автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Расчет и даигностика линейной части газопроводов с применением вероятностных методов

На празах рукописи

Р Г Б ОД

ШАМРАЕВ

Леонид Гесргиеяич 3 ДПР ¿900

РАСЧЕТ И ДИАГНОСТИКА ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ ГАЗОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕРОЯТНОСТНЫХ МЕТОДОВ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 2000

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете на кафедре промышленного транспорта и механического оборудования.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Беленький Д.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Панасюк Л.Н.

кандидат технических наук, доцент Бузало Н.А.

Ведущая организация АО «Южтрубопрошдстрой» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 28 марта 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.063.64.01 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г.Ростов-на-Дому, ул. Социалистическая, 162, ауд.232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 22 _ февраля 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Несветаев Г.В.

О^-ОИЛЧеИЧ.О ■+ Мб-ОПМсИЧ,о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последнее время авария магистральных трубопроводов и других промышленных объектов нанесли огромный вред экономике и природе страны, поэтому перед конструкторами, технологами и эксплуатационниками стоит задача создания надежных и безопасных в эксплуатации конструкций. Совершенствование методов расчета привело х созданию ряда программных комплексов, позволзаощих проводить расчеты на-пряжеико-деформировашгого состоя газ (НДС) строительных конструкций, что дает возможность разрабатывать новые эффективные методы повышения надежности конструкций.

Существующие методы оценки механического состоя шя материалов не отвечают современным требованиям контроля непосредственно на конструкциях по точности и диапазону применимости, либо связаны с необходимостью изготовления образцов и протек-пня испытаний в лабораторных условиях. Из изложенного следует, что задача разработки методов и технических средств, позволяющих быстро и точно измерять требуемые показатели в любой точке конструкции и выполнять прочностные расчеты, является аэтуальной проблемой и представляет значительный практический интерес.

В данной работе рассматривается методика диагностики и расчета на прочность с применением серотгкостых методов некоторых стальных конструкций, в частности магистральных газопроводов. Анализ исследований в згой области показал, что имеется необходимость разработки методов расчета конструкций с учетом вероятностного характера нагрузок и механических характеристик.

Цель работы: разработка и экспериментальная прооерха методики диагностики и расчета на прочность строительных конструкций га примере линейной части газопровода с применением вероятностных методов и соответствующего приборного обеспечения.

Научная ношена работы заключается в следующем:

1. Разработана методика определения прочностных свойств лшкйной части газопровода, активного кнгтраяя и диагностики ряда строительных конструкций на основе статистической обработки информации о замеренных неханичесхих характеристиках.

2. На основе метода определения механических свойств материала путем ударного вдавливания индентора и регистрации комплекса кинематических характеристик его погружения создана компьютерная система для определения и контроля основных механических свойств сталей разных марок.

3. Определено НДС материала сгыкового сварного соединения под действием внутреннего давления в трубе и выявлены участки, подлежащие контролю; получены качественные результаты по влиянию повторно-пластических деформаций на материал сталей некоторых марок.

4. Разработан макетный образец системы "Прочность" для одновременного измерения комплекса механических свойств сталей разных марок с программными комплексами.

На защиту выносятся:

1. Компьютерная система "Прочность" для определения и контроля основных механических свойств сталей: твердости, пределов текучести и прочности, относигашзого удлинения и ударной вязкости.

2. Результаты исследований по определению НДС стихового сварного соедЕления трубопровода с учетом анизотропии механических характеристик, по оценке влияния повторно-пластических деформаций на материал рассмотренных марок сталей.

3. Методика выполнения прочностных расчетов элементов конструкций, обеспечивающая их безотказную работу в течение зад анного ресурса при минимальных зафагзх.

Практическое значение работы заключается в том, что предложенный метод вч» ятностного расчета на прочность металлоконструкций может быть использован при проектировании, контроле качества и диагностике газопроводов и других сооружений.

Реалгоацкя результатов работы. Полученные результаты и разработанная всмлыо-терная система нашли применение в виде методик и технических средств для их осуществления на предприятиях ООО «Ростовское отделение ЦНИИ Проектстальконсфухцня», АО «Южтрубопроводсгрой», АО «Ростсельмаш», ЗАО «Газоаппарат».

Достоверность результатов обусловлена:

- соответствием результатов лабораторных и опытно-производственных работ, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний, в том числе теории математической статистики и теории вероятностей. Степень достоверности лабораторных исследований соспшлхег 95%, поисковых - 90%;

- одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих с разных сторон изучить одни н те же процессы и явления, положенные в основу предлагаемых решений.

Апробация работ,I. Основные результаты работы обсуждались на ежегодных конференциях Ростовского государственного строительного университета (Ростоа-нэ-Дону,

1996-1999 п .Х lia I международной научно-практической конференции «Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса» (Ростов-нэ-Дону, 1998 г.), на П международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии» (Орел, 1998 г.). Основные положения диссертации были представлены в ввде научно-тюследоватеяьсхой работы нз конкурс работ молодых ученых Ростовской области 1997 г. по инженерным проблемам современного производства, данная работа победила в конкурсе н удостоена Дипломом СКНЦ ВШ и Ростовского спклети РИА.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, получен патент РФ на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит нз введения, шести глаз, общих выводов и списка использованной литературы, включающего 172 наименования. Полный объем диссертации - 220 страниц, включая 32 рисунка и 35 таблиц. Основной текст (без оглавления, списка литературы, рисунков и таблиц) излагается на 190 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой птапе «Состояние изученности вопроса. Цели и задачи исследования» дан обзор существующих подходов к расчету строительных конструкций и, в частности, газопроводов. Отмечается, что средний участок газопровода длиной в 1000 хм за 40 лет эксплуатации имел пр!гблиз!ггелы,'о только 10 аварий, наработка на оттгаз этого участка составляет около 35 тыс. часов. Однако за последнее время участились авария мал .тральных, трубопроводов, которые сопровождаются утечками нефти и газа, эхешогаческими поражениями, человеческими жертвами. Это связано с тем, что средний возраст газопроводов 17 лет, 70% газопроводов имеет возраст 10-30 лет, 20% фунхциогогруют более 30 лет, около 15% газопроводов выработали свой ресурс. Полная замети конструкций газопроводов в настоящее время невозможна, поэтому сделан вывод о применении выборочных методов ремонта. Переход на выборочные методы ремонта на основе результатов технической диагностики дает экономию свыше 4 млрд. рублей за счет исключения потенциальных аварий. Таким образом, разработка и внедрение методов расчета на прочность и технической диагностики трубопроводов даст возможность обеспечить работу ЕС газоснабжения.

Н.С.Стрелецкий в 1935 г. заложил основы теории надежности стригальных конструкций. Математической разработкой методов вероятностного расчета конструкций, составивших впоследствии основы теории надежности строительных конструкций, занимались А.Р.Ржаницын, В.В-Болотин и др. В теоретических расчетах для характеристик прочности обычно берегся нормальное распределение, которое не ограничено ни снизу, ни сверху и простирается в область отрицательных значений. Для того чтобы на основании эмпирических данных с достаточной достоверностью получить отрезки кривой распределения, относящиеся к малым вероятностям (порядха 0,001), нужно располагать числом испытаний, во много раз превышающим реальные возможности массового эксперимента; это впервые установил В.В.Болотин. ИА.Биргер показал, что механические характеристики сталей могут бьпъ описаны нормальным, логнормаяьным, экспоненциальным или 2-х параметрическим Вейбулла распределениями.

В работах ЮСапура и ЛЛамберсона детально проанализирована математическая модель отказов, связанных с превышением реально действующей нагрузкой предела прочности изделия, который может случайным образом меняться вследствие нестабильности технологического процесса и разброса различных параметров исходных материалов.

Тахим образом, для расчета строительных конструкций могут быть использоезны теория экстремальных членов выборки в методике вероятностного расчета на прочность и безобразцовый ысгод определения механических характеристик стали ударным адавлива-нием ивденгора, разработанный в РГСУ.

Необходимо разработать статистическую модель прочности элемента конструкции, которая бы позволила вычислить вероятность отказа любого элемента. Для этого помимо приложенных нагрузок требуется информация о механических характеристиках металла на любом участке элемента, статистическое оценивание значений механических характеристик и создание специальной электронной системы для обработки информации.

Во второй главе "Обоснование и разработка компьютерной системы «Прочность» с программными комплексами" дано обоснование и устройство компьютерной системы "Прочность", предназначенной ддя измерения вектора механических характеристик непосредственно на конструкции, статистического оценивания результатов измерений и выполнения вероятностных расчетов на прочностную надежность. Приведены алгоритмы работы программных комплексов, устройство ударной части системы и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), основные характеристики и описание работы системы.

Из рассмотренных ранее представлений о вероятностных методах рас ¡ста следует, что необходимо, во-первых, знать закон распределения нагрузки; во-вторых, определять законы распределения всех механических характеристик, входящих в вектор механических характеристик; в-третьих, иметь возможность сопоставлять их при расчете и, в-четвертых, котролнровзть вектор механических характеристик в процессе эксплуатации. Если эти этапы каким-либо образа« объединил, в единое целое, то в этом случае будет реализовала модель прочностной кздежносга элементов конструкций, которая обеспечит юс безотказность при высоком ресурсе.

Эффективная реализация модели прочностной надежности сгрояггельной конструкции возможна при выполнении трех важных условий:

1) получения полной и достоверной информации о нагрузках и механических характеристиках с учетом их рассеивания;

2) оптимизации и автомагического регулировал;« технологических процессов производства и последующей обработай стали до готовой конструкции;

3) автоматизации выполнения большого объема вычислений.

Для реализации этих условий разработай электронно-компьютерная система "Прочность". Система имеет 2 исполнения. В первом (рис.1, а) ударный игхашсЕи и АЦП объединяются с серийной портативной ЭВМ с процессором Репйшп, монитором па жидких кристаллах н автономным питанием. Вся система переносятся оператором к затопка® или единице проката, у материала которых требуется определить механическве характеристики.

Во втором исполнении (рис.1, б) система состоит га двух частей. Первая чясть, которая является переносной, состоит из ударного иехашпма и АЦП с портатпвгшм рздзюпере-дающим устройством. С помощью переносной части производится ударгюе вдавливание кндентора в мзтериал и передача закодированного сигнала во вторую часть системы, расположенную в удобном для размещения стационарной ЭВМ помещении.

Система "Прочность" может быть использована на следующих 3 уровнях:

I) измерения на локальном участке металла вектора механических хзрезстеристик ударным вдавливанием инденгора с последующей обработкой полученных данных программным комплексом "Вектор";

Рис.1. Компьютерная система "Прочность"

2) определения технологических и эксплуатационных свойств материала проката, заготовки, готового элемента конструкции и их активного контроля на основе статистической обработки информации о замеренных механических характеристиках с помощью программного комплекса "Сталь";

3) расчета прочностной надежности строительной конструкции, обеспечивающей отсутствие ее отказов в течение заданного ресурса и выполнения необходимых для этого расчетов и вычислений с помощью программного комплекса "Надежность".

В третьей главе "Экспериментальная проверка системы «Прочность»" рассмотрен процесс потери прочности элемента конструкции, на осноэе выполненного анализа обоснована возможность использования метода ударного вдавливания для определения механических характеристик стали. Проведенный на 125 образцах эксперимент подтвердил достоверность метода измерения механических характеристик с помощью системы "Прочность". Применение современной компьютерной технихи резко повысило точность и стабильность метода.

Проведен анализ данных по определению механических характеристик по длине стыкового сварного соединения (V-образный шов), изучаю алияние понгорно-пластических деформаций на изменение механических характеристик стали.

Технологические и эксплуатационные свойства трубы можно охарактеризовать следующим случайным аехтором механических свойств (каждая составляющая является случайной величиной):

Х = (оюаТР,иТС)дУоУКСи,HtKy,a_vIc), о)

где <тв - предел прочности; Отр - предел текучести при разрыве; arc - предел текучести при сжатии; - относительное удлинение; KCU - ударная вязкость; Н - твердость; Ку - коэффициент упрочнения; о., - предел выносливости; 1с - предел трещгаюсгойкости.

Тахим образом, процесс потери прочности (образование лунки при вдавливании) с одной стороны характеризуется механическими характеристиками, а с другой - некоторыми параметрами пути (работы), скорости (кинетической энергия) и ускорения (усилия).

Проведенные исследования показали, что параметры кривой вдавливания тесно коррелируют с механическими свойствами стали, а связь между механическими свойствами Xj, 3=!...7, и кинематическими характеристиками ударного вдавливания У„ i=i...5, валяется не-

линейной. Зависимости для механических свойств получены методами корреляционного анализа. Результаты определения механических свойств для 2 вариантов исполнения АЦП (с частотой дискретизации 24 и 140 кГц) приведены в табл.1. В уравнениях у| (максимальное перемещение шщентора) - в мм, у2 (минимальная скорость) и уз (максимальная скорость) - в м/с, у4 (максимальное замедление) и у5 (максимальное ускорение) - в тыс.м/сг. Высокий уровень корреляции подтверждает функциональную зависимость между параметрами вдавливания и механическими характеристиками материала.

Иногда в элементах конструкций возникают напряжения выше предела упругости. При упругопластическом деформировании рост пластических деформаций вызывает постепенный вязкохрупхий переход, когда металл го состояния склонности к вязкому разрушению переходит к опасному состоянию со склонностью к хрупкому разрушению. В этом случае разрушение происходит быстро под действием сравнительно низких растягивающих напряжений. В зависимости от факторов, определяющих вероятность вязкохрупкого перехода, должны назначаться большие или меньшие исходные значения относительного удлинения и ударной вязкости, которые бы делали невозможным вязхо-хрупкин переход.

Использование системы "Прочность" дат возможность впервые изучить закономерности изменения относительного удлинения и ударной вязкости образца при напряжениях выше предела упругости.

С этой целью был проведен эксперимент с образцами га углеродистой стали 3 марок. Перед проведением каждой серии опытов с помощью системы "Прочность" определялись механические характеристики образца (предел текучести на рзспсхегае в МПа, предел прочности в МПа, твердость НВ, предел трещиностойкости 1С в МПа*м1/2, относительное удлинение 65 и ударная вязкость КШ в Дж/м2), после чего образцы подвергались ступенчатому натружению выше предела текучести материала. Затем производился фрактографича-ский анализ для определения вида разрушения материала образцов. Вязкое разрушение (участки вязкого разрушения составляли 85% от общей площади разрушения) наблюдалось на образцах, которые подвергались долговременным повторно-пластическим деформациям при напряжениях, на 10-20% превышающих предел текучести. Хрупкое разрушение (участки хрупкого разрушения составляли 92% от общей площади разрушения) наблюдалось на образцах, которые подвергались однократным и многократным пластическим деформациям, на 30-40% превышающим предел текучести. Графическая интерпретация результатов экспериментов представлена на рнс.2.

Таблица 1

Данные экспериментального определения механических характеристик

Тип АЦП АГХ'В ! АС>С 13x140

Предел прочности а.

Диапазон изм. 380-1900 МПа 380-1900 МПа

Уравнение Регрессии о,=13430-100688У,+259084У|г--233950У|3-285У22+696Уг 276У2У32-36У4 о,=10018-90028У,+220100У12-200!25У,3-402У22+-720Уз-327У2Уз2-52УЧ

Индекс корреляции 0.993 0.995

Макс, ошибка 3.5 2.5

Предел текучести стт

Диапазон изм. 280-1600 МПа 280-1600 МПа

Уравнение регрессии От=10872-100984У,+281117У,2-236911 У,1- 6674У, У2+3577У3-9181У,УЗ+179У2У4 сгт=! 0030-100004У,+263007У,2-230412У,1- 7298У,У2+4278У3-8912У,УЗ+234У2У4

Индекс корреляции 0.995 0.996

Макс, ошибка 4 2.5

Твердость НВ

Диапазон изм. 95-550 95-550

Уравнение регрессии НВ=8101-69527У,+207402У,^-206775У|3+324У22+7У33-16У4 НВ=7091 -60347У |+180900У 200102У,3+428У22+19Уз3-42У4

Индекс корреляции 0.992 0.995

Макс, ошибка 3.5 2.5

Относительное удлинениеб;

Диапазон изм. 6-50% 6-50%

Уравнение регрессии §5=11+488У,2-396У)3 +36У22-14Уз2+9УЗ3+29У2 У32-2У4 85=10+460У,2-410У,3 +70У22-28Уэ2+ 19 У3Э+103 У2У32-21У4

Индекс корреляции 0.993 0.994

Макс, ошибка 5 3.5

Коэффициент упрочнения Ку

Диапазон нзм. - -

Уравнение регрессии Ку=Н27+3083У,+18591У|У2- 73Уг-2002У2Уз+5732У,Уз-3237У3-63У3У4 +95У4-383У2У,-1009У|УгЬ316У5 Ку= 1003+2701У1+14005У (Уг-234У2-2104 У2У3+5790У, Уг3945У3-206У3У4 +176У4-5(ИУ2У5-1152У,У5+302У5

Индекс корреляции 0.960 0.965

Макс, ошибка 20 6

Ударная вязкость КСи

Диапазон изм. 0.5-17.0 кгм/см* 0.5-17.0 кш/сы1

Уравнение регрессии КСи=134+146У|+20.7У| 195 У,+25Уз2+6У4+0.4У5 КСи=140+150У|+48У|2-206У3+3 7 У32+12У4+5 Уз

Индекс корреляции 0.980 0.992

Макс, ошибка 12 4

Предел трещиностойкости 1с

Диапазон шм. 48-90 МПа*м'" 48-90 МПа*м"'

Уравнение регрессии 1с=-3+141.4У|-0.5У/+54УЗ+ +4.5Узг-21У4-И.6У5 ¡с—5+201 У,-5 У1'+47УЗ+5УЗ'-20У4-16У,

Индекс корреляции 0.953 0.972

Макс, ошибка 8.0 4

—Сталь 20 —эа-Сталь 30*—ОСтапь 45

Рис.2. Изменение механических характеристик при повторно-пластических деформациях

и

Анализ результатов проведенных экспериметггов позволяет сделать следующие выводы:

1. Предел трещиносгойкосги материала исследованных марок стали при упругонла-стичесхом деформировании увеличивается, предел прочности и твердость изменяются незначительно, а ударная вязкость и величина относнтелыюго удлинения значительно снижаются.

2. Возможность гшкохрупкого перехода зависит от величины упругоплпстическош деформирования: для рассмотренных марок стали повторно-пластические деформации при напряжениях, на 10-20% превышающих предел текучести, вызывают в материале вязкое разрушение, в то время как пластические деформации, на 30-50% превышающие предел текучести, приводят к хрупхому разрушению.

В четвертой главе "Модель прочностной надежности элементов конструкций" рассмотрена модель прочностной надежности элементов строительных конструкций. ИАБиргер и Р.Р.Мааяклш впервые ввели понятие прочностной надежности элементов конструкций. Представляется необходимым перейти от детерминированной модели прочностной надежности и составляющих ее частных моделей (нагружения, НДС и сопротивления) материала к стохастическим, вероятностным моделям.

При составлении модели прочностной надежности, обеспечивающей отсутствие отказов конструкции, необходимо учесть условия отсутствия усталости и недопустимых деформаций. Первое условие можно учесть сопоставлением максимального значения напряжений на соответствующем участке и мшпьмальнкм значением случайной величины предела выносливости. Второе условие учитывается сопоставлением максимальной величины деформации е, соответствующей махсималыюй величине напряжения, с допустимой величиной деформации едоп-

На рнс.З приведена графическая модель прочностной надежности участка детали. На оси ординат представлены плотности распределения сгй, от, Ь, р, 5%, КСи и е, а по осям абсцисс - значения этих величин. Как видим, отсутствие отказов обеспечивается одновременным сопоставлением:

1) кривой плотности распределения напряжений ^а) с кривой плотности распределения текучести;

2) кривой плотности распределения относительного удлинения <р(5%) с допускаемой (го условия вязкого разрушения) величиной относительного удлинения 5%доп;

3) 1фивой плотности распределения ударнол вязкое™ <р(КСи) с допускаемой (га условия вязкого разрушения) величиной ударной вязкости КСидогь

4) кривой плотности распределения напряжений {(а) с кривей плагтости распределения предела выносливости Ц>'(о.|); заметим, что для удобства изображения последняя кривая отнесена вправо;

5) кривой плотности распределения деформации Де), параметр сдвига в которой распределяется по кривой <р(Ь) с допустимой деформацией с.

Рис.3. Графическая модель прочностной надежности

Условие оптимальной прочности основного массива материала конструкции можно записать в виде

,5 • =8 Л ,

mm don '

^max min'

где 5Г,„ и КСЦпь, - минимальные значения относительного удлинения и ударной вязкое™:

и КСи„, - допускаемые величины ошоентелыюго удлинения и ударной вязкости, зависящие от факторов, способствующих вязкохрупхому переходу материала конструкции.

Предлагаемый метод вероятностного расчета на прочность возможен только при применении системы "Прочность", которая обеспечивает определение и контроль минимальных значений механических характеристик и оптимизацию технологических процессов производства и обработки металла (стали, чугуна, алюминиевых сплавов).

В пятой плаве "Методика вероятностного расчета прочностной надежности металлоконструкций магистрального газопровода" изложена методика вероятностного расчета на прочностную надежность линейной части газопровода. Для определения максимального давления в газопроводе применен закон распределения максимальных членов выборки. Из результатов вычислений следует, что выборка из 1329 значений давлений в газопроводе имеет распределение максимальных членов выборки, а значение параметра сдвига этого распределения равно 61. С учетом его рассеивания максимально возможное значение давления в газопроводе составляет 65 кгс/см2, что на 18% превышает расчетное давление (55 кгс/см2).

Получешпле экспериментальные данные по определению механических характеристик сварного соединения и рассчитанные значения давления послужили исходными данными для расчета методом конечных элементов НДС продольного стыкового У-образного сварного соединения газопровода с целью определения коэффициента концапрации га-пряжений у кромки шва. Для моделирования были использованы образцы (со шлифованными кромками и нешлифованные), вырезанные вдоль образующей трубы.

Модель сварного соединения представляет собой продольный разрез симметричного относительно линии шва образца, в котором левая половина образца заменена связыо. Общее чисто элемаггов для шлифовашгого образца составило 200, нешлифованного - 234.

При моделировашш принято следующее допущение: НДС описывается случаем плоской деформации, поскольку толщина сварного шва намного меньше длины трубы. Использовалась билинейная теория пластичности, в качестве критерия пластичности был выбран упруго-пластический критерий Мизеса.

Рис.4. НДС модели шлифованного образца под действием расчетной нагрузки (ох)

ь

Рис.6. НДС модели шлифованного образца под действием расчетной нагрузки (о,)

с,

Рис,5. НДС модели шлифованного образца под действием расчетной нагрузки (оу)

Рис,7, НДС модели шлифованного образца под действием расчетной нагрузки (напряжения Мизеса)

»1СПВХ

КЗ • 125.эг

КЗ ■ 109.1?

1Ш •

КЯ ■ мя.БЭ

Ш ■ 3<2.в5

Рис.З. НДС модели нешлифованного образца под действием расчетной нагрузки (ох)

«1сг*г

И • 37.175

ЕЧ • 75.0ВЗ

М • 112.81

га • isa.es

Рис. 10. НДС модели нешлифованного образца под действием расчетной нагрузки (стО

й

1ХМ ' '

-гг.739 -а.гггг л.535

6Б.01Э

ев.198

-М.927 21.'

«X < чао .

Рис.9. НДС модели нешлифованного образца под действием расчетной нагрузки (оу)

ЙД ' 15'} ' ЕШ ■ Ш '

га ■

111.9? И7.1Я 182.24 717.17 252.51 гв7.б< 322.76

111.97 267

шх ■ «о •

Рис.11. НДС модели нешлифованного образца под действием расчетной нагрузки (напряжения Мизеса)

Распределение напряжений для моделей сварного соединения представлено на рис.411. Такая картина распределения напряжений объясняется изменением значений предела текучести и упрочнения вдоль продольной оси образцов. Пик напряжений наблюдается в зоне с максимальным пределом текучести и концентратором напряжений в виде кромки шва. Вдоль продольной оси образца предел текучести падает до минимального значения и соответственно этому падают значения напряжений. С ростом значений предела текучести возрастают н напряжения.

В результате расчетов удалось установить значение коэффициента концентрации напряжений, равное 1,8 (для шлифованного образца 1,5). Таким образом, разница между коэффициентом концентрации напряжений у шлифованного и нешлифованного образцов позволяет впервые сделать вывод о появлении большой концентрации напряжений из-за анизотропии механических характеристик. Концсгпрация напряжений у нижней кромки шва обусловлена геометрией образца (имеется угол между стенкой трубы и наплавленным металлом, образующим кромку шва), высоким значением предела текучести и высоким уровнем напряжений в данной точхе. Если напряжения в материале трубы достигнут предела текучести, то начнется пластическая деформация материала с его упрочнением, а в точке, где материал уже упрочнен и имеет высокое значите предела текучести, благодаря высокому уровню напряжений и концентрации напряжений возможно разрушение трубы без пластических деформаций. Отсюда можно сделать вывод, что наиболее опасным участком трубы с точки зрения появления трещин является нижняя кромка сварного шва, где коэффициент концентрации напряжений имеет свое максимальнее значение.

Таким образом, предлагаемая методика включает расчет линейной части газопровода с учетом сварных соединений, а также измерение прочности при монтаже конструкции и ее диагностике. Объединить все это в единое целое позволяет разработанная в главе 2 система "Прочность".

На основании проведенных экспериментов можно отметил.:

1. Предложенная в работе методика определения максимального давления в газопроводе позволяет получить реально возможное максимальное значение давления в трубе, которое превышает расчетное на 18%.

2. Расчет НДС сварного соединения позволил определить коэффициент концентрации напряжений на внутренней кромке шва (в самом опасном месте). Различие между коэффициентом концентрации напряжений у шлифованного и нешлифованного образцов по-

зволяет впервые сделать вывод о появлении большой концентрации напряжений из-за анизотропии меканичссюк характеристик.

3. Определена опасность отказа (по превышению предела текучести) при разных толщинах стенки трубы и необходимая толщина стенки трубы. Установлена вероятность отказа секции и линейной части газопровода.

4. Вышеизложенное позволяет задать допустимое значение мехаинчесхих характеристик при нормальной температуре для сварного шва, ЗТВ, секции тр)бы и линейной часта газопровода, состоящей го нескольких секций.

В шестой главе «Определение фактической прочности металлических конструкций при их ммггаже и последующей диагностике» даны рекомендации по определению законов распределеш'л механических характеристик при строительстве трубопроводоа

При проектировании металлоконструкций рекомендуется осуществлять расчет в соответствии с ранее обоснованными моделями прочности металла и прочностной надежности. Для выполнения такого расчета необходимо предварительно выполнять следующие работы:

1 .Экспериментальными исследованиями и аналитическими расчетист должны быть определены параметры трехпараметргиеского закона распределения нагрузхн и дисперсии нормального распределения параметра сдвига. По правилу "четырех си«" датжно быть установлено максимальное значение нагрузки.

2.Выпускаемый металл должен поставляться с сертификатом, предусматривающим для всех механических характеристик информацию о параметрах трехгшраметрического закона Вейбулла, их распределения, а также дисперсии нормального распределения параметра сдвига.

3.В случае получения проката (труб), изготовленного по старым нормам, необходимо выполнить с помощью системы "Прочность" необходимые измерения ВМХ на локальных участках разных едишщ проката (порядка 100) н с помощыо программного комплекса "Сталь" произвести статистическое оценивание результатов измерения для определашя параметров распределения н определетя минимальных значений по правилу "четырех сигм" для каждой механической характеристики.

4.0пределястся НДС на разных участках элемента при действии максимального значения нагрузки. В результате выявляются участки, где действуют наибольшие напряжения. Для этих участков устанавливается усп&тг прочности-.

°> <°"пых> 3 < ддоп > КСУ<КСУдоп, /С</СД0Л. (3)

5 .Для других участков условие прочности

$<5дот КСУ<КСУдоп, 1С<1СД0П. (4)

При этом устанавливаются участки, где могут иметь место пониженные згачения характеристик 8, КСи и 1с-

6-Сосгавляется методика измерения ВМХ после монтажа на участках, где более вероятно отсутствие условий прочности (3) и (4).

7Ло результатам измерений при выполнении условий прочности (3) и (4) гарантируется фактическая прочность элемента конструкции при ее монтаже.

Аналогично определяется фактическая прочность элемента при диагностике конструкции во время ее эксплуатации. Однако в случае контроля прочностной надежности необходимо определить механические характеристики материала газопровода и установить их законы распределения, а затем сделать расчет трубы и определить вероятность отказа стыка и соединения, в то время как при диагностике необходимо их задать.

В качестве примера выполнена экспериментальная оценка механических характеристик металлической фермы перекрытия цеха и определены минимальные значения механических характеристик материала конструкции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований на основе определения вектора механических свойств методом динамического вдавливания ннденгора создана злекгронно-компьютерная система "Прочность", позволяющая определять вектор механических характеристик на локальном участке металлоконструкции и давать статистическую оценку замеренных механических характеристик. Разработаны необходимые для оптимального функционирования системы программные комплексы.

2. В результате проведенных экспериментов установлено, что возможность вязко-хрупкого перехода зависит от величины упругоплзсгического деформирования: для рассмотренных марок стали повторно-пластические деформации при напряжениях, »и 10-20% превышающих предел текучести, вызывают в материале вязкое разрушение, в то время как

пластические деформации, па 30-50% превышающие предел текучести, вызывают в материале хрупкое разрушение.

3. Предлагается модель прочностной надежности элемента конструкции, полностью исключающая его отказы. Использование предлагаемой модели возможно при получении полной и достоверной информации о нагрузках и механических характеристиках с учетом нх рассеивания; оотимизации и автоматического регулирования технологических процессов производства и последующей обработки стали до готовой детали; автоматизации выполнения большого объема вычислений.

4. Расчет линейной часта газопровода в соответствии с невмами СНиП не дает возможности учесть влняше сварного шва на напряженное сссгоягага трубы под нагрузкой. Кроме того, нормативные коэффициенты приводят к тому, что толщина стапот нашюго превышает реально необходимую, но тем не менее конструкция газопровода остается ненадежной из-за наличия сварных соединений.

5, Расчет НДС стыкового V-образного сварного соединения позволил определить коэффициент концентрации напряжений па внутренней хромке шва (в самом опасном месте), который составляет 1.8, при этом анизотропия мехашчесхих характеристик вызвала концентрацию капряягешй 1.5.

Основные положения диссертациошюй работы опубликованы в следующих работах:

1. Бескопыльный АЛ., Резников В Л, Шгмраев JLT, Щулькин ЛЛ., Лдлось TJM. Усовершенствованный магистральный трубопровод/ Деп. в БНШЮЭНГ№2010нг-93 от 29.11.93.

2. Бескопыльный АЛ., Резшжов В Л., Шамраев JLT., Щулькин JUL, Ядлось ТЛ1 Повышение уровня надежности трубопроводов// Повышеше нздеж!!0сти и допговеч-1юсти путевых н строительных машин. Ростов н/Д: РГУТТС, 1995. С.172-173.

3. Беленький ДМ, Бескопыльный АЛ., Вернези HJ1., Шамраев JT.F. Определение прочности стыкового сварного соединения// Сварочное производство. 1997. №2.С. 4-8

4. Бсленькнй ДМ, Шамраез Л.Г. Элеетрошго-компыотерная система "Прочность" для определения прочности сварных конструкций// Там же. 1997. №6. СЛ\-А6

5. Пеленький Д.М., Бескопыльный А.Н., Вернези ИЛ., Шамраез Л.Г. Определение оптимальной прочности сварного соединения магистральных трубопроводов при их

проектировании и строительстве // Изв. вузов. Строительство. 1996. №12. С.120-124.

6. Беленький Д.М., Бескопыльный А.Н., Вернези HJL, Шамраев Л.Г. Новый подход к определению прочности стыкового сварного соединения // Заводская лаборатория. 1996. №8. С. 47-51.

7. Беленький Д.М., Бескопыльный А.Н., Вернези H Л., Шамраев Л .Г. Обеспечение безотказной работы по прочности элементов машин и конструкций // Надежность и контроль качества. 1996. №8. С.45 - 53.

8. Беленький Д.М, Бескопыльный Ail, Вернези НЛ., Шамраев ЛР. Статистический контроль механических характеристик стали// Там же. 1997. №8.

9. Шамраев Л Р., Беленький ДМ. Обоснование и разработка системы «Прочность» для управления процессами производства, обработки и эксплуатации металлических сплавов для элементов магшш и конструкций// Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники. Ростов н/Д: Издательство Северо-КаЕказского научного центра высшей школы, 1998.168 с.

10. Беленький ДМ., Бескопыльный АН., Шамраев Л.Г. К определению технологических и эксплуатационных свойств стали// Заводская лаборатория. 1998. №5. С.52-55.

11. Беленький ДМ, Шамраев ЛГ. Электрошк>комтшотер!1ая система "Прочность" для управления технологическими и эксплуатационными свойствами стали// Там же. 199S. №11. С.64-68.

12. Шамраев Л Р. Оптимальная прочность элементов машин и конструкций// Известия Ростовского госудгрсгвешюго строительною университета. 1998. №3. С2М.

13. Шамраев Л.Г. Методиха вероятностного расчета строительных машин и конструкций на прочностьЛ Там же. 1998. №4. С.236.

14. Беленький Д.М., Бескопыльный АН_ Шамраев Л Т. Способ определения технологических и эксплуатационных свойств материалов и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2128330, зарегистрирован 8 января 1997 г.

15. Belen'kiy D.M., Beskopylniy A.N., Vemezi N.L., Shamraev L.G. Determination of the strength of butt welded joints// Welding International. 1997. №11 (8). P. 642-645.

16. Belen'kiy D.M., Shamraev L.G. The substantiation and system engineering "Strength" for management of processes of production, processing and operation of metal alloys for elements of machines and constructions// Engineering Design & Automation. 1998. №9.

P-42-44.

17. Beîen'kiy D M-, Shamraev L.G. Optimum control of processes production, processing And maintenance a material of units of building and metal constructions// Gases & Welding Distributor. 1993. №12. P.72-74.

18. Beîen'kiy D.M., Shamraev L.G. Change of mechanical properties become fey want of elasto-plastic deformation// Machine Design Magazine. 1999. №2. P.142-143.

ЛР№ 020818 от 13.01.99 Подписано в печать 16.02.2000. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-гад. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 312

Редакционно-издательсхин центр

Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.