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 |

Определение ресурса толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью в условиях коррозионно-механического износа

-- [ Страница 1 ] --

УДК 622.692.4.621.193/197

На правах рукописи

Шишков Эдуард Олегович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА

ТОЛСТОСТЕННЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

С ПОВЫШЕННОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНОСА

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2010

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель Официальные оппоненты: Ведущее предприятие – доктор технических наук, профессор Зайнуллин Рашит Сибагатович – доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович – кандидат технических наук, доцент Габбасов Дмитрий Фанисович – ЗАО «Технология, экспертиза и надежность», г. Уфа

Защита диссертации состоится 1 октября 2010 г. в 1400 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 1 сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Одним из основных направлений повышения эффективности нефтепроводов является повышение их пропускной способности с обеспечением соответствующего ресурса их безопасной эксплуатации. Эта проблема может быть решена применением для строительства нефтепроводов высокопрочных или толстостенных труб. Применение высокопрочных труб, как правило, сопровождается снижением пластичности и технологичности, а также повышением уровня напряженности металла. Это обуславливает ужесточение требований к качеству нефтепроводов на всех стадиях их жизненного цикла (проектирования, изготовления и эксплуатации). Кроме этого, повышенный уровень напряженности труб при эксплуатации может приводить к ускорению процессов повреждаемости, связанных с воздействием рабочей среды, нестационарностью нагрузок и др. Поэтому применение толстостенных труб с целью повышения пропускной способности нефтепроводов может оказаться наиболее рациональным решением, хотя и в этом случае возникает ряд проблем, связанных с оценкой ресурса их безопасной эксплуатации, в особенности в условиях коррозионно-механического износа металла.

Необходимо отметить, что современные расчетные методы оценки ресурса нефтепроводов основываются на теории сопротивления материалов и некоторых механических характеристиках металлов (пределе текучести временном сопротивлении ), полученных на образцах, испытываемых в лабораторных условиях. При этом эксплуатационные условия и среда учитываются формально путем введения коэффициентов запаса прочности и условий работы.

Все это вызывает необходимость научных разработок по расчетной оценке прогнозируемого и остаточного ресурсов нефтепроводов, смонтированных из толстостенных труб и других конструктивных элементов и, в частности, работающих в условиях коррозионно-механического износа.

В связи с этим разработки, направленные на решение указанной проблемы, следует относить к числу актуальных и важных для трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.

Работа выполнялась в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий» п. 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», а также в рамках реализации подпрограммы Федеральной целевой научно-технической программы «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» – ФЦНТП ПП «Безопасность».

Цель работы – разработка методов расчетной оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов безопасной эксплуатации толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью, работающих в условиях коррозионно-механического износа.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

– анализ современных методов определения прогнозируемого и остаточного ресурсов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью в условиях коррозионно-механического износа;

– обоснование взаимосвязи коррозионно-механического износа и характеристик напряженно-деформированного состояния металла базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью;

– разработка методов определения прогнозируемого ресурса базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью в условиях коррозионно-механического износа;

– оценка степени коррозионно-механического износа и остаточного ресурса базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью на всех стадиях их упругопластического деформирования, включая и предельные.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов теории коррозии и механохимии металлов, пластичности, механики разрушения, физики твердого тела и др.

Научная новизна:

– установлена взаимосвязь скорости коррозионно-механического износа и характеристик напряженно-деформированного состояния базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью. Показано, что предопределяющими скорость коррозионно-механического износа факторами являются степень жесткости напряженного состояния и характеристики деформационного упрочнения металла базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью;

– разработан метод инженерной оценки среднеинтегральной скорости коррозионно-механического износа и ресурса базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью на всех стадиях упругого и упругопластического деформирования металла.

На защиту выносится комплекс результатов исследований, определяющих научную и практическую ценность, в частности закономерности коррозионно-механического износа и кинетики изменения напряженно-деформированного состояния металла, аналитические зависимости и методические рекомендации по расчетному определению прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

– разработанные методы расчетного определения прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов позволяют научно обоснованно назначать безопасные сроки эксплуатации толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью как на стадии проектирования, так и по результатам диагностической информации;

– основные результаты нашли отражение в разработанных при участии автора методических рекомендациях по расчетам ресурса толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью, работающих под давлением коррозионных рабочих сред.

Достоверность результатов исследований

Выполненные исследования базируются на широко апробированных подходах и положениях теории упругости и пластичности, механохимии металлов и материаловедения, механики деформируемых тел и др. Теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными других авторов.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и научно-практических конференциях, проводимых ГУП «ИПТЭР».

Работа заслушана и рекомендована к защите на секции Ученого совета «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» ГУП «ИПТЭР» (протокол № 5 от 16 мая 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 в научно-техническом журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 125 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 1 таблица и приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена анализу современных подходов и методов расчета на прочность и долговечность толстостенного нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях коррозионно-механического износа металла.

Показано, что существующие подходы и методы оценки ресурса толстостенного оборудования и трубопроводов в условиях коррозионно-механического износа1) имеют определенные ограничения, снижающие их практическую значимость. Они относятся к случаям, когда номинальные напряжения в рабочих сечениях толстостенных базовых элементов (цилиндров, сфер и др.) не превышают предела текучести металла . При этом оценка среднеинтегральной скорости коррозионно-механического износа (, где текущий радиус базовых элементов) производится с применением численных методов и номограмм, полученных для частных случаев. Наряду с этим в исходных кинетических уравнениях, связывающих скорость коррозии и характеристики напряженного состояния, не дается четкая интерпретация роли термодинамических параметров, в частности температуры рабочей среды .

Поэтому возникает необходимость усовершенствования методов расчетного определения прогнозируемого и остаточного ресурсов различных конструктивных элементов в условиях коррозионно-механического износа, в частности толстостенных цилиндров (труб) и сфер, работающих под давлением рабочих сред, характерных для нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Указанная проблема обостряется в связи с современной тенденцией повышения пропускной способности нефтепроводов.

Во второй главе приводятся результаты исследований взаимосвязи скорости коррозионно-механического износа и напряженно-деформированного состояния базовых элементов толстостенных нефтепроводов.

На начальных этапах исследования выполнен анализ литературных данных по оценке влияния напряжений на скорость коррозии металла.

Установлено, что известные кинетические уравнения коррозионно-механического износа металлов включают ряд постоянных коэффициентов, определяемых трудоемкими испытаниями образцов, в особенности в условиях сложного (объемного) напряженного состояния, характерного для базовых элементов толстостенных нефтепроводов.

Некоторые уравнения экспериментально проверены при ограниченных степенях пластической деформации. Между тем, при оценке ресурса конструктивных элементов они распространяются и на большие значения пластических деформаций, включая и предельные. Очевидно, что это приводит к значительному занижению ресурса базовых элементов.

В дальнейшем проанализированы основные особенности напряженного состояния толстостенных цилиндров и сферических элементов, работающих под давлением коррозионных рабочих сред.

Как известно, цилиндры (трубы), работающие под действием внутреннего давления P, принято считать толстостенными, когда отношение толщины их стенок S к серединному диаметру Dср больше 0,1 (S/Dcp 0,1). Заметим, что в тонкостенных трубах и цилиндрах (S/Dcp < 0,1) радиальные напряжения пренебрежительно малы, поэтому в них реализуется плоское напряженное состояние. В толстостенных цилиндрах внутреннее давление Р соизмеримо с действующими окружными и осевыми напряжениями. Вследствие этого металл толстостенного цилиндра находится в условиях объемного напряженного состояния. При этом компоненты главных напряжений в окружном , осевом и радиальном направлениях рассчитываются по известным из сопротивления материалов формулам Лэме:

(1)

где и текущий и внутренний радиусы цилиндра; наружный радиус цилиндра. Очевидно, что при , а при .

Из формул (1) следует, что величина среднего напряжения равна осевому напряжению и не зависит от относительного текущего радиуса .

На рисунке 1 схематично показано изменение окружных 1 и радиальных 3 напряжений по толщине цилиндра (или от параметра ).

  Графики зависимости окружных-23

Рисунок 1 – Графики зависимости окружных и радиальных r напряжений

от относительного радиуса цилиндра

Анализ формул (1) показывает, что радиальные напряжения имеют отрицательный знак (сжимающие). При . На внутренней поверхности абсолютное значение радиальных напряжений равно величине внутреннего давления P.

Окружные напряжения на внутренней поверхности достигают своих максимальных значений:

При (на наружной поверхности) окружные напряжения равны двойной величине продольных напряжений.

Зависимость от параметра mr показана на рисунке 2. Как видно, чем больше степень толстостенности (mr) цилиндра, тем в значительной мере сближаются по величине окружные напряжения и внутреннее давление Р.

Интенсивность напряжений i (или эквивалентное напряжение) определяется по следующей формуле:

.

Поделив ср на i, получим величину коэффициента жесткости напряженного состояния для толстостенного цилиндра:

(2)

При mr = 1 из формулы (2) получаем величину для тонкостенного цилиндра (при ): .

Зависимости относительных величин и от параметра показаны на рисунке 2.

Как видно, с ростом параметра величины и снижаются. Другими словами, увеличение коэффициента толстостенности цилиндра приводит к сближению компонент напряженного состояния с действующим внутренним давлением P.

Аналогичным образом с увеличением параметра происходит снижение коэффициента жесткости напряженного состояния (рисунок 3).

  Графики зависимости /Р на-45

Рисунок 2 – Графики зависимости /Р на внутренней поверхности

цилиндра от параметра mr

  График зависимости  от mr-46

Рисунок 3 – График зависимости от mr для толстостенного сосуда

Для оценки скорости коррозионно-механического износа металла цилиндрического элемента использовано известное уравнение Э.М. Гутмана, которое представлено в следующем виде:

, (3)

где термодинамический коэффициент при абсолютной температуре , соответствующей номинальной температуре ; V и R – соответственно мольный объем стали и универсальная газовая постоянная; температурный коэффициент; скорость коррозии металла при , определяемая известными методами при температуре рабочей среды.

Для оценки скорости коррозионно-механического износа в области пластического деформирования в работе использована следующая формула2):

, (4)

где n – коэффициент деформационного упрочнения стали; интенсивность пластической деформации.

Формулы (3) и (4) были положены в основу разработанных методов оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов толстостенного нефтегазового оборудования и трубопроводов (главы 3 и 4).

Третья глава посвящена оценке среднеинтегральной скорости коррозии и ресурса толстостенных трубопроводов в пределах упругой деформации с использованием критерия наступления общей текучести металла .

В работе предложен и обоснован метод интегрирования уравнения (3), позволяющий производить оценку среднеинтегральной скорости коррозии и времени до наступления общей текучести толстостенных цилиндров и сфер, работающих под действием постоянного во времени внутреннего (внешнего) давления рабочей среды, вызывающей общую коррозию. В частности, для толстостенного цилиндра среднеинтегральная скорость коррозии определяется по следующей формуле:

, (5)

где начальное (до эксплуатации) значение интенсивности напряжений на внутренней поверхности цилиндра .



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.