Автореферат (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 3

6). Если боковые края пластины не закреплены, то поперечнаяутяжка напротив отверстия существенно больше, чем вдали от него. При этом поперечные напряжения малы. Если края закреплены швом, то на него действует дополнительная растягивающая нагрузка от продольного растяжения пластины.7tа1а)а2г)BBИб)k2k1д)LBИв)Рис. 4. Зависимости долговечности муфты от толщины разгрузочного кольца (а),расположения кольца на трубе (б), ширины кольца (в), выпуклости шва (г) исоотношения катетов шва (д)Выявленный механизм позволил оценить эффективность существующихприемов усиления разрезных тройников.

Увеличение длины магистрали снижаетнеравномерность поперечной нагрузки на шов. Увеличение толщины также снижает нагрузку на шов, однако увеличение этих размеров приводит к резкому ростумассы тройника.Установка локальных кольцевых бандажей дает меньший прирост массы, но,как показали расчеты, их влияние на работу кольцевого шва оказалось незначительным, а в некоторых случаях негативным (Рис. 7). Так, установка бандажа напатрубок повышала нагрузку на шов. Наибольшую разгрузку кольцевого шва,приближающую ресурс тройника к ресурсу гладкой муфты, дает приварка небольшой накладки на участок магистрали напротив патрубка.

Недостаток такой8накладки – необходимость сварки углового шва с большим катетом для равномерного распределения нагрузки между тройником и усиливающей накладкой.Рис. 5. Распределение нагрузки на шов в муфте и разрезном тройникеРис. 6.

Модель нагружения кольцевого шва тройника напротив патрубкаПроведенное моделирование опасности разрушения вследствие роста трещины в тройнике показало, что разрушение тройника из-за дополнительного растяжения будет происходить поперек толщины его стенки (Рис.

8). В связи с особенностями роста трещины в тройнике, установка разгрузочного кольца и увеличение минимального сечения шва для разрезных тройников менее эффективны,9чем для гладких муфт. При моделировании использована модель деформированияматериала с трансляционным упрочнением (с учетом эффекта Баушингера).Рис. 7.

Результаты анализа способов усиления разрезных тройниковмуфташовкольцотрубаРис. 8. Результаты моделирования роста трещины в тройникеЧетвертая глава посвящена оценке влияния технологии сварки на ресурссварного соединения и проверке адекватности разработанных моделей и результатов расчета.Образцы вырезали из фрагмента сварного соединения муфты с трубой. Материал трубы и муфты - сталь класса прочности К60. Ручную дуговую сварку производили электродами с основным типом покрытия согласно РД-75.180.00-КТН274-10. Для сварки корня шва использовали электроды типа Э50 (LB52U), заполняющие и облицовочные слои выполняли электродами типа Э60 (ОК74.70).

Передсваркой корневого слоя выполняли предварительный подогрев газовой горелкойдо +100 0С. Испытания проводили для двух типов разделки кромок и величин зазора 0, 4 и 8 мм (Рис. 9). На основе компьютерного моделирования была рассчитана10нагрузка на образец P, соответствующая условиям эксплуатации муфты. После испытаний проводился обмер длин трещин на торцах образцов.

Небольшие трещиныросли по минимальному сечению шва уже за пределами назначенного 30-летнегоресурса (Рис. 10).По результатам испытаний установлено:1) трещины возникают как при минимальном, так и при большом зазоре;2) место начала трещины – край корня шва со стороны стенки тройника;3) направление роста трещины – по сварному шву;4) после возникновения усталостная трещина растет быстрее при большемзазоре;5) глубокое проплавление в образцах с разделкой тормозит рост усталостных трещин.Pа)450б)в)PРис. 9. Лабораторные образцы для изучения влияния технологии сборки и сваркина ресурс сварного соединения: а) образец без обратного скоса кромок; б)образец с обратным скосом кромки; в) схема приложения нагрузки к образцу12Рис.

10. Результаты испытаний лабораторных образцов: 1 – без скоса кромки; 2 – собратной разделкой кромокПовышение усталостной прочности при росте зазора и изменении формыразделки объясняется ростом минимального сечения сварного шва. Применениеобратного скоса кромок может обеспечить повышение долговечности при большихзазорах за счет роста минимального сечения шва, но требует более тщательногонеразрушающего контроля в связи с риском появления в корне шва трудно выявляемых дефектов, которые становятся очагами разрушения.11Натурные испытания проведены на образцах тройника с диаметром ответвления 219 мм и толщиной стенки магистрали 23 мм, установленных на трубу диаметром 1067 мм с толщиной стенки 20 мм, в соответствии с утвержденной в ПАО«Транснефть» методикой приемки ремонтных конструкций.

В процессе испытанийтройники подвергают воздействию циклически изменяющегося внутреннего давления и внешнего изгибающего момента, изменяющегося синхронно с давлением(Таблица 1).Таблица 1.Параметры испытательных нагрузок натурных образцовПараметры нагруженияМинимальнаяЦиклическаянагрузкаМаксимальнаяСтатическая нагрузкаНагрузкаДавление, МПаМомент, кН  м3,057012,28136017,0-В ходе испытаний произошло преждевременное разрушение образцов тройников.

Все разрушения происходили на участке кольцевого шва напротив патрубка(Рис. 11). При этом направление роста усталостной трещины отклонялось от минимального сечения шва и шло по основному металлу стенки тройника. На участках шва вдали от патрубка рост трещин в корне шва к моменту разрушения тройника не начинался.

Результаты испытаний натурных образцов тройника подтвердили результаты расчетов. Обратная разделка кромок и разгрузочные кольца позволяют повысить ресурс гладкой муфты, но для тройников оказываются неэффективными, так как разрушение происходит по стенки магистрали. Кроме того, обратная разделка кромок повышает риск непроваров в корне шва.непроварРис. 11. Макрошлиф кольцевого углового шва натурных образцов тройника в зонеразрушенияПятая глава посвящена разработке новых ремонтных конструкций и технологии сборочно-сварочных работ, обеспечивающих необходимую долговечностьпосле ремонта.

Изменением конструктивного оформления сварного соединенияремонтной конструкции с трубой может быть достигнуто путем устранения очаговзарождения и роста трещин.Особенности установки тройника при ремонте позволили предложить длянего специфическое решение проблемы обеспечения ресурса, не применимое длягладких муфт. Приварка патрубка непосредственно к трубе с последующей установкой и приваркой остальных частей муфты исключает возникновение опасной12схемы нагружения.

Это решение исключает попадание перекачиваемой жидкостипод муфту даже после потери герметичности трубы. Такой «патрубковый» тройник успешно прошел натурные испытания. Разрезка после испытаний показалаполное отсутствие трещин в корне кольцевого шва (Рис. 12).а)б)Рис. 12. Испытания патрубкового тройника: а) конструкция тройника; б) макрошлиф сварного соединенияПатрубковый тройник имеет ограничение. СНиП запрещает приварку патрубка вблизи продольного шва трубы. Поэтому применение такого тройника привыявлении дефектов в этой зоне требует дополнительного обоснования. Тем неменее, разработанная конструкция и технология ее монтажа вошли в нормативныйдокумент ПАО «Транснефть» РД-75.180.00-КТН-274-10 для нефтепровода Восточная Сибирь – Тихий океан.Разработка долговечных ремонтных конструкций без ограничений по применению требует изменения конструктивного оформления сварного соединения.Первым шагом на этом пути является известная конструкция торо-цилиндрическоймуфты с подкладными кольцами (Рис.

13,а). Существенное снижение концентрации напряжений достигается за счет замены нахлесточного соединения на тавровое соединение торовой части (поз.3) с подкладным кольцом (поз.4). В корне шва(поз.5), соединяющего кольцо с трубой, под действием внутреннего давления возникают сжимающие напряжения. Наиболее опасной точкой в тороцилиндрической муфте является корень шва (поз.6) таврового кольцевого соединения. Достоинства торо-цилиндрической муфты позволили выбрать её в качествепрототипа.В результате проведения серии численных экспериментов в ПК «Сварка»предложена новая конструкция торо-цилиндрической муфты (Рис.

13,б). Новаяконструкция муфты обладает преимуществом своего прототипа. Дополнительныйэффект достигается за счет замены таврового сварного соединения на стыковое(поз.8) между торовой (поз.3) и цилиндрической (поз.2) частями муфты, которое,как известно, имеет меньшую концентрацию напряжений. Радиус торовой части(Rb) увеличен с целью распределения изгиба переходной зоны муфты на большуюдлину и снижения напряжений. Уровень напряжений во всех сечениях и швахмуфты находится на уровне целой трубы, а все концентраторы оказываются в зонесжимающих напряжений. Необходимая толщина стенки муфты незначительнопревышает толщину стенки трубы (пропорционально соотношению их внутреннихдиаметров), что обеспечивает минимизацию массы конструкции.

Такая конструкция этой муфты полностью отвечает поставленной цели работы. Конический уча13сток на кромках торовой части муфты обеспечивает установку муфты на участкетрубы с большой овальностью. Путем сошлифовывания кромок коническогоучастка можно добиться равномерного зазора по всему периметру стыка.

При этомугол между стенками трубы и муфты по всему периметру кольцевого шва не изменяется, что исключает влияние овальности трубы на величину напряжений в шве.132Ra7r6 1 , МПа541а)8312Rb965r1б)Рис. 13. Оформление сварного соединения муфты с трубой и распределение компоненты максимального растягивающего напряжения в прототипе (а) иновой конструкции муфты (б). 1 – труба; 2,3 – цилиндрическая и тороваячасть муфты; 4 – подкладное кольцо; 5 – сквозной дефект; 6 - угловойшов; 7 - тавровое соединение; 8 – стыковой шов; 9 – конический участокМонтаж муфты начинают с установки торовых частей и сварки каждой изних из двух половин стыковыми швами.