Разработка методики оценки остаточного ресурса трубопроводов и резервуаров, работающих в условиях крайнего севера

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Русланович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

01.02.06 – «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физико-технических проблем Севера имени В.П. Ларионова Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук,

Большаков Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Корнев Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Афонская Галина Петровна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра СО РАН, г.Красноярск

Защита состоится «24» октября 2011 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.054.02 в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15

телефон: (383)333-16-12, факс:(383)333-16-12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан «___»________________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук, доцент В.Д. Кургузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Интенсивное развитие газовой и нефтяной промышленности в Дальневосточном федеральном округе Российской Федерации требует обеспечение бесперебойной транспортировки и переработки газонефтепродуктов с помощью трубопроводного транспорта большого диаметра и резервуаров для хранения нефтепродуктов. Возрастающее потребление газонефтепродуктов привело к необходимости увеличения рабочих параметров магистральных газопроводов, что, в свою очередь, обуславливают повышение требований к прочности и трещиностойкости сталей и их сварных соединений, для обеспечения требуемой надежности. К настоящему времени магистральные газопроводы и резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов Республики Саха (Якутия) практически выработали свой проектный ресурс. Как известно, длительная эксплуатация приводит к деградации металла трубопроводов и резервуаров, при этом повышается предел текучести, снижаются показатели пластичности (ударная вязкость, характеристики трещиностойкости и др.). В связи с этим особенную актуальность приобретает проблема оценки предельного состояния (остаточного ресурса) металлоконструкций для принятия решения о продлении срока эксплуатации, проведении частичного или капитального ремонта или же о прекращении эксплуатации.

Экспериментальные и теоретические аспекты проблемы оценки предельного состояния материалов и конструкций изучались в работах Н.А. Махутова, С.В. Серенсена, В.П. Ларионова, Н.П. Алешина, А.В. Лыглаева, В.В. Панасюка, Е.М. Морозова, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичева, А.Я. Красовского, В.Н. Красико, В.Н. Пермякова, Ю.И. Егорова, А.А. Griffith и др. Прогнозирование достижения предельного состояния конструкции осуществляется посредством комплексного расчетно-экспериментального определения конструкционной прочности. При этом методы оценки предельного состояния материалов дополняются методами расчетов в соответствии с моделями теории поврежденности, учитывающими изменение свойств и уровень поврежденности материалов, условий нагружения и работы объектов и др. Необходимость совместного учета изменения эксплуатационных параметров системы и механических характеристик материала, сопровождающееся накоплением в них поврежденности, существенно усложняет задачу определения предельного состояния. В частности, прогнозирование остаточного ресурса большинства магистральных трубопроводов и резервуаров большой емкости требует привлечения результатов вибродиагностики, дефектоскопического и неразрушающего контроля и т.д.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета остаточного ресурса металлоконструкций, позволяющего учесть как условия эксплуатации, так и изменения структуры и свойств металла, происходящие при ее длительной эксплуатации.

При разработке метода исходили из положения, что предельное состояние металлоконструкции определяется по исчерпанию материалом ресурса пластичности, а основными причинами потери способности конструкционных сталей пластически деформироваться является достижение температуры вязко-хрупкого перехода и/или критического уровня поврежденности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и реализация методики экспериментального исследования накопления поврежденности в конструкционных сталях.
2. Экспериментальная оценка потери пластичности конструкционных сталей при понижении температуры и испытаниях на малоцикловую усталость.
3. Установление корреляционных зависимостей между характеристиками потери пластичности и твердости материала.
4. Определение остаточного ресурса металлоконструкций по изменению характеристик потери пластичности.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

• разработка и реализация методики экспериментального исследования накопления поврежденности в конструкционных сталях, основанная на имитационных циклических испытаниях;
• установление закономерностей снижения пластичности путем построения предельных кривых потери пластичности;
• введение и обоснование коэффициента потери пластичности (КПП) как показателя старения и деградации материала;
• методика оценки остаточного ресурса конструкций эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера.

Практическая ценность:

Создание методики расчета остаточного ресурса металлоконструкций в процессе эксплуатации, позволяющего на объекте, находящемся под нагрузкой, оценить степень снижения пластичности металла в текущий момент времени эксплуатации путем проведения замеров методами неразрушающего контроля.

Внедрение результатов исследования.

Данные результаты использовались для расчетов и оценки остаточного ресурса технических устройств (газопроводы, резервуары и оборудования нефтяной и газовой промышленности) опасных производственных объектов, подконтрольных Ростехнадзору при подготовке заключений экспертиз промышленной безопасности.

Внедрение результатов исследований осуществлено в экспертной организации Ростехнадзора ЗАО НПП «ФизтехЭРА», производственных организациях ОАО «Сахатранснефтегаз», ОАО «Саханефтегазсбыт» и др.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы обеспечивается использованием широко апробированных и высокоточных методов испытаний, сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования, сопоставлением полученных результатов с опубликованными данными других авторов, практическим использованием результатов диссертационной работы при расчете остаточного ресурса технических устройств.

Личный вклад автора заключается в разработке и реализации методики оценки предельного состояния в конструкционных материалах, исследовании закономерностей разрушения конструкционных материалов от влияния низких температур и при малоцикловом нагружении, анализе, обобщении и внедрении экспериментальных результатов. В работах по проведению испытаний участвовали сотрудники лабораторий ИФТПС СО РАН, при проведении экспертиз промышленной безопасности резервуаров и магистральных газопроводов принимали участие сотрудники ЗАО НПП «ФизтехЭРА», которым автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на IX Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г.Красноярск, 2003 г.); Научно-производственном форуме «Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции газопроводов. Новые материалы и технологии» (г.Томск, 2005 г.); XIII, XIV международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций» (г.Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.); I, II, III, IV, V «Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата» (г.Якутск, 2002, 2004, 2006, 2008 и 2010 г.г.). Получен патент №2382351 от 20.02.2010 г. «Способ оценки потери пластичности по изменению микротвердости конструкционной стали» (рег. № 2008116017 от 22.04.2008)/ Иванов А.Р., Большаков А.М.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 36 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах.

Структура и обьем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Основное содержание и выводы изложены на 136 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 50 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 99 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены выносимые на защиту положения.

В первой главе содержится обзор литературных данных по предельным состояниям и деформационным критериям. Рассмотрены модели накопления повреждений, используемых при оценке долговечности и анализ видов расчетов остаточного ресурса трубопроводов и резервуаров.

Теоретический анализ литературы по проблеме предельных состояний позволил выделить их виды. Данный вопрос подробно рассматривался Н.А. Махутовым, В.В. Москвичевым, В.Н. Пермяковым, А.В. Лыглаевым, в их работах предельные состояния подразделяются на 2 группы: 1) по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации; 2) по непригодности к нормальной эксплуатации (осуществляется в соответствии с условиями, предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование).

Большой пласт теоретических и экспериментальных исследований в области деформационных критериев рассмотренный в работах Н.А. Махутова, В.П. Ларионова, В.В. Панасюка, С.В. Серенсена, А.Ю. Жилюкаса, А.Я. Красовского показывает, что для оценки прочности и ресурса в упругопластической области необходима разработка методов расчета кинетики местных деформаций и деформационных критериев разрушения. Проблемы несущей способности, долговечности, надежности и диагностики предельного состояния металлоконструкций становятся все актуальнее, что связано, прежде всего, с развитием нефтяной и газовой промышленности: ввод новых магистральных газопроводов и резервуаров, их эффективное использование и эксплуатация в сложных климатических условиях. Острую значимость приобретает вопрос диагностики предельного состояния, которая позволила бы принимать меры по эксплуатации: продление сроков функционирования, проведение частичного, капитального ремонтов или полное прекращение эксплуатации. Современное состояние парка резервуаров и магистральных газопроводов, действующих в Республике Саха (Якутия) с шестидесятых–семидесятых годов, характеризуются тем, что они исчерпали свой проектный ресурс. Данные статистики свидетельствуют о том, что более 60 % металлоконструкций имеют сроки эксплуатации свыше 30 лет.

При использовании металлоконструкций под действием эксплуатационных факторов происходит деградация металла труб и резервуаров, приводящая к ухудшению его механических свойств. Экспериментально доказано, что уменьшение сопротивления хрупким разрушениям металла проявляется преимущественно через снижение характеристик вязкости разрушения.

Основанием для диагностики предельного состояния металла трубопровода или резервуара в процессе их эксплуатации является выявление дефектов основного металла и их сварных соединений с помощью аппаратов и приборов технической диагностики. Следует отметить, что оценка опасности выявленных дефектов требует знания реальных механических характеристик металла трубы или резервуара, существенно изменившихся за текущий период эксплуатации. Следовательно, диагностика предельного состояния металла и соответствующего изменения его механических свойств является одним из двух составных элементов общей системы диагностики металла магистральных газопроводов и резервуаров в процессе эксплуатации.

На сегодняшний день практически не существует надежных, практически применяемых, неразрушающих методов экспериментального определения реальных механических свойств материала конструкции, непосредственно в процессе эксплуатации объекта, находящегося под нагрузкой. Существующие методы основаны на измерении физических характеристик, изменяющихся в зависимости от состояния металла трубы или на анализе изменения микроструктуры металла. Такие методы качественно оценивают степень деградации металла и основаны на использовании разрушающих методов анализа. Таким образом, характеризуются сложностью применения и не позволяют получить количественные значения реальных механических характеристик в полевых условиях.

Повышение эксплуатационных нагрузок и снижение запасов прочности приводит к тому, что расчеты сопротивления статическому и циклическому разрушению должны осуществляться не в напряжениях, как это традиционно имели место, а в деформациях. Это связано с тем, что в неупругой области небольшим изменениям номинальных напряжений соответствуют еще меньшие изменения максимальных напряжений в перенапрягаемых зонах и существенные изменения местных деформаций.

Деформационные критерии статического, малоциклового и хрупкого разрушения являются основой для расчетов прочности и ресурса высоконагруженных несущих элементов машин и конструкций.

Вышеприведенный анализ современного состояния проблемы явился обоснованием для постановки цели и задач диссертационной работы.

Во второй главе проведен анализ масштабных разрушений крупногабаритных технических устройств (магистрального газопровода и резервуаров для нефти и нефтепродуктов), эксплуатировавшихся в Республике Саха (Якутия).

Общую картину последовательности разрушений газопроводов и резервуаров можно представить в следующем виде: в результате циклических температурных напряжений и колебания рабочего давления за время эксплуатации трубопровода или резервуара около монтажных и конструкционных дефектов накапливаются повреждения, которые служат инициаторами трещиноподобных дефектов, и при достижении критического размера происходит хрупкое или квазихрупкое распространение трещин по механизму отрыва, на местах искривления траектории и остановки трещины переходящим к вязкому разрушению по механизму среза (Рис.1а и 1б).

При этом исследования механических свойств материалов показывают на существенное снижение пластических свойств и характеристик ударной вязкости. Показатели твердости материала за время эксплуатации оказались значительно повышены.

а) Участок магистрального газопровода б) Резервуар РВС-700 №49

Рис. 1. Разрушения технических устройств.

Таким образом, анализ разрушений и повреждений крупногабаритных технических устройств, при длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера показывает следующее:

- масштабные разрушения объектов нефтяной и газовой промышленности с катастрофическими последствиями происходят при распространении трещины;

- исследования и анализ аварий и отказов магистральных газопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера позволили выявить, что одной из основных причин катастрофических хрупких разрушений многофрагментарного типа является исчерпание несущей способности конструкции, выражающейся в потере пластичности материала в результате воздействия различных факторов, в том числе низких температур, при этом разрушения носят лавинообразный характер.

В третьей главе приведена методика проведения испытаний гладких образцов (материалы - ст.15 и 09Г2С) на малоцикловую усталость (имитация накопления поврежденности) с последующим растяжением до разрушения (рис. 2а) и анализ результатов испытаний образцов на трещиностойкость (материал-16Г2САФ, типы образцов III и IV) (рис. 2б).

а) б)

Рис.2. Диаграммы деформирования образцов с различными уровнями накопленной поврежденности и при низких температурах.

На основании полученных результатов были построены предельные кривые потери пластичности от влияний накопленной поврежденности и низких температур (рис. 3а и 3б).

а) б)
Рис. 3. Предельные кривые потери пластичности от накопления поврежденности (N=100 циклов, 09Г2С) и от влияния низких температур (16Г2САФ).

Предельная кривая потери пластичности для гладких образцов описывается эмпирически полученным уравнением:

(1)

где и m – коэффициенты для конкретной конструкционной стали (для 09Г2С: =0,3, m=4; для ст.15: =0,8; m=2).

Предельная кривая потери пластичности для образцов с трещиной описывается эмпирически полученным уравнением:

(2)

где и n – коэффициенты для конкретной конструкционной стали.

Анализ результатов испытаний образцов с трещиной при низких температурах и испытаний гладких образцов на малоцикловую усталость показали, что с понижением температуры испытаний и накоплением поврежденности приводят к уменьшению значений ep и p т.е. происходит потеря пластичности материала.

На основании проведенных исследований разработана методика построения предельных кривых потери пластичности конструкционных материалов для образцов с трещиной и гладких образцов (рис. 4).

Рис. 4. Схема построения предельных кривых потери пластичности конструкционных материалов для образцов с трещиной и гладких образцов

Четвертая глава посвящена оценке предельного состояния путем корреляции механических характеристик металла с замерами твердости. Проведены измерения микротвердости и твердости по Бриннелю гладких образцов (ст.15 и 09Г2С) после испытаний на малоцикловую усталость (имитация накопления поврежденности) с последующим растяжением до разрушения.

Из полученного эмпирическим путем уравнения, описывающего предельную кривую потери пластичности для гладких образцов, предложен параметр: (3)

характеризующийся как коэффициент потери пластичности (КПП), а условие:

Ппл1 (4)

является критерием достижения предельного состояния.