автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Обеспечение безопасности сетей газораспределения путем усовершенствования методов прогнозирования ресурса запорной арматуры

УДК 620.16

На правах рукописи

Л

Кузнецов Андрей Вадимович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СЕТЕЙ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПУТЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ 3 ИЮН 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569856

Уфа-2015

005569856

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Головной научно-исследовательский и проектный институт по распределению и использованию газа» (ОАО «Гипрониигаз») и Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»),

Научный руководитель - Шурайц Александр Лазаревич,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Гипрониигаз», генеральный директор

Официальные оппоненты: - Короленок Анатолий Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, декан факультета «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта», заведующий кафедрой ««Нефтепродуктообеспечение и газоснабжение»

- Аскаров Роберт Марагимович,

доктор технических наук, ООО «Газпром трансгаз Уфа», Инженерно-технический центр, ведущий инженер

Ведущая организация - ООО «Центр исследований экстремальных

ситуаций»

Защита состоится 30 июня 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Государственного унитарного предприятия «Институт проблем транспорта энергоресурсов» www.ipter.ru.

Автореферат разослан 20.05.2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор чУИ"-

Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие газоснабжения является одним из важных направлений топливно-энергетического комплекса РФ. Непрерывный рост объемов строительства газовых сетей требует масштабного использования технических устройств и изделий (труб, арматуры и др.), безопасность которых является гарантией безаварийной работы.

Управление газовыми потоками в трубопроводах осуществляет запорная арматура (ЗА), предназначенная для локализации и ликвидации аварий и обеспечения ремонтных и аварийно-восстановительных работ. Возникновение аварийных ситуаций на ЗА непосредственно сказывается на безопасности близлежащих участков газораспределительной сети, в связи с этим нормативно-техническая документация содержит требование об устранении или уменьшении опасности на всех этапах жизненного цикла ЗА в той степени, в которой это реально осуществимо на практике.

Традиционно ЗА производилась в конструктивном исполнении задвижек и вентилей, однако практика выявила их эксплуатационные недостатки, что стимулировало разработку конструкций нового типа корпуса (с переходами диаметра) и запорного устройства - газового шарового крана (КШГ). Современная конструкция КШГ устраняет большинство существенных недостатков ЗА, однако за счет потери ремонтопригодности. Это обстоятельство увеличивает степень ответственности производителя за надежность (долговечность) ЗА на стадии производства и, особенно, за прогнозируемый ресурс изделия, который является ориентиром для эксплуатирующих организаций с точки зрения обеспечения безопасности.

При производстве корпусов КШГ используется сочетание двух основных технологических операций: создание перехода диаметров на торцах цилиндрической заготовки путем механического обжима и пробой отверстия под вывод штока в центре цилиндрической оболочки корпуса. При этом возрастает проявление технологической наследственности для конструкций. В аспекте прогнозируемого ресурса возникает необходимость изучения влияния указанных технологических операций на перераспределение напряженно-деформируемого состояния (НДС) и механических свойств металла. В вариации прочностных параметров готовых изделий необходимо изучить вероятностный характер технологической наслед-

ственности. Разработка метода оценки индивидуального ресурса для корпусов КШГ на этапе производства является важным элементом формирования партии изделий с минимальным разбросом срока службы. Это позволяет перейти к дифференцированному подходу в поставках ЗА, обеспечивающему равносильную промышленную безопасность ЗА при схожих условиях эксплуатации.

Изложенные выше задачи исследований влияния технологической наследственности на безопасность ЗА газораспределительных сетей являются актуальными для широкомасштабного внедрения КШГ с новыми конструкциями корпусов.

Цель работы - обеспечение безопасности сетей газораспределения путем усовершенствования методов прогнозирования ресурса неремонтопригодных элементов стальной запорной арматуры (на примере КШГ) и разработки способа его оценки на стадии производства.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

- выполнить ранжирование технологических операций производства по степени влияния на прочность современных конструкций стальной ЗА;

- провести экспериментальное изучение закономерностей раздельного и совокупного влияния основных технологических операций на НДС и механические свойства металла в современной конструкции корпусов запорной арматуры газораспределительных сетей;

- получить экспериментальные оценки интервала рассеяния НДС корпусов ЗА, являющихся составной частью исходных данных при прогнозировании ресурса;

- разработать способ прогнозирования индивидуального ресурса корпусов КШГ на стадии производства.

Методы решения поставленных задач

В работе использован комплекс экспериментальных методов измерения НДС и механических свойств металла: цифровая двухэкспозиционная голографическая интерферометрия (ГИ), метод магнитной памяти металла (МПМ), механические стандартные и нестандартные разрушающие испытания, метод индентирования, металлографические исследования. В расчетах НДС использованы инженерные формулы и метод конечных элементов (МКЭ). При обработке данных и интерпретации эксперимента привлекались методы математической статистики и теории упругости.

Основой для решения вышеуказанных задач явились исследования проблем безопасности объектов нефтегазового комплекса, отраженные в работах ведущих ученых: Х.А. Азметова, P.M. Аскарова, В.А. Винокурова, А.Г. Гареева, А.Г. Гумерова, K.M. Гумерова, В.В. Ерофеева, P.C. Зайнуллина, H.JI. Зайцева,

A.Г. Игнатьева, П.В. Климова, И.Р. Кузеева, В.Ф. Мартынюка, H.A. Махутова,

B.И. Михайлова, Е.М. Морозова, Ф.М. Мустафина, Ю.И. Пашкова, О.И. Стеклова, М.В. Шахматова, A.JI. Шурайца, K.M. Ямалеева и других, а также теоретические основы исследования прочности инженерных сооружений и конструкций, в том числе корпусных тонкостенных оболочек, рассмотренные в работах A.C. Авдонина, В.А. Бабешко, Н.И. Безухова, И.А. Биргера, Г.Л. Вихмана, В.А. Голенкова, Д.Ф. Гуревича, В.И. Феодосьева и других.

Научная новизна результатов работы

1. Доказано, что влияние переходов диаметра корпуса КШГ, созданных холодной пластической деформацией при усилиях обжима в диапазоне Р от 320 до 420 кН, на радиальные перемещения поверхности цилиндрической части корпуса под действием внутреннего давления эквивалентно модели закрепления торцов упругого цилиндра жесткими диафрагмами и упрочняет конструкцию при росте усилия обжима.

2. Установлены закономерности изменения условного предела текучести (<j0i), временного сопротивления (ст„) и запаса пластичности (сь^Ах») металла после операции пробоя отверстия от расстояния до края прошивки.

3. Выявлено, что технологическая наследственность, характеризующая совокупное влияние механического обжима, пробоя отверстия и сварки, приводит как к разгрузке, так и напряженности зоны горловины в конструкции КШГ, при этом значения эффективного коэффициента концентрации а,фф изменяются в диапазоне от 0,7 до 1,2.

4. Разработан критерий конструкционной прочности, учитывающий влияние технологической наследственности, - относительный коэффициент предельного состояния металла корпуса КШГ К0= ff^nfff,ic, (где аф^ - напряжение при разрушении корпуса готового изделия; оиа - напряжение при разрушении базового образца, воспроизводящего основную форму корпуса), и установлена корреляционная связь между Ко и величиной максимального градиента собственного магнитного поля рассеяния.

На защиту выносятся:

1. Закономерности влияния технологической операции механического обжима при создании переходов диаметра на напряженно-деформированное состояние заготовок корпусов КШГ;

2. Зависимости изменения механических свойств металла после технологической операции пробоя отверстия от расстояния до края прошивки в цилиндрической части заготовки корпуса КШГ;

3. Диапазон изменения эффективного коэффициента концентрации напряжений и механических свойств металла в корпусах КШГ под влиянием технологической наследственности;

4. Критерий конструкционной прочности и способ прогнозирования индивидуального ресурса (долговечности) корпуса КШГ на этапе изготовления.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Установленные закономерности и способ прогнозирования ресурса применимы на всех стадиях жизненного цикла корпусов запорной арматуры (при проектировании, изготовлении, монтаже, эксплуатации) для решения задач прогнозирования их ресурса (долговечности).

Полученные экспериментально закономерности влияния технологических операций механического обжима и пробоя отверстия рекомендуется использовать для расчетной оценки НДС и механических свойств корпусов запорной арматуры с плавными сопряжениями оболочек.

Установленные закономерности проявления технологической наследственности и способ прогнозирования ресурса корпуса цельносварного шарового крана позволяют перейти к индивидуальной оценке безопасности готовых изделий на этапе производства. Полученные результаты исследований использованы при разработке стандарта организации СТО 59349790.01.2013 «Оценка относительного индивидуального ресурса корпусов цельносварных шаровых кранов систем газораспределения на этапе производства» (Приложение).

Личный вклад автора

Автор внес основной вклад при постановке задач исследования, лично выполнил основной объем измерений с использованием пяти экспериментальных

методов, их математическую обработку и интерпретацию результатов, а также провел определяющий объем расчетов.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на V Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрыво- и пожароопасных и химически опасных производственных объектах. Надзор, диагностика и экспертиза» (г. Уфа, 2011 г.); II Международной научно-практической конференции «Наука и просвещение» (г. Киев, 2011 г.); XIX Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2011 г.); VII Международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла» (г. Москва, 2013 г.); Всероссийской научной конференции с международным участием «Проблемы критических ситуаций в точной механике и управлении» (г. Саратов, 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных трудах, в том числе в 5 рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 127 наименований, одного приложения. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 8 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Шурайцу A.JI. и сотрудникам АДК ОАО «Гипрониигаз», ГУП «ИПТЭР» за помощь и советы при выполнении и оформлении диссертационной работы. За неоценимую помощь в эксперименте автор выражает благодарность д.т.н. Рябухо В.П. (НИСГУ им. Чернышевского), д.т.н. Матюнину В.М. (НИУ МЭИ), д.т.н. Дубову A.A. (ООО «Энергодиагностика), к.т.н. Гончаровой Г.А., к.т.н. Зубаилову Г.И., Гигани Н.Е.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе на основе анализа научно-технической литературы выполнено ранжирование основных технологических операций по степени влияния на прочность конструкций, применительно к конкретным размерам конструкций корпуса КШГ и его заготовок проведены расчетные оценки НДС с использованием инженерных формул и МКЭ в программе АКБУЗ.

На основе анализа известных качественных критериев безопасности ЗА выбраны критерии конструкционной прочности - критерий Мизеса, условный предел текучести (сто.г), временное сопротивление (<тв) и запас пластичности (айЛ1ав). В соответствии с критериями прочности для сравнительной оценки прогнозируемой долговечности конструкций приняты варианты моделей накопления повреждений и изменения пластичности металла.

На основе анализа технологии изготовления КШГ и научно-технической литературы ранжированы основные технологические операции по степени влияния на распределение напряжений и механические свойства металла. Наибольшее влияние ожидается от операции механического обжима при создании переходов диаметра. Влияние на изменение механических свойств металла в локальных зонах оказывают операции механического пробоя отверстия и сварки.

Получены оценки НДС для заготовок корпусов и корпусов КШГ в рамках теории упругости. При расчетах конструкции моделировались цилиндрической оболочкой с переходами диаметра (рисунок 1, а) для заготовок и корпусом КШГ полной заводской готовности (рисунок 1, б).

Результаты расчетов эквивалентных напряжений по инженерным формулам и программе А^УЭ для цилиндрической части конструкции отличаются незначительно (= 7 %), но в местах сопряжения оболочек их различие может составить 2 раза и более. Полученные расчетные данные были базовыми для дальнейшего сопоставления с экспериментом и выводов о степени влияния технологической наследственности.

б)

I I I( >_>__*_ _* _ >

П- -И Т

—г~г

п

( I ( . I I.

.__I

в)

Эпюры осевых, кольцевых и эквивалентных напряжений

—Осевые —Кольцевые Эквивалоншые

0,00 5.00 10.00 15.00 20.00 25,00 30.00 35.00

Расстояние от места сопряжения '' оболочек, мм

Рисунок 1 - Модели заготовок (а) и КШГ (б) и расчетные оценки эквивалентных напряжений в программе АЫЗУЭ (в) и по инженерным формулам (г)

Во второй главе кратко изложены физические основы использованных экспериментальных методов, описаны аппаратурное обеспечение и методика обработки данных, а также показано, что использованный комплекс методов является достаточным для решения задач работы.

При помощи метода ГИ использовалась известная оптическая схема записи цифровых голограмм (источник излучения - гелий-неоновый лазер ГН-2,5

(X = 0,63 мкм), регистратор цифровых голограмм - ПЗС-камера Видеоскан-VS-СТТ-285).

Программное обеспечение голографического интерферометра позволяло проводить Фурье-преобразование цифровой голограммы изображения поверхности объекта, зарегистрированного ПЗС-камерой, полосовую фильтрацию пространственного спектра голограммы с выделением гармоник, соответствующих изображению объекта, восстановление комплексной амплитуды оптического поля изображения объекта и формирование интерференционного изображения. Пространственное расположение интерференционных полос отображает форму и величину деформации поверхности исследуемых объектов. Нормальное смещение поверхности под действием изменения внутреннего давления для соседних интерференционных полос в эксперименте составляло я 0,32 мкм.

Образец закреплялся в оснастке, жестко связанной с топографической установкой, проводилась запись цифровых голограмм после подачи испытательной среды из гидравлической машины и после снятия давления. Оптимальное внутреннее давление было определено в предварительных экспериментах по критерию качественного разрешения интерференционных полос и было принято равным 3,5 МПа. Профиль упругого перемещения поверхности образцов строился вдоль горизонтальной оси симметрии.

Для измерения напряженности собственного магнитного поля рассеяния использовали прибор «ИКН-2ФП» с двумя феррозондовыми датчиками. Распределение магнитного поля фиксировали на всей поверхности корпусов и сварных соединений, для чего предварительно нанесли сетку с шагом 10 мм, в узлах которой регистрировали значения сигнала (число узлов сетки составляло около 350 на каждом образце). Данные о координатах и напряженности магнитного поля обрабатывались в стандартной программе «ММП-система» и переносились на трехмерную модель шаровых кранов в AutoCad с использованием программы ZModeler. После предварительного определения границ области повышенных значений градиента проводились повторные измерения с шагом 5 мм.

Стандартные испытания механических свойств металла проводились на разрывной машине типа Р-20. Нестандартные испытания КШГ на разрушение проводились с использованием установки, включающей термостатическую бро-

некамеру «ТСК-0-1»; гидравлическую машину «УНГР-2000», создающую давление до 200 МПа; видеографический регистратор «Метран-910». Изучаемый образец нагружали внутренним давлением со скоростью 2 МПа/мин, производились фоторегистрация места разрушения и его качественная оценка (характер разрушения, геометрия трещины).

Измерения методом индентирования имели цель определить а02 н <?« металла. Использовался прибор МЭИ-Т7, снабжённый инденторами диаметрами 10,0 и 2,5 мм. Металлографическое исследование микроструктуры металла проведено для получения дополнительной качественной характеристики дефектов, в первую очередь микротрещин и технологического наклепа, использован оптический микроскоп Zeiss Observer Zlm.

В третьей главе на основе результатов исследований методами ГИ, индентирования, стандартных и нестандартных разрушающих испытаний описаны закономерности раздельного влияния технологических операций механического обжима и пробоя отверстия, а также влияния совокупности технологических операций изготовления корпусов КШГ на распределения напряжений и механических свойств металла.

При изучении влияния технологической операции механического обжима методом ГИ решалась задача экспериментального измерения упругого перемещения поверхности в радиальном направлении (Wr) как функции от координаты «х», направленной вдоль продольной оси симметрии, и величины усилия механического обжима (Pj). Были использованы специально изготовленные базовые образцы - заготовки корпуса с двухсторонними переходами диаметра, созданными при усилиях пресса 320, 390 и 420 кН, и воспроизводящие основную форму конструкции корпуса КШГ.

При измерениях каждого образца проводили четыре экспозиции с поворотом примерно на 90°, что позволяло свести к минимуму систематическую погрешность за счет устранения влияния возможных неоднородностей поверхности металла. Экспериментальные данные объединяют интерферограммы от трех базовых образцов.

По результатам обработки интерферограмм получены следующие значения для максимального приращения радиального перемещения поверхности базовых образцов: (3,0 ±0,1) мкм при усилии обжима Р, =420 кН; (9,6 ±0,3) мкм при

Р2= 390 кН; (13,3 ± 1,8) мкм при Р3 = 420 кН. Взаимосвязь между максимальным радиальным перемещением и усилием механического обжима показана на рисунке 2.

технологическое усилие обжима, т

Рисунок 2 — Корреляционная связь приращений радиальных перемещений поверхности в центре цилиндра и усилий механического обжима

Экспериментальные данные приведены для 95 %-ного доверительного интервала при числе параллельных измерений одного образца п ~ 4. Рисунок 2 качественно подтверждает известную в технике тенденцию увеличения прочности с ростом степени пластической деформации. Линейная аппроксимация этой зависимости с использованием метода наименьших квадратов позволяет получить приближенную формулу для расчета максимального радиального перемещения в мкм в зависимости от величины технологического параметра:

1Угат=аР + Ь, (1)

где а [мкм/кН] и Ь [мкм] - экспериментальные константы; Р [кН] - усилие обжима цилиндра в диапазоне от 320 до 420 кН. Для использованных образцов, изготовленных из стали 09Г2С, значения констант равны а - - 0,93 мкм/кН, Ь = 43,88 мкм.

Заметим, что линейная аппроксимация на рисунке 2 не является адекватной математической моделью. Количество экспериментальных точек мало, а прямая линия не попадает в значения доверительных интервалов для двух точек. По-видимому, выражение (1) является более сложной зависимостью, однако ее подробное изучение требует гораздо большего набора специально изготовленных образцов.

Следующий шаг использует экспериментальные данные для восстановления явного вида зависимости: \Уг=Р(х, Р). Для решения этой задачи формат исходных данных был преобразован в относительную форму, удобную для сравнения:

Кп/1Ггм^=Лхт1,/,РЛ, (2)

где индекс у соответствует усилию обжима Ру, - максимальное значение Чт,,

дляу'-ого образца; хотн,; = (2х„)/2£, х9 - координата центра интерференционной полосы с номером / в интерферограмме, полученной для образца с усилием обжима _/'; 21 - длина цилиндрической части образца вдоль оси <ос». Из анализа зависимости (2) очевидно, что абсцисса и ордината будут равны единице в центре цилиндра (!Уг/= И^гшх/, х,, = 1/2), а по краям цилиндра значения ординаты и абсциссы определяются парами (0; 0) и (0; 2).

На рисунке 3 показана совокупность экспериментальных данных для 204 интерференционных полос, связывающих координату центра /-ой интерференционной полосы и радиальный подъем поверхности на этой полосе.

¡г 41 0.6

3! £

Расстояние от края цилиндра до центра интерференционной полосы, отн. ед.

I Б 0.6 5- *

I « 1 5 Я ®

б)

Расстояние от края цилиндра до центра интерференционной полосы, отн. ед.

Рисунок 3 - Приращения радиальных перемещений поверхности

в относительных координатах в сравнении с адекватной математической моделью (а) и расчетом в программе /\NSYS (б)

Автором было предложено проверить адекватность полученных экспериментальных данных и математической модели радиального изгиба длинной ци-

линдрической оболочки с жестко закрепленными краями, также представленной в относительных координатах:

ТГ* = 1- ехр(-Дс.1У2) X (5т(Дк..и2) + сс»(Д^1У2)), (3)

где р = 1,2851(4гк) = 0,098 (мм"1) (г - срединный радиус, И - толщина стенки).

Проверка адекватности показала, что средняя погрешность аппроксимации 6 = 7,5 %, индекс корреляции Я = 0,97, индекс детерминации Я2 = 0,94, что означает, что в 94 % случаев изменение ординаты объясняется изменением абсциссы. Приведенные значения критериев показывают очень высокую степень адекватности экспериментальных данных и математической модели.

Модель (3) по физическому смыслу не совпадает с конструкцией изучаемого образца, поскольку предполагает жесткую фиксацию упругого цилиндра по краям, и никаким образом не учитывает предварительную пластическую деформацию металла. Однако значения статистических критериев позволяют использовать ее для описания радиальных перемещений изгиба поверхности.

Объединяя выражения (1) и (3), получим инженерную формулу для расчета радиального перемещения поверхности под действием внутреннего давления, связанную с изменением технологического усилия обжима:

]Уп = (аР] + А)х(1 -ехр(-/&„172) х+ соб(Дх^Ш)) . (4)

Сравнение результатов расчета в программе АИБУБ и по математической модели (3) показаны на рисунке 3, б. Из анализа рисунка 3, б видно, что расчеты в программе АЫЗУБ отличаются от экспериментальных данных по форме радиального перемещения поверхности и систематически завышают (приблизительно на 25 % при х = 0,5) значения радиальных перемещений поверхности цилиндра после технологической операции обжима. Этот результат объясняется тем, что расчетная модель и граничные условия в программе ЛЫЗУБ не учитывали закономерности предварительной холодной пластической деформации цилиндра. Решение этой проблемы связано с внесением дополнительных корректировок в алгоритм расчета, что является отдельной научно-технической задачей, выходящей за рамки настоящего исследования.

Полученные закономерности влияния операции механического обжима на НДС металла выражаются в следующем:

- в диапазоне усилий механического обжима от 320 до 420 кН максимальное радиальное перемещение поверхности цилиндра под действием внутреннего давления снижается с увеличением усилий обжима, что приближенно может быть описано линейной зависимостью Пггтах = аР+Ь, где а и Ь являются экспериментальными константами;

- в диапазоне усилий механического обжима Р от 320 до 420 кН относительное радиальное перемещение поверхности цилиндра под действием внутреннего давления не зависит от величины усилия обжима и адекватно математической модели цилиндра с жестко закрепленными краями;

- в диапазоне усилий механического обжима Р от 320 до 420 кН получена инженерная формула (4) для прогнозирования величины радиального перемещения поверхности цилиндра с переходами диаметра под действием внутреннего давления.

Практическое значение полученных результатов для оценки безопасности конструкций ЗА заключается в повышении точности определения величины перемещений поверхности под действием внутреннего давления и приращения эквивалентных напряжений в потенциально слабой центральной части заготовок корпуса шаровых кранов. В частности, для граничных значений диапазона усилий механического обжима максимальное приращение радиального перемещения поверхности изменяется приблизительно в 4 раза. Примерно так же изменяется величина эквивалентных напряжений: ажв= (15,2 ± 0,8) МПа при Р = 420 кН, а,к„= (66,4 ± 8,8) МПа при Р = 320 кН.

Полученные выше результаты касаются исключительно изменений НДС, вызванных технологией изготовления. Однако хорошо известно, что при холодной пластической деформации изменяются и механические свойства металла. Механические свойства металла были измерены в центре цилиндрической части с использованием методов индентирования, стандартных и нестандартных разрушающих испытаний. Результаты представлены в таблице 1, из анализа которой видно, что условный предел текучести металла после операции обжима вырос на 82 %, а предел прочности по данным трех независимых методов - на 43 % относительно паспортных данных для трубы из стали 09Г2С в состоянии поставки. При этом запас пластичности металла по критерию о021ав снизился, что характеризует деформационное упрочнение заготовки корпуса КШГ.

Таблица 1 - Результаты экспериментальной оценки механических свойств металла базового образца для трех методов испытаний

№ п/п Метод оценки механических свойств металла в конструкции Сто,2, МПа ст», МПа

1 Паспортные данные для трубы из стали 09Г2С 340,0 490,0

2 Метод индентирования 621,3 702,3

3 Стандартные разрушающие испытания - 712,0 ±5,8

4 Нестандартные разрушающие испытания - 691,5 ±3,2

Для изучения влияния технологической операции пробоя отверстия на прочность конструкции были измерены механические свойства металла в зоне отверстия в цилиндрах, предварительно прошедших операцию механического обжима.

Измерения механических свойств металла в зоне отверстия проводились методом индентирования. Результаты измерений представлены на рисунке 4. оти.ав, МПа

• 900 •

850

♦ 800 ♦

750

А 700 •

• 650 ♦ А *

• 600 ♦ *

550

♦ ♦ 500 ♦

♦ 450 4

24 22 20 18 16 14 0 14 16 18 20 Расстояние от центра отверстия X, мм

22 24

- значения ст„ в тангенциальном направлении;

- значения ст„ в продольном направлении;

- значения ст0,2 в продольном направлении

Рисунок 4 - Распределение механических свойств металла в зависимости от расстояния до края отверстия

Аппроксимация экспоненциальной функцией данных рисунка 4 приводит к явному виду зависимости временного сопротивления от расстояния «х» до центра отверстия в диапазоне от 14 до 24 мм:

сг = 1,43 х 10 х е

(коэффициент корреляции Я = 0,97).

(5)

Аппроксимация предела текучести показывает его снижение по мере удаления от отверстия по закону:

сг„ , = 1,66x1 о3 хеда (коэффициент корреляции Л = 0,98). (6)

На кромке отверстия условный предел текучести возрастает по отношению к основному металлу на 75 %. При этом сто,2/0« = 0,89, что очень близко к уровню 00,2/0«= 0.88, характеризующему металл цилиндра до пробоя отверстия. Однако это значение достигается при очень высоких ст0д= 763 МПа и <х„=857 МПа (на 50 % выше а, основного металла) и может характеризовать необратимые изменения структуры вблизи кромки отверстия. Прилежащий к отверстию металл в процессе наклёпа почти полностью израсходовал запас пластичности, что может привести к его охрупчиванию и зарождению трещин. В результате могут возникнуть металлургические дефекты, что должно учитываться при проведении следующей технологической операции - сварки в зоне горловины.

Для оценки влияния полного технологического цикла изготовления на прочность конструкции корпусов шаровых кранов были измерены параметры НДС и механические свойства металла на натурных образцах КШГ. Результаты измерения максимальных значений общих и местных радиальных компонент деформации методом ГИ (рисунок 5), а также рассчитанных эквивалентных напряжений для двух характерных образцов КШГ представлены в таблице 2. Видно, что значения общих напряжений и общих радиальных перемещений больше на 25...35 %, чем значения по инженерному расчету и расчету в программе АЫБУЗ (для модели КШГ).

Таблица 2 - Экспериментальные и расчетные данные о НДС металла в корпусах КШГ

Метод Общие 1С, мкм Общие о-,, ЛТП а Местные 1Ув зоне горловины, мкм Местные <73 в зоне горловины, МПа Эффективный коэффициент концентрации напряжений ®эфф 0мсснм/аобщч отн. ед.

ГИ № 1 8,1 ±0,9 40,4 ± 4,5 6,4 32,0 0,71...0,89

№2 8,3 41,4 0,92...1,15

Инженерный расчет 6,4 32,5 10,7 53,6 1,65

Расчет в АК'ЭУБ 6,9 30,4 7,5 47,6 1,56

0,0 5.0 ИМ!' 13.Г)

расстояние от точки максимума, мм

б)

5.0

10.0

15.0

расстояние от точки максимума, мм

1 - продольное направление; 2 - поперечное направление

Рисунок 5 - Интерферограммы образцов КШГ (образец № 1 (а), образец

№ 2 (б)) и эпюры радиальных перемещений для зон горловины

Этот результат получен для величин полных радиальных перемещений поверхности конструкции КШГ в отличие от данных рисунка 3, приведенных для величин приращений относительно поверхности базовых образцов. При этом теоретические значения коэффициентов концентрации напряжений существенно отличаются от экспериментальных эффективных коэффициентов (в 2 раза и более).

Представленные в таблице 2 экспериментальные результаты предусматривают два варианта соотношения между местными и общими напряжениями (эффективный коэффициент концентрации напряжений больше или меньше 1). Дан-

ный результат является неожиданным, поскольку понятие концентрации напряжений обычно характеризует ослабление конструкции за счет концентратора. При значении (амест,^аоби) < 1,0 происходит локальное упрочнение конструкции, что может быть объяснено различной пластичностью зон корпуса КШГ, вызванной влиянием технологической наследственности. Этот вывод подтверждается местом разрушения образцов внутренним гидравлическим давлением. Образец № 1 разрушился в цилиндрической части корпуса, а образец № 2 - в зоне горловины (рисунок 6), что соответствует локальному изменению пластичности.

а) образец КШГ № 1; б) образец КШГ № 2

Рисунок 6 - Место разрушения корпусов КШГ внутренним давлением

при коэффициентах (ажст/ао6и) < 1,0 (а) и (сместн/(то6и1) >1,0 (б)

В четвертой главе приведены экспериментальные данные о вероятностном разбросе технологической наследственности. Введен в качестве критерия конструкционной прочности относительный коэффициент предельного состояния металла корпуса КШГ (К0) и экспериментально обоснована корреляционная связь между К0 и максимальным градиентом собственного магнитного поля рассеяния. Описан способ прогнозирования ресурса (долговечности) корпуса КШГ на этапе изготовления.

Определение статистических характеристик технологического разброса было проведено с использованием экспериментальных данных об относительном приращении радиального перемещения поверхности базовых образцов (рисунок 3, а), к которым были добавлены экспериментальные данные (78 интерференционных полос) по поверхности корпусов КШГ.

По указанным данным были получены значения выборочных дисперсий воспроизводимости 512 = 0,003 (для базовых образцов) и = 0,031 (для корпусов КШГ). При этом исключалась неоднородность крайних значений путем ограничения интервалов абсциссы от 0,2 до 0,8 и от 1,2 до 1,8. Полученные значения 5]2 и Л2 отличаются на порядок, что демонстрирует доминирующее влияние операций изготовления отверстия, сборки и сварки на технологический разброс прочностных характеристик изделия. В заданном интервале относительную погрешность воспроизводимости НДС можно оценить на уровне 26 % для готовых изделий и 8 % - для базовых образцов.

Одной из возможных причин технологического разброса НДС могут являться микродефекты несплошности металла, возникающие в процессе пробоя отверстия. Во многих работах отмечается, что такие дефекты могут идентифицироваться с использованием собственного магнитного поля рассеяния. Для проверки возможностей неразрушающего контроля изделий были проведены измерения распределения собственного магнитного поля рассеяния по поверхности восьми корпусов КШГ (рисунок 7).

а), б) - представление градиента магнитного поля в виде распределения на поверхности; в), г) - представление градиента магнитного поля в виде развертки распределения

Рисунок 7 - Примеры распределения градиента собственного магнитного поля рассеяния по поверхности корпусов КШГ

Аномальные значения градиента магнитного поля формируются вблизи горловины КШГ, область их проявления имеет размытые очертания с несколькими локальными максимумами. Появление подобной области может быть объяснено сосредоточением дефектов различных размеров и ориентации, находящихся на различной глубине и образовавшихся при проведении предыдущих технологических операций. Аналогичная картина распределений наблюдается для всех исследованных образцов.

Значения максимальных градиентов магнитного поля для 95 %-ного доверительного интервала возрастали по мере проведения технологических операций: (0,2 ± 0,05) (А/м)/мм для заготовок корпуса после обжима; (2,2 ± 0,6) (А/м)/мм для заготовок корпуса с технологическим отверстием; в интервале от 9,0 до 10,5 (А/м)/мм для корпусов КШГ.

Таким образом, градиент магнитного поля возрастал на порядок после операции изготовления отверстия, а затем увеличивался примерно в четыре раза после проведения операции сварки. Полученные данные означают, что максимальный градиент магнитного поля Земли на поверхности корпусов КШГ можно использовать как качественный индикатор наличия технологических дефектов.

Анализ результатов измерений выявил линейную корреляционную связь между напряжением разрыва металла и величиной максимального градиента магнитного поля, которая позволяет количественно оценить влияние технологической наследственности на прочность конструкции.

В качестве характеристики прочности в данном случае автором предложен критерий предельного состояния металла для конкретного вида изучаемой конструкции Офакп/<Уисх, где Офакт - напряжение, характеризующее разрушение конструкции корпуса /-ого готового изделия; ажх - напряжение, характеризующее разрушение заготовки конструкции корпуса без технологической обработки (с предельно низким уровнем технологических дефектов). На практике важно, что этот учет может быть сделан экспериментально без привлечения справочных параметров металла и дополнительных предположений.

Полученная корреляционная взаимосвязь между величиной введенного критерия и максимумом градиента магнитного поля показана на рисунке 8 и имеет вид o,h,Jauc, = - 0,14x[gradH]max+ 2,26.

Рисунок 8 - Корреляция относительного коэффициента предельного

состояния металла и максимума градиента магнитного поля

Из анализа рисунка 8 следует, что технологическая наследственность вызывает разброс предложенного критерия конструкционной прочности для случая КШГ в диапазоне до 20 %, что близко к ранее полученным оценкам статистических колебаний НДС.

Полученная совокупность экспериментальных результатов характеризует влияние технологической наследственности и позволяет перейти к оценке ресурса (долговечности) рассматриваемой конструкции КШГ. Существующие модели долговечности отличаются многообразием, связанным с большим количеством эксплуатационных факторов и их соотношением, степень влияния которых не всегда можно предсказать на этапе определения назначенного ресурса. В связи с этим результаты расчетов по моделям долговечности часто используют для определения относительных изменений ресурса под влиянием различных параметров. Абсолютные оценки долговечности, как правило, справедливы в случае исходных данных о длительной эксплуатации конструкций, которые позволяют апробировать выбранную модель расчета.

В данной работе для оценок ресурса использован один из вариантов широко распространенной модели постепенного накопления повреждений:

/„ =(50 —<т) /[£>(1—/и) ехр (я(ст—т)))], (7)

где ст - приведенные эквивалентные напряжения, определяемые по формуле а-хха/, х = 5/50; 50 - предел прочности в начале эксплуатации; 5 - фактический предел прочности; Ди,т,77 - параметры модели, определяемые экспериментально для различных марок стали. Выражение (7) предназначено для определения остаточного

ресурса при эксплуатации на основе данных о начальной и фактической прочностях изделия. В рассматриваемом случае прогнозирование ресурса производят на этапе производства, и выражение (7) следует преобразовать к виду, учитывающему влияние технологической наследственности. При этом автором предложено в качестве Л'„ принимать значение для трубы в состоянии поставки, а величину х определять как отношение а„ для корпуса КШГ и базового образца. В этом случае в качестве исходного состояния рассматривается базовый образец, сохраняющий основную форму конструкции и изменения свойств металла, произошедших при операции обжима. Расчет по преобразованной формуле (7) дал следующий прогноз долговечности: 32,4 и 29,0 лет соответственно для корпуса и для зоны горловины КШГ. При учете вероятностного разброса технологической наследственности (примерно 20 %) было получено снижение долговечности корпуса КШГ до 18,3 лет. Заметим, что использование результатов расчета напряжений в программе ЛКБУБ для оценки долговечности по формуле (7) дает значения 52,1 года и 276 лет соответственно для корпуса и горловины КШГ, что объясняется отсутствием учета технологической наследственности. С другой стороны, назначенный ресурс запорной арматуры сетей газораспределения регламентирован в настоящее время нормативно-технической документацией и составляет 30 лет, но, судя по полученным экспериментальным данным, должен существенно уточняться. Таким образом, полученные результаты позволяют повысить точность оценки ресурса (долговечности) корпусов КШГ для различных зон конструкции.

В действительности проведенные оценки, по-видимому, касаются максимальных значений ресурса корпуса КШГ, поскольку дополнительными факторами негативного влияния являются микротрещины и технологический наклеп в зоне горловины, выявленные при металлографическом анализе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что операция механического обжима приводит к упрочнению конструкции по мере возрастания усилия в диапазоне от 320 до 420 кН, а полученные таким образом переходы диаметров эквивалентны жесткому закреплению диафрагмами, что позволило установить правомерность применения математического аппарата теории упругости для предварительно деформированных оболочек. Показано, что операция пробоя отверстия приводит к локальному из-

менению механических свойств металла и сопровождается критическим снижением запаса пластичности на его кромке.

2. Определено, что технологическая наследственность конструкции КШГ полной заводской готовности приводит к местной разгрузке или напряженности металла в зоне горловины, что позволяет ранжировать потенциальную опасность различных элементов конструкции.

3. Вариация технологической наследственности характеризуется относительной погрешностью воспроизводимости смещения поверхности корпуса КШГ под действием внутреннего давления около 25 % и изменением критерия предельного состояния металла конструкции до 20 %, что позволяет повысить точность прогнозирования ресурса по модели накопления повреждений.

4. Доказано, что существует корреляционная связь между относительным коэффициентом предельного состояния металла и максимумом градиента собственного магнитного поля рассеяния. На основе этого положения разработан способ прогнозирования назначенного ресурса корпуса КШГ, позволяющий ранжировать безопасность изделий на стадии изготовления и перейти к дифференцированному подходу в поставках ЗА, обеспечивающему одинаковый уровень промышленной безопасности при схожих условиях эксплуатации.

5. Комплекс экспериментальных данных о влиянии технологической наследственности на конструкционную прочность КШГ позволяет уточнять оценку их долговечности по модели накопления повреждений на этапе производства, что обеспечивает их безопасность при проектировании, строительстве и эксплуатации сетей газораспределения.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Шурайц, А. Л. Возможности применения лазерной интерферометрии для неразрушающего контроля технических устройств газораспределительной сети [Текст] / А. Л. Шурайц, А. С. Олейник, Г. И. Зубаилов, А. В. Кузнецов // Нефтегазовое дело. - Уфа, 2009. - № 1. - С. 110-113.

2. Недлин, М. С. Критерии выбора запорной арматуры для ГРС [Текст] / М. С. Недлин, Г. И. Зубаилов, А. В. Кузнецов // Газовая промышленность. - М., 2009. - Спецвыпуск. - С. 66-69.

3. Кузнецов, А. В. Влияние технологических дефектов на безопасность газовой запорной арматуры на примере цельносварных шаровых кранов [Текст] / А. В. Кузнецов, А. Л. Шурайц // Безопасность труда в промышленности. - М., 2013.-С. 40-44.

4. Кузнецов, А. В. Статистические характеристики напряженно-деформированного состояния трубопроводной запорной арматуры на этапе производства [Текст] / А. В. Кузнецов, А. Л. Шурайц // Безопасность труда в промышленности. - М., 2014. - № 2. - С. 40-43.

5. Кузнецов, А. В. Экспериментальная оценка прочности цельносварных шаровых кранов на этапе изготовления [Текст] / А. В. Кузнецов, А. Л. Шурайц // Газовая промышленность. - М., 2014. - № 6. - С. 65-69.

Патент

6. Пат. 2526593 Российская Федерация, МПК й 01 N 3/00. Способ прогнозирования назначенного ресурса корпуса цельносварного шарового крана [Текст] / Кузнецов А. В., Шурайц А. Л., Зубаилов Г. И.; патентообладатель ОАО «Гипро-ниигаз». - 2013107255; заявл. 20.02.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24.

Прочие печатные издания

7. Зубаилов, Г. А. Факторы риска при эксплуатации запорной арматуры газораспределительной сети [Текст] / Г. А. Зубаилов, А. В. Кузнецов // Наука и просвещение: сб. научн. тр. II Междунар. научн.-практ. конф. - Киев, 2011. - С. 58-64.

8. Кузнецов, А. В. Обоснование применения методов лазерной интерферометрии для повышения безопасности эксплуатации запорной арматуры газораспределительной сети [Текст] / А. В. Кузнецов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: Матер. Междунар. научн.-практ. конф. в рамках XIX Междунар. специализир. выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2011». - Уфа, 2011. - С. 331-332.

9. Кузнецов, А. В. Экспериментальная оценка влияния скрытых технологических дефектов газовых шаровых кранов с использованием метода магнитной памяти металла [Текст] / А. В. Кузнецов // Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла: матер. VII Междунар. научн.-техн. конф. - М.: ООО «Энергодиагностика», 2013. - С. 116.

10. Диков, О. В. Цифровая топографическая интерферометрия напряженно-деформированных состояний отражающих объектов и конструкций [Текст] / О. В. Диков, А. В. Кузнецов // Проблемы критических ситуаций в точной механике и управлении: матер. Всеросс. научн. конф. с международным участием / ФГБУН ИПТМУ РАН. - Саратов: ООО «Издательский центр «Наука»», 2013. - С. 341-345.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 27.04.2015 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. 1,08 л. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 115. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.