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 |

Анализ остаточных напряжений в трубах большого диаметра на стадии проектирования магистральных газопроводов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Репин Денис Геннадьевич

Анализ остаточных напряжений в трубах большого диаметра на стадии проектирования магистральных газопроводов

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Нижегородском филиале Института машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук и Открытом акционерном обществе «ГИПРОГАЗЦЕНТР».

Научный руководитель:

Никитина Надежда Евгеньевна - доктор технических наук

Официальные оппоненты:

Черний Владимир Петрович - доктор технических наук;

Камышев Аркадий Вадимович - кандидат технических наук.

Ведущая организация – ООО «Газпром трансгаз Ухта»

Защита состоится “22” апреля 2009 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 511.001.02.

Адрес: 142717, Московская область, Ленинский район, поселок Развилка

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ».

Автореферат разослан “ ” 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Курганова И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние десятилетия отечественная газовая отрасль столкнулась с проблемой разрушений магистральных газопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН).

В результате исследований многочисленных авторов установлено, что КРН подвержены все без исключения марки сталей. Качество трубных сталей (содержание неметаллических включений, механические свойства листа), а также технология изготовления труб на заводах играют существенную роль в возникновении и развитии трещин. Обширные исследования на стендах, имитирующих различные условия работы газопровода, до сих пор не смогли дать однозначное и доказуемое объяснение, опираясь только на химически обусловленный механизм развития КРН.

Наименее изученной в настоящее время причиной возникновения КРН представляется оценка локальных напряжений, действующих в трубе. Обычно в актах расследования аварий газопроводов указывают лишь рабочее давление газа в момент, предшествующий аварии. Напряжения в металле труб, возникающие при их производстве и транспортировке, прокладке газопроводов или в процессе эксплуатации, не учитывают. Проведенные исследования показали, что остаточные напряжения вносят значительные изменения в распределение напряжений в теле трубы, вызванных внутренним давлением.

Несмотря на обширные исследования причин возникновения КРН на магистральных газопроводах полного понимания природы явления до сих пор нет. Известные на сегодня результаты экспериментов, а также данные статистики отказов магистральных газопроводов по причине КРН не позволяют осуществить корректную оценку вклада факторов трубного передела в стресс-коррозионную повреждаемость труб. Очень важной задачей является разработка методов предотвращения проявления КРН на магистральных газопроводах на стадии их проектирования.

Поэтому изучение влияния технологических факторов производства труб большого диаметра на надежность газопроводов и разработка методов предотвращения и (или) снижения негативного влияния остаточных напряжений, возникающих в процессе технологического передела лист-труба, на работоспособность сварных труб представляется весьма актуальным.

Цель работы - разработать методы и технические решения по проектированию газопроводов, предотвращающие или уменьшающие негативное влияние напряжений, возникающих в трубе при ее изготовлении.

Основные задачи исследований. Поставленная цель достигается решением следующих взаимосвязанных задач:

  1. Анализ технологии изготовления сварных труб большого диаметра и методов контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов.
  2. Провести аналитический расчет НДС трубной катушки при ее производстве.
  3. Выполнить численное моделирование НДС при технологических операциях формовки сварных труб большого диаметра.
  4. Экспериментально, с использованием неразрушающих методов контроля, определить изменение НДС трубной заготовки в процессе производства трубы.
  5. Разработать мероприятия по предотвращению КРН в металле стенок газопроводов на стадии подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов.

Научная новизна.

Разработана математическая модель процесса технологического передела лист-труба. На основе этой модели проведено комплексное (аналитическое и численное) исследование НДС труб для всех операций технологической цепочки производства электросварных труб большого диаметра. Оценены уровни остаточных напряжений, возникающих в трубе при ее производстве.

В результате экспериментальных исследований НДС трубы в процессе формовки установлено расположение зон с повышенным уровнем остаточных напряжений и дефектов по периметру трубы, а также определено изменение упруго-пластических свойств материала труб после каждой операции технологического процесса их производства.

Установлена взаимосвязь распределения стресс-коррозионных дефектов, обнаруженных внутритрубной дефектоскопией и в результате аварийных отказов магистральных газопроводов, и распределения остаточных напряжений по периметру трубы.

Разработаны методы проектирования магистральных газопроводов, предотвращающие и (или) снижающие негативное влияние остаточных напряжений, возникающих в процессе технологического передела лист-труба, на работоспособность сварных труб.

Практическая ценность.

  1. Разработана программа численного расчета всех операций технологии производства электросварных труб большого диаметра на основе созданной математической модели процесса формовки трубы.
  2. Разработана инструкция пооперационного обследования НДС и дефектности трубы в процессе ее производства. Определены параметры распределения остаточных напряжений в готовой трубе на примере одношовной трубы DN1000, изготовленной по UOE-технологии. Данная инструкция используется на ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».
  3. Разработана инструкция по предотвращению КРН в металле стенок газопроводов на стадии подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов. Инструкция применяется при проектировании объектов магистрального транспорта газа в ОАО «Гипрогазцентр» и ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель процесса производства трубы большого диаметра, описывающая теоретически и экспериментально подтвержденную неравномерность напряженного состояния готовой трубы.

2. Результаты комплексного экспериментального обследования трубы в процессе технологического передела лист-труба, позволившие выявить: наличие неоднородности распределения технологических напряжений в исходном штрипсе и готовой трубе; наличие поверхностных дефектов, обусловленных влиянием формовки трубы.

3. Методика экспериментального обследования труб в процессе их производства, для прогнозирования уровня и распределения остаточных напряжений в готовой трубе.

4. Результаты комплексного анализа данных аналитического, численного и экспериментального исследований, подтверждающие совпадение зон с повышенным уровнем остаточных напряжений с областями наиболее частого проявления стресс-коррозионных трещин (по данным внутритрубной дефектоскопии и аварийных отказов магистральных газопроводов).

5. Рекомендации по предотвращению КРН в металле стенок трубопроводов на стадиях подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на четвертой и пятой Всероссийских конференциях молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (Москва, 2001, 2003 г.), 11-й Всероссийской конференции молодых ученых (Пермь, 2002 г.), 7-й Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (Н.Новгород, 2002г.), первой Международной научно-технической конференции "Развитие компьютерных комплексов моделирования, оптимизации режимов работы систем газоснабжения и их роль в диспетчерском управлении технологическими процессами в газовой отрасли" (Москва, 2002г.), Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, посвященной памяти профессора А.И. Весницкого (Н.Новгород, 2004 г.), научно-практической конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза (Ухта, 2006 г.), итоговой научной конференции учебно-научного инновационного комплекса ННГУ «Модели, методы и программные средства», (Н.Новгород, 2007 г.).

В полном объеме диссертационная работа обсуждалась на расширенном семинаре лаборатории волновых процесов в материалах и конструкциях НФ ИМАШ РАН, на научно-технических советах ОАО «Гипрогазцентр» и ООО «Газпром трансгаз Ухта».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, 24 таблиц, 74 рисунков, списка литературы из 72 наименований и приложений общим объемом 250 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено ее содержание.

В первой главе приведен анализ причин возникновения КРН в газопроводах и обзор методов определения НДС трубопроводов. Наименее изученной в настоящее время причиной возникновения КРН представляется оценка локальных напряжений, действующих в стенке трубы.

Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) металла при формовке отражены в работах Матвеева Ю.М., Жуковского Б.Д., Чекмарева А.П., Шевакина Ю.Ф. и других. Изучению вопросов прочности и долговечности магистральных и технологических трубопроводов посвящены монографии Александрова А.Е. и Яковлева В.И., а также Анучкина М.П., Горицкого В.Н. и Мирошниченко Б.И.

Рядом авторов отмечена связь мест проявления КРН с остаточными напряжениями, возникающими при изготовлении и строительстве.

Неоднородность распределения остаточных напряжений по периметру прямошовных труб и ее связь с различной стойкостью против КРН были отмечены в работах Волгиной Н.И. и Сергеевой Т.К.

Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н., проведя математическое моделирование технологической операции-экспандирования трубы, отмечают, что для объективного анализа уровня остаточного НДС труб необходимо последовательное проведение численного моделирования всех операций технологической цепочки для каждого из способов производства электросварных труб большого диаметра.

Понимая важность снижения аварийности магистральных трубопроводов из-за стресс-коррозионных разрушений, коллектив в составе руководителей трубных заводов, ученых и специалистов нефтяной и газовой промышленности (Марченкор Л.Г., Пермяков И.Л., Нуриахметов Ф.Д., Марков Д.В., Романцов И.А., Бродский М.В., Степанов П.П., Хоменко В.И., Пашков Ю.И., Харионовский В.В., Пышминцев И.Ю., Лифанов В.Я., Морозов Ю.Д.) сформулировали проблемы, решение которых обеспечит надежность и безопасность сварных высокопрочных толстостенных труб для сооружения магистральных газопроводов. Важнейшими из них являются:

- выявить причины повышенной аварийности магистральных трубопроводов из-за стресс-коррозионных разрушений, особенно в зонах сварного соединения и подгибки кромок труб в процессе технологического передела лист-труба;

- провести количественную оценку возникновения и перераспределения полей остаточных напряжений в зонах локальных пластических деформаций и анализ их влияния на КРН;

- ввести в нормативные акты критерии и методы оценки максимальной пластической деформации, не влияющей на снижение предельной работоспособности труб при высоких рабочих напряжениях;

- провести сопоставительные исследования влияния технологического передела лист-труба на работоспособность сварных труб, изготовляемых по различным технологиям.

Возникновение внутренних напряжений в конструкционном материале начинается в самом процессе его изготовления. Материал листового проката, из которого изготавливаются трубы большого диаметра, уже содержит некоторые остаточные напряжения, связанные с неравномерностью пластического деформирования и температурного режима при прокатке и последующем «отпуске» металла листов.

Следующий этап - производство труб. Для линейной части магистральных газопроводов применяют главным образом трубы большого диаметра (530-1420 мм), изготовляемые методами холодного деформирования и последующей сварки.

После окончания процесса формовки трубы в ее теле имеются остаточные напряжения, связанные с операцией упругопластического изгиба и пластического деформирования материала листа. Как показывают результаты экспериментов, распределение остаточных напряжений по периметру прямошовной (ПШ) трубы весьма неоднородное, в отличие от спиралешовной (СШ) трубы, где технологические напряжения распределены относительно равномерно по периметру кольца. Особенно эта неоднородность характерна для двухшовных труб.

Сварочные напряжения накладываются на технологические, связанные с операциями изготовления сварной трубы.

Следующим источником остаточных напряжений может быть незавершенный процесс снятия напряжения. В результате полной или частичной пластификации детали при экспандировании должно достигаться снижение напряжений.

Рассмотрим напряжения, которые появляются в эксплуатируемых трубопроводах. Самыми опасными с точки зрения увеличения коррозионного растрескивания считаются окружные (кольцевые) напряжения. Они способствуют возникновению и развитию продольных стресс-коррозионных трещин и могут складываться с технологическими и сварочными напряжениями, особенно на внешней поверхности трубы.

Для обоснованного выбора средств экспериментальных исследований выполнен обзор существующих методов и приборов для определения НДС металла трубопроводов. Описаны основные разрушающие и неразрушающие методы измерения напряжений и деформаций. При определении НДС труб в процессе изготовления и эксплуатации предпочтительным является неразрушающий контроль материала изделия.

Проанализированы как традиционные, широко используемые методы (электротензометрия, рентгеновские методы), так и сравнительно новые (ультразвуковые, магнитные). Рассмотрены основные характеристики приборов неразрушающего контроля напряжений и деформаций в реальных конструкциях. Сделан обоснованный выбор методов и приборов для экспериментального исследования изменения НДС, возникновения и развития дефектов в трубной заготовке в процессе ее изготовления.

В результате проведенного анализа методов, которые могут быть использованы при обследовании труб, выбраны для дальнейшего исследования неразрушающие методы, а именно: акустический и магнитный. Методы определения НДС должны быть дополнены методами, показывающие изменения таких параметров, как толщина и твердость. Также при обследовании должны быть использованы приборы, фиксирующие зарождение и развитие дефектов в стенке трубы.

Во второй главе исследовано изменение НДС трубной заготовки на каждой стадии передела лист-труба. Оценка уровня напряжений, возникающих на каждой операции изготовления трубы, проводилась аналитическим и численным методами.

Наибольшие упруго-пластические нагрузки испытывает зона подгибки кромок. На образование остаточных напряжений в этой зоне наибольшее влияние оказывают следующие операции: подгибка кромок, формовка в закрытом штампе и экспандирование трубы.

Разработана методика аналитического расчета напряжений и деформаций на каждой стадии передела лист-труба для участка трубы, испытывающего интенсивные деформации на операции по подгибке кромок листа.

1. Определение деформаций при подгибке кромок.

Рассмотрен случай чистого изгиба прямого штрипса при наличии пластических деформаций. Положим, что для штрипса справедлива гипотеза плоских сечений. Тогда получим, что деформации равны

, (1)

где 1/ - кривизна срединной линии изогнутого штрипса, а у - расстояние от этой линии.

Максимальная деформация определяется формулой:

, (2)

где h - ширина зоны деформирования.

2. Напряжения, соответствующие этим деформациям, определяем по диаграмме деформирования.

3. Определение момента разгрузки.

Изгибающий момент в сечении штрипса определяется выражением:

(3)

или, учитывая симметрию штрипса:

, (4)

где b – длина штрипса.

Разбивая интеграл на части по зонам деформирования, после интегрирования (с учетом схематизации зависимости s-e двумя линейными участками) получим:

, (5)

где Е0- модуль Юнга; Е1- модуль упрочнения; yТ – расстояние от нейтральной оси до зоны с пластическими деформациями; - предел текучести.

4. Определение напряжений (), которые останутся в теле заготовки после окончания операции (снятия нагрузки).

Остаточные напряжения оценим по формуле:

, (6)

где sФ – фактические напряжения с учетом упрочнения материала (определенные по диаграмме деформирования);

- изгибные напряжения, которые были бы в теле заготовки в предположении об идеальной упругости материала;

W- момент сопротивления деформируемого листа (заготовки).

. (7)

5. Изменение НДС в зоне подгибки кромок при экспандировании трубы.

Остаточные напряжения определяются как разница напряжений, получаемых при нагрузке и разгрузке.

Напряжения разгрузки определяются по формуле для расчета напряжений от внешнего давления, которое необходимо приложить к трубе для компенсации внутреннего давления:

, (8)

где р - величина давления экспандирования.

Кольцевые напряжения для трубы, нагруженной внутренним давлением в упруго-пластическом состоянии, определяются по следующей формуле:

, (9)

где – параметр упрочнения; – предел текучести; r –радиус, на котором рассматриваются напряжения; rТ – радиус, на котором напряжения достигают предела текучести; r1 – внутренний радиус трубы; r2 – наружный радиус трубы.

, (10)



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.