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 |

Разработка методики оценки остаточного ресурса трубопроводов и резервуаров, работающих в условиях крайнего севера

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Русланович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

01.02.06 – «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физико-технических проблем Севера имени В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук,

Большаков Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Корнев Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Афонская Галина Петровна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра СО РАН, г.Красноярск

Защита состоится «24» октября 2011 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.054.02 в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15

телефон: (383)333-16-12, факс:(383)333-16-12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан «___»________________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук, доцент В.Д. Кургузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Интенсивное развитие газовой и нефтяной промышленности в Дальневосточном федеральном округе Российской Федерации требует обеспечение бесперебойной транспортировки и переработки газонефтепродуктов с помощью трубопроводного транспорта большого диаметра и резервуаров для хранения нефтепродуктов. Возрастающее потребление газонефтепродуктов привело к необходимости увеличения рабочих параметров магистральных газопроводов, что, в свою очередь, обуславливают повышение требований к прочности и трещиностойкости сталей и их сварных соединений, для обеспечения требуемой надежности. К настоящему времени магистральные газопроводы и резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов Республики Саха (Якутия) практически выработали свой проектный ресурс. Как известно, длительная эксплуатация приводит к деградации металла трубопроводов и резервуаров, при этом повышается предел текучести, снижаются показатели пластичности (ударная вязкость, характеристики трещиностойкости и др.). В связи с этим особенную актуальность приобретает проблема оценки предельного состояния (остаточного ресурса) металлоконструкций для принятия решения о продлении срока эксплуатации, проведении частичного или капитального ремонта или же о прекращении эксплуатации.

Экспериментальные и теоретические аспекты проблемы оценки предельного состояния материалов и конструкций изучались в работах Н.А. Махутова, С.В. Серенсена, В.П. Ларионова, Н.П. Алешина, А.В. Лыглаева, В.В. Панасюка, Е.М. Морозова, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичева, А.Я. Красовского, В.Н. Красико, В.Н. Пермякова, Ю.И. Егорова, А.А. Griffith и др. Прогнозирование достижения предельного состояния конструкции осуществляется посредством комплексного расчетно-экспериментального определения конструкционной прочности. При этом методы оценки предельного состояния материалов дополняются методами расчетов в соответствии с моделями теории поврежденности, учитывающими изменение свойств и уровень поврежденности материалов, условий нагружения и работы объектов и др. Необходимость совместного учета изменения эксплуатационных параметров системы и механических характеристик материала, сопровождающееся накоплением в них поврежденности, существенно усложняет задачу определения предельного состояния. В частности, прогнозирование остаточного ресурса большинства магистральных трубопроводов и резервуаров большой емкости требует привлечения результатов вибродиагностики, дефектоскопического и неразрушающего контроля и т.д.



Целью диссертационной работы является разработка методики расчета остаточного ресурса металлоконструкций, позволяющего учесть как условия эксплуатации, так и изменения структуры и свойств металла, происходящие при ее длительной эксплуатации.

При разработке метода исходили из положения, что предельное состояние металлоконструкции определяется по исчерпанию материалом ресурса пластичности, а основными причинами потери способности конструкционных сталей пластически деформироваться является достижение температуры вязко-хрупкого перехода и/или критического уровня поврежденности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Разработка и реализация методики экспериментального исследования накопления поврежденности в конструкционных сталях.
  2. Экспериментальная оценка потери пластичности конструкционных сталей при понижении температуры и испытаниях на малоцикловую усталость.
  3. Установление корреляционных зависимостей между характеристиками потери пластичности и твердости материала.
  4. Определение остаточного ресурса металлоконструкций по изменению характеристик потери пластичности.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

  • разработка и реализация методики экспериментального исследования накопления поврежденности в конструкционных сталях, основанная на имитационных циклических испытаниях;
  • установление закономерностей снижения пластичности путем построения предельных кривых потери пластичности;
  • введение и обоснование коэффициента потери пластичности (КПП) как показателя старения и деградации материала;
  • методика оценки остаточного ресурса конструкций эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера.

Практическая ценность:

Создание методики расчета остаточного ресурса металлоконструкций в процессе эксплуатации, позволяющего на объекте, находящемся под нагрузкой, оценить степень снижения пластичности металла в текущий момент времени эксплуатации путем проведения замеров методами неразрушающего контроля.

Внедрение результатов исследования.

Данные результаты использовались для расчетов и оценки остаточного ресурса технических устройств (газопроводы, резервуары и оборудования нефтяной и газовой промышленности) опасных производственных объектов, подконтрольных Ростехнадзору при подготовке заключений экспертиз промышленной безопасности.

Внедрение результатов исследований осуществлено в экспертной организации Ростехнадзора ЗАО НПП «ФизтехЭРА», производственных организациях ОАО «Сахатранснефтегаз», ОАО «Саханефтегазсбыт» и др.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы обеспечивается использованием широко апробированных и высокоточных методов испытаний, сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования, сопоставлением полученных результатов с опубликованными данными других авторов, практическим использованием результатов диссертационной работы при расчете остаточного ресурса технических устройств.

Личный вклад автора заключается в разработке и реализации методики оценки предельного состояния в конструкционных материалах, исследовании закономерностей разрушения конструкционных материалов от влияния низких температур и при малоцикловом нагружении, анализе, обобщении и внедрении экспериментальных результатов. В работах по проведению испытаний участвовали сотрудники лабораторий ИФТПС СО РАН, при проведении экспертиз промышленной безопасности резервуаров и магистральных газопроводов принимали участие сотрудники ЗАО НПП «ФизтехЭРА», которым автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на IX Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г.Красноярск, 2003 г.); Научно-производственном форуме «Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции газопроводов. Новые материалы и технологии» (г.Томск, 2005 г.); XIII, XIV международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций» (г.Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.); I, II, III, IV, V «Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата» (г.Якутск, 2002, 2004, 2006, 2008 и 2010 г.г.). Получен патент №2382351 от 20.02.2010 г. «Способ оценки потери пластичности по изменению микротвердости конструкционной стали» (рег. № 2008116017 от 22.04.2008)/ Иванов А.Р., Большаков А.М.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 36 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах.

Структура и обьем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Основное содержание и выводы изложены на 136 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 50 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 99 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены выносимые на защиту положения.

В первой главе содержится обзор литературных данных по предельным состояниям и деформационным критериям. Рассмотрены модели накопления повреждений, используемых при оценке долговечности и анализ видов расчетов остаточного ресурса трубопроводов и резервуаров.

Теоретический анализ литературы по проблеме предельных состояний позволил выделить их виды. Данный вопрос подробно рассматривался Н.А. Махутовым, В.В. Москвичевым, В.Н. Пермяковым, А.В. Лыглаевым, в их работах предельные состояния подразделяются на 2 группы: 1) по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации; 2) по непригодности к нормальной эксплуатации (осуществляется в соответствии с условиями, предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование).

Большой пласт теоретических и экспериментальных исследований в области деформационных критериев рассмотренный в работах Н.А. Махутова, В.П. Ларионова, В.В. Панасюка, С.В. Серенсена, А.Ю. Жилюкаса, А.Я. Красовского показывает, что для оценки прочности и ресурса в упругопластической области необходима разработка методов расчета кинетики местных деформаций и деформационных критериев разрушения. Проблемы несущей способности, долговечности, надежности и диагностики предельного состояния металлоконструкций становятся все актуальнее, что связано, прежде всего, с развитием нефтяной и газовой промышленности: ввод новых магистральных газопроводов и резервуаров, их эффективное использование и эксплуатация в сложных климатических условиях. Острую значимость приобретает вопрос диагностики предельного состояния, которая позволила бы принимать меры по эксплуатации: продление сроков функционирования, проведение частичного, капитального ремонтов или полное прекращение эксплуатации. Современное состояние парка резервуаров и магистральных газопроводов, действующих в Республике Саха (Якутия) с шестидесятых–семидесятых годов, характеризуются тем, что они исчерпали свой проектный ресурс. Данные статистики свидетельствуют о том, что более 60 % металлоконструкций имеют сроки эксплуатации свыше 30 лет.

При использовании металлоконструкций под действием эксплуатационных факторов происходит деградация металла труб и резервуаров, приводящая к ухудшению его механических свойств. Экспериментально доказано, что уменьшение сопротивления хрупким разрушениям металла проявляется преимущественно через снижение характеристик вязкости разрушения.

Основанием для диагностики предельного состояния металла трубопровода или резервуара в процессе их эксплуатации является выявление дефектов основного металла и их сварных соединений с помощью аппаратов и приборов технической диагностики. Следует отметить, что оценка опасности выявленных дефектов требует знания реальных механических характеристик металла трубы или резервуара, существенно изменившихся за текущий период эксплуатации. Следовательно, диагностика предельного состояния металла и соответствующего изменения его механических свойств является одним из двух составных элементов общей системы диагностики металла магистральных газопроводов и резервуаров в процессе эксплуатации.





На сегодняшний день практически не существует надежных, практически применяемых, неразрушающих методов экспериментального определения реальных механических свойств материала конструкции, непосредственно в процессе эксплуатации объекта, находящегося под нагрузкой. Существующие методы основаны на измерении физических характеристик, изменяющихся в зависимости от состояния металла трубы или на анализе изменения микроструктуры металла. Такие методы качественно оценивают степень деградации металла и основаны на использовании разрушающих методов анализа. Таким образом, характеризуются сложностью применения и не позволяют получить количественные значения реальных механических характеристик в полевых условиях.

Повышение эксплуатационных нагрузок и снижение запасов прочности приводит к тому, что расчеты сопротивления статическому и циклическому разрушению должны осуществляться не в напряжениях, как это традиционно имели место, а в деформациях. Это связано с тем, что в неупругой области небольшим изменениям номинальных напряжений соответствуют еще меньшие изменения максимальных напряжений в перенапрягаемых зонах и существенные изменения местных деформаций.

Деформационные критерии статического, малоциклового и хрупкого разрушения являются основой для расчетов прочности и ресурса высоконагруженных несущих элементов машин и конструкций.

Вышеприведенный анализ современного состояния проблемы явился обоснованием для постановки цели и задач диссертационной работы.

Во второй главе проведен анализ масштабных разрушений крупногабаритных технических устройств (магистрального газопровода и резервуаров для нефти и нефтепродуктов), эксплуатировавшихся в Республике Саха (Якутия).

Общую картину последовательности разрушений газопроводов и резервуаров можно представить в следующем виде: в результате циклических температурных напряжений и колебания рабочего давления за время эксплуатации трубопровода или резервуара около монтажных и конструкционных дефектов накапливаются повреждения, которые служат инициаторами трещиноподобных дефектов, и при достижении критического размера происходит хрупкое или квазихрупкое распространение трещин по механизму отрыва, на местах искривления траектории и остановки трещины переходящим к вязкому разрушению по механизму среза (Рис.1а и 1б).

При этом исследования механических свойств материалов показывают на существенное снижение пластических свойств и характеристик ударной вязкости. Показатели твердости материала за время эксплуатации оказались значительно повышены.

а) Участок магистрального газопровода б) Резервуар РВС-700 №49

Рис. 1. Разрушения технических устройств.

Таким образом, анализ разрушений и повреждений крупногабаритных технических устройств, при длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера показывает следующее:

- масштабные разрушения объектов нефтяной и газовой промышленности с катастрофическими последствиями происходят при распространении трещины;

- исследования и анализ аварий и отказов магистральных газопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера позволили выявить, что одной из основных причин катастрофических хрупких разрушений многофрагментарного типа является исчерпание несущей способности конструкции, выражающейся в потере пластичности материала в результате воздействия различных факторов, в том числе низких температур, при этом разрушения носят лавинообразный характер.

В третьей главе приведена методика проведения испытаний гладких образцов (материалы - ст.15 и 09Г2С) на малоцикловую усталость (имитация накопления поврежденности) с последующим растяжением до разрушения (рис. 2а) и анализ результатов испытаний образцов на трещиностойкость (материал-16Г2САФ, типы образцов III и IV) (рис. 2б).

а) б)

Рис.2. Диаграммы деформирования образцов с различными уровнями накопленной поврежденности и при низких температурах.

На основании полученных результатов были построены предельные кривые потери пластичности от влияний накопленной поврежденности и низких температур (рис. 3а и 3б).

а) б)
Рис. 3. Предельные кривые потери пластичности от накопления поврежденности (N=100 циклов, 09Г2С) и от влияния низких температур (16Г2САФ).

Предельная кривая потери пластичности для гладких образцов описывается эмпирически полученным уравнением:

(1)

где и m – коэффициенты для конкретной конструкционной стали (для 09Г2С: =0,3, m=4; для ст.15: =0,8; m=2).

Предельная кривая потери пластичности для образцов с трещиной описывается эмпирически полученным уравнением:

(2)

где и n – коэффициенты для конкретной конструкционной стали.

Анализ результатов испытаний образцов с трещиной при низких температурах и испытаний гладких образцов на малоцикловую усталость показали, что с понижением температуры испытаний и накоплением поврежденности приводят к уменьшению значений ep и p т.е. происходит потеря пластичности материала.

На основании проведенных исследований разработана методика построения предельных кривых потери пластичности конструкционных материалов для образцов с трещиной и гладких образцов (рис. 4).

 Схема построения предельных кривых-8

Рис. 4. Схема построения предельных кривых потери пластичности конструкционных материалов для образцов с трещиной и гладких образцов

Четвертая глава посвящена оценке предельного состояния путем корреляции механических характеристик металла с замерами твердости. Проведены измерения микротвердости и твердости по Бриннелю гладких образцов (ст.15 и 09Г2С) после испытаний на малоцикловую усталость (имитация накопления поврежденности) с последующим растяжением до разрушения.

Из полученного эмпирическим путем уравнения, описывающего предельную кривую потери пластичности для гладких образцов, предложен параметр: (3)

характеризующийся как коэффициент потери пластичности (КПП), а условие:

Ппл1 (4)

является критерием достижения предельного состояния.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 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.