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 |

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

-- [ Страница 2 ] --

где В – временное сопротивление, МПа; Т – условный предел текучести, МПа; В – деформация, соответствующая временному сопротивлению; 0,2 – деформация, соответствующая условному пределу текучести.

Напряжения с учетом остаточных напряжений, которые образовались на предыдущих стадиях формовки трубы после экспандирования, будут равны:

, (11)

где t – кольцевые напряжения для трубы, нагруженной внутренним давлением в упруго-пластическом состоянии без учета остаточных напряжений; – остаточные напряжения в теле трубы перед экспандированием.

Проведены численные расчеты изменения НДС трубной катушки в процессе ее производства (на примере изготовления трубы DN 1000 мм) с помощью математического моделирования с привлечением программных комплексов, реализующих конечноэлементный анализ. Наружный диаметр трубы равен 1020 мм, толщина стенки 14 мм, длина формуемого листа 11000 мм, материал листа - сталь 10Г2ФБЮ.

В расчетах использован программный комплекс ANSYS. Он может быть использован для моделирования операций листовой штамповки со сложным движением деформирующих инструментов.

Моделирование процесса формовки трубы осуществлялось в следующей последовательности:

1. Подгибка кромок.

2. Снятие нагрузки – пружинение.

3. Формовка заготовки в открытом штампе в U-образную заготовку.

4. Снятие нагрузки – пружинение.

5. Формовка заготовки в закрытом штампе в О-образную заготовку.

6. Снятие нагрузки – пружинение.

8. Нагрузка внутренним давлением до предела текучести – экспандирование.

9. Снятие нагрузки.

По результатам расчетов после изготовления трубы в ее теле имеются зоны с различным уровнем остаточных напряжений. Напряжения изменяются от 50 до 100 МПа. Особенно протяженная зона с остаточными напряжениями наблюдается в области интенсивной деформации при подгибке кромок (с ориентацией на 30 минут2 часа по условному часовому разбиению). Далее такие зоны чередуются с зонами относительно небольших напряжений (порядка 5 МПа).

На основании проведенных численных расчетов можно сделать вывод о том, что возникающие в процессе производства остаточные напряжения являются, по крайней мере, одним из факторов, влияющих на НДС действующего трубопровода.

В процессе аналитических и численных исследований:

- проанализирована связь НДС с различными режимными параметрами формовки листового металла в трубу;

- установлено влияние операций формовки на образование зон с повышенным уровнем остаточных напряжений, найдено их местоположение по периметру трубы.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса формовки трубной заготовки и проанализировано изменение НДС трубы после операций по ее изготовлению: в исходном листе, после подгибки кромок, после формовки в закрытом штампе и сварки, после экспандирования готовой трубы.

На первом этапе исследования исходного состояния листа были выполнены:

- замеры поверхностной твердости прибором ТЭМП-2;

- регистрация зон НДС прибором ИМНМ-1М и прибором ИН-5101А;

- контроль дефектности (приборы ЭМИТ-1М, МВД-2МК, ВК-1);

- измерения толщины стенки ультразвуковым толщиномером Panametrics 26 MG.

На рис. 1 приведено распределение параметра акустической анизотропии, представляющего собой относительную разницу скоростей сдвиговых волн, поляризованных поперек и вдоль направления прокатки по ширине листа. Этот параметр должен монотонно возрастать при увеличении величины пластической деформации в направлении проката.

Рис. 1. Параметр акустической анизотропии a0

Акустические исследования штрипса, поставляемого для изготовления труб, показывают, что величина его пластической деформации довольно высока. Этот фактор неблагоприятен для дальнейшей обработки и эксплуатации материала. Величина акустической анизотропии резко возрастает (на 50 %) к краям листа на расстоянии всего около 100 мм. Это тоже неблагоприятный фактор – резкая неоднородность пластических свойств в районе будущего сварного шва и линии подгибки кромок. Проведенная по линиям разметки дефектоскопия не выявила дефектов.

На основании измерений твердости и напряженности магнитного поля сделан вывод о том, что поверхность листа не имеет зон с повышенной концентрацией напряжений.

Второй этап исследований заключался в изучении напряженно - деформированного состояния листа после подгибки кромок и НДС трубной катушки после сварки контрольного листа.

На втором этапе исследования проведены все виды работ, что и на первом этапе, дополнительно проведены: оценка НДС прибором Комплекс-2.05; контроль геометрии по всему периметру контрольной трубы; капиллярная дефектоскопия с фотографированием дефектов.

Для трубной катушки после сварки проведены следующие исследования: замеры поверхностной твердости; оценка НДС магнитными приборами ИМНМ-1М и Комплекс-2.05, ультразвуковым прибором ИН-5101А; контроль дефектности (приборы ЭМИТ-1М, МВД-2МК, ВК-1); контроль толщины стенки; контроль геометрии по всей поверхности.

Результаты акустических измерений в штрипсе после подгибки кромок показывают, что эта операция влияет на НДС всего листа, а не только области подгибки. Кривая акустической анизотропии «распрямляется» и становится более пологой. В отличие от штрипса акустическая анизотропия стала не симметричной. Очевидно, что для дальнейшей обработки симметрия (по ширине) упруго-пластических свойств заготовки приведет к большей однородности аналогичных свойств трубы.

Исследования трубной катушки после сварки показали следующее:

-неоднородный характер распределения толщины штрипса объясняется интенсивным процессом пластического деформирования и неоднородностью распределения пластической деформации как по ширине, так и по длине листа;

-зоны концентрации напряжений, регистрируемые приборами Комплекс-2.05 и ИМНМ-1М, имеют похожее расположение, что соответствует существенной концентрации напряжений в зоне до 300 мм от сварного шва. Также имеются отдельные зоны концентрации напряжений и на расстоянии 500 мм, 1070 мм, 1335 мм.

Оценка НДС прибором Комплекс-2.05 показала существенно неравномерное распределение остаточных напряжений по периметру трубы (см. рис. 2).

 аспределение концентрации напряжений на прямошовной одношовной-17


Рис. 2 Распределение концентрации напряжений на прямошовной одношовной трубе 102014 мм до экспандирования. Шаг измерения - 2020 мм. Ноль по оси абсцисс совпадает со сварным швом.

График распределения величины акустической анизотропии по периметру трубы представлен на рис. 3.

Рис. 3. Распределение акустической анизотропии по периметру трубы.

В зоне, расположенной по обе стороны от сварного шва на расстоянии от 20 до 30 мм, дефектоскопы регистрируют поверхностные микротрещины глубиной до 0,5 мм. На расстоянии порядка 2700 мм от торца контрольной трубы и 5 ч 30 (1400 мм) обнаружена сетка поверхностных дефектов.

На третьем этапе обследована контрольная труба после гидроиспытания и экспандирования.

Для контрольной трубы проведены замеры поверхностной твердости, толщины стенки, оценка НДС прибором ИМНМ-1М и контроль дефектности трубы приборами ЭМИТ-1М, МВД-2МК, ВК-1, а также капиллярная дефектоскопия.

Подтвердились найденные на втором этапе исследований поверхностные аномалии («дефекты») в зонах, расположенных по обе стороны от сварного шва на расстоянии от 20 до 30 мм и зоны с сеткой поверхностных дефектов на расстоянии 2800 мм от торца трубы и на 5 часов 30 минут от сварного шва. Размеры и глубина указанных аномалий не изменились после гидроиспытаний. Кроме этого, на расстоянии 4200 мм от торца и на 5 часов от сварного шва обнаружена еще одна зона с сеткой поверхностных дефектов глубиной до 1,2 мм (см. рис. 4).

В процессе гидроиспытаний остаточные напряжения выравниваются, что видно при сравнении результатов измерений напряженности магнитного поля прибором ИМНМ-1М на втором и третьем этапах.

 Расположение зон с сетками поверхностных дефектов на поверхности-19

Рис. 4. Расположение зон с сетками поверхностных дефектов на поверхности контрольной трубы

Зафиксировано изменение средней толщины контрольной трубы на каждом этапе исследований и после обжатия листа по периметру. При штамповке в закрытом О-образном штампе средняя толщина листа увеличивается, после гидроиспытаний и экспандирования трубы – уменьшается, что связано с раздачей трубы при указанных операциях.

В главе 4 представлен сравнительный анализ результатов аналитического, численного и экспериментального исследования НДС прямошовной трубы.

В табл. 1 приведено сопоставление результатов аналитического и численного расчетов в зоне подгибки кромки.

Таблица 1 Результаты аналитического и численного моделирования НДС труб в процессе их производства

Операция Результаты аналитического исследования Результаты численного исследования
Напряжения, МПа Деформации, % Эквивалентные напряжения, МПа Эквивалентные деформации, %
1 2 3 4 5
Подгибка кромок 460 1,86 445 1,02,2
Отвод инструмента 242 1,13 129 0,92,1
U-образная формовка 242 1,13 129 0,92,1
Отвод инструмента 242 1,13 129 0,92,1
О-образная формовка 442 1,37 495 0,93,0
Экспандирование (калибровка) 524 2,6 388484 0,73,0
Готовая труба 46 2,08 50-100 2,0

Сравнение результатов аналитической и численной оценок изменения НДС трубной заготовки показывает близкие значения уровня НДС в рассматриваемых зонах.

В трубе, аналогичной исследуемой, напряжения от внутреннего давления при эксплуатации составят 190 МПа. Рассчитанные аналитически остаточные напряжения в зоне подгибки кромок составят 24% от кольцевых, а полученные численным моделированием будут находиться в диапазоне от 26% до 52% от кольцевых напряжений. Этот результат доказывает существенную неравномерность остаточных напряжений и показывает необходимость учета этих напряжений при оценке прочности и надежности трубопроводов.

Напряжения от проектного рабочего давления, суммируясь с остаточными напряжениями, могут привести к началу пластического течения материала в определенных зонах трубной поверхности. Это обстоятельство может оказаться достаточным для преодоления порогового уровня и начала развития трещин КРН от внешне незначительных по размеру поверхностных дефектов

При формовке тело трубы в зонах интенсивной деформации испытывает напряжения, превышающие предел текучести материала и близкие к пределу прочности. С учетом неоднородности структуры металла и включений в тело трубы могут сложиться условия для зарождения микродефектов. Зоны с повышенным уровнем остаточных напряжений образуются вследствие интенсивной упруго-пластической деформации заготовки в процессе формовки трубы и имеют достаточно определенную привязку по периметру относительно сварного шва.

В результате всего процесса изготовления прямошовной сварной трубы DN1000 UOE-технологией на ее поверхности образуются зоны остаточных напряжений с уровнем до 100 МПа и расположенные на 1час, 2 часа, 3 часа, 4 часа 30 минут и 6 часов от сварного шва по условной часовой ориентации. Эти зоны фиксируются приборами при обследовании труб.

Также экспериментальные исследования изменения НДС трубной заготовки в процессе изготовления трубы показывают, что в зонах с повышенным уровнем напряжений, выявленных в результате расчетов, фиксируются существенные изменения параметров акустической анизотропии. Величина акустической анизотропии, регистрируемой прибором ИН-5101А, в исследованном штрипсе весьма высокая. Это фактор неблагоприятный для дальнейшей обработки и эксплуатации материала. Известно, что высокая степень текстурированности материала, связанная с большим уровнем его анизотропии, приводит к растрескиванию при штамповке. Очевидно, что такие явления могут произойти и при формовке, также характеризующейся высокими «ударными» нагрузками. В процессе формовки неоднородность анизотропии материала несколько уменьшается, по-видимому, из-за того, что пластическая деформация происходит в направлении поперек проката.

Также в указанных зонах наблюдаются повышенные значения коэффициента концентрации напряжений (определенные прибором Комплекс-2.05), магнитные аномалии (прибором ИМНМ-1М), свидетельствующие о концентрации напряжений, и поверхностные микродефекты, обнаруженные дефектоскопами.

Все это говорит о существенном влиянии технологии изготовления трубы на распределение и уровень НДС готовой трубы, поставляемой с завода-изготовителя для строительства объектов магистрального транспорта газа.

В результате акустических измерений прибором ИН-5101А видно, что акустические свойства металла в центре и с краю штрипса весьма различны. При исследовании связи акустических и механических свойств металла листа были проведены металлографические исследования, механические испытания и анализ химического состава образцов.

Результаты механических испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты механических испытаний штрипса

Плавка Партия Лист № образца Растяжение
  в т 5 т/в
  кгс/мм2 кгс/мм2 % %
ТУ 14-1-4627-96   Мин 60 49 22  
      Макс 70 59   0,9
143650 31200 31626 Сертификат производителя 60 50 23 0,83
    31627 Сертификат производителя 62 51 25 0,82
143650 31200 31599 1 -край листа 62 59 23 0,95
      3-центр листа 63 58 24 0,92
      5-край листа 64 57 21 0,89


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.