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:     | 1 || 3 |

Разработка метода оценки работоспособности нефтегазопроводов по твердости с малой нагрузкой

-- [ Страница 2 ] --

Наиболее поврежден образец №4, который характеризуется самой высокой прочностью и недостаточными пластическими свойствами, что при отсутствии данных об исходных свойствах этот факт трактуется, в том числе, и как упрочнение при длительном воздействии на газопровод деформирующей нагрузки.

На первом этапе испытания определяли ТМН на ненагруженных образцах. По каждому образцу построены полигоны распределения ТМН (рис. 1).

Установлено, что измеренные значения ТМН зависят от свойств материала: с увеличением прочности образцов положение интервалов ТМН на числовой оси твердости смещается в область больших значений.

Рисунок 1 – Полигоны распределения частоты по интервалам чисел твердости

По форме кривых статистических распределений, характеризуемых эксцессом и асимметрией, прослеживается следующая зависимость от степени пластических свойств образцов. Образцы №1 и 2 имеют положительные эксцессы, принимающие значения 0,45 и 0,57, соответственно, а образцы №3, 4 – отрицательные. Это говорит о том, что достаточная пластичность образцов характеризуется распределением ТМН более островершинным в сравнении с нормальным, а малая пластичность – наоборот – плосковершинным графиком. Эта закономерность объясняется следующим образом. Номинальная пластичность обусловлена равномерной мелкодисперсной структурой материала, при этом разброс ТМН невелик, а преимущественная часть выборки группируется вокруг математического ожидания ТМН, которое, контролирует фактическую прочность данного материала. Уменьшение пластичности может быть связано с появлением в структуре неравномерности, то есть структурных составляющих, отличающихся по механическим свойствам, в том числе и по ТМН. За счет этого на границах зерен образуется существенный градиент свойств, который приводит к появлению внутренних напряжений и при приложении внешней нагрузки – нарушениям сплошности, которые существенно ограничивают пластичность и ускоряют хрупкое разрушение.

В ходе ступенчатого нагружения образцов определено, что средние значения чисел ТМН образцов, рассчитанные по выборкам на каждой ступени нагружения, слабо зависят от приложенного усилия для всех трех размеченных областей измерения ТМН (рис. 2).

а) б)

в) г)

Рисунок 2 – Зависимость средних значений ТМН от механических напряжений в образце №1-а), 2-б), 3-в) и 4-г) в условиях одноосного растяжения

Тем не менее, установлен факт подобия кривых, зафиксированных по краям от центра образца (области 1 и 3). Области 1 и 3, симметричные относительно центра образца, находятся в одинаковых условиях нагружения. Следовательно, изменение свойств в данных областях под действием нагрузки будет идентично. Таким образом, измеренные значения носят неслучайный характер. Т.е., изменение среднего значения связано в большей степени с внутренними факторами, например, перестройкой внутренней структуры стали, в меньшей – с внешними, такими как систематическая ошибка измерения, погрешность прибора и т.д.

Так, коэффициенты корреляции между средними значениями ТМН областей 1 и 2 для различных образцов составляют от 0,91 до 0,94, то есть, в данном случае мы наблюдаем практически функциональную связь между показателями.

В тоже время, вычисленные коэффициенты корреляции между значениями ТМН областей 1 и 2, а также 2 и 3 варьируются от минус 0,48 до +0,53.

После расчета статистических показателей вариационного ряда ТМН установлено, что наибольшую корреляционную зависимость с величиной приложенных нагрузок имеет дисперсия S2 выборки ТНМ. На рисунке 3 представлены графики зависимости дисперсии от напряжений в образце.

Обнаружено, что при достижении физического предела текучести происходит увеличение дисперсии ТМН на величину более чем 95%. Истинным пределом текучести данного образца считали напряжение в металле, при котором происходило появление полос скольжения, выявляемых металлографическим методом с помощью микроскопа МПБ-3.

В результате получены физические (истинные) пределы текучести, составляющие: для образца №1 – 430 МПа, №2 – 380 МПа, №3 – 440 МПа, №4 – 480 МПа. Данные величины несколько меньше условного предела текучести металла образцов 0,2, установленного в результате испытания стандартных образцов на растяжение.

Таким образом установлено, что дисперсия выборки твердости при малых нагрузках на начальном этапе нагруженияувеличивается с ростом одноосных растягивающих нагрузок на неповрежденных образцах и уменьшается на поврежденных. При достижении напряжений в металле, соответствующих порогу появления полос скольжения, происходит скачкообразное увеличение дисперсии ТМН.

В области упругих деформаций зависимость изменения средней дисперсии аппроксимирована линейными уравнениями: Для образца №1 =0,8S2-121,7;
№2 =S2 - 229,8; №3 = - 0,8S2 + 577,4; №4 = - 13,8S2 + 2489,2.

а) б)

в) г)

Рисунок 3 – Зависимость дисперсии выборки ТМН от механических напряжений в образце №1 – а), 2 – б), 3 – в), 4 – г)
Пунктирной линией показано напряжение, соответствующее появлению полос скольжения

Общий вид зависимости описывается выражением: =КS2 – N, где К и N – коэффициенты, зависящие от прочностных свойств металла.

Если связать коэффициенты К и N с пределом прочности каждого образца (рис. 4), то, общая зависимость одноосных растягивающих напряжений от дисперсии выборки ТМН для исследуемой стали, описывается уравнением:

=S2(-210-4 в2 + 0,2в - 67)+ 10,3 в - 6409,5.

 а) б)  Зависимость коэффициентов К (а) и N (б) от временного-0

 а) б)  Зависимость коэффициентов К (а) и N (б) от временного-1

а) б)

Рисунок 4 – Зависимость коэффициентов К (а) и N (б) от временного
сопротивления разрыву

Механизм изменения ТМН металла под действием нагрузки заключается в следующем. При механическом нагружении материала происходят сложные процессы изменения дислокационной структуры. В силу того, что структура поликристаллических конструкционных сталей гетерогенна, разные элементы (участки) трубопровода имеют различные характеристики механических свойств, разную сопротивляемость деформациям. Поэтому, в ходе нагружения конструкция деформируется неоднородно, что приводит к неоднородности распределения дислокационных систем и нарушений. В одном в месте с наибольшей концентрацией дислокаций материал разупрочняется, что приводит к уменьшению ТМН. В другом - может упрочняться за счет блокирования дислокаций различными границами, что, напротив, приводит к увеличению ТМН.

Таким образом, на каждом шаге нагружения возможно чередование процессов упрочнения-разупрочнения, которые можно идентифицировать по величине коэффициента асимметрии вариационного ряда измеренных значений ТМН.

Среднее значение коэффициента асимметрии показывает, какой процесс доминирует при нагружении материала: если разупрочнение, то пластические свойства высокие, если упрочняется, то низкие, т.к. упрочненные структуры не позволят развиваться пластической деформации.

Следовательно, исследуя асимметрию плотности распределения ТМН относительно нормального распределения в ходе нагружения, можно без разрушения установить преимущественный потенциальный механизм разрушения металла и, соответственно, его пластические свойства.

Далее было рассчитано среднее значение коэффициента асимметрии за полное время поэтапного нагружения и получена зависимость от относительного удлинения для исследуемых образцов: =- 0,07+1,56.

В четвертой главе «Промышленное опробование метода ТМН» представлены результаты его применения на различных натурных объектах.

Первый объект - комбинированный узел, сваренный из элементов трубопроводной обвязки газоперекачивающих агрегатов (ГПА) диаметром 720 мм, включая тройниковые соединения (рис. 5)

  Эскиз комбинированного узла (вынесены номера тензорезисторов, в-5

Рисунок 5 – Эскиз комбинированного узла
(вынесены номера тензорезисторов, в пределах узла – номера точек измерения ТМН)

Узел нагружали внутренним давлением. Напряжения в различных участках узла определялись тензорезисторами. Наибольшие напряжения возникали в местах тройникового соединения в точках 3 и 6. Установлено, что с увеличением давления и напряжений в металле узла, дисперсия ТМН также увеличивается (рис. 6).

При воздействии циклического подъема-сброса давления до 8,8 МПа (500 циклов) в точках 3 и 6, узла, дисперсия ТМН скачкообразно увеличивалась с 100-200 до 1500-2000 и не возвращалась в исходное состояние после снятия нагрузки. Также была выявлена чувствительность дисперсии ТМН к действию перегрузочного давления 15,8 МПа.

Рисунок 6 – Зависимость дисперсии ТМН от эквивалентных напряжений

Установлено, что после сброса давления дисперсии ТМН в точках 2, 5 и 8 показали изменение состояния металла, несмотря на то, что только в точке 2 расчетные напряжения превысили минимальный условный предел текучести стали 20К, что подтверждает выводы полученные в лабораторных условиях.

Второй объект – действующий надземный длительно эксплуатируемый газопровод Ухта-Войвож. Измерения ТМН выполнялись с шагом 3 м на двух участках длиной 60 м, один из которых находился в проектном положении, и напряжения в нем отсутствовали, второй участок имел разрушенные опоры, визуально различимый прогиб, то есть характеризовался наличием изгибных напряжений. Установлено, что значения ТМН на первом участке более стабильны, чем на участке с изгибом. На основе нивелирования упругой линии трубопровода рассчитаны изгибные напряжения в металле труб и установлена зависимость дисперсии ТМН от напряжений, подтверждающая лабораторные зависимости.

Третий объект – трубная плеть длиной 162 м, составленная из труб диаметром 1420 мм и толщиной стенки 21,6 мм. Плеть располагалась на двух земляных опорах и прогибалась под собственным весом. На верхней образующей плети были отмечены семь точек контроля: пять в месте сжатия металла, две в месте растяжения
(рис. 7).

  Эпюра изгибных напряжений(пунктирными линиями показано положение-6

Рисунок 7 – Эпюра изгибных напряжений
(пунктирными линиями показано положение мест измерений ТМН)

Далее опоры удалялись, плеть занимала прямолинейное положение, и изгибные напряжения снимались. В результате установлено, что напряжения сжатия также вызывают увеличение дисперсии ТМН, аналогичное напряжениям растяжения (рис. 8).

Рисунок 8 – Зависимость изменения дисперсии ТМН от величины изгибных
напряжений в трубной плети

Четвертый объект – действующие надземные трубопроводы обвязки ГПА компрессорных станций КС-14 и КС-15 ООО Севергазпром, сроком эксплуатации более 30 лет.

Анализ показал, что отдельные участки трубопроводов имеют прогибы и уклоны, которые превышают предельные величины, установленные действующими нормативными документами, при этом часть опор трубопроводов неработоспособна и имеется зазор между трубой и контактной поверхностью опоры.

Магнитным методом измерения анизотропии коэрцитивной силы (АКС) установлено, что недопустимые напряжения в металле труб отсутствуют, на отдельных участках зафиксированы напряжения 150-180 МПа. Цель применения метода ТМН на данном объекте – оценить свойства металла в местах с максимальными напряжениями. Установлено, что обследованные точки характеризуются повышенными величинами дисперсии ТМН, величиной более 400, что связано с влиянием механических напряжений. Недопустимых величин напряжений, а также фактов перегрузки металла в ходе эксплуатации не установлено. Сравнение зависимостей дисперсии ТМН и АКС от напряжений (рис. 9) показало, что между ними существует корреляционная связь, с коэффициентом корреляции 0,856.

  Зависимости дисперсии ТМН от АКС и напряжений в металле-7

Рисунок 9 – Зависимости дисперсии ТМН от АКС и напряжений в металле трубопроводов обвязки нагнетателя Н36 КС-15

В пятой главе «Расчет эффективности инвестиционного проекта внедрения методики измерения ТМН» проведена оценка инвестиционной привлекательности проекта внедрения разработанного метода на двенадцати компрессорных станциях ООО «Севергазпром» в период с 2008 по 2014 гг. Эффект достигается за счет снижения объема плановой реконструкции трубопроводов, находящихся в непроектном положении. Расчет показал, что чистый дисконтированный доход за время реализации проекта составит более 11 млн. руб., внутренняя норма прибыли - 138 % при ставке дисконта 12%; срок окупаемости – на уровне одного года с момента начала реализации проекта.

Основные выводы:

  1. 1. На основе анализа средств и методов оценки текущего функционального состояния нефтегазопроводов, установлено, что наиболее приемлемым является метод определения микротвердости, который используют для оценки механических свойств отдельных фаз сплавов. Выявлено, что критерии работоспособности металла труб по микротвердости достаточно не разработаны, а стандартное оборудование не подходит для использования на промышленных объектах.
  2. 2. Обосновано, что измерение твердости с малой нагрузкой дает возможность измерять твердость отдельных структурных составляющих металла и обладает малой критичностью к условиям измерения, отличающимся от лабораторных, таких как вибрации, некачественная подготовка поверхности, высокие или низкие температуры и т.д.
  3. 3. Выявлено, что структурные изменения, происходящие в металле под действием нагрузки, можно оценить по статистическим показателям вариационного ряда, являющегося результатом многократных измерений ТМН в локальных областях металла. Увеличение интервала, стандартной ошибки, среднеквадратического отклонения, дисперсии связано со снижением твердости наименее прочных фаз, увеличением твердости прочных участков или совместным действием этих явлений. Анализ изменения моды, медианы, коэффициента асимметрии и эксцесса рассеяния позволяет характеризовать процессы, доминирующие в металле при нагружении металла - упрочнение или разупрочнение.
  4. 4. Разработана методика лабораторных испытаний на твердость с малой нагрузкой образцов в условиях статического деформирования растяжением, предусматривающая пошаговое растяжение образцов с измерением ТМН 100 раз, расчет статистических показателей ТМН, анализ результатов испытания, в том числе сравнение полученных данных с механическими характеристиками, полученными при испытании материала до разрушения.
  5. 5. В результате анализа изменения статистических показателей установлено, что наибольшую корреляционную зависимость с величиной приложенных нагрузок имеет дисперсия выборки ТНМ. 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.
  6. 6. Обнаружено, что при достижении физического предела текучести происходит увеличение дисперсии ТМН на величину более чем 95%. Истинным пределом текучести данного образца считали напряжение в металле, при котором происходило появление полос скольжения, выявляемых металлографическим методом с помощью микроскопа МПБ-3.
  7. 7. Установлена зависимость среднего коэффициента асимметрии вариационного ряда ТМН, определяемого при нагружении металла, от относительного удлинения после разрыва, определяемого по результатам механических испытаний.
  8. 8. Доказана достоверность полученных в лабораторных условиях выводов опробованием метода ТМН на четырех промышленных объектах. Проведены полномасштабные испытания на промышленных стендах, собранных из соединительных элементов трубопроводов диаметром 720 мм и трубной плети из новых спирально-шовных труб диаметром 1420 мм Волжского трубного завода, на уникальном длительно эксплуатирующемся газопроводе Ухта-Войвож, на обвязке ГПА КС-14, КС-15.
  9. 9. Метод измерения ТМН внедрен на действующем объекте – трубопроводной обвязке ГПА КС-14, КС-15 ООО «Севергазпром». В результате установлены напряженные элементы трубопроводов. Проведена оценка их механических свойств, определена предыстория металла по механической перегрузке, разработаны рекомендации по дальнейшей безопасной эксплуатации трубопроводов.
  10. 10. Рассчитана экономическая эффективность проекта внедрения метода ТМН на компрессорных станциях ООО «Севергазпром» в период с 2007 по 2013 гг. Прогнозируемый чистый дисконтированный доход составит более 11,0 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы
в следующих работах:



Pages:     | 1 || 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.