Диссертация (Разработка методики восстановления ресурса участка нефтепровода сварными муфтами), страница 5

Важную роль в условиях его формирования играет зазор между трубой и муфтой. Максимально допустимая величина зазора25при монтаже герметичных муфт - до 6 мм [57,59]. Реальная труба может иметьформу эллипса с разностью осей до 12 мм [42], в результате чего возможно непостоянство зазора по периметру кольцевых швов, соединяющих муфту с трубой. В нормативной документации предусмотрено два варианта технологии выполнения корневой части шва при наличии зазора. При зазоре до 3 мм сваркуначинают с корневого валика шва, затем выполняют ряд наплавочных слоев.При величине зазора от 3 до 6 мм сварку начинают с выполнения наплавочныхслоев и только потом укладывают корневой валик.

В частности, возможны двесхемы оплавления кромок (Рис. 1.7). Первая из них (Рис. 1.7,а) обеспечиваетплавный переход от шва к основному металлу муфты. При второй схеме (Рис.1.7,б) достаточное смачивание поверхностей основного металла в силу различных причин не обеспечено. Эта схема способствует возникновению острогоконцентратора в корневом слое (похожего на трещину). В реальных условиях неприходится рассчитывать на реализацию первой схемы, так как даже на поверхностях плавного перехода всегда имеются мелкие трещины с острой вершиной.а)б)Рис. 1.7.Варианты формирования корня углового шва при монтаже муфтыа) с плавным переходом; б) с острым концентраторомОстрота концентратора в корне углового шва является одним из важнейших факторов, влияющих на циклическую долговечность муфты.

Расчеты показывают, что чем больше радиус притупления в корне шва, тем меньше концентрация напряжения и выше долговечность [60]. В связи с этим, наиболее опасными могут оказаться участки муфты, прилегающие к трубе без зазора. Принеобходимости зазор можно гарантировать, используя при монтаже прокладку26между трубой и муфтой. Однако большой зазор не гарантирует отсутствияострого трещиноподобного концентратора, поскольку форма поверхности корняшва в зазоре существенно зависит от параметров технологии сварки и, как правило, трудно предсказуема и труднодоступна для неразрушающего контроля.Для повышения работоспособности сварной конструкции при разработкетехнологии необходимо учитывать её влияние на остроту концентраторов, неоднородность свойств и остаточные сварочные напряжения, а также на возможность разрушения при эксплуатации. В самом процессе изготовления сварнойконструкции проявляется ряд новых особенностей, усложняющих оценку работоспособности на этой стадии.1.4.

Методы анализа напряженного состоянияОсновным методом оценки прочности и ресурса ремонтных конструкцийв нефтяной промышленности в настоящее время являются натурные испытанияв условиях, приближенных к реальным [61]. Экспериментальный подход к исследованию муфт представлен в работах [62,63]. В ходе испытаний требуетсяподтвердить заявленный ресурс предложенных ремонтных конструкций.

Такиеиспытания хороши для приемки, но не целесообразны на этапе выбора и доработки ремонтных конструкций.Большие размеры и высокая цена испытания не позволяют испытыватьдостаточное для статистической оценки число однотипных образцов. Получаемая скудная информация сводится к месту и характеру разрушения.

Как ни парадоксально, более ценными для науки оказываются результаты неудачных испытаний, поскольку в этом случае извлекается дополнительная информация порезультатам вырезки и исследования мест разрушения. На этапе разработкиконструкций муфт гораздо эффективнее использование расчетных методовоценки прочности. Расчетные способы позволяют подробно исследовать напряженное состояние и выявлять слабые места ремонтных конструкций, а такжеоперативно оценивать результаты предлагаемых изменений. Это обеспечиваетбольшую гибкость и оперативность при анализе различных вариантов. Расчетные методы оценки прочности и ресурса муфт и тройников можно разделить на:271) инженерные;2) аналитические;3) численные.Инженерные подходы к оценке напряженного состояния [16,64] опираются на представления сопротивления материалов на основе минимальной расчетной площади сечения, считая распределение напряжений по поперечному сечению равномерным.

Геометрические параметры ремонтных конструкций находятпо простым соотношениям на основе «котельных» формул. Так при известнойтолщине стенки трубы толщину муфты подбирают по формуле (1.1) [СНиП2.05.06]: м   тр  Rм  тр,Rтр  м (1.1)где  тр ,  м - толщины стенок; Rтр, Rм - средние радиусы; [ тр ], [ м ] - допускаемые напряжения материалов соответственно трубы и муфты.Аналогичные формулы применяют и при определении толщин стеноктройника. Поскольку одна из полумуфт тройника ослаблена отверстием, согласно [65-67] требуется компенсация потерянной площади.

Расчет на прочность проводят для двух сечений тройника, совпадающих с его плоскостямисимметрии. В основе расчетных формул лежит предположение, что в сечениидействует равномерно распределенное нормальное напряжение, создаваемоевнутренним давлением p. Это напряжение σ может быть найдено по формуле(1.2):   AСТ  A  p   AТР  A(1.2)где Aст , Aтр - площади сечения стенки тройника и его внутренней полости, A добавки площади на различные вид износа стенок тройника в процессе эксплуатации.Из этого уравнения, зная допускаемое напряжение, можно определитьтребуемую толщину стенок тройника.

При этом влияние концентрации напряжений, а также нагрузок, не связанных с внутренним давлением входит в коэф-28фициент запаса, определяемый на основе экспериментальных исследований иопыта эксплуатации.Рис. 1.8.Схема компенсации ослабления в тройникеИз всех перечисленных в параграфе 1.2 особенностей работы тройника, врасчете непосредственно учитывается только ослабление магистрали отверстием в стенке. Это ослабление компенсируют увеличением толщины стенок тройника. Схема компенсации показана Рис. 1.8 [68]. Имеется максимальный диаметр отверстия, не требующий компенсации (d0). Вся недостающая площадь сечения отверстия сверх этого размера (F на Рис. 1.8) должна быть скомпенсирована увеличением сечения тройника Fк.Существует ряд аналитических решений по теории упругости для цилиндрических оболочек различного сечения, а также для произвольных осесимметричных оболочек [65,69].

Эти решения были применены для приближеннойоценки НДС в тройниках, в том числе с учетом остаточных напряжений, возникающих при сварке. В [69] предложено большое количество инженерных формул, выведенных на основе теории оболочек. К сожалению, тройник, даже простейшей конструкции, является слишком сложным объектом для полного описания его средствами теории упругости. Поэтому все формулы в [69] выведеныс большим количеством упрощений и допущений.

Их точность является ограниченной и, что хуже всего, неопределенной.29В итоге аналитический подход, весьма трудоемкий и требующий высокойквалификации расчетчика, лишен универсальности и, при современном уровнеразвития численных методов и вычислительной техники, неконкурентоспособен.К аналитическим методам можно отнести также расчеты трещиностойкости муфт и тройников по формулам линейной механики разрушения при наличии в них плоскостных (трещиноподобных) дефектов. Наиболее характернымивидами трещин являются поверхностная трещина на наружной или внутреннейгладкой поверхности тройника, а также угловая трещина, перпендикулярнаяребру на границе внутренних поверхностей магистрали и патрубка [70-72].Аналитическими эти расчеты можно назвать весьма условно, поскольку они,как правило, получены обобщением численных решений.

К тому же для ихприменения необходимо вначале определить напряжение в тройнике в местерасположения обнаруженной или предполагаемой трещины.Сварные конструкции являются наиболее сложными объектами. При ихрасчете возникает ряд проблем, связанных с неоднородностью свойств материала, сложностью формы, наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений, остаточных напряжений и т.д. Особую сложность задачам анализа и обеспечения работоспособности конструкции придает не какойнибудь один из перечисленных факторов, а возможность сочетания и взаимодействия сразу нескольких из них в небольшом объеме, практически в однойточке.Все более мощным и дешевым инструментом становится компьютерноемоделирование методом конечных элементов (МКЭ), хотя затраты на разработку программ вполне соизмеримы с затратами на изготовление испытательногооборудования.

Созданный инструмент позволяет не только оценить прочностьконструкции и выявить сразу все её слабые места, но также оперативно оценитьрезультаты предлагаемых изменений, а в конечном итоге – установить закономерности работы конструкции и наметить общие, научно обоснованные принципы её оптимизации. Важным аспектом является технологическая наследственность – влияние процессов на стадии изготовления и монтажа на работу30конструкции при эксплуатации. Это особенно важно для сварных конструкций.Преимуществом МКЭ перед рядом других численных методов расчета НДС всварных соединениях является возможность задания различных свойств материала как в соседних элементах, так и в пределах одного элемента. МКЭ позволяет моделировать весь жизненный цикл конструкции от изготовления до утилизации.Современный уровень понимания происходящих в материале под нагрузкой процессов и воспроизведения их в расчетных методах не гарантирует полного соответствия результатов расчетов реальным физическим процессам в материале.

Степень этого соответствия может быть установлена только из сопоставления каждого звена расчетного метода с экспериментом [66]. При этом основой системы оценки работоспособности конструкций становится расчетныйподход, а функции экспериментов включают следующее:1) определение свойств материала (механических и теплофизических характеристик), необходимых в качестве исходных данных для расчета МКЭ;2) определение условий нагружения для анализируемой части конструкций;3) проверка соответствия результатов расчета тем параметром состоянияобразцов в процессе эксперимента, которые могут быть замерены непосредственно с помощью датчиков;4) определение момента разрушения образца и сопоставление его с результатами расчета НДС для установления критерия разрушения сварного соединения.Проведение натурных испытаний регламентировано перед вводом ремонтной конструкции в эксплуатацию («Программа прочностных испытанийразличных методов ремонта дефектных участков магистральных нефтепроводов»).

Испытываемые конструкции представляют собой участок трубы с нанесенным на него дефектом в виде круглого отверстия. Торцы трубы закрыты эллиптическими днищами. Ремонтные конструкции подвергают испытаниям нациклическое давление. Испытания натурной трубы с ремонтной конструкциейсчитают успешными, если:31- отсутствует разрушение (появление течи) по ремонтной конструкции входе испытания циклической нагрузкой (10000 циклов);- отсутствует разрушение (появление течи) по ремонтной конструкции входе испытания статическим давлением.Анализ нормативной документации показывает, что при увеличении рабочего давления пришлось отказаться от ряда ремонтных конструкций муфт итройников [2,8,11].