Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 10

характер нагружения муфт в концентраторах может быть близок к сложному сразличными циклами по напряжениям. Реализованная модель позволяет моделировать два вложенных цикла. На Рис. 2.13 приведен общий случай нагружения с двумя точками реверса.KMLРис. 2.13.Схема двух реверсов для сложного нагружения.

K – соответствует внешнему(большому) циклу; L – соответствует вложенному циклу; M – соответствует текущему уровню нагрузкиВеличина пластической деформации, вызванной процессом сварки, находится в диапазоне 1…2% [66]. Пластическая деформация от рабочей нагрузки вконцентраторах может превосходить остаточную деформацию от процессасварки. Тогда их влияние снижается.

До образования дефекта пластическая деформация, связанная с остаточными сварочными напряжениями, соизмерима сдеформацией, вызванной эксплуатационной нагрузкой. По мере роста трещины60концентрация напряжений возрастает, а влияние сварочных напряжений снижается. Отсюда следует, чем острее концентратор, тем меньше влияние сварочныхнапряжений на ресурс конструкции.Таким образом, представленная модель описывает изменение напряженного состояния под действием предварительной статической перегрузки и влияние остаточных сварочных напряжений на рост трещины и может быть применена для расчета НДС ремонтных конструкций муфты и тройника.

Более простые модели приведут к завышению уровня пластической деформации за цикли, соответственно, к занижению ресурса, определяемому по уравнению малоцикловой усталости. Модель изотропного материала с трансляционным упрочнением реализована в ПК «Сварка».2.2.3. Критерий выбора рациональных параметров усиливающихконструкцийКомпьютерное моделирование является эффективным средством анализасуществующих способов повышения ресурса ремонтных муфт. Целевой функцией при выборе наиболее рационального способа усиления ремонтной конструкции является минимизация ее массы при обеспечении требуемого эксплуатационного ресурса.Способы повышения несущей способности ремонтных конструкций рассмотрены в параграфе 1.5.

Расчетное сечение шва увеличивают либо за счетувеличения катета шва, направленного вдоль стенки трубы, либо за счетнаплавки дополнительных валиков для получения выпуклого шва. Варьируемыми параметрами при этом являются катет шва и величина расчетного сечения.Параметрами бандажа и разгрузочного кольца, определяющими уровеньснижения нагрузки на шов, являются ширина и толщина кольца. Не менее важным параметром является расположение кольца относительно углового шва.Увеличение толщины стенки бандажа затрудняет его установку с натягом.При сравнении способов усиления наибольшую наглядность дает представление результатов расчета в показателях ожидаемой долговечности. Ре-61монтные конструкции эксплуатируются в условиях малоцикловой усталости.Связь долговечности с показателями напряженно-деформированного состояниявыражается уравнением Мэнсона-Коффина [101]:12 пл  N 1С ,2(2.2)где  пл – амплитуда пластической деформации; N – число циклов до разрушения;  С - константа материала (предельная пластичность).Из уравнения (2.2) следует, что главным фактором, определяющим долговечность конструкции, является амплитуда пластической деформации  пл вкорне углового шва (в опасной точке).

Снижение величины пластической деформации в 2 раза приводит к повышению долговечности в 4 раза. Усилениемуфты должно обеспечить снижение уровня пластической деформации на каждом цикле. В (2.2) в качестве константы материала используется предельнаяпластичность. Свойства сварного соединения характеризуются высокой неоднородностью, и могут отличаться от точки к точке. Если технология сварки была неизменной для различных вариантов ремонтных конструкция, то можносчитать, что свойства сварного соединения и радиус перехода в корне шва всреднем были постоянны. Отсюда следует равенство правых частей уравнения2.2. Тогда, приняв ресурс базового варианта муфты равным 15 годам (Nб = 5000циклов), результаты численных экспериментов по изменению конструкции иразмеров муфты можно представить в виде ожидаемой долговечности в годах(2.3):2где  пл.бN  N б  пл.б (2.3)  пл - амплитуда пластической деформации базового варианта; Nб – числоциклов до разрушения базового варианта, N – ожидаемое число циклов до разрушения.Значения пластической деформации в опасной точке для базового  пл.б иизмененного ε пл вариантов рассчитывались методом конечных элементов намоделях со сгущением сетки в исследуемой зоне.622.2.4.

Моделирование роста трещины в ремонтной конструкцииНакопленные микроповреждения в концентраторах в течение жизненногоцикла ремонтной конструкции приводят к ее разрушению, основной формой которого является потеря герметичности (возникновение сквозного дефекта из-зароста усталостной трещины). Прогнозирование траектории роста усталостнойтрещины является важным этапом методики повышения ресурса ремонтныхконструкций, так как позволяет определить сечение, по которому произойдётразрушение.Для моделирования процесса разрушения В.В. Болотиным [101] предложен метод варьирования направления роста трещины «по Гриффитсу». Методоснован на сопоставлении энергии упругих деформаций при различных вариантах продвижения трещины и выбор такого продвижения, при котором энергияминимальна.Поскольку энергия упругих деформаций связана с коэффициентом интенсивности напряжений (КИН), реализация такого подхода возможна путем расчета КИН. Рост трещины нормального отрыва происходит в том направлении,при котором у её вершины возникает наибольшее значение КИН.yПлоскостьсимметрииРис.

2.14.Схема оценки КИН по раскрытию трещины63Один из способов вычисления КИН основан на определении перемещенииточек вблизи вершины трещины. Под действием нагрузки происходит раскрытие трещины. Максимальные перемещения точек на краях трещины в соответствии с Рис. 2.14 определяются выражением (2.4):4 1 2 KIuy  Er  rp2,(2.4)где K1 – коэффициент интенсивности напряжений, МПа м ; E – модуль упругости первого рода, МПа;  - коэффициент Пуассона; r – координата точки отвершины трещины, м; rp – поправка Ирвина на пластичность, м; uy – перемещение точки трещины под нагрузкой по нормали к плоскости трещины.Такой подход позволяет вычислять и использовать КИН при наличии пластической зоны перед вершиной трещины.

Построив конечноэлементную модель и рассчитав перемещение двух точек под нагрузкой, можно составить систему уравнений с двумя неизвестными (KI, rp) и определить значение КИН.С учетом выбранной модели материала (раздел 2.2.2) при моделированиинапряженного состояния в вершине трещины необходимо прослеживать несколько циклов нагружения для определения установившегося уровня пластической деформации за цикл и корректной оценки КИН в вершине трещиноподобного дефекта.2.3.Методика исследования влияния технологии сварки на ресурссварного соединенияВ соответствии с применяемой методикой испытание натурного образцавнутренним давлением заменено испытанием лабораторного образца – фрагмента сварного соединения, включающего короткий участок шва с прилежащими частями трубы и муфты, на внецентренное растяжение. Основной задачейэкспериментов была оценка влияния на циклическую долговечность сварногосоединения вида разделки кромок и величины зазора между трубой и муфтой,который неизбежен на отдельных участках шва вследствие овальности трубы,поскольку именно от этих параметров зависит острота концентратора в корнеуглового шва.

Образец может быть сварен по монтажной технологии, при этом64легко задать любую ширину зазора между фрагментами трубы и муфты. Можноожидать, что свойства металла и острота концентраторов в корне углового швапри этом будут такими же, как при реальном ремонте трубопровода.Получение корректной величины нагрузки, прикладываемой к образцу,осуществлено с помощью компьютерного моделирования. Нагрузка на образецдолжна быть такой, чтобы уровень пластической деформации в концентратореобразца был такой же, как в соответствующей зоне муфты.В испытаниях предусмотрены два вида разделки кромок: без скоса кромкии с обратным скосом кромки (Рис. 2.15).

Обратный скос кромки позволяет увеличить минимальное сечение шва, что должно повысить ресурс сварного соединения без увеличения количества наплавляемого металла [28]. Испытанию подлежат образцы шести типов с тремя различными значениями зазора b (Таблица1) и испытаны по 2 образца каждого типа.а)450045б)Рис. 2.15.Лабораторные образцы разрезных муфт:а) - без скоса кромок, б) - со скосом кромокТаблица 1.Номера типов испытанных лабораторных образцовЗазор (b)04 мм8 ммБез скоса кромок123Со скосом кромок45665Циклические испытания образцов должны обеспечить максимальное совпадение условий накопления повреждений в концентраторе (в корне угловогошва) с условиями в реальной конструкции. Для этого: сварку образцов следует проводить в условиях, максимально приближенных к реальным условиям монтажа ремонтной конструкции; необходимо обеспечить одинаковый уровень пластических деформаций зацикл в корне шва при работе ремонтной конструкции и при испытанииобразца.Чтобы приблизить свойства сварных соединений образцов к реальным, ихсварку следует выполнять согласно [11].

Определение нагрузки, соответствующей условию эксплуатации, обеспечено подбором нагрузки, вызывающей уровень пластической деформации в образце, имитирующем нахлесточное соединение муфты с трубой, как в реальной муфте.Разработанная методика исследования влияния технологии на ресурс позволяет частично заменить дорогостоящие и длительные натурные гидроиспытания (один цикл таких испытаний занимает 2 минуты, а 10 тысяч циклов – 2 недели) испытаниями компактных лабораторных образцов на стандартном оборудовании. Она дает возможность оперативно проследить влияние различныхконструктивных и технологических факторов и выбрать оптимальный вариант.2.4.Методика испытаний натурных образцовНаиболее надёжным и достоверным способом определения ресурса сварной конструкции является натурные испытания.