцен ка концентрации напряжений в сварных соединениях, выполненных газопрес совой сваркой, длительно действующего нефтепровода методом конечных эле ментов (МКЭ). В работе использован вычислительный комплекс программ МКЭ ANSYS 5.5.3. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) в газопрессовых сварных стыках нефтепровода проведено двумя мето дами: по упругой модели и по упругопластической модели.
По упругой модели расчеты напряженно-деформированного состояния вы полнены отдельно на действие внутреннего давления и на действие суммарных продольных напряжений от совместного действия внутреннего давления и по ложительного перепада температур. Расчет осуществлялся для четырех типов геометрических форм газопрессовых сварных стыков (рис. 3).
Тип 1 Тип Тип 3 Тип Рис. 3. Конечно-элементные модели основных типов геометрических форм газопрессовых сварных стыков: тип 1 и тип 2 – формы стыков, встречающиеся в 75 – 80 % случаев;
тип 3 – в 15 – 20 % случаев;
тип 4 – до 5 % случаев Напряженно-деформированное состояние при действии внутреннего дав ления имеет две отличительные особенности: появление касательных напряже ний разного знака в зонах, примыкающих к основанию усиления шва (рис. 4, а);
деформация удлинения кольцевого сечения от действия внутреннего давле ния значительно больше удлинения зоны стыка, что приводит к появлению из гибных деформаций и напряжений по границам сварного стыка (рис. 4, б).
От действия внутреннего давления по упругой модели рассчитаны мак симальные значения главных 1, изгибных х, касательных напряжений ху и интенсивностей напряжений i в местах наибольшей концентрации напряже ний для сварного стыка типа 2;
рассчитаны номинальные значения этих напря жений в гладкой части стенки трубы на достаточном удалении от концентрато ра и определены условные коэффициенты концентрации главных, осевых, ка сательных напряжений и коэффициенты концентрации интенсивности напря жений сварного стыка типа 2 (табл. 3.1).
а б Рис. 4. Распределение изополос касательных xy (а) и изгибных х (б) напряже ний от действия внутреннего давления в зоне сварного стыка типа Анализ результатов расчетов по упругой модели от действия внутреннего давления показывает, что в газопрессовых сварных стыках наиболее часто встречающихся типов (типа 1 и 2) концентрация главных напряжений и интен сивностей напряжений от действия внутреннего давления незначительна при достаточно большом уровне номинальных напряжений. В то же время значи тельные неравномерности распределения изгибных и касательных напряжений даже при общем меньшем уровне их значений могут привести к снижению на дежности газопрессовых стыков, особенно на криволинейных участках и на выходе из насосных станций.
При расчете по упругой модели от действия суммарных продольных на пряжений получены распределения изополос главных напряжений 1 и интен сивностей напряжений i для газопрессовых сварных стыков типов 1, 2, 3, 4.
Рассчитаны максимальные значения главных напряжений и интенсивностей напряжений в местах наибольшей концентрации напряжений, значения напря жений в гладкой части стенки трубы на достаточном удалении от концентрато ра, принимаемые за номинальные напряжения, а из их соотношения рассчи таны условный коэффициент концентрации главных напряжений и коэффици ент концентрации интенсивности напряжений (см. табл. 2).
Таблица Напряжения и коэффициенты концентрации напряжений, определяемые по упругой модели от действия продольных суммарных напряжений.
Тип образца по геометрической форме Наименование № исследуемого параметра 1 2 3 Главные напряжения 1, МПа:
- максимальные 1 max 1 25,12 22,78 80,97 227, - номинальные 1 н 11,183 10,1 17,79 25, Условный коэффициент концентрации 2 2,25 2,26 4,55 8, главных напряжений Интенсивность напряжений i, МПа:
- максимальные i max 3 25,12 23,97 80,07 251, - номинальные i н 8,38 8,04 17,79 27, Коэффициент концентрации интенсив 4 2,99 2,98 4,50 9, ности напряжений i Интенсивность упругих деформаций 0,16·10-3 0,14·10-3 0,5·10-3 1,41·10- i Из анализа результатов видно, что даже при отсутствии радиальных и уг ловых смещений свариваемых кромок труб усиление и грат, образовавшиеся при осаживании свариваемых труб (стыки типа 1 и 2), дают значения коэффи циентов концентрации интенсивности напряжений, равные 2,98 – 2,99 на за кругленных участках сварного стыка. Радиальные смещения кромок с поворо том плоскости сплавления (стык типа 3) даже при наличии закруглений у осно ваний выступов увеличивают коэффициент концентрации в 1,5 и более раз, а такие же дефекты с острыми углами, образовавшимися при выдавливании ме талла зоны влияния (стык типа 4), имеют коэффициент концентрации в 3 раза больший по сравнению с коэффициентами концентрации образцов типа 1 и 2.
Установлено, что значения коэффициентов концентрации напряжений га зопрессовых сварных стыков типа 1, 2, 3, 4, определенные методом конечных элементов по упругой модели, на 4,8 – 50,2 % выше, чем значения теоретиче ских коэффициентов концентрации этих стыков.
Оценка напряженно-деформированного состояния сварных стыков по не линейной упругопластической модели осуществлялась итерационным мето дом - методом касательной жесткости Ньютона – Рафсона. Для расчетов НДС сварных стыков с использованием нелинейной упругопластической модели зона сварного стыка разбивалась на участки со значениями твердости металла одного уровня. Основой для определения границ участков с различными зна чениями твердости и других механических характеристик являются данные измерений микротвердости основных типов сварных соединений, выполнен ных газопрессовой и электродуговой сваркой. Определение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 алмазной пирамидой с углом при вершине 136 и нагрузкой 100 г. Диаграммы распределения микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения типа 1 и электродугового сварного со единения представлены на рис. 5, 6.
Рис. 5. Распределение микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения типа По результатам исследований микротвердости установлено:
- микротвердость металла электродугового сварного шва на 13 % выше микротвердости зоны термического влияния и на 20 % выше микротвердости основного металла;
- микротвердость металла зоны сплавления газопрессового сварного сты ка на 4 % ниже микротвердости металла зоны влияния и на 3 % выше значения микротвердости основного металла;
- распределение микротвердости по зонам газопрессового сварного со единения носит неравномерный характер. Максимальное значение микротвер дости выявлено на расстоянии 6 - 7 мм от зоны сплавления и выше значения микротвердости основного металла на 7 %.
Рис. 6. Распределение микротвердости по зонам электродугового сварного соединения Для газопрессовых сварных стыков типа 3 и 4 использовались значения микротвердости, замеренные по направлению, перпендикулярному линии сплавления стыков. Каждый участок со значениями твердости одного уровня является конечным элементом - твердым телом с характеристиками пластично сти, прочности и деформируемости, характеризующими значениями твердости.
В результате расчетов получены твердотельная модель нелинейных упруго пластичных элементов, распределения по участкам сварного стыка типа 3 изо полос главных напряжений 1, изополос полных упруго-пластических дефор маций растяжения pl и осевых упруго-пластических деформаций удлинения хpl. Выявлено направление развития зон сдвиговых деформаций pl под дейст xy вием касательных напряжений хy для образца типа 3.
В четвертой главе «Определение ресурса безопасной эксплуатации дли тельно эксплуатируемых нефтепроводов и нефтепродуктопроводов» разработа на методика определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуа тируемых нефте- и нефтепродуктопроводов на основе анализа режима нагру жения, принципа линейного накопления повреждений и концентрации напря жений в сварных соединениях и дефектах труб.
По принципу линейного накопления повреждений суммарное поврежде ние за один год определяется по формуле N1 N 2 Ni П1год = + +... +, (1) N1 N 2 Ni где N1, N2 – число циклов нагружения при режимах 1 и 2 за один год;
N1*, N2* - число циклов, которое может выдержать до разрушения нефтепро вод с дефектом при режимах 1 и 2, включающее оба этапа усталостного разру шения – этап зарождения и этап роста трещины;
Ni - число циклов нагружения при i-том режиме за один год;
Ni* - общее число циклов до разрушения, которое может выдержать нефте провод с дефектом при i-том режиме.
Уровень накопленных повреждений П за все время эксплуатации опреде ляется как сумма ежегодных повреждений нефтепровода в течение всего срока эксплуатации по формуле n П = Пi, (2) i = где n – количество лет, в течение которых эксплуатировался нефтепровод.
Ресурс безопасной эксплуатации определяется по формуле R = 1 – П. (3) Проведен анализ режимов нагружения нефтепроводов с приведением не симметричного режима нагружения к эквивалентному отнулевому и разбиени ем диапазона изменения рабочего давления на промежутки, называемые клас сами. Приведение несимметричного процесса нагружения к эквивалентному отнулевому производится по соотношению Р = Pmax – kno · Pmin, (4) где kno – уровень оптимизма.
Для различных значений уровня оптимизма (kno) получаются оценки эк вивалентного процесса нагружения: от крайне пессимистической (kno = 0) до крайне оптимистической (kno = 1). Реалистической позиции соответствует про межуточное значение коэффициента приведения kno = {0;
1}.
Подсчитывается количество размахов давлений, попадающих в каждый класс, за контрольный период (в данном случае, за год) при различных уровнях оптимизма. По количеству размахов рабочих давлений в каждом классе опре деляются фактические числа циклов нагружения нефтепровода N1… Ni за каж дый год для каждого из n классов. Расчет для длительно эксплуатируемых неф тепроводов предпочтительно вести с позиции крайнего пессимизма, с запасом.
Общее число циклов до разрушения нефтепровода с дефектом при цик лическом нагружении определяется как сумма числа циклов на этапе зарожде ния трещины в дефекте, рассчитываемого из уравнения Коффина – Мэнсона, и числа циклов на этапе развития трещины, определяемого по уравнению Пэриса – Махутова. При расчете числа циклов нагружения на этапе зарождения трещи ны в уравнение Коффина-Мэнсона подставляется амплитуда истинной дефор мации в вершине зарождающейся трещины в дефекте при несимметричном на гружении, приведенная к эквивалентному симметричному виду.
В данной работе в качестве примера произведена оценка ресурса безо пасной эксплуатации участка длительно эксплуатируемого нефтепровода Туй мазы - Уфа – II с дефектом газопрессового сварного соединения в виде отклоне ния формы стыка.
Выполнен анализ режимов нагружения длительно эксплуатируемого неф тепровода Туймазы – Уфа – II на участке Языково - Нурлино, введенного в экс плуатацию в 1950 году, за два интервала времени – с 1950 по 1995 год (когда предельное разрешенное рабочее давление в нефтепроводе составляло 4,0 МПа) и с 1996 года до настоящего времени (при предельном разрешенном давлении 2,5 МПа). Анализ выполнен по данным о суточных колебаниях рабочего давле ния за 1989 и 1998 годы, в течение которых наблюдалась наибольшая неста бильность в работе изучаемого участка нефтепровода, частые и значительные колебания давления в нефтепроводе и довольно длительные простои. Построе ны графики изменения рабочего давления в исследуемом нефтепроводе, прове дено сопоставление характера нагружения, сделаны выводы по поводу возмож ности возникновения внезапных отказов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. В длительно эксплуатируемых нефте- и нефтепродуктопроводах со сварными соединениями, выполненными газопрессовой сваркой, механические характеристики металла зоны сварки газопрессовых сварных соединений на – 35 % ниже характеристик основного металла, что вынуждает ограничивать уровень напряжений и величину изгибных деформаций в трубопроводах при эксплуатации и капитальном ремонте.
2. Малоцикловая долговечность при циклических испытаниях на осевое растяжение металла зоны сварки газопрессовых сварных соединений в 1,5 – раза меньше долговечности основного металла. При изгибных циклических де формациях сварных соединений разрушения происходят в зонах влияния свар ных соединений, причем долговечность металла зоны сварки газопрессовых сварных стыков в 1,6 раз меньше долговечности основного металла, а долго вечность металла шва, выполненного электродуговой сваркой, - в 1,75 раз.
3. Значения коэффициентов концентрации напряжений сварных соедине ний, выполненных газопрессовой сваркой, определенные методом конечных элементов по упругой модели, на 4,8 – 50,2 % выше, чем значения теоретиче ских коэффициентов концентрации напряжений. Установленные коэффициен ты концентрации напряжений газопрессовых стыков позволяют оценить значе ния напряжений для определения срока безопасной эксплуатации нефте- и неф тепродуктопроводов.
4. Разработанная методика определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефтепроводов и нефтепродуктопроводов на осно ве анализа режима нагружения и концентрации напряжений в сварных соеди нениях и дефектах труб использована для расчета остаточного ресурса участка нефтепровода Туймазы – Уфа – II при выполнении заключения экспертизы промышленной безопасности «Экспертная оценка соответствия нефтепровода Туймазы – Уфа – 2 очередь требованиям промышленной безопасности Феде рального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 1. Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.), Рафиков С.К., Кузеев И.Р. Анализ ре жимов загружения магистральных нефтепроводов// Материалы 50-й научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Сб. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. – С. 3 – 4.
2. Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.), Рафиков С.К. К определению малоцик ловой долговечности нефтепроводов в условиях сложного режима загружения// Материалы 50-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Сб. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. – С. 58 – 59.
3. Набиев P.P., Хаматдинов 3.3., Насыров Р.3., Шаммазов А.М., Рафиков С.К., Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.), Наумкин Е.А. Исследование малоцикловой усталости металла гладких дефектов труб нефтепроводов// Обеспечение про мышленной безопасности производственных объектов топливно энергетического комплекса Республики Башкортостан: Материалы Второго на учно-технического семинара. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. - С. 67-74.
4. Худяков М.А., Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.) Малоцикловая долговеч ность основного металла и сварных соединений труб старых нефтепроводов// Обеспечение промышленной безопасности производственных объектов топ ливно-энергетического комплекса Республики Башкортостан: Материалы Вто рого научно-технического семинара. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. – С. 143-147.
5. Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.), Худяков М.А. Изучение механических свойств металла сварных стыков длительно эксплуатирующихся нефтепрово дов// Материалы 51-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Сб. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. – С. 93 – 94.
6. Худяков М.А., Рафикова Г. С. (Шарнина Г.С.) Исследование механиче ских свойств основного металла и сварных соединений длительно эксплуати руемых нефтепроводов. – М.: Изд-во ООО «ИРЦ Газпром»/ НТС по серии:
Транспорт и подземное хранение газа. - 2000. - № 6. – С. 20 – 33.
7. Кузеев И.Р., Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.) Оценка остаточного ресурса нефтепроводов, работающих при несимметричном нагружении// Материалы межрегиональной научно-методической конференции «Проблемы нефтегазовой отрасли»: Сб. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. - С. 152.
8. Рафикова Г.С. (Шарнина Г.С.) Определение гармонических состав ляющих напряжений в нефтепроводе с помощью Фурье-анализа при несиммет ричном нагружении// Материалы межрегиональной научно-методической кон ференции «Проблемы нефтегазовой отрасли»: Сб. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000.
– С. 153 – 154.
Рафиков С.К., Шарнина Г.С. Исследование напряженно 9.
деформированного состояния газопрессовых стыков магистральных нефтепро водов методом конечных элементов// III Конгресс нефтегазопромышленников России. Секция Н «Проблемы нефти и газа»: Сб. научн. тр.- Уфа: Изд-во «Реак тив», 2001. – С. 270.
10. Шарнина Г.С., Буренин В.А., Рафиков С.К. Определение остаточного ресурса нефтепроводов с дефектами на основе анализа режима нагружения и принципа линейного накопления повреждений// Сооружение и ремонт газонеф тепроводов и газонефтехранилищ: Сб. научн. тр.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. – С. 210 – 217.