Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 11

Такие испытания проводят приприемке конструкции и подтверждения её ресурса. Включение натурных экспериментов в заключительную стадию методики повышения ресурса позволяетподтвердить результаты расчета и эффективность принятых технических решений.Программе натурных испытаний образцов муфт и тройников соответствует, утвержденной программе испытаний ремонтных конструкций в ПАО «АКТранснефть». В целях снижения затрат на проведение испытаний предполагается испытание только натурных образцов тройников как наиболее сложных ре-66монтных конструкций, имеющих наименьшую долговечность. Усложнение конструкции связано с наличием патрубка, который вызывает дополнительную неопределенность нагрузки и новые зоны концентрации напряжений.В ходе испытаний тройники подвергают нагрузке, близкой к условиямэксплуатации.

Конструкции тройников подвергают воздействию переменногодавления и совпадающего по фазе изгибающего момента, а также последующейвыдержке при повышенном давлении в течение 10 минут. Параметры нагрузокприведены в Таблице 2. Схема нагружения тройника приведена на Рис. 2.16. Изсхемы следует, что зона растягивающих напряжений находилась со стороны патрубка.Таблица 2.Параметры испытательных нагрузокНагрузкаХарактер нагруженияДавление,МПаМомент, кН  мЦиклическаяМинимальная3,0570нагрузкаМаксимальная12,28136017,0-Статическая нагрузкаllQQРис. 2.16.Схема приложения нагрузки.

Q = M/l, где M – внешний момент67Рис. 2.17.Схема расположения тензодатчиковВо время испытаний осуществляется запись напряженного состояния спомощь тензодатчиков. Схема расположения тензодатчиков показана на Рис.2.17. Используют тензодатчики с базой 10 мм. Результаты испытаний по каждому образцу натурной трубы с ремонтной конструкцией считают успешными,если:- отсутствует разрушение (появление течи) по ремонтной конструкции входе испытания циклической нагрузкой (10 000 циклов);- отсутствует разрушение (появление течи) по ремонтной конструкции входе последующего испытания статическим давлением.2.5.Выводы по главе 21. Разработанная методика восстановления ресурса участка нефтепровода позволяет выявить и устранить ожидаемые проблемы ремонтных конструкций на стадии проектирования.

Расчетная часть обеспечивает анализ напряженного состояния ремонтных конструкций и позволяет сократить объем экспериментальных исследований. Наряду с расчетными методами используются экспериментальные испытания образцов-имитаторов сварных соединений для анализа связанных с технологией сварки факторов, приводящих к снижению ресур-68са. Натурные испытания являются средством подтверждения достоверности результатов расчета.2. Применение модели материала с трансляционным упрочнением является необходимым условием для адекватного воспроизведения условий работысварной конструкции при циклическом нагружении. Эта модель реализована впрограммном комплексе «Сварка», разработанном на кафедре технологий сварки и диагностики МГТУ им.

Н.Э. Баумана. Более простые модели приведут кзавышению уровня пластической деформации за цикл и к занижению ресурса,определяемому по уравнению малоцикловой усталости.3. Прогнозирование траектории роста усталостной трещины являетсяважным звеном методики повышения ресурса ремонтных конструкций, так какпозволяет определить сечение, по которому произойдет разрушение. Расчетзначений КИН различных конфигураций трещин по итогам моделированияНДС сварной конструкции позволяет определить направление и скорость ростаусталостной трещины при эксплуатации конструкции.4.

Разработанная методика испытания лабораторных образцов позволяетисследовать влияние конструктивно-технологических параметров сварного соединения на долговечность ремонтной конструкции. Она дает возможность оперативно проследить влияние различных конструктивных и технологическихфакторов и выбрать оптимальный вариант.5. Наиболее надёжным и достоверным способом определения ресурсасварной конструкции является натурные испытания. Включение натурных экспериментов в заключительную стадию методики повышения ресурса позволяетподтвердить результаты расчета и эффективность принятых технических решений. Такие испытания проводят при приемке конструкции.69Глава 3.

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА РЕМОНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙМетодика, описанная в Главе 2, позволяет усовершенствовать существующие конструкции герметичных муфт и тройников. Меры по повышению долговечности ремонтных конструкций способствуют как усилению уже установленных муфт, так и повышению ресурса новых муфт. Наибольшая нагрузка нагерметичные муфты при эксплуатации ложится на второй стадии их работы(после образования сквозного дефекта в трубе под муфтой). Долговечностьмуфты в этом случае зависит в первую очередь от прочности и ресурса угловогокольцевого шва, соединяющего муфту с трубой.

Рассмотренные в параграфе 1.5меры по усилению сварного соединения вносят минимальные изменения в технологический процесс ремонта, что значительно упрощает их внедрение.3.1. Разработка компьютерных моделей ремонтных муфт иразрезных тройниковРасчетные компьютерные модели для анализа факторов, ограничивающихресурс ремонтных конструкций, должны обеспечить воспроизведение геометрии, механических свойств и действующих силовых факторов.

Геометрическиеконечноэлементные модели гладкой муфты и разрезного тройника показаны наРис. 3.1.В компьютерных моделях гладких муфт использованы условия круговойсимметрии, что позволило значительно сэкономить вычислительные ресурсы.Сложность конструкции разрезного тройника не позволяет использовать такоеупрощение модели. С учетом симметрии в модель вошла ¼ конструкции. Ранееустановлено, что слабым местом простейшей герметичной муфты (Рис. 3.1,а)является корень углового кольцевого шва в связи с высокой концентрациейнапряжений в этой зоне, причиной которой является изгиб в результате увеличения диаметра средней части муфты.

Характерными зонами анализа напряженного состояния в кольцевом шве тройника являются точки А и Б (Рис. 3.1,б),70ААна остальной части периметра шва напряжения будут принимать промежуточББАные значения. Именно эти зоны имеют более мелкую сетку конечныхэлеменАтов.трубамуфтаАа)тройникАтрубаБб)Рис. 3.1.Модели ремонтных конструкций: а) гладкая муфта, б) разрезной тройник: А и Б– характерные зоны анализа напряженного состоянияМеханические свойства материала моделируемых муфт (Рис.

3.2) соответствуют классу прочности стали К60 (X70). Предел текучести стали определяется средним значением пределов текучести компонент структуры при заданнойтемпературе. Диаграммы упрочнения и упругие характеристики компонентструктуры имеют незначительный разброс и приняты одинаковыми.В состав граничных условий (Рис. 3.3) входят действующие на участоктрубы нагрузки (внутреннее давление и продольные нагрузки от растяжения иизгиба трубы), а также условия симметрии модели, которые обеспечивают закрепление плоскостей симметрии по нормали к этим плоскостям. Для тройника71использована объемная модель, соответствующая образцу для натурных испытаний, проводимых при приемке конструкций перед эксплуатацией.а)б)в)г)Рис. 3.2.Механические свойства: а) модуль сдвига; б) объемный модуль упругости; в)зависимость предела текучести от температуры; г) коэффициент упрочнениястали К60(X70)Условие круговой симметрии гладкой муфты учтено путем примененияосесимметричной модели, в которой перемещения происходят только в осевоми радиальном направлениях, а деформация в кольцевом направлении определяется как отношение перемещений точек модели в радиальном направлении красстоянию точки от оси симметрии.

Закрепление в продольном направлениисоответствует условиям работы трубопровода при подземной укладке. Дляуменьшения влияния жесткости продольного закрепления на результаты расчетов в модель включен достаточно протяженный участок трубы.72Ра)Рб)Рис. 3.3.Граничные условия компьютерной модели:а) для муфты; б) для тройника (P – внутреннее давление)3.2.Анализ способов повышения ресурса гладких муфт3.2.1.

Анализ работы ремонтной конструкции под давлениемПервый этап предложенной методики заключается в установлении слабыхзон ремонтных конструкций. С этой целью на разработанных моделях в программном комплексе (ПК) «Сварка» проведен анализ работы ремонтных конструкций под нагрузкой. Результаты анализа позволяют сделать вывод, что об-73щей причиной ограниченного ресурса ремонтных муфт и тройников являетсявысокая концентрация напряжений в сварном соединении ремонтной конструкции с трубой.Причины концентрации напряжений можно разделить на две группы. Одна из них связана непосредственно с геометрией зоны в корне шва (малым радиусом перехода), другая с характером нагруженности этой зоны, т.

е. с конструкцией муфты. Анализ геометрии у точки А показывает, что в нахлесточномсварном соединении муфты с трубой наличие острого концентратора (непровара) в корне шва неизбежно, и эта зона недоступна для послесварочной механической обработки.Нагрузка на сварное соединение складывается из двух составляющих, связанных с растяжением и изгибом стенок трубы и муфты. Напряжение от растяжения может быть снижено только за счет увеличения катета шва. Однако анализ распределения напряжений по сечению шва показывает, что основной вкладв напряжения в концентраторе дает изгиб стенки трубы. Причины изгиба хорошо видны на Рис. 3.4, где представлена смещенная сетка конечных элементов (ккоординатам узлов сетки прибавлены их перемещения под нагрузкой, увеличенные в 100 раз).

Участок трубы под муфтой не нагружен (давление внутри иснаружи трубы одинаковое), поэтому он при подаче давления не увеличиваетсвой диаметр. Диаметр участка трубы за пределами муфты увеличивается отвнутреннего давления. Поэтому на выходе трубы из ремонтной конструкциинеизбежен изгиб стенки трубы, вызывающий дополнительные растягивающиенапряжения на внутренней поверхности трубы под муфтой и на наружной – замуфтой. Для шва важен возникающий при этом поворот участка стенки трубыотносительно торца муфты [102]. Характер их взаимного поворота таков, что вкорне шва (в точке А) возникают дополнительные растягивающие напряжения.Напряженное состояние в муфте вблизи точки А показано на Рис. 3.5. Особенностью конструкции нахлесточного сварного соединения является трещиноподобный непровар в корне кольцевого углового шва. Этот шов с трудом поддается контролю, что увеличивает риск появления дополнительных технологических дефектов, в том числе трещиноподобных.74Аа)АБб)Рис.