Определение ресурса толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью в условиях коррозионно-механического износа

УДК 622.692.4.621.193/197

На правах рукописи

Шишков Эдуард Олегович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА

ТОЛСТОСТЕННЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

С ПОВЫШЕННОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНОСА

Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2010

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель Официальные оппоненты: Ведущее предприятие

– доктор технических наук, профессор Зайнуллин Рашит Сибагатович – доктор технических наук, профессор Нугаев Раис Янфурович – кандидат технических наук, доцент Габбасов Дмитрий Фанисович – ЗАО «Технология, экспертиза и надежность», г. Уфа

Защита диссертации состоится 1 октября 2010 г. в 1400 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».

Автореферат разослан 1 сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.П. Худякова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Одним из основных направлений повышения эффективности нефтепроводов является повышение их пропускной способности с обеспечением соответствующего ресурса их безопасной эксплуатации. Эта проблема может быть решена применением для строительства нефтепроводов высокопрочных или толстостенных труб. Применение высокопрочных труб, как правило, сопровождается снижением пластичности и технологичности, а также повышением уровня напряженности металла. Это обуславливает ужесточение требований к качеству нефтепроводов на всех стадиях их жизненного цикла (проектирования, изготовления и эксплуатации). Кроме этого, повышенный уровень напряженности труб при эксплуатации может приводить к ускорению процессов повреждаемости, связанных с воздействием рабочей среды, нестационарностью нагрузок и др. Поэтому применение толстостенных труб с целью повышения пропускной способности нефтепроводов может оказаться наиболее рациональным решением, хотя и в этом случае возникает ряд проблем, связанных с оценкой ресурса их безопасной эксплуатации, в особенности в условиях коррозионно-механического износа металла.

Необходимо отметить, что современные расчетные методы оценки ресурса нефтепроводов основываются на теории сопротивления материалов и некоторых механических характеристиках металлов (пределе текучести временном сопротивлении ), полученных на образцах, испытываемых в лабораторных условиях. При этом эксплуатационные условия и среда учитываются формально путем введения коэффициентов запаса прочности и условий работы.

Все это вызывает необходимость научных разработок по расчетной оценке прогнозируемого и остаточного ресурсов нефтепроводов, смонтированных из толстостенных труб и других конструктивных элементов и, в частности, работающих в условиях коррозионно-механического износа.

В связи с этим разработки, направленные на решение указанной проблемы, следует относить к числу актуальных и важных для трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.

Работа выполнялась в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий» п. 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», а также в рамках реализации подпрограммы Федеральной целевой научно-технической программы «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф» – ФЦНТП ПП «Безопасность».

Цель работы – разработка методов расчетной оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов безопасной эксплуатации толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью, работающих в условиях коррозионно-механического износа.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

– анализ современных методов определения прогнозируемого и остаточного ресурсов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью в условиях коррозионно-механического износа;

– обоснование взаимосвязи коррозионно-механического износа и характеристик напряженно-деформированного состояния металла базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью;

– разработка методов определения прогнозируемого ресурса базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью в условиях коррозионно-механического износа;

– оценка степени коррозионно-механического износа и остаточного ресурса базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью на всех стадиях их упругопластического деформирования, включая и предельные.

Методы решения поставленных задач

Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов теории коррозии и механохимии металлов, пластичности, механики разрушения, физики твердого тела и др.

Научная новизна:

– установлена взаимосвязь скорости коррозионно-механического износа и характеристик напряженно-деформированного состояния базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью. Показано, что предопределяющими скорость коррозионно-механического износа факторами являются степень жесткости напряженного состояния и характеристики деформационного упрочнения металла базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью;

– разработан метод инженерной оценки среднеинтегральной скорости коррозионно-механического износа и ресурса базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью на всех стадиях упругого и упругопластического деформирования металла.

На защиту выносится комплекс результатов исследований, определяющих научную и практическую ценность, в частности закономерности коррозионно-механического износа и кинетики изменения напряженно-деформированного состояния металла, аналитические зависимости и методические рекомендации по расчетному определению прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

– разработанные методы расчетного определения прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов позволяют научно обоснованно назначать безопасные сроки эксплуатации толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью как на стадии проектирования, так и по результатам диагностической информации;

– основные результаты нашли отражение в разработанных при участии автора методических рекомендациях по расчетам ресурса толстостенных нефтепроводов с повышенной пропускной способностью, работающих под давлением коррозионных рабочих сред.

Достоверность результатов исследований

Выполненные исследования базируются на широко апробированных подходах и положениях теории упругости и пластичности, механохимии металлов и материаловедения, механики деформируемых тел и др. Теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными других авторов.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и научно-практических конференциях, проводимых ГУП «ИПТЭР».

Работа заслушана и рекомендована к защите на секции Ученого совета «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» ГУП «ИПТЭР» (протокол № 5 от 16 мая 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 в научно-техническом журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 125 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 1 таблица и приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена анализу современных подходов и методов расчета на прочность и долговечность толстостенного нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях коррозионно-механического износа металла.

Показано, что существующие подходы и методы оценки ресурса толстостенного оборудования и трубопроводов в условиях коррозионно-механического износа1) имеют определенные ограничения, снижающие их практическую значимость. Они относятся к случаям, когда номинальные напряжения в рабочих сечениях толстостенных базовых элементов (цилиндров, сфер и др.) не превышают предела текучести металла . При этом оценка среднеинтегральной скорости коррозионно-механического износа (, где текущий радиус базовых элементов) производится с применением численных методов и номограмм, полученных для частных случаев. Наряду с этим в исходных кинетических уравнениях, связывающих скорость коррозии и характеристики напряженного состояния, не дается четкая интерпретация роли термодинамических параметров, в частности температуры рабочей среды .

Поэтому возникает необходимость усовершенствования методов расчетного определения прогнозируемого и остаточного ресурсов различных конструктивных элементов в условиях коррозионно-механического износа, в частности толстостенных цилиндров (труб) и сфер, работающих под давлением рабочих сред, характерных для нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Указанная проблема обостряется в связи с современной тенденцией повышения пропускной способности нефтепроводов.

Во второй главе приводятся результаты исследований взаимосвязи скорости коррозионно-механического износа и напряженно-деформированного состояния базовых элементов толстостенных нефтепроводов.

На начальных этапах исследования выполнен анализ литературных данных по оценке влияния напряжений на скорость коррозии металла.

Установлено, что известные кинетические уравнения коррозионно-механического износа металлов включают ряд постоянных коэффициентов, определяемых трудоемкими испытаниями образцов, в особенности в условиях сложного (объемного) напряженного состояния, характерного для базовых элементов толстостенных нефтепроводов.

Некоторые уравнения экспериментально проверены при ограниченных степенях пластической деформации. Между тем, при оценке ресурса конструктивных элементов они распространяются и на большие значения пластических деформаций, включая и предельные. Очевидно, что это приводит к значительному занижению ресурса базовых элементов.

В дальнейшем проанализированы основные особенности напряженного состояния толстостенных цилиндров и сферических элементов, работающих под давлением коррозионных рабочих сред.

Как известно, цилиндры (трубы), работающие под действием внутреннего давления P, принято считать толстостенными, когда отношение толщины их стенок S к серединному диаметру Dср больше 0,1 (S/Dcp 0,1). Заметим, что в тонкостенных трубах и цилиндрах (S/Dcp пренебрежительно малы, поэтому в них реализуется плоское напряженное состояние. В толстостенных цилиндрах внутреннее давление Р соизмеримо с действующими окружными и осевыми напряжениями. Вследствие этого металл толстостенного цилиндра находится в условиях объемного напряженного состояния. При этом компоненты главных напряжений в окружном , осевом и радиальном направлениях рассчитываются по известным из сопротивления материалов формулам Лэме:

(1)

где и текущий и внутренний радиусы цилиндра; наружный радиус цилиндра. Очевидно, что при , а при .

Из формул (1) следует, что величина среднего напряжения равна осевому напряжению и не зависит от относительного текущего радиуса .

На рисунке 1 схематично показано изменение окружных 1 и радиальных 3 напряжений по толщине цилиндра (или от параметра ).

Рисунок 1 – Графики зависимости окружных и радиальных r напряжений

от относительного радиуса цилиндра

Анализ формул (1) показывает, что радиальные напряжения имеют отрицательный знак (сжимающие). При . На внутренней поверхности абсолютное значение радиальных напряжений равно величине внутреннего давления P.

Окружные напряжения на внутренней поверхности достигают своих максимальных значений:

При (на наружной поверхности) окружные напряжения равны двойной величине продольных напряжений.

Зависимость от параметра mr показана на рисунке 2. Как видно, чем больше степень толстостенности (mr) цилиндра, тем в значительной мере сближаются по величине окружные напряжения и внутреннее давление Р.

Интенсивность напряжений i (или эквивалентное напряжение) определяется по следующей формуле:

.

Поделив ср на i, получим величину коэффициента жесткости напряженного состояния для толстостенного цилиндра:

(2)

При mr = 1 из формулы (2) получаем величину для тонкостенного цилиндра (при ): .

Зависимости относительных величин и от параметра показаны на рисунке 2.

Как видно, с ростом параметра величины и снижаются. Другими словами, увеличение коэффициента толстостенности цилиндра приводит к сближению компонент напряженного состояния с действующим внутренним давлением P.

Аналогичным образом с увеличением параметра происходит снижение коэффициента жесткости напряженного состояния (рисунок 3).

Рисунок 2 – Графики зависимости /Р на внутренней поверхности

цилиндра от параметра mr

Рисунок 3 – График зависимости от mr для толстостенного сосуда

Для оценки скорости коррозионно-механического износа металла цилиндрического элемента использовано известное уравнение Э.М. Гутмана, которое представлено в следующем виде:

, (3)

где термодинамический коэффициент при абсолютной температуре , соответствующей номинальной температуре ; V и R – соответственно мольный объем стали и универсальная газовая постоянная; температурный коэффициент; скорость коррозии металла при , определяемая известными методами при температуре рабочей среды.

Для оценки скорости коррозионно-механического износа в области пластического деформирования в работе использована следующая формула2):

, (4)

где n – коэффициент деформационного упрочнения стали; интенсивность пластической деформации.

Формулы (3) и (4) были положены в основу разработанных методов оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов базовых элементов толстостенного нефтегазового оборудования и трубопроводов (главы 3 и 4).

Третья глава посвящена оценке среднеинтегральной скорости коррозии и ресурса толстостенных трубопроводов в пределах упругой деформации с использованием критерия наступления общей текучести металла .

В работе предложен и обоснован метод интегрирования уравнения (3), позволяющий производить оценку среднеинтегральной скорости коррозии и времени до наступления общей текучести толстостенных цилиндров и сфер, работающих под действием постоянного во времени внутреннего (внешнего) давления рабочей среды, вызывающей общую коррозию. В частности, для толстостенного цилиндра среднеинтегральная скорость коррозии определяется по следующей формуле:

, (5)

где начальное (до эксплуатации) значение интенсивности напряжений на внутренней поверхности цилиндра .