авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка метода оценки работоспособности нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 681.518.5:665.632.013.002.5

Смирнов олег Викторович

Разработка метода оценки работоспособности
нефтегазопроводов по твердости
с малой нагрузкой

Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ухта – 2008

Диссертация выполнена в Ухтинском государственном техническом университете
и ООО «Газпром трансгаз Ухта»

Научный руководитель: кандидат технических наук
Александр Сергеевич Кузьбожев
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Василий Иванович Кучерявый
кандидат технических наук
Владимир Тимофеевич Фёдоров
Ведущая организация: филиал ООО «Лукойл-Коми» -
«Печорнипинефть»

Защита состоится 17 октября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете по
адресу: 169300, г.Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Автореферат разослан 15 сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Н.М. Уляшева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации газопроводов является важнейшей задачей нефтегазотранспортных предприятий. Решение этой задачи связано, преимущественно, со снижением коррозионной повреждаемости труб, однако, аварийные разрушения трубопроводов связаны не только с коррозией.

Так, для материала, вырезанного из аварийно разрушившихся труб магистрального газопровода ООО «Севергазпром», характерно изменение механических свойств, что доказывают результаты испытаний на статическое растяжение: снижены показатели относительного удлинения после разрыва и увеличено отношение условного предела текучести к пределу прочности.

Следовательно, надежность трубопроводов обусловлена текущим функциональным состоянием металла труб, при этом для обеспечения работоспособности необходимо выполнение как минимум двух условий. Во-первых, необходимо выполнение условия прочности металла в каждой точке трубопровода, проверяемое путем сравнения механических свойств металла с величиной действующих нагрузок с помощью известных теорий прочности. Во-вторых, пластические характеристики металла должны соответствовать нормативу для случая спонтанного непрогнозируемого изменения нагрузки. Последнее условие проверяется только статическими или динамическими испытаниями с разрушением образцов.

Вместе с тем, в достаточной степени методы оценки работоспособности металла нефтегазопроводных труб без их разрушения не разработаны.

Это означает, что разработка неразрушающего метода оценки работоспособности металла нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой, позволяющего локализовать участки трубопроводов с повышенными напряжениями или неприемлемыми механическими свойствами, является весьма актуальной научно-технической задачей.

Работа базируется на результатах научных работ многих ученых и исследователей, среди которых: В.К. Бабич, М.П. Берштейн, В.В. Болотов, П.П. Бородавкин, В.Н. Вигдорович, В.М. Глазов, Д.Б. Гогоберидзе, В.К. Григорович, В.Н. Давиденков, Г.Д. Дель, О.М. Иванцов, А.А. Ильюшин, Д. Коллинз, Д. Коттрел, В.В. Клюев,
М.П. Марковец, Б.В. Мотт, Ю.Н. Работнов, А.М. Семин, А.Т. Туманов, М.Н. Щербинин и др.

Цель работы. Разработать метод оценки работоспособности металла действующих нефтегазопроводов путем измерения твердости с малой нагрузкой (ТМН).

Задачи исследования:

  1. Разработать методику измерения ТМН и расчета статистических характеристик распределений ТМН.
  2. Определить зависимость изменения статистических характеристик ТМН от механических напряжений, возникающих в металле при приложении статической нагрузки.
  3. Установить критерии достижения металлом предела текучести по ТМН.
  4. Определить зависимость пластических свойств стали от статистических характеристик распределений ТМН.
  5. Установить зависимость статистических характеристик распределений ТМН от плосконапряженного состояния и циклической нагрузки путем проведения стендовых испытаний.
  6. Оценить экономическую эффективность разработанных решений.

Научная новизна:

- Впервые экспериментально установлено, что в упругой области нагружения образцов стали 17Г1С зависимость дисперсии вариационного ряда ТМН от напряжений описывается моделями общего вида : =КS2 – N, где N и К показатели, зависящие от предела прочности образцов:

К=-210-4 в2+0,232 в- 66,99; N=10,27 в- 6409,5.

- Впервые зафиксировано, что при достижении физического предела текучести, определяемого по началу появления полос скольжения в металле, происходит увеличение дисперсии ТМН на величину более чем 95%.

- Впервые экспериментально установлена зависимость среднего коэффициента асимметрии вариационного ряда ТМН от относительного удлинения после разрыва, определяемого при пошаговом одноосном растяжении металла:
= - 0,07+1,56.

- Стендовыми испытаниями установлено, что действие циклирования внутреннего давления с его подъемом и сбросом может изменять состояние металла аналогично действию высоких статических нагрузок, что определяется по резкому увеличению дисперсии ТМН.

- Результатами полевых и стендовых испытаний доказано, что зависимость дисперсии ТМН от величины двухосных напряжений, возникающих в металле труб от внутреннего давления и изгиба, аналогична зависимостям, полученным в лабораторных условиях при одноосном растяжении.

Основные защищаемые положения:

  • методика оценки состояния металла трубопроводов измерением ТМН;
  • критерии оценки состояния металла, определяемые по статистическим показателям вариационного ряда ТМН;
  • результаты лабораторных испытаний образцов труб на ТМН в условиях деформирования растяжением;
  • результаты испытания металла на ТМН, полученные на промышленном стенде и на действующих объектах газотранспортной системы.

Практическая ценность заключается в разработке неразрушающего метода оценки состояния металла нефтегазопроводов в процессе эксплуатации, при этом определяются механические свойства металла, а также адекватность восприятия металлом существующих внешних нагрузок. Метод также позволяет оценить динамику изменения свойств металла во время эксплуатации, что позволяет спрогнозировать ресурс его работоспособности.

Метод внедрен на надземной трубопроводной обвязке газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций КС-14 и КС-15 ООО «Севергазпром». По результатам внедрения получен экономический эффект – 2,67 млн. руб., при использовании метода на двенадцати компрессорных станциях ООО «Севергазпром» ожидаемый экономический эффект за 7 лет составит более 11 млн. руб. с учетом дисконтирования денежных потоков.

По материалам исследований получены положительные решения о выдаче патентов на изобретения РФ по двум заявкам, что свидетельствует о новизне и промышленной применимости полученных в работе результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

  • на Всероссийской конференции «Большая нефть: реалии, перспективы. Нефть и газ Европейского Северо-Востока» (УГТУ, г. Ухта, 2003 г.);
  • III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г. Тюмень, 2005 г.);
  • 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУНиГ им. И.М. Губкина, г. Москва, 2007 г.);
  • 4-й и 6-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (БГИТА, г. Брянск, 2004 и 2006 гг.);
  • 14-й Международной конференции «Современные средства и методы неразрушающего контроля и технической диагностики» (г. Ялта, 2006 г.);
  • Конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ (г. Ухта, 2005, 2006, 2007 гг.);
  • Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.);
  • Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (PITSO-2007) (ООО «ВНИИГАЗ», г. Москва, 2007 г.).

Материалы диссертации включены в учебный процесс кафедры «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» Ухтинского государственного технического университета по дисциплине «Технология металлов и трубопроводостроительных материалов».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 7 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 183 страницы текста, 87 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 136 наименований и приложение.

Содержание работы

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

В первой главе «Анализ состояния средств и методов оценки состояния металла нефтегазопроводов» рассмотрен пример разрушения магистрального газопровода, в котором разрушение связано не с действием коррозионных процессов, а со снижением функциональных свойств металла из-за длительной эксплуатации в условиях высоких нагрузок. Установлено, что для материала, вырезанного из аварийно разрушившихся труб, характерно снижение пластических свойств.

Наиболее точно характеристики материала определяются по результатам механических испытаний, в т.ч. методом релаксации напряжений. Однако основным недостатком, ограничивающим применение данных методов в эксплуатационных условиях, является разрушающий характер испытаний.

Существуют методы оптического микроанализа и электронной микроскопии. Практическими недостатками методов является необходимость использования дорогостоящего оптического оборудования, не приспособленного к работе на действующих трубопроводах, а также техническая сложность операций по подготовке поверхности в полевых условиях металлографическому анализу. Кроме этого, оптический метод позволяет фиксировать лишь критическое состояние металла, связанное с образование первичных деструктивных систем, например, полос скольжения. Электронная микроскопия дает информацию о подготовке материала к разрушению, однако метод еще более сложен и локален.

Разработаны магнитные методы структурного анализа металла трубопроводов. Однако, имеется большое количество факторов, влияющих на магнитные параметры, учет которых необходимо производить при измерениях: макродефекты металла, напряженное состояние, состав стали, неметаллические включения, размер зерен, режим термообработки и др.

Наконец, для оценки механических свойств металла нефтегазопроводов наиболее приемлемы методы определения твердости и микротвердости. Определение макротвердости широко применяют для оценки характеристик механических свойств металла нефтегазопроводов, используя при этом различные регрессионные модели. Однако макротвердость очень косвенно отражает пластические свойства металла, а также его способность противостоять развитию трещин. В этом случае наиболее подходит метод определения микротвердости, который применяют для оценки характеристик механических свойств отдельных структурных составляющих многофазных сплавов, в т.ч. сталей. По микротвердости можно проследить механизмы преобразований в структуре стали, которые ведут к старению или усталости, и в итоге, к разрушению трубопроводов. Однако применительно к наиболее широко используемым трубным сталям такие критерии разработаны недостаточно. К тому, же метод микротвердости, как и методы микроанализа, достаточно сложен и требует доработки стандартного оборудования, которое годится для использования его только на образцах-шлифах. Для исследований на стенде и промышленных объектах стандартное оборудование не подходит.

Это предопределяет необходимость разработки метода оценки работоспособности металла действующих нефтегазопроводов путем измерения твердости с малой нагрузкой, базирующейся на основе результатов лабораторных, стендовых и промышленных испытаний, что и является целью настоящей работы.

Во второй главе «Разработка методики исследования свойств металла по статистическим параметрам твердости» на основе сравнительного анализа установлено, что из трех известных видов измерения твердости, отличающихся по величине нагрузки, прилагаемой к индентору, твердость с малой нагрузкой является наиболее оптимальной для оценки состояния металла нефтегазопроводов в условиях эксплуатации. С одной стороны, метод дает возможность измерять твердость отдельных структурных составляющих стали, с другой – некритичен к условиям измерения, отличающимся от лабораторных: вибрации, некачественной подготовке поверхности, высоким или низким температурам, кривизне поверхности и т.д. Кроме этого, метод измерения ТМН реализуется с помощью портативных ультразвуковых твердомеров, достоинством которых является простота, высокая скорость и точность измерения, обусловленная тем, что величина отпечатка измеряется под нагрузкой, а не после извлечения индентора.

В работах В.И. Кучерявого, Е.Е. Зорина, Н.Г. Макаровой показано, что структурные изменения, происходящие в металле под действием нагрузки, можно оценить по результатам многократных измерений микротвердости. При этом определяют состояние металла в сравнении с исходным состоянием, объединяя статистические показатели в едином показателе поврежденности металла. Вместе с тем, такой подход разработан недостаточно. Во-первых, исходное распределение микротвердости в конкретном месте измерения на трубопроводе установить не возможно, во-вторых, определение микротвердости, как уже упоминалось, достаточно сложно практически. В третьих, самое важное, микротвердость существенно реагирует на приложение внешних сил, что не учитывается. В общем, увеличение интервала, стандартной ошибки, среднеквадратического отклонения, дисперсии свидетельствует об увеличении разброса показаний, что может быть связано со снижением твердости наименее прочных фаз, увеличением твердости прочных участков или совместным действием обоих явлений. Анализ изменения моды, медианы, коэффициента асимметрии и эксцесса рассеяния, может указать какие процессы упрочнения или разупрочнения металла доминируют в металле при его нагружении.

Для испытаний образцов на твердость с малой нагрузкой в условиях статического деформирования растяжением разработана методика, предусматривающая подготовку поверхности образца механическим полированием, пошаговое растяжение образцов с измерением в трех областях образца (в центре и по краям) ТМН в количестве 100 раз, расчет статистических показателей измеренных значений ТМН, анализ результатов испытания, в том числе сравнение полученных данных с механическими характеристиками, полученными при испытании материала до разрушения. По результатам анализа устанавливают критерии функционального состояния металла на основе статистических показателей ТМН.

В третьей главе «Лабораторные испытания образцов в условиях растягивающей нагрузки» для исследования были отобраны образцы трубной стали 17Г1С различных заводов-производителей. Четыре серии образцов вырезались из фрагментов аварийных труб и труб аварийного запаса по следующим признакам: сроку эксплуатации, различным заводам – изготовителям, различным условиям эксплуатации, особенностям термообработки листа.

Испытание образцов показало, что по прочностным свойствам металл соответствует установленным требованиям (таблица). У образца №4 завышены показатели предела прочности и предела текучести на 25-30% по сравнению с аналогичными показателями других образцов. Большая часть испытанных образцов, в частности образцы №2, 3, 4 не соответствуют требованиям ГОСТ 19282-73 по критерию «относительное удлинение». В качестве эталона по механическим свойствам и соответственно с отсутствием какой-либо поврежденности принят образец №1, отобранный из труб резервного запаса, не бывших в эксплуатации, который имеет высокие прочностные показатели при достаточной пластичности.

Таблица

Механические свойства металла труб по результатам испытаний на растяжение
и их регламентируемые значения

Номер образца
(срок эксплуатации
трубы)
Предел прочности, в, МПа Усл. предел текучести, 0,2, МПа 0,2/в Отн. удлинение, ,% Отн. сужение, ,% Модуль упругости, Е, ГПа
1 (не эксплуатировалась) 660 570 0,87 24 57 2,00
640 540 0,84 23 58 2,15
2 (22 года) 580 390 0,68 22 51 1,56
580 390 0,68 20 47 1,73
3 (24 года) 630 470 0,75 17 56 2,36
670 470 0,70 19 62 2,04
4 (26 лет) 860 630 0,73 19 59 2,12
850 600 0,7 17 56 1,84
Данные ГОСТ 19282-73, не менее 510 345 - 23 - -
Данные ТУ 1104-138100-357-02-96, не менее 588 441 не более 0,9 20 - -


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.