Обеспечение безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами

В этом случае коэффициенты КУП и КРЗ резко изменяются с увеличением угла , и при 45о КУП1,0 и КРЗ1,0.

Для оценки влияния угла наклона на величины КУП и КРЗ получены следующие формулы:

; (4)

; (5)

где ;  = 3,14.

Графики зависимостей КУП() и КРЗ() от показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Графики зависимостей КУП и КРЗ от

Четвертая глава посвящена вопросам технологического обеспечения безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами.

На начальных этапах работы на основании результатов исследований, полученных в третьей главе, произведена оценка допускаемых размеров [ДМП] и [ДТП]. При соблюдении в соединениях условий ДМП[ДТП] обеспечиваются достаточно высокие прочностные характеристики разнородных соединений.

В работе получена следующая формула для определения допускаемого параметра [ДМП]:

, (6)

где ; kTH = rВ /rН – коэффициент тонкостенности.

На практике величину ДМП определяют по площади ДМП (FДМП): ДМП = FДМП / 2.

Величину КВ удобно определять по измерениям твердости:
КВ = HVT / HVДМП.

Аналогично определяются величины и КВ для ДТП.

Для ориентировочной оценки [ДМП] может быть использована следующая формула:

. (7)

Формула (7) справедлива в области КВ = 1,25 … 2,50.

Для определения [ДТП] получена следующая аналитическая зависимость:

[ДТП], (8)

где .

Приближенно величина [ДТП] может быть определена на основании измерений твердости:

[ДТП], (9)

где HVT – как и ранее, твердость металла, прилегающего к ДТП (основного металла). Формула (9) справедлива при =1,2 … 2,2.

Анализ полученных формул для определения [ДМП] и [ДТП] показывает, что они наиболее адекватно отвечают экспериментальным данным, полученным сотрудниками ИПТЭР и УГНТУ в результате натурных испытаний и методом муаровых полос для схем, представленных на рисунке 2.

Основными направлениями технологического обеспечения характеристик безопасности разнородных соединений сильфонных компенсаторов являются: а) достижение условий ДМП[ДТП];
б) обеспечение аустенитно-ферритной (А+Ф) структуры шва разнородных соединений, обладающей высокой трещиностойкостью и коррозионной стойкостью.

Для разнородных труб, образующих соединения из сталей аустенитного (08Х18Н10Т) и феррито-перлитных (20, 22, 20К, 22К, Ст3, 16ГС, 17ГС и др.) классов, первое требование выполняется при условии, что схемы ДМП и ДТП соответствуют рисунку 2, когда их угол наклона 0. Поэтому предлагается односторонняя разделка кромок (рисунок 5) с уменьшенным притуплением кромки в и увеличенным зазором с.

Второе условие можно обеспечить соответствующим выбором присадочного материала (электродов и сварочной проволоки).

Рисунок 5 – Схема разделки кромок патрубка сильфонного компенсатора

Как известно, при электродуговой сварке важную роль в обеспечении трещиностойкости играет процесс разбавления двух разных сталей и присадочного материала. Другими словами, сталь, более легированная, разбавляется сталью, менее легированной. При этом степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих в разнородном сварном соединении.

Для оценки структурного класса сталей вводят эквиваленты хрома CrЭ и никеля NiЭ.

В зависимости от величин эквивалентов хрома CrЭ, никеля NiЭ и доли участия каждого из металлов, образующих сварной шов (i), в нем реализуется та или иная структура с меньшими значениями CrЭ и NiЭ. При этом эквиваленты хрома CrЭсв и никеля NiЭсв в сварном шве будут определяться по известному закону аддитивности:

CrЭсв=CrЭii; NiЭсв= NiЭii, (10)

где CrЭi – эквивалент хрома i-ого металла, составляющего сварной шов; NiЭi – соответствующий эквивалент никеля; i – доля участия i-ого металла в образовании сварного шва.

В работе определены значения допускаемых долей участия составляющих в разнородном соединении, а также обоснованы типы и марки электродов с использованием структурно-фазовой диаграммы Шеффлера. С целью уменьшения процессов разбавления более легированных составляющих менее легированными в работе предложены рекомендации по изменению размеров формы подготовки кромок под сварку. Установлено, что наиболее эффективной является многослойная сварка с послойным охлаждением.

Произведена оценка изменения структуры и доли участия присадочного материала по высоте разнородного соединения.

В работе обоснованы величины сварочного тока при многослойной электродуговой сварке.

Предложен новый технологический способ выполнения разнородных соединений комбинированными швами, заключающийся в том, что корневые швы завариваются электродами с повышенным содержанием NiЭ и CrЭ, а остальные – с пониженным.

Особую сложность представляет выполнение разнородных соединений патрубка сильфонного компенсатора с трубопроводами из хромистых жаропрочных сталей типа 15Х5М. Особенностью этой группы жаропрочных сталей является их склонность к образованию при сварке закалочных структур в зоне термического влияния с 2,0. В этом случае значение ширины зоны подкалки hЗП при обычной сварке аустенитными электродами и с предварительным подогревом получается достаточно высоким (hЗП 4 … 5 мм при толщине сварочных элементов  = 10 мм). При этом значение относительной толщины достигает 0,4 … 0,5.

В этом случае первое условие обеспечения высокого качества разнородного соединения не соблюдается, наряду с другими отрицательными последствиями предварительного подогрева при сварке. С целью снижения величины ЗП необходимо проводить сварку с ограничением тепловложения, например многослойную сварку с послойным охлаждением на воздухе. В этом случае значение величины Т можно снизить до ЗП0,2.

Перспективным способом выполнения таких разнородных соединений является сварка в среде защитных газов с ускоренным охлаждением (А.В. Бакиев, А.Г. Халимов). При этом значение величины ЗП можно снизить до 0,15. Эффективность этой технологии обоснована комплексом натурных испытаний труб при различных схемах нагружения и действия агрессивных сред.

Кроме того, в работе предлагается производить приварку сильфона к патрубку из той же стали, что и трубопровод (рисунок 6), с использованием наплавки с высоким содержанием эквивалента хрома и никеля (в заводских условиях).

1 – сильфон; 2 – патрубок; 3 – наплавка; 4 – сварные швы

Рисунок 6 – Схема присоединения сильфона к патрубку

В пятой главе разработаны методические рекомендации по оценке ресурса нефтегазового и нефтехимического оборудования по критериям длительной прочности (коррозионной, циклической и термической повреждаемости) с учетом исходной дефектности и без нее.

Методические рекомендации базируются на фундаментальных и широко апробированных положениях теории длительной прочности, а также на существующих нормативных материалах. Кроме того, большинство использованных подходов согласованы Госгортехнадзором РФ для использования в трубопроводном транспорте.

Методические рекомендации состоят из восьми разделов.

Первый раздел включает общие положения.

Во втором разделе на базе теории упругости и пластичности произведена оценка предельного давления (несущей способности) различных конструктивных элементов оборудования с концентраторами напряжений и повреждениями.

Далее предложены методы определения безопасного срока эксплуатации оборудования, работающего при длительном статическом нагружении и механохимической повреждаемости (при усилении скорости коррозии от действия приложенных механических напряжений).

В четвертом разделе даны рекомендации по учету малоцикловой усталости при оценке ресурса оборудования на базе основных уравнений, предложенных известными учеными Института машиноведения РАН им. А.А. Благонравова.

В пятом разделе рассмотрены особенности определения долговечности (ресурса) сварных элементов оборудования.

Далее предложены методы оценки ресурса конструктивных элементов оборудования по известным критериям статической и циклической трещиностойкости (Международный институт безопасности сложных технических систем «МИБ СТС», МИФИ, ВНИИНефтемаш и др.).

В седьмом разделе произведена оценка ресурса конструктивных элементов оборудования с учетом деформационного старения.

Последний раздел посвящен разработке ресурса конструктивных элементов оборудования, работающего при высоких температурах. Большинство расчетов базируются на экспериментальных данных ВНИИНефтемаша [Дьяков В.Г. и др. Легированные стали для нефтехимического оборудования. – М.: Машиностроение, 1971. – 184 с.].

Более подробно остановимся на последнем разделе.

Для оценки ресурса разнородных соединений типа 08Х18Н10Т+15Х5М при высоких температурах предложена следующая формула:

, (11)

где tP – время до разрушения при заданной температуре испытаний; Р – действующее напряжение; А и m – константы.

На основании анализа большого массива литературных данных установлено, что для стали типа 15Х5М и её сварных соединений параметр А в приведенном выше кинетическом уравнении высокотемпературной повреждаемости можно определять по следующей формуле:

, (12)

где kTP – коэффициент температурного разупрочнения стали при кратковременных испытаниях на растяжение; – временное сопротивление стали при нормальной температуре испытаний (20 °С). В отожженном состоянии для стали 15Х5М 473…480 МПа.

Величина kTP определяется по формуле:

kTP = 1,614 – 1,365, (13)

где  = Т/700 оС; Т – текущая температура испытаний.

Показатель степени m в кинетическом уравнении высокотемпературной повреждаемости имеет отрицательный знак, поэтому, для удобства чтения, его значение будем брать по абсолютному значению .

Величина определяется по формулам:

• для основного металла

 = 0,085 + 0,315 ( – 0,7); (14)

• для сварных соединений

 = 0,09 + 0,4 ( – 0,7). (15)

Особо важную практическую ценность в расчётной практике имеют данные по определению предельной прочности .

Для оценки могут быть использованы следующие формулы:

• для основного металла

при  = 0,70 …0,86; (16)

• для сварных соединений

при  = 0,70 … 0,86. (17)

Аналогичные данные получены для других сочетаний разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе обобщения литературных данных произведена оценка характеристик работоспособности и безопасности эксплуатации разнородных соединений патрубков сильфонных компенсаторов с трубопроводом.

Установлено, что для разнородных соединений патрубков сильфонных компенсаторов (08Х18Н10Т) и трубопроводов (20, 20К, Ст3, 16ГС, 17ГС и др.) характерным является реализация в окрестности зоны сплавления диффузионных мягких и твердых прослоек. В разнородных соединениях патрубков сильфонных компенсаторов (08Х18Н10Т) и трубопроводов из жаропрочных сталей типа 15Х5М их несущая способность и ресурс предопределяются участками подкалки в окрестности линии сплавления. Показано, что значение коэффициента механической неоднородности КВ в большинстве разнородных соединений составляет около двух (КВ2).

2. Базируясь на основных положениях теории пластичности, получено новое решение о напряженном состоянии в окрестности линии сплавления разнородных кольцевых соединений патрубков сильфонных компенсаторов с трубопроводами. Показано, что со стороны более прочного металла в окрестности линии сплавления кольцевого соединения реализуется объемное напряженное состояние с более низкими величинами шарового тензора напряжений, чем со стороны менее прочного металла.

Получены аналитические зависимости для оценки наиболее важных характеристик напряженного состояния в окрестностях линии сплавления кольцевого разнородного соединения, определяющие их несущую способность и ресурс при эксплуатации.

3. Выведены аналитические зависимости для определения допускаемых параметров диффузионных мягких и твердых прослоек в разнородных кольцевых соединениях патрубков сильфонного компенсатора и трубопровода. Установлено, что при определенных условиях наличие ДМП и ДТП в разнородных соединениях патрубков сильфонных компенсаторов (08Х18Н10Т) и трубопроводах (20, 20К, Ст3, 16ГС, 17ГС и др.) реализуются такие параметры механической неоднородности, которые не оказывают существенного влияния на их прочность и долговечность. Показано, что при обычных технологиях присоединения патрубков сильфонного компенсатора (08Х18Н10Т) к трубопроводу из жаропрочных хромистых сталей типа 15Х5М образуется довольно широкая зона подкалки, что не обеспечивает достаточных характеристик работоспособности разнородных соединений. С целью повышения характеристик работоспособности таких разнородных соединений предложено выполнять их с ограничением тепловложения (сварочного тока при ручной электродуговой сварке) без предварительного подогрева, а с послойным охлаждением на воздухе выполненных слоев шва. При этом корневой слой выполняется электродами с повышенным содержанием эквивалентов хрома и никеля, а последующие – с более низкими значениями CrЭ и NiЭ.

С целью более полной реализации степени упрочнения ДМП и разупрочнения ДТП и закалочных прослоек предложено выполнять разнородные соединения с односторонней разделкой кромок.

4. Показано, что в ряде случаев с целью исключения ДМП, ДТП и закалочных прослоек целесообразно патрубки сильфонного компенсатора изготавливать из того же металла, что и трубопровод. Однако в этом случае присоединение сильфона к патрубку необходимо производить после соответствующей наплавки (рисунок 6).

5. Разработаны методические рекомендации по оценке ресурса нефтегазохимического оборудования по критериям длительной прочности, согласованные компетентными организациями.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Стандарт предприятия СТП 3 – 07. Повышение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов регулированием параметров механической неоднородности их конструктивных элементов (Салаватнефтемаш) / Д.С. Худяков, А.А. Халимов. – Салават, 2007. – 7 с.
2. Халимов А.А., Худяков Д.С. Методика определения безопасного срока эксплуатации нефтегазохимического оборудования по данным периодических испытаний. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2007. – 8 с.
3. Халимов А.А., Худяков Д.С. Оценка длительной прочности сварных конструктивных элементов оборудования из жаропрочных хромистых сталей // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – 2008. – Вып. 4 (74). – С. 67-70.
4. Халимов А.А., Худяков Д.С., Тазетдинов Р.М. Оценка ресурса нефтегазохимического оборудования по критериям длительной прочности: Методические рекомендации. – Уфа, 2008. – 37 с.
5. Худяков Д.С. Определение параметров кинетического уравнения повреждаемости элементов сильфонных компенсаторов при высоких температурах // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – 2009. – Вып. 1 (75). – С. 8-10.
6. Халимов А.А., Худяков Д.С. Особенности напряженного и предельного состояний соединений патрубков сильфонного компенсатора и трубопровода. – Уфа, 2009. – 40 с.
7. Халимов А.А., Худяков Д.С., Тазетдинов Р.М. К оценке ресурса нефтегазохимического оборудования по критериям длительной прочности // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер. научн.-техн. семинара 19 января 2009 г.– Уфа, 2009. – С. 50-51.
8. Худяков Д.С. Оценка ресурса сварных элементов сильфонных компенсаторов с учетом механохимической коррозии // Актуальные вопросы нефтегазовой отрасли в области добычи и трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Матер. научн.-техн. семинара 19 января 2009 г.– Уфа, 2009. – С. 55-56.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 20.03.2009 г. Бумага писчая.

Заказ № 126. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР», 450055, г. Уфа, проспект Октября, 144/3.