Обеспечение безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами

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