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 |

Развитие методов оценки работоспособности кольцевых сварных швов газопроводов компрессорных станций.

-- [ Страница 2 ] --

Рис. 3. Зависимость безразмерного параметра энергетического ресурса от угла ориентации к оси нагружения, рассчитанные по а) энергоемкости, б) по критериям зарождения трещин.

В целом, наличие линейных, овальных и кавернообразных дефектов снижают прочностные характеристики образца материала, отражаются на его энергоемкости и способности сопротивляться зарождению и свободному движению трещин в условиях достижения критического напряженного состояния. Учитывая вышеизложенное, рационально ввести в расчеты коэффициент относительной работоспособности в качестве показателя снижения энергоемкости сварных соединений, ослабленных локальными дефектами.

При освидетельствовании технологических трубопроводов КС обнаруживается достаточно большое количество КСШ, подлежащих демонтажу из-за несоответствия требованиям действующих нормативных документов (НД). Для формирования научно-обоснованной концепции оценки степени опасности дефектных сварных швов после их длительной эксплуатации были проведены:

- испытания на растяжение плоских полнотолщинных образцов (14 образцов из основного металла и 36 образцов с КСШ), изготовленных из семи трубных катушек, вырезанных из подземного шлейфа цеха № 1 КС-13 Урдомского ЛПУМГ. Образцы вырезались из дефектных и бездефектных зон сварных соединений. При этом выбранные зоны характеризовались наличием дефектов разных видов или одного вида, но разных размеров.

 Энергоемкости сварных соединений при испытании на растяжение. Энергоемкости-41 Рис.4. Энергоемкости сварных соединений при испытании на растяжение.

Энергоемкости образцов, определенные по параметру представлены на рисунке 4, где заштрихованная область соответствует энергоемкости бездефектного сварного шва. В результате испытаний только в 10 случаях разрушение произошло по телу шва (при этом энергоемкость разрушения варьировалась от 0 до 49 МДж/м3). В изломах пяти образцов были обнаружены внутренние поры и шлаковые включения.

- гидравлические испытания на специально смонтированной трубной плети из фрагментов входного шлейфа цеха № 1 КС-10 Сосногорского ЛПУМГ. Каждый из использованных фрагментов имел кольцевой сварной шов, который был выбракован после 31 года эксплуатации по результатам проведенного штатного диагностического комплекса. Трубы изготовлены из стали 17 ГС, имели наружный диаметр 1020 мм, фактическую толщину стенки — 13,814,1 мм, и рассчитаны на проектное давление 5,4 МПа. Процесс нагружения трубной плети состоял из трех этапов: 1. Опрессовка внутренним давлением 6,86 МПа (70 кг/см2); 2. Циклическое нагружение в режиме 0 5,88 МПа (60 кг/см2) 0 (100 циклов); 3. Подъем давления до предельной величины, при которой разрушился объект испытаний.

Ультразвуковым методом исследовались параметры дефектов, классифицированные как «недопустимые». После осуществления 100 циклов нагружения трубной плети внутренним давлением от 0 до 5,88 МПа (60 кг/см2) был выполнен подъем давления до предельной величины. Разрушение трубной плети произошло при давлении 14,7 МПа (150 кг/см2). Линия разрыва располагалась на двух сваренных элементах (трубы №№ 1 и 2) и пересекла кольцевой сварной шов № 2. Металлографические исследования сварного шва на линии разрушения показали, что он имеет хорошее проплавление, смещение кромок и внутренние дефекты отсутствуют.

Проведенные испытания показали: а) материал элементов катушек после тридцатилетней эксплуатации обладает необходимой прочностью, но, как правило, несколько сниженной пластичностью; б) испытанные дефектные КСШ обладали необходимой эксплуатационной надежностью.

В следующей серии показаны результаты комплексного испытания на растяжение, на изгиб, на ударную вязкость при исследовании механических свойств «внутренних слоев» сварных соединений и основного металла тела трубы, исключив влияние поверхностных дефектов. Труба Ду700 толщиной стенки 18±2 мм вырезана из технологической обвязки цеха №1 КС-14 Приводино в 2007 году из-за множества монтажных дефектов (дефекты сварных швов, задиры, вмятины и др.). Форма и размер плоских образцов для испытания стыковых соединений определены по ГОСТ 6996- 66.

Результаты испытаний образцов на растяжение позволяют по предельным механическим характеристикам определить энергоемкости основного металла (ОМ) тела труб, металла сварных швов (СШ), зон термического влияния (ЗТВ) соединений и провести сравнительный анализ критериев их работоспособности (таблица 2).

Как правило, предел прочности сварных швов на 20-30 процентов выше, чем у основного металла, тем не менее, энергоемкость разрушения по критерию и критериям зарождения и развития трещин ставит сварные швы (в том числе сварные соединения) в ряд потенциально опасных дефектов.

Эксперименты на статический изгиб образцов проводились на испытательных прессах ИП6082-100 с автоматической записью диаграмм нагружения в координатах «нагрузка - стрела прогиба». Нагружение образцов проводили со скоростью не более 15 мм/мин. Испытывали призматические образцы с размерами 100х10х10 мм центром нагружения в СШ, зонах термического влияния и основном металле сварных соединений.

Расчет разрушающего напряжения в зоне растяжения при относительной стреле прогиба Р определяли в приближении упруго-пластичного деформирования. С помощью прикладного пакета MATHCAD были по экспериментальным данным рассчитаны удельные энергии пластической деформации изгиба до начала образования трещины W, как площадь под кривой деформирования в координатах P-f, отнесенного к объему нагружаемой части образца, энергетический ресурс пластической деформации , а также энергии, затраченной на распространение трещины (таблица 3).

 Зависимость энергии пластической деформации изгиба до начала образования-50

Рис.5. Зависимость энергии пластической деформации изгиба до начала образования трещины W от произведения

Анализ энергетических параметров (рис.5) позволяет применить в качестве параметра энергии разрушения КСШ при статическом изгибе произведение расчетного разрушающего напряжения в зоне растяжения и относительной стрелы прогиба - . Анализ излома и диаграмм испытаний наглядно показывают влияние различных дефектов в объеме КСШ на энергоемкость разрушения сварных соединений.

Важным параметром для трубопроводов, работающих в северных широтах, определяющим качество сварного шва, является ударная вязкость металла в зоне сварного шва. Испытывали образцы с концентатором типа V - надрезы были сделаны в сварных швах, зонах термического влияния и основном металле сварных соединений. В данной серии испытаний показано, что в сварных швах и зонах термического влияния сварных соединений, значения ударной вязкости (KCV>70 Дж/см2) более высокие по сравнению с основным металлом, что уменьшает вероятность хрупкого разрушения швов. В дефектосодержащих сварных швах значения ударной вязкости KCV < 30 Дж/см2

Показано, что при действии изгибных напряжений: - вероятность разрушения сварных швов и сварных соединений выше разрушения основного металла; - наиболее «опасной зоной» сварных конструкций является область сплавления сварного шва.

Анализ результатов испытания при различных напряженных состояниях дефектосодержащих сварных соединений позволил определить энергетический параметр разрушения - , который целесообразно использовать при численном анализе процесса упруго-пластического разрушения трубопроводов.

В третьей главе рассматривается методика численного анализа в среде программного комплекса «ANSYS» процесса упруго-пластического разрушения трубопроводов, в том числе ослабленных трещинами в зоне сварного шва. Методика предполагает построение параметрической конечно-элементной модели, которая должна адекватно отражать основные особенности геометрии трубопровода и физико-механические свойства материала, в том числе наличие дефектов и особенностей механических свойств в зоне КСШ. К особенностям параметрических моделей следует отнести возможность проведения многократных типовых расчетов для различных значений исходных данных, заявленных как параметры.

Рис.6. Характерное сечение сварного шва для двух труб, повёрнутых на угол и смещённых на величину относительно друг друга. Рис. 7. Цветографическая диаграмма распределения эквивалентных напряжение в зоне несовершенного сварного шва ( = 1 мм и = 6) для давления p = 8 МПа.

В рамках предложенной параметрической модели исследовано влияние макро геометрических несовершенств КСШ (рис.6) (по параметрам осевого смещения – и углового смещения – ) при различных деформационных критериях разрушения.

Анализ влияния технологических погрешностей на прочность сварного соединения проводился на основе деформационного критерия разрушения, который формулируется следующим образом:

Условие разрушения , где - интенсивность пластической деформации; - предельная интенсивность пластической деформации;

В общем случае зависит от отношения , характеризующего объемность напряженного состояния. В рамках настоящего исследования принимался равным 0,01 и считался независящим от напряженного состояния.

Ставилась задача определения предельного давления, при котором произойдет разрушение трубопровода. Внутреннее давление постепенно увеличивалось в диапазоне от 0 до 10 МПа, пока для данного типоразмера не достигалось предельное значение интенсивности пластической деформации.

Предельным давлением (давлением, соответствующим разрушению) считалось давление, при котором значение интенсивности деформации – достигало предельного значения. Рассмотрены две схемы граничных условий: - свободное относительное осевое смещение торцов (рис.8); - жесткое ограничение на осевое перемещение торцов (рис.9). Обе схемы являются равноправными, и позволяют взять реальное решение в «вилку».

Значения предельного давления соответствующие предельному значению интенсивности пластических деформаций =0.01 для сварного стыка труб (с размерами: диаметр – 530 мм, толщина 8 мм, расчетная длина 2400 мм) при различных условиях закрепления приведены на рисунках 8, 9.

 Зависимость предельного давления для КСШ труб от углового смещении при-65
Рис.8. Зависимость предельного давления для КСШ труб от углового смещении при условии: свободного смещения торцов (1) и запрещающем смещение торцов (2) Рис. 9. Зависимость предельного давления для КСШ труб от линейного смещении при условии: свободного смещения торцов (1) и запрещающем смещение торцов (2).

С использованием построенной модели по параметрам и были просчитаны стыковые соединения. Для каждого варианта анализировалось НДС и подсчитывалось максимальное значение эквивалентного напряжения по энергетической теории прочности.

В рамках данного исследования анализируется только геометрический аспект проблемы. Рассматривалось нагружение технологического трубопровода внутренним давлением интенсивностью 5 МПа. В качестве граничных условий использовались следующие условия. Для узлов, расположенных в плоскости симметрии, выполнялись условия симметрии. В узлах, принадлежащие торцовым сечениям труб с противоположной стороны от КСШ, вводились ограничения на перемещения в осевом направлении.

Рис.10 Зависимость максимального эквивалентного напряжения от углового смещенияя при линейном смещении труб: =0 мм (1) и =8 мм (2). Рис.11. Зависимость максимального эквивалентного напряжения от линейного смещения труб при угловом смещении: = 00 (1) и =0,4 0 (2).

Влияние дефектов макрогеометрии рационально оценивать с помощью специального коэффициента - , названного коэффициентом влияния несовершенств и представляющим собой отношение максимального эквивалентного напряжения для несовершенного стыка к максимальному эквивалентному напряжению для идеального стыка (аналог теоретического коэффициента концентрации напряжений).

Проведенные численные исследования, позволяют сделать следующие выводы:

  1. Погрешность по параметру осевого смещения – может привести к снижению прочности соединения на 5-10%. Влияние погрешности углового смещения – не столь существенно и составляет примерно 2-4%.
  2. Требуется более тщательно анализировать конкретные условия закрепления участка трубопровода. Максимально неблагоприятная ситуация возникает при жестком закреплении участка трубопровода (отсутствует или существенно ограничена возможность осевого смещения торцов), в сочетании с наличием погрешности по параметру осевого и углового смещения – . В таком случае прогнозируется снижение прочности до 15%.

При стыковке двух труб разного диаметра с замятыми кромками (рис. 12) в месте стыковки возникает концентрация напряжений. При этом напряжения достигают значительных значений и могут привести к возникновению пластических деформаций, ослабляя сварные соединения, и, как следствие, негативным образом сказывается на прочности и долговечности трубопровода.

Рис.12. Схема исследуемого трубного элемента.

Были просчитаны и проанализированы 20 вариантов расчета разделенные на три группы в зависимости от геометрических размеров соединения. Трубный элемент нагружался избыточным внутренним давлением заданной интенсивности. Для описания свойств материала использовалась нелинейная модель упругопластического материала.

В качестве анализируемых параметров использовались максимальные значения эквивалентных напряжений и эквивалентных деформаций, посчитанных по теории Мизеса. Максимальные напряжения возникают на внутренней стороне меридионального сечения оболочки, для которого изменение диаметрального размера соответствует максимальному значению.

В качестве контрольных величин использовались значения предела текучести материала (350 МПа) и деформации начала текучести (0.002). Превышение напряжениями на диаграмме значения предела текучести свидетельствуют о возникновении в трубном элементе пластических деформаций. Вариант расчета сопряжения трубного элемента №1 диаметром 720 мм трубой №2 представлен в таблице 4 и зависимость максимального эквивалентного напряжения в элементе от диаметра участка №2 на рис.13. Для рассмотренных вариантов требованиям прочности удовлетворяет только вариант 1.

Таким образом, цельные трубы с изменяющимся диаметром (отсутствие кольцевых сварных швов в зоне концентрации напряжений), изготовленные в заводских условиях, допускают их эксплуатацию при пониженных рабочих давлениях. Наличие КСШ (возникают угловые смещения в сварном стыке) приводит к дополнительному и значительному увеличению максимальных напряжений в опасной зоне по сравнению с номинальным уровнем, что ставит данный «дефект сварного соединения» в разряд недопустимых.

 Зависимость максимального эквивалентного напряжения в элементе от диаметра-71  Зависимость максимального эквивалентного напряжения в элементе от диаметра-72 Рис. 13. Зависимость максимального эквивалентного напряжения в элементе от диаметра участка №2

В четвертой главе излагаются результаты численного исследования комплексного влияния макро погрешностей и локальных дефектов, расположенных в зоне сварного шва, на прочность магистрального трубопровода. Показано, что влияние дефектов монтажа, оказывающееся незначительным на достаточном удалении от стыков, должно быть учтено при анализе НДС в зоне сварного стыка и оценке влияния на прочность трещиноподобных дефектов. С использованием метода подконструкций численно промоделирован процесс роста трещины в районе КСШ с учетом упруго-пластического деформирования материала (рис. 14).

Рис. 14. Конечно-элементная подконструкция, моделирующая локальную зону сварного шва и процесс разрушения в зоне дефекта.


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.