Разработка методов расчета конструктивной прочности базовых элементов нефтегазовых объектов

б) в)

Рисунок 9 – Зависимости твердости HV (сплошные линии)

и относительного сужения (пунктир) от температуры отпуска (а), микроструктуры сталей 16ГС (б) и 14ГН (в)

и диаграммы растяжения стали 16ГС (г)

Установлено, что для низколегированных сталей независимо от их структурного состояния отношения их твердости к пределу текучести и временному сопротивлению составляют: и . При этом отношение к : . Термическое упрочнение несколько изменяет это отношение (таблица 1) в сторону увеличения .

Для нормализованных низколегированных сталей отмечается четкое постоянство отношения истинного предела прочности к пределу текучести . Здесь предельная интенсивность напряжений , соответствующая достижению в образце максимальной нагрузки . Этот момент () характеризуется переходом из равномерного (устойчивого) пластического деформирования образца в неустойчивое состояние (шейкообразование). При этом предельные равномерные интенсивности деформаций и напряжений определяются по формулам: . Отсюда следует, что равномерные удлинение и сужение примерно равны величине .

В дальнейшем путем введения понятия среднеинтегрального сужения металла в шейке круглого стержня при растяжении в работе доказано, что основные деформационные характеристики большинства сталей: относительные удлинение , равномерное и полное сужения – находятся в следующей взаимосвязи:

, (7)

где постоянная, определяемая экспериментально. Величина в большей мере зависит от геометрических размеров и формы образцов. Для пятикратных круглых образцов величину можно принимать равной .

По известным значениям и по формуле (7) достаточно адекватно определяются все основные механические характеристики сталей, в частности .

На основании данных таблицы 1 обнаруживается, что в нормализованном состоянии для низколегированных сталей . Однако термическое упрочнение приводит к заметному снижению этого отношения . Очевидно, что величина не зависит от кратности образца.

Анализ результатов испытаний показывает, что в целом термическое упрочнение низколегированных сталей приводит к повышению прочностных и снижению деформационных характеристик (

таблица 1 и рисунок 10). Однако степень снижения деформационных характеристик по конкретным величинам, например по и , существенно отличается. Например, для стали 17ГС (позиция 5 в таблице 1) в сравнении с нормализованным состоянием термическое упрочнение снизило коэффициент деформационного упрочнения и относительное удлинение почти на 40 %. При этом относительное сужение сохранилось практически на прежнем, достаточно высоком уровне. Как известно, величина во многом предопределяет характеристики безопасности эксплуатации конструктивных элементов с концентраторами напряжений, в особенности в условиях повторно-статического нагружения и коррозионного воздействия рабочих сред.

Механические характеристики низколегированных сталей во многом зависят от температуры отпуска , что подтверждается данными рисунка 9, а. При этом в области отмечается аномально резкое снижение относительного сужения . Остальные характеристики, например и , изменяются монотонно от отп (рисунок 10). Возможно, что оптимальной является температура отпуска , при которой кривые и пересекаются, как это отмечается на рисунках 10-12.

Наряду с гладкими образцами были проведены испытания по оценке влияния трещин на несущую способность прямоугольных образцов из стали 17ГС в зависимости от . Образцы изготовлялись и испытывались согласно требованиям соответствующих нормативных материалов. Во всех образцах глубина трещин h составляла половину толщины образцов . Трещиностойкость сталей оценивалась по относительному пределу трещиностойкости kтр, представляющему отношение среднеинтегральных напряжений в нетто-сечении образцов. При температурах отпуска параметр kтр имел постоянное значение, близкое единице . При параметр kтр уменьшается примерно на 20 % (рисунок 11).

Рисунок 10 – Зависимости и от

– эксперимент; – по формуле (2)

Рисунок 11 – Зависимость и kтр от Рисунок 12 – Взаимосвязь и

Анализ данных рисунка 12 показывает, что предложенная формула (2) достаточно адекватно отвечает экспериментальным данным.

Таким образом, установлены новые количественные взаимосвязи между характеристиками безопасности эксплуатации базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта в различных структурно-прочностных состояниях, обусловленных термообработкой.

Полученные результаты использованы как базовые при разработке в
ГУП «ИПТЭР» методов определения прочности образцов и труб
при испытаниях до разрушения в сероводородсодержащих средах типа
NACE TM 0177-96.

ОНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в отличие от общего машиностроения, большая доля базовых элементов нефтегазовых объектов представляет собой оболочки вращения и их комбинации, что вызывает необходимость оценки напряженности металла с использованием краевых задач теории оболочек в сочетании с подходами механики трещин и разрушения.

2. Базируясь на решениях краевых задач теории оболочек и механики трещин и разрушения, предложена и обоснована аналитическая зависимость для расчетов степени напряженности металла в окрестности наиболее характерных концентраторов напряжений и повреждений в базовых элементах объектов нефтепроводного транспорта.

3. Предложена и обоснована аналитическая взаимосвязь конструктивной прочности базовых элементов НГО с концентраторами напряжений и повреждениями с учетом исходных механических характеристик металла, а также геометрических параметров, характеризующих степень ослабления и напряженности их рабочих сечений в достаточно широком диапазоне их изменения, включая предельные.

Выявлена физическая сущность коэффициента трещиностойкости kтр и установлена его взаимосвязь с известными пластическими характеристиками сталей.

Полученные результаты исследования явились базовыми для выполнения расчетов прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов НГО.

4. Произведена оценка характеристик безопасности и конструктивной прочности базовых элементов объектов НГО из низколегированных сталей в различных структурно-прочностных состояниях.

5. Разработаны методические рекомендации по расчетному определению конструктивной прочности базовых элементов НГО с концентраторами напряжений различного происхождения, вызывающих произвольную степень напряженности метала.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в следующих научных трудах:

1. Методические рекомендации. Расчеты конструктивной прочности и ресурса базовых элементов нефтегазовых объектов / И.Ф. Кантемиров, А.Т. Фаритов, В.В. Лунев, А.Р. Зайнуллина. – Уфа, 2011. – 19 с.

2. Лунев В.В., Сазонов К.А., Анфиногенов А.А. Современные подходы и методы оценки прочности базовых элементов нефтегазовых объектов с эксплуатационными трещинами. – Уфа: БЭСТС, 2009. – 27 с.

3. Гумеров А.Г., Фаритов А.Т., Лунев В.В., Сазонов К.А., Анфиногенов А.А. Особенности диаграмм растяжения нефтегазопроводных сталей в сероводородсодержащих средах // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2010. – Вып. 4 (82). – С. 85-88.

4. Гумеров А.Г., Фаритов А.Т., Лунев В.В., Анфиногенов А.А. Оценка и повышение конструктивной прочности базовых элементов нефтегазовых объектов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2010. – Вып. 4 (82). – С. 116-121.

5. Рождественский Ю.Г., Фаритов А.Т., Худякова Л.П., Лунев В.В. Анализ моделей, прогнозирующих коррозионные разрушения при движении многофазных потоков // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер. научн.-практ. конф. 26 мая 2010 в рамках XIII междунар. специализ. выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2010». – Уфа, 2010. – С. 246-248.

6. Лунев В.В. Расчетная оценка конструктивной прочности базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. – Уфа, 2010. – С. 158-160.

7. Кантемиров И.Ф., Лунев В.В. Оценка степени перенапряженности металла разнотолщинных стыков методами теории тонких оболочек // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. – Уфа, 2010. – С.149-151.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 09.02.2011 г. Бумага писчая.

Заказ № 35. Тираж 100 экз.

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