Автореферат (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 2

Во-вторых, в корне шва имеется острый трещиноподобный концентратор напряжения. Его острота зависит от технологии сварки и определяется условиями подготовки и видом разделки кромок, а также величиной зазора между трубой и муфтой. Неблагоприятная схема нагружения в сочетании с циклической нагрузкой и острый концентратор в корне шва и приводят к появлению иросту усталостной трещины.Исследования ресурса стальных муфт и способы его повышения представлены в работах отечественных (А.Г. Гумеров, Р.С. Зайнуллин, В.И.

Махненко,С.В. Романцов, А.М. Шарыгин, А.С. Зандберг, Р.С. Харисов, Р.К. Адиев) и зарубежных (W. Bruce, J. Keifner, J. Otegui, J. Duell, A. Cisilino) авторов. Предложенныеавторами меры повышения ресурса ремонтных конструкций нацелены на укрепление кольцевого шва.

Одной из мер является увеличение расчетного сечения шва засчет увеличения катетов или выпуклости шва, а также за счет применения обратной разделки. Установка поверх ремонтной конструкции дополнительных кольцевых бандажей позволяет уменьшить изгиб, вызванный попаданием жидкости подмуфту. Наиболее кардинальной мерой повышения ресурса является изменение типа сварного соединения муфты с трубой, например, переход к нахлесточностыковому соединению, при котором разгрузочные бандажи на трубе привариваютк торцу муфты. Отмечен также положительный эффект при замене нахлесточногосоединения муфты с трубой тавровым, в связи с этим предложены торосегментный и торо-цилиндрический варианты конструкции муфт.Эти меры потребовали усложнения и утяжеления муфты, но не привели ксущественному росту ресурса, поскольку не устранили опасный концентраторнапряжения в корне кольцевого шва.

Наименее эффективными они оказались дляразрезного тройника, где при испытаниях возникала преждевременная течь покольцевому шву напротив патрубка. Для выявления причин разрушения и поискаэффективных технических решений, необходим всесторонний анализ работы ремонтной конструкции под давлением.Вторая глава посвящена разработке методики восстановления ресурса поврежденного участка нефтепровода с помощью сварной муфты.На ресурс муфты, помимо концентраторов напряжений, оказывает влияниехарактер прилагаемых нагрузок и технологический процесс сварки. В связи с этимважен единый методический подход, позволяющий выявить и устранить ожидаемые проблемы на стадии проектирования.

В рамках такого подхода предлагаетсяметодика, включающая ряд этапов.41. Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) сварноймуфты и тройника для выявления узких мест - причин низкого ресурса. При этомважен правильный выбор критериев оценки опасных мест в соответствии с условиями эксплуатации конструкции.2. Определение наиболее эффективных способов усиления муфт. Выборокончательной формы и основных размеров производится по результатам параметрического исследования – численных экспериментов на компьютерной моделиремонтной конструкции.3. Оценка влияния технологии изготовления и монтажа на прочность и ресурс.

Наиболее важным и сложным элементом технологии является выполнениесварных соединений. Наряду с расчетными методами используются экспериментальные - испытания образцов-имитаторов сварных соединений.4. Экспериментальная проверка принятых технических решений. В связи сответственностью и большим объемом применения муфт, целесообразны приемочные испытания натурных образцов муфт, установленных на дефектный участок трубопровода.Методика носит расчетно-экспериментальный характер. Наиболее эффективным средством анализа и оценки ресурса является численное моделированиеметодом конечных элементов. Рациональная область применения экспериментальных методов состоит в определении свойств материалов и в контрольных испытаниях разработанных конструкций. Расчетная часть методики предполагает прогнозирование ресурса на основе уравнения малоцикловой усталости, а также моделирование направления роста трещины.В сварном соединении муфты с трубой под действием циклически изменяющегося внутреннего давления и остаточных сварочных напряжений возникаетдвухосное напряженное состояние.

Растягивающие напряжения вдоль оси трубыпредставляет наибольшую опасность, так как способствуют раскрытию трещиноподобных протяженных концентраторов в корне кольцевого шва и росту трещинот них. Возникновению таких напряжений способствует осесимметричный изгиб взоне соединения муфты с трубой, а также поперечная усадка кольцевого угловогошва.

Циклическое изменение давления и концентрация напряжения в корне шваприводят к тому, что сварное соединение работает в условиях малоцикловой усталости. Согласно уравнению малоцикловой усталости Мэнсона-Коффина, долговечность ремонтной конструкции обратно пропорциональна квадрату амплитудыпластической деформации в концентраторе. Постоянные составляющие нагрузки,такие, как сварочные остаточные напряжения от поперечной усадки кольцевогошва, не изменяют амплитуду пластических деформаций и оказывают незначительное влияние на ресурс сварного соединения муфты с трубой.Для адекватного моделирования пластической деформации при циклическомнагружении применена модель изотропного материала с трансляционным упрочнением. Более простые модели приводят к завышению пластической деформацииза цикл и занижению показателей долговечности при сложном нагружении.

Этамодель реализована в программном комплексе (ПК) «Сварка», разработанном накафедре технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э. Баумана.Эффективным способом выбора варианта усиления является численное параметрическое моделирование с анализом напряженного состояния. Целевой5функцией при выборе является минимизация массы варианта при обеспечениитребуемого эксплуатационного ресурса.Для наглядной оценку эффективности способов усиления муфт сопоставимих по ожидаемой долговечности с базовой конструкцией. Приняв ресурс обычнойгладкой муфты равным 15 годам (5000 циклов), можно получить оценку изменениядолговечности (ресурса) N в зависимости от параметров шва и разгрузочногокольца:2  Б . ПЛ N  N Б   ПЛ  ,где  Б .

ПЛ ,  ПЛ - амплитуда пластической деформации в базовой конструкции муфты без мер усиления и рассматриваемого варианта, соответственно; NБ – долговечность базового варианта муфты.Разрушение сварного соединения происходит в результате роста усталостнойтрещины. Прогнозирование траектории роста трещины позволяет определить слабое сечение, по которому произойдёт разрушение. Для моделирования процессаразрушения применен предложенный В.В. Болотиным метод варьирования ростатрещины «по Гриффитсу». Метод основан на сопоставлении величины коэффициента интенсивности напряжений (КИН) при различных вариантах продвижениятрещины и выбор такого продвижения, при котором КИН максимален.

С учетомвыбранной модели материала при моделировании напряженного состояния в вершине трещины необходимо прослеживать несколько циклов нагружения для определения установившегося уровня пластической деформации за цикл в вершинетрещиноподобного дефекта и корректной оценки КИН.Комплекс процессов, протекающих при сварке и работе конструкции в зонекорня углового шва, достаточно сложен и подвержен влиянию большого числаслучайных факторов технологического характера.

Структурные и фазовые превращения при повторном нагреве вызывают изменение свойств материалов и могут приводить к металлургическим дефектам (горячим и холодным трещинам) иразрушению, несвязанному с условиями эксплуатации. Изменение величины зазора приводит к непостоянным условиям формирования шва, что в сочетании сослучайным характером условий подготовки кромок может вызвать непровар. В результате острота концентратора в корне шва имеет неопределенный характер.

Влияние величины зазора и формы разделки кромок на остроту концентратора изучалась на небольших лабораторных образцах, каждый из которых включал участокнахлесточного соединения с угловым швом. Такие образцы должны быть изготовлены по монтажной технологии. Это обеспечит воспроизведение механическихсвойств и структурного и фазового состава сварного соединения реальной конструкции на лабораторных образцах.Включение натурных экспериментов в заключительную стадию методикиповышения ресурса позволяет подтвердить результаты расчета и эффективностьпринятых технических решений.

Натурные испытания являются наиболее надёжным способом подтверждения достоверности результатов расчета. Такие испытания обязательно проводят при приемке конструкции и подтверждения её ресурса.Результаты расчетных и экспериментальных исследований должны обеспечить возможность выбора рационального сочетания параметров конструкции итехнологии ремонта для повышения долговечности.6В третьей главе представлены результаты применения разработанной методики для оценки эффективности работоспособности гладких муфт и тройников.Анализ НДС позволил выявить особенности работы ремонтных конструкцийпод давлением. После потери герметичности трубы участок трубы под муфтой ненагружен.

В результате происходит изгиб стенки трубы на выходе из-под муфты.Прилегающий участок стенки муфты под действием внутреннего давления поворачивается относительно стенки трубы. Эти перемещения направлены так, что вызывают поперечное растяжение корня кольцевого шва. Такой характер нагруженияв сочетании с острым концентратором в корне шва и является причиной низкогоресурса гладких ремонтных муфт. Установка разгрузочного кольца на трубу илимуфту позволяет снизить взаимный поворот трубы и муфты и повышает ресурссварного соединения (Рис.

3).pРис. 3. Схема разгрузки углового шва гладкой муфты разгрузочным кольцомОпределение рациональных параметров усиливающих конструкций проведено путем параметрического анализа. Расчеты выполнены в соответствии с разработанной методикой. Из результатов расчетов (Рис.

4) следует, что даже при небольшой толщине разгрузочное кольцо на трубе вплотную к кольцевому шву муфты позволяет обеспечить требуемый ресурс, но только при условии его плотнойпосадки на трубу. Наиболее значимым размером кольца является его ширина. Различные способы увеличения минимального сечения шва также дают положительный эффект.Анализ НДС объемной модели тройника под действием внутреннего давления показал наличие приблизительно трехкратной концентрации растягивающегонапряжения  прод вдоль образующей магистрали напротив патрубка (Рис. 5).

Этакомпонента напряжения ложится в качестве поперечной нагрузки на кольцевойшов соединения тройника с трубой. По мере удаления от патрубка напряженияснижаются до уровня, характерного для гладкой муфты. Причиной концентрациинагрузки на шов является поперечная утяжка магистрали тройника (эффект Пуассона). Участки магистрали тройника рядом с патрубком находятся под действиемвысоких кольцевых напряжений  кол , в 3 раза превосходящих аналогичные напряжения в гладкой муфте. В результате поперечного сокращения этих участков возникает дополнительная нагрузка на кольцевой шов, которая увеличивает размахнапряжений в цикле и снижает его ресурс.Аналогичную картину можно наблюдать при растяжении плоской пластиныс отверстием (Рис.