Разработка методов расчета конструктивной прочности базовых элементов нефтегазовых объектов

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Лунев Вячеслав Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНОЙ

ПРОЧНОСТИ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальности: 05.26.03 – Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс);

25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2011

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии

«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»), г. Уфа

Научный руководитель Научный консультант	– доктор технических наук, профессор Гумеров Асгат Галимьянович – кандидат технических наук Фаритов Айрат Табрисович
Официальные оппоненты:	– доктор технических наук, профессор Султанов Марат Хатмуллинович – кандидат технических наук, доцент Галлямов Мурат Ахметович
Ведущее предприятие	– Открытое акционерное общество «Нефтегазпроект», г. Тюмень

Защита диссертации состоится 11 марта 2011 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 11 февраля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Создание нефтегазовых объектов (НГО) с высокими эксплуатационными показателями, снижение их металлоемкости, оценка и повышение конструктивной прочности и долговечности всегда были и будут актуальными проблемами жизнедеятельности. При этом особое внимание придается разработкам НГО, работающих в экстремальных условиях как по параметрам нагружения, так и по параметрам рабочих сред. Применение для изготовления таких НГО высокопрочных сталей в сочетании с локализованными термомеханическими воздействиями на металл их базовых элементов обуславливает большую вероятность возникновения в последних технологических и эксплуатационных повреждений, в том числе и трещиноподобных. Высокая стоимость, масштабность и уникальность большинства НГО, а также несомненные достижения в области механики разрушения предопределяют использование новых подходов к их проектированию и эксплуатации, базирующихся на допущении в их конструктивных элементах безопасных повреждений. Все это позволяет в ряде случаев во много раз повышать прогнозируемый ресурс, а также обеспечивать маневренность регулирования режимами и параметрами безопасной эксплуатации базовых элементов НГО.

В этом направлении сотрудниками ВНИИСПТнефть (ныне ГУП «ИПТЭР»), ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН и МИФИ (г. Москва), а также рядом других научных организаций созданы научные основы нормирования степени поврежденности металла базовых элементов НГО.

Значительный вклад в развитие различных сторон рассматриваемой проблемы внесли работы ученых ВНИИГаза, Института проблем транспорта энергоресурсов, ВНИИСТа, РГУНГ им. И.М. Губкина, проектных организаций: «Гипротрубопровод», «ВНИПИтрансгаз», «Нефтегазпроект», а также работы ряда ученых: Х.А. Азметова, А.Б. Айнбиндера, В.Л. Березина, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова, Г.Г. Васильева, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, Р.С. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, М.Х. Султанова, К.М. Ямалеева и др.

Диагностическое обследование линейной части нефтепроводов страны, проведенное за последние годы внутритрубными снарядами, позволяет на базе полученной информации оценить фактическую поврежденность металла труб и определить пути обеспечения безопасности НГО в условиях ограниченности финансовых и материальных ресурсов для проведения реконструкции и ремонта отдельных участков.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования и решение комплексной народнохозяйственной задачи, направленной на обеспечение безопасности и эффективности эксплуатации стареющих и вновь создаваемых НГО, продолжают оставаться актуальными задачами страны.

Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации НГО регламентацией конструктивной прочности и ресурса их базовых элементов с различными повреждениями и концентраторами напряжений.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

• анализ современных подходов по оценке влияния коэффициентов концентрации напряжений на конструктивную прочность базовых элементов НГО;
• исследование и оценка коэффициентов концентрации напряжений в базовых элементах НГО с различными повреждениями;
• оценка взаимосвязи теоретических и эффективных коэффициентов концентрации напряжений, вызванных различными повреждениями в базовых элементах НГО;
• оценка конструктивной прочности базовых элементов НГО в различных структурно-механических состояниях, обусловленных термообработкой.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов механики разрушения и надежности и безопасности трубопроводных систем, теорий упругости и пластичности, а также на основе полученных экспериментальных результатов.

Научная новизна результатов работы:

- впервые установлены и описаны основные закономерности влияния коэффициентов концентрации напряжений на несущую способность базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта с учетом исходных механических характеристик металла, а также геометрических параметров, характеризующих степень ослабления и напряженность их рабочих сечений во всем диапазоне их изменения, включая предельные;

- научно обоснована взаимосвязь несущей способности труб (обечаек) и коэффициента трещиностойкости в различных структурно-прочностных состояниях металла, обусловленных термообработкой (закалка + отпуск).

На защиту выносятся:

комплекс результатов исследований, имеющих научно-практическую значимость, в частности методы расчетного определения степени напряженности и поврежденности конструктивной прочности базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта с учетом предыстории нагружения, концентраторов напряжений, исходных механических характеристик металла и др.;

методические рекомендации по оценке и повышению конструктивной прочности базовых элементов НГО с различными повреждениями и концентраторами напряжений.

Практическая ценность результатов работы:

• результаты проведенных исследований позволяют научно обоснованно устанавливать нормируемые параметры и их допустимость в базовых элементах нефтегазовых объектов;
• предложенные аналитические зависимости позволяют оперативно устанавливать коэффициенты прочности и ресурс базовых элементов нефтегазовых объектов НГО без проведения дорогостоящих и сложных лабораторных и натурных испытаний.

Достоверность результатов исследования

Разработанные методы и рекомендации по оценке и повышению конструктивной прочности базовых элементов НГО основываются на представлениях о процессах разрушения, развиваемых в работах ученых ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ИПТЭР, УГНТУ и др. Полученные автором результаты согласуются с известными подходами механики деформирования геометрически неоднородных твердых тел, а также теории упругости и пластичности, а установленные новые закономерности и аналитические зависимости адекватно отвечают экспериментальным данным других исследователей.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках
XIII международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2010» (Уфа, 2010 г.); Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2010 г.).

Диссертация заслушана и рекомендована к защите на заседании секции Ученого совета ГУП «ИПТЭР» (протокол № 1 от 11 января 2011 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных трудах, в том числе в 2 монографиях и 2 рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 131 наименование, 1 приложения. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 8 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность проф. Р.С. Зайнуллину и доценту И.Ф. Кантемирову за консультации и ценные замечания при выполнении и оформлении работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена анализу литературных данных о природе возникновения, методах оценки и влияния на характеристики безопасности базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта известного феномена – концентрации напряжений. Показано, что концентрация напряжений является следствием неоднородности физико-механических свойств металла, геометрических параметров и внешних силовых воздействий в окрестности аномальных зон конструктивных элементов. При этом степень напряженности металла, оцениваемая теоретическим коэффициентом концентрации напряжений , может изменяться в невероятно широких диапазонах . В связи с этим в литературе имеется достаточно большое количество работ по оценке и влиянию параметра на эксплуатационные характеристики различных конструктивных элементов. Тем не менее, в литературе недостаточно сведений о количественной оценке характеристик прочности и долговечности базовых элементов НГО с различными концентраторами напряжений. Ясно лишь одно – чем больше , тем должны быть ниже прочность и долговечность элемента.

В работе показано, что одним из перспективных подходов к оценке влияния на характеристики безопасности базовых элементов НГО является анализ неустойчивости локализованных (в окрестности концентраторов напряжений) пластических деформаций, развиваемый в работах
А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, Н.А. Махутова, Е.М. Морозова и др. Однако при этом возникают сложности определения полей упруго-пластических деформаций и их кинетики изменения с ростом внешних нагрузок вплоть до разрушения. В связи с этим приобретают высокую значимость разработки простых и адекватных моделей расчетного определения конструктивной прочности базовых элементов НГО с различными концентраторами напряжений, охватывающими указанный диапазон изменения .

Во второй главе приведены данные по усовершенствованию методов расчетного определения коэффициентов концентрации напряжений применительно к базовым элементам НГО (рисунок 1).

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – линии пересечения базовых оболочковых элементов (сварные стыки)

Рисунок 1 – Концентраторы напряжений в конструктивных элементах

нефтепромыслового оборудования и трубопроводов

В отличие от общего машиностроения, большая доля базовых элементов НГО представляют собой оболочки вращения и их комбинации, работающие под действием внутреннего (наружного) давления. Концентрация напряжений в базовых элементах НГО может вызываться резкими изменениями радиусов кривизны поверхностей (рисунок 1, а, б, в), упругих характеристик металла и температуры (рисунок 1, г). Вторая группа концентраторов напряжений обуславливается резкими изменениями рабочего сечения (рисунок 1, д, е, ж, з). При этом необходимо различать концентраторы напряжений, снижающие (рисунок 1, е, ж) и не снижающие (рисунок 1, д, з) рабочие сечения (толщину стенок ) базовых элементов НГО.

Такое деление концентраторов напряжений, несмотря на определенную условность, целесообразно с точки зрения подходов к оценке коэффициентов концентрации напряжений , где и номинальные и максимальные напряжения). Для первой группы концентраторов напряжений оценка производится решением краевых задач теории тонких оболочек вращения. Напряженное состояние в окрестности концентраторов второй группы определяется методами механики разрушения и теорий упругости и пластичности.

Чаще всего в конструктивных элементах возникают концентраторы напряжений, которые представляют комбинацию отмеченных видов (рисунок 1, а-е).

Общим для всех концентраторов напряжений является сравнительно быстрый характер затухания максимальных напряжений по мере удаления от их вершин. Например, для большинства концентраторов напряжений, показанных на рисунке 1, а, б, в, г, на основании решения краевой задачи теории тонких оболочек можно показать, что напряжения убывают до номинальных или мембранных напряжений на относительном расстоянии (, где диаметр цилиндра), определенном по формуле: ,

где – коэффициент тонкостенности элемента,.

Для концентраторов, показанных на рисунке 1, д, е, ж, з, отмечается еще более высокая степень затухания максимальных напряжений. Например, для несплавлений и непроваров в сварных швах, базируясь на основных положениях механики разрушения, а также данных проф. Л.М. Копельмана и др., легко показать, что , где геометрический параметр повреждения ; относительное (к толщине S) расстояние от вершины повреждения; ; глубина повреждения; толщина стенки базового элемента.

Отсюда следует, что напряжения в таких концентраторах выравниваются на расстоянии . При этом показано, что величина определяется формулой:

, (1)

где относительный (к числу ) угол раскрытия повреждения или соответствующего концентратора напряжений (царапины, надреза, выступа и др.); ; радиус кривизны в вершине повреждения; . Влияние некоторых параметров повреждений показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимости от mh (а) и (б)

Третья глава диссертационной работы посвящена выявлению и описанию закономерностей взаимосвязи конструктивной прочности базовых элементов НГО и коэффициентов концентрации напряжений ().

В общем машиностроении для оценки влияния на прочность деталей вводится понятие эффективного коэффициента концентрации напряжений Кэф, представляющего собой отношение пределов прочности гладкого образца и образца с концентратором напряжений : . Анализ литературных данных показывает, что величина может изменяться в таких же пределах, как и . Причем для некоторых концентраторов напряжений Кэф на характеристики прочности образцов при общепринятых условиях нагружения, и в частности, базовых элементов НГО, работающих под действием внутреннего давления.

Здесь уместно отметить результаты крупномасштабных испытаний (МГУ им. М.В. Ломоносова, 1970 г.) образцов с различными концентраторами напряжений , в результате которых установлено, что . Это дает основание полагать, что для пластичных сталей . Несколько позже такое же значение было получено при испытаниях сосудов из труб с продольными трещиноподобными повреждениями (проф. Р.С. Зайнуллин) из сталей марок 10, 20, Ст3, 16ГС и 17ГС. Как известно, указанные стали относятся к категории пластичных, с высокой сопротивляемостью трещинообразованию (трещиностойкостью). Этот факт, во всяком случае, отмечается для сталей с отношением пределов текучести и прочности , составляющем не более 0,7 .

В ГУП «ИПТЭР» (под руководством проф. А.Г. Гумерова и проф. Р.С. Зайнуллина) обоснован коэффициент трещиностойкости труб , который связан с известным пределом трещиностойкости Е.М. Морозова. В принципе, величина представляет собой величину, обратную эффективному коэффициенту концентрации напряжений: .