автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Оценка влияния фактора времени на механические свойства стыковых сварных соединений магистральных трубопроводов

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Современная технология изготовления магистральных трубопроводов.

1.2. Существующие методы оценки надежности работы магистральных трубопроводов.

1.3. Изменение механических свойств материала под действием нагрузки с течением времени.

1.4. Цель работы и ее основные задачи.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

2.1. Начальные условия и допущения.

2.2. Континуально-статистическая модель накопления пластических деформаций и напряжений.

2.3. Обоснование экспериментальной методики оценки коэффициентов базовых стохастических уравнений с помощью метода "бутстрэп".

2.4. Проверка стохастических уравнений применительно к данным усталостных испытаний.

2.5. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ХАРАКТЕРНЫХ ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

3.1. Напряженно-деформированное состояние и усилие деформирования цилиндрического образца при статическом растяжении.

3.2. Исследование механических характеристик сварных соединений при растяжении микрообразцов.

3.3. Исследование ударной вязкости и составляющих на зарождение и распространение трещины в сварных швах.

3.4. Разработка устройства и методики длительного (многолетнего) нагружения образцов на статическое растяжение.

3.5. Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХАРАКТЕРНЫХ ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОСЛЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

4.1. Исследование локальных свойств характерных зон сварных соединений, находящихся в эксплуатации длительное время, с помощью микрообразцов.

4.2. Исследование ударной вязкости характерных зон сварных соединений, находящихся в эксплуатации длительное время.

4.3. Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА МАЛОЙ ВРЕМЕННОЙ БАЗЕ (1 ГОД и 5 ЛЕТ).

5.1. Влияние времени предварительного нагружения на механические свойства сварных соединений при статическом растяжении.

5.2. Влияние времени предварительного нагружения на ударную вязкость характерных зон сварных соединений.

5.2.1. Аппроксимация и вероятностно-статистическая корреляция температурной зависимости ударной вязкости сварных соединений с проверкой статистической гипотезы.

5.2.2. Зависимость ударной вязкости и значения порога хладноломкости металла характерных зон сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой, от времени предварительного нагружения.

5.2.3. Зависимость ударной вязкости и значения порога хладноломкости металла контактно-стыкового соединения от времени предварительного нагружения.

5.3. Выводы.

Сварка, как ведущий технологический процесс, играет в настоящее время важную роль в развитии экономики страны. При сооружении магистральных газо- и нефтепроводов сварка является основным технологическим процессом.

Трубопроводный транспорт по продукте- и газообороту занимает второе место после железных дорог. Трубопроводные системы и конструкции находят широкое применение во всех областях народного хозяйства, в том числе и в системах магистрального трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов, аммиакопроводов и других продуктопроводов. Магистральный трубопровод представляет собой протяженную систему последовательно сопряженных элементов - труб, трубных деталей, арматуры, с помощью неразъемных, сварных и разъемных, болтовых соединений. Трубопроводы относятся к категории энергонапряженных объектов, отказы которых сопряжены со значительными материальными и экологическими ущербами /1-3 и др./.

Общая протяженность трубопроводных систем России составляет в настоящее время около 230 тыс. км. Характерной особенностью строительства трубопроводов является то, что в основном оно ведется в районах Крайнего Севера с экстремальными климатическими, почвенными и гидрогеологическими условиями. В настоящее время в стране эксплуатируется значительное число «старых» нефтепроводов (свыше 50 % имеет срок службы порядка 20 лет и более) /3,4/.

В связи с этим большое значение приобретает проблема надежности и работоспособности трубопроводов при длительных сроках эксплуатации. Большая протяженность и развегвленность трубопроводных систем обуславливает действие масштабного фактора по закону больших чисел, когда вероятность появления нарушений прочности, повреждений и отказов весьма высока и ею нельзя пренебречь. Местное повреждение и локальная потеря герметичности стенки трубы приводит к общей потере прочности и отказу всего трубопровода с большими материальными и экологическими последствиями для окружающей среды и населения. Ухудшение экологической обстановки в стране требует принятия экстренных мер по повышению надежности и безопасности нефтепроводов. Поскольку сварка является единственным эффективным способом сооружения магистральных трубопроводов, качество сварочно-монтажных работ в значительной мере определяет надежность всего трубопровода. Выход из строя трубопровода может привести к большим экономическим потерям, катастрофическим экологическим последствиям и человеческим жертвам. Среди многочисленных причин аварий одной из основных является несовершенство существующих нормативных указаний по проектированию трубопроводов и расчету их на прочность.

Наибольшая вероятность отказов падает на основной металл и сварные соединения, выполняемые при строительстве трубопровода /5, 6/. При этом трубопроводы постоянно в течении всего срока его службы во всех его частях испытывают значительные внутренние напряжения, близкие к нормативным характеристикам прочности металла В этих условиях даже незначительное отклонение реальных силовых факторов от расчетных приводит трубопроводную систему в предельное состояние, сопряженное с возникновением отказов.

Значительное число нарушений и отказов связано с сварными соединениями, выполненными на стадии строительно-монтажных работ. В период интенсивного строительства магистральных трубопроводов в районах Сибири и Севера ежегодно на трассах сваривалось более 2,5 млн. стыков, из них 60 % выполнялось автоматической сваркой, остальные - ручной дуговой. При этом уровень броска по сварке составил 0,3 % /1/. В статистико-вероятностном аспекте этот уровень отвечает возможности падения на трассу средней длины (60 км) около 300 стыков, имеющих локальные поврежденности и дефекты выше установленной нормы. Последние в процессе длительной эксплуатации могут проявиться и перейти в критический размер.

В настоящее время методы расчета служебных свойств трубопроводов сводятся к оценке прочности основного металла и сварных соединений по временному сопротивлению» не учитывают их запас пластичности и изменение механических свойств от времени и продолжительности эксплуатации.

Основным источником информации о временной зависимости механических характеристик основного металла и сварных соединений являются сведения и анализ статистики отказов трубопроводов, которые являются в известном смысле ретроспективными.

В этой связи приобретает большое значение прогнозирование долговременной надежности и влияние времени эксплуатации под постоянной нагрузкой на механические свойства и работоспособность сварных соединений магистральных трубопроводов.

Экспериментальные исследования применительно к газонефтепроводам показали, что при длительных сроках эксплуатации в условиях климатических температур и постоянного уровня внутреннего давления наблюдается старение металла /6, 7/. Следствием последнего является снижение ресурса пластичности металла и его ударной вязкости, что приводит к накоплению повреждений и замедленному в локальных объемах разрушению и преждевременному выходу из строя трубопроводных систем. При этом разрушение является не мгновенным актом, оно растянуто во времени и происходит постадийно, замедленно и может быть квазихрупким при весьма высоком начальном запасе пластичности металла

Процессы старения наиболее заметно проявляются когда металл получил предварительную пластическую деформацию /8-11 и др./. Однократное пластическое деформирование повышает предел текучести металла и снижает запас пластичности. В процессе технологического передела - прокатка, гибка, штамповка, правка, а также при эксплуатации листовые и профильные конструкции подвергаются одно- и многократным перегрузкам, приводящим к изменению прочностных и пластических характеристик и структуры металла.

Такая картина характерна и для технологии изготовления сварных труб, поставляемых для строительства магистральных трубопроводов. Дополнительно трубопроводы перед сдачей в эксплуатацию испытывают на прочность и герметичность гидропневматическим нагружением внутренним давлением.

Проверяемые плети трубопровода в зависимости от категории трассового участка испытывают на повышенное давление в 1 Д.1,25 раза по отношению к рабочему. Рабочее давление равно 80.85 % от предела текучести основного металла трубы.

Опыт испытания магистральных трубопроводов на повышенное давление вызывающего напряжения в стенке трубы уровня фактического предела текучести трубной стали, практикуется в ведущих странах и предназначен для обнаружения скрытых дефектов в системе трубопроводов. На этом же принципе основана методика снятия после сварочных напряжений вместо термообработки трубопроводов. Однако, в связи с такими мероприятиями повышается риск в отношении старения, который проявляется через многие годы преждевременным уменьшением запаса пластичности и повышенной склонности к накоплению повреждений и отказов.

Такой аспект проблемы надежности становится все более актуальным, так как имеет место тенденция к уменьшению к концу и за пределами 2000 г. объемов строительства магистральных трубопроводов при одновременном росте объемов работ по реконструкции трубопроводных сетей, связанных со старением трубопроводов при длительных сроках эксплуатации.

В связи с этим для обеспечения надежности, регламентируемой прочности и безопасности магистральных трубопроводов исключительно важное и актуальное значение приобретают расчетные и экспериментальные методики прогнозирования механических свойств сварных соединений и металла трубы.

Целью диссертации является разработка расчетных и экспериментальных методик оценки влияния фактора времени на механические свойства сварных соединений магистральных трубопроводов.

Ниже изложены основные положения, защищаемые автором.

1. Расчетная методика для оценки пластических свойств характерных зон сварного соединения, позволяющая по данным маловременных испытаний спрогнозировать какими будут механические характеристики после определенного срока эксплуатации.

2. Расчетно-экспериментальная методика для определения истинного сопротивления разрушению достоверная при достаточно больших (>70%) степенях деформации, что характерно для пластичных образцов или образцов малых размеров.

3. Экспериментальная методика оценки локальных механических свойств металла сварного соединения при длительных сроках эксплуатации при помощи микрообразцов на специальной установке с регулируемой скоростью деформации.

4. Методика для моделирования в лабораторных условиях механического поведения сварных соединений труб при длительных сроках эксплуатации в условиях действия постоянного давления.

5. Результаты экспериментальных исследований влияния времени эксплуатации трубопроводов, проработавших до 30 лет, на сопротивляемость разрушению сварных соединений и основного металла с использованием методики испытаний образцов Шарпи ударным изгибом и методики испытания микрообразцов.

6. Установленные особенности изменения прочностных, пластических характеристик и ударной вязкости характерных зон сварного соединения трубы после пятилетнего срока выдержки под постоянно действующей нагрузкой равной 0,8 от предела текучести.

Диссертация состоит из пяти глав и общих выводов, изложена на 104 страницах машинописного текста» включает 64 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 184 наименований. В приложение к диссертации вынесены "Инструкция по диагностированию остаточного ресурса прочности и трещиностойкости газопроводов в Уренгойском регионе" И-ЗР-02, акты внедрения результатов работы, программа для оценки пластических свойств (относительного удлинения) на ЭВМ, статистические расчеты для оценки и определения уравнений регрессии ударной вязкости металла характерных зон сварньгх соединений.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю члену-корреспонденту РАЕН, профессору, доктору технических наук М. В.Шахматову и научному консультанту доценту, кандидату технических наук Ю.И. Анисимову за помощь в постановке и проведении настоящей работы.