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 |

Обеспечение безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами

-- [ Страница 1 ] --

УДК 622.692.4:621.193/197

На правах рукописи

Худяков Дмитрий Сергеевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ РАЗНОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ С ТРУБОПРОВОДАМИ

Специальность 05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2009

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии

«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Халимов Айрат Андалисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Султанов Марат Хатмуллинович
доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович
Ведущее предприятие Открытое акционерное общество «Институт «Нефтегазпроект»

Защита диссертации состоится 30 апреля 2009 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 30 марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Техническое усовершенствование трубопроводов в нефтегазовой отрасли с целью повышения их надежности и снижения расходов на строительство и эксплуатацию и в настоящее время не потеряло своей актуальности.

Важным резервом снижения капитальных затрат, повышения надежности работы трубопроводов и оборудования является применение в них специальных устройств для компенсации температурных деформаций. В последние годы для этих целей стали применяться металлорукава и сильфонные компенсаторы, имеющие значительные технико-экономические преимущества перед компенсирующими устройствами других типов. Простота изготовления, большая надежность (минимальное число сварных швов), высокие эксплуатационные и технико-экономические показатели создали возможность их широкого использования в различных отраслях промышленности. Они не только компенсируют изменения длин трубопроводов из-за перепада температур, но и выполняют другие важные функции: обеспечивают эластичность соединений в трубопроводах, подверженных опасности разрушения вследствие оседания почвы или перемещения зданий, аппаратов и машин; выполняют роли прижимного (силового) элемента; компенсационного элемента в трубопроводах с защитным кожухом; устройства для снижения вибрационных нагрузок и т.д.

Сильфонные компенсаторы герметичны и температуростойки, обладают антикоррозионными свойствами. Кроме того, их конструкции позволяют компенсировать нагрузки для каждого отдельного случая в зависимости от величины и частоты воспринимаемых движений и в соответствии с требуемым сроком службы.

Осевые, поперечные и угловые компенсаторы выпускаются в стандартном исполнении с диаметрами условных проходов от 20 до 3000 мм.

Основным гибким элементом компенсатора является металлический сильфон, который изготавливается из высококачественных нержавеющих сталей и материалов, выбор которых зависит от условий эксплуатации. Чаще всего применяются компенсаторы с многослойными сильфонами. Возможность варьирования общей толщиной и числом слоев определяет их применение, прежде всего, при высоком давлении, причем в результате их многослойности сохраняется высокая эластичность при небольшой изгибной жесткости.

Несмотря на ряд неоспоримых преимуществ, применение сильфонных компенсаторов осуществляется не в полном объеме в силу их недостаточного предложения на рынке услуг, а также традиционного подхода проектных организаций к разработке трубопроводных систем. Это связано, в частности, и с тем, что до настоящего времени отсутствуют единые принципы проектирования новых конструкций компенсаторов, наблюдается большой разброс в инженерных расчетах конструктивных и эксплуатационных характеристик, недостаточно изучены факторы, влияющие на работоспособность компенсаторов в различных условиях эксплуатации и т.д.

Особый интерес представляют вопросы обеспечения безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами, изготовленных из различных сталей. Для таких соединений характерна выраженная неоднородность свойств, обусловленная диффузионными и закалочными процессами при сварке и эксплуатации.

В этом направлении известны фундаментальные работы научных школ профессоров В.Н. Земзина, Н.О. Окерблома, О.А. Бакши, Р.З. Шрона, М.Х. Шоршорова, Ю.Н. Готальского, А.В. Бакиева и др.

Тем не менее, остаются нерешенными ряд проблем, связанных с технологическим обеспечением безопасности разнородных соединений, а также оценкой и повышением их ресурса при эксплуатации.

Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации разнородных соединений патрубков сильфонных компенсаторов с трубопроводами.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

  • анализ характеристик работоспособности и безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами;
  • исследование напряженного состояния в окрестности линии сплавления разнородных соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом;
  • обоснование технологического обеспечения безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами;
  • разработка методических рекомендаций по оценке остаточного ресурса разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами по критериям длительной прочности.

Методы решения поставленных задач

Проблемы оценки напряженного состояния и несущей способности разнородных соединений сильфонных компенсаторов решались с применением широко используемых подходов теории пластичности неоднородных тел.

Остаточный ресурс определялся на базе полученных автором результатов по несущей способности и напряженному состоянию с использованием известных критериев длительной прочности, развиваемых в Институте машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, ИПТЭР, УГНТУ и др.

Научная новизна результатов работы

1. Установлены и описаны основные закономерности напряженного состояния металлов в окрестности линии сплавления разнородных соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом. Установлено, что разнородность соединения обуславливает различную деформационную способность металла в окрестности соединения вследствие реализации диффузионных прослоек с отличающимися по величине коэффициентами жесткости напряженного состояния.

2. Получены формулы для определения допускаемых параметров диффузионных мягких (ДМП) и твердых (ДТП) прослоек, образующихся в окрестности линии сплавления разнородных соединений, при которых их наличие не оказывает заметного влияния на характеристики работоспособности и безопасности эксплуатации участка трубопровода с компенсатором.

3. Разработаны методические рекомендации по расчетной оценке ресурса безопасной эксплуатации участка трубопровода с сильфонным компенсатором с использованием критериев длительной прочности.

На защиту выносятся результаты исследований, имеющие научную и практическую ценность, а именно:

  • закономерности напряженного состояния в окрестности линии сплавления разнородных соединений сильфонного компенсатора с трубопроводом;
  • аналитические формулы для определения допускаемых параметров диффузионных мягких и твердых прослоек в разнородных соединениях;
  • методы обеспечения технологической безопасности и определения остаточного ресурса разнородных соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом.

Практическая ценность результатов работы

  1. Предложенный комплекс технических решений по выполнению соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом позволяет обеспечивать их технологическую безопасность.
  2. Разработанные методические рекомендации по оценке остаточного ресурса позволяют устанавливать научно обоснованные сроки безопасной эксплуатации участка трубопровода с сильфонным компенсатором.
  3. Разработанные стандарты предприятий и методические рекомендации по оценке остаточного ресурса согласованы компетентными органами и рекомендованы ведущими институтами для использования в расчетной практике.

Достоверность результатов исследований

Решение основных задач базируется на современных апробированных подходах теории оболочек, теории пластичности и упругости. В работе учитываются современные достижения в области промышленной безопасности и оценки остаточного ресурса.

Большинство полученных результатов согласуются с общими представлениями теории пластичности неоднородных тел и данными других авторов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях и научно-технических семинарах по вопросам обеспечения надежности и безопасности нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов в ГУП «ИПТЭР» (г. Уфа, 20072009 гг.) и на секции «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» Ученого Совета ГУП «ИПТЭР» (протокол № 2 от 21.01.09 г.)

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах (два в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ), в том числе разработаны Методические рекомендации (1) и стандарт предприятия.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 116 наименований. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе освещены сравнительные характеристики сильфонных компенсаторов, применяемых в нефтегазовой отрасли. Рассмотрены особенности их производства, основные технические требования к ним.

Показана значительная роль разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводом в обеспечении их безопасной эксплуатации.

Вторая глава посвящена анализу характеристик работоспособности разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами.

Во многих случаях патрубки сильфонных компенсаторов привариваются к трубопроводам, изготовленным из феррито-перлитных сталей типа 20, 20К, Ст3 и др. При этом патрубки сильфонных компенсаторов изготавливаются из аустенитных сталей типа 08Х18Н10Т.

Различие содержания углерода в металлах патрубков и трубопровода в процессе сварки и последующей эксплуатации в окрестности линии сплавления приводит к образованию науглероженных и обезуглероженных участков (диффузионных прослоек). Схематично этот факт изображен на рисунке 1.

б)

Рисунок 1 Схемы разнородного соединения (а) и распределения твердости (б) в окрестности его линии сплавления

Очевидно, что обезуглероженные участки разнородного соединения имеют более низкие прочностные характеристики, и их будем обозначать символом ДМП (диффузионные мягкие прослойки), а науглероженные участки, имеющие повышенную твердость (прочность), – ДТП (диффузионные твердые прослойки).

В плане работоспособности таких соединений наибольшую опасность представляют диффузионные твердые прослойки, предопределяющие их деформационную способность.

Степень превышения твердости ДТП для рассматриваемых соединений (– твердость основного металла) в значительной мере зависит от содержания углерода в стали (В.Н. Земзин). Чем ниже содержание углерода в стали, тем меньше степень неоднородности ДМП. В разнородных соединениях с малоуглеродистой сталью (армко-железо) ДМП практически отсутствуют. Анализ литературных данных показывает, что для рассматриваемых в работе разнородных сочетаний

, (1)

где – содержание углерода в стали, %.

Наибольший рост от С отмечается в области С = 0… 0,3. При С > 0,3 величина изменяется незначительно, например для инструментальной стали (С = 0,69 %) 2,25.

Особый интерес представляет оценка ширины ДТП и ДМП.

После выполнения присоединения компенсатора к трубопроводу значения ширины ДТП и ДМП достаточно малы. Например, для сталей с содержанием углерода от 0,06 до 0,32 % значение ширины ДТП (ДТП) составляет около 0,1 … 0,2 мм (В.Н. Земзин). При толщине трубы около  = 10 мм относительная ширина ДТП (ДТП= ДТП/ ) изменяется в пределах  = 0,01 … 0,02. Необходимо отметить, что после длительной эксплуатации при повышенных температурах величина hДТП может увеличиваться примерно на порядок.

На основании выполненного анализа литературных данных сделан вывод о том, что существующие методы оценки допускаемых ширин ДМП и ДТП дают завышенные значения. Поэтому возникает необходимость проведения дополнительных исследований по оценке допускаемых величин [ДМП] и [ДТП].

В третьей главе представлены результаты исследований напряженного состояния в окрестности линии сплавления разнородных кольцевых соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом.

В результате исследования получены соответствующие аналитические зависимости для описания характеристик тензора напряжений, в частности основных компонентов девиаторной и шаровой составляющих, коэффициента жесткости напряженного состояния и др. Показано, что различная деформационная способность составляющих разнородного соединения приводит к реализации в окрестности линии сплавления участков с различной жесткостью напряженного состояния. Со стороны более прочной составляющей в окрестности линии сплавления реализуется более «мягкое» напряженное состояние с меньшим коэффициентом жесткости напряженного состояния :  = ср / i, где ср – среднее напряжение (шаровой тензор напряжений); i – интенсивность напряжений (девиатор тензора напряжений). Заметим, что величина предопределяет скорости диффузии примесных атомов, коррозии, водородного и деформационного охрупчивания, старения металла и др. Чем меньше , тем меньше интенсивность указанных процессов. В работе получены соответствующие формулы для оценки этого факта от параметра . Со стороны более мягкой составляющей разнородного соединения в окрестности линии сплавления реализуется напряженное состояние с более высоким значением . Этот факт способствует упрочнению металла в окрестности линии сплавления.

В работе установлены и описаны основные закономерности процессов разупрочнения и упрочнения зоны в окрестности линии сплавления разнородных соединений.

Как известно, характеристики работоспособности и безопасности разнородных соединений существенно зависят от геометрических и механических параметров ДМП и ДТП. При этом основными геометрическими параметрами ДТП и ДМП являются их относительные толщины ДМП (ДМП = hДМП / ) и ДТП (ДТП = hДТП / ). Здесь hДМП и hДТП – толщины соответственно ДМП и ДТП; – толщина соединения труб (обечаек). Другим геометрическим параметром является отношение внутреннего радиуса соединяемых труб rB к наружному rН (kТН=rB/rН).

Основными механическими параметрами ДМП и ДТП являются: =/; =/; и – временные сопротивления металла ДМП и ДТП, – временное сопротивление металла, примыкающего к ДМП и ДТП. Чаще всего = (временному сопротивлению основного металла) или (временному сопротивлению металла шва).

Полученные результаты справедливы для упрощенных схем разнородных соединений с ДМП и ДТП (рисунок 2), часто принимаемых в расчетной практике.

В работе дан подробный анализ полученных результатов исследования закономерностей распределения основных компонентов напряжений в объеме кольцевых ДМП и ДТП, которые проиллюстрированы соответствующими графическими материалами. Приведены сравнительные данные, полученные другими авторами.

Рисунок 2 – Схемы разнородных соединений с ДМП и ДТП

В частности, для оценки коэффициентов упрочнения (КУП) ДМП и разупрочнения (КРЗ) ДТП получены следующие формулы:

; (2)

, (3)

где ; параметр с1,00 … 1,25.

Анализ формул (2) и (3) показывает, что при уменьшении величин ДМП и ДТП коэффициент КУП значительно возрастает, а КРЗ уменьшается.

Это означает, что при деформации элементов с ДМП их прочностные характеристики увеличиваются со снижением ДМП. В конструктивных элементах с ДТП с уменьшением ДТП прочностные характеристики сохраняются постоянными, но повышается степень вовлечения в пластическую деформацию металла ДТП.

Уменьшение ДТП в целом повышает деформационную способность разнородного кольцевого соединения.

Указанные закономерности справедливы для расчетных схем, представленных на рисунке 2.

Во многих случаях линии сплавления разнородных труб оказываются под определенным углом , например при электродуговой ручной и полуавтоматической сварке в среде защитных газов с симметричной разделкой кромок. В этом случае за расчетную схему ДМП и ДТП целесообразно принимать такую, которая изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема наклонных ДМП и ДТП



Pages:   || 2 |
 





 
© 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.