автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка комплекса экспериментального оборудования и методик коррозионно-механических испытаний

/ - Г/ш

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.833+621.852

ФОТ Андрей Петрович

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДИК К0РР03И0НН0-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

05.02.02.- Машиноведение и детали машин

% О? 0

Диссертация на соискание ученой степени 7 доктора технических наук

Научный консультант - академик Нью-Йоркской академии наук,

доктор технических наук, профессор Кушнаренко В.М.

КУРГАН 1998

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

с.

1 ВВЕДЕНИЕ................................................9

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МЕТОДИКИ К0РР03И0НН0-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ......................12

2.1 Виды коррозионных поражений металлических конструкций и механизм разрушения материалов при воздействии агрессивных сред.......................................12

2.1.1 Коррозионное состояние насосно-компрессорных труб и трубопроводов..........................................12

2.1.2 Коррозия коммуникаций и оборудования УКПГ..............15

2.1.3 Анализ отказов оборудования и трубопроводов ОГКМ.......18

2.1.4 Модель сероводородного растрескивания сталей...........49

2.2 Сравнительный анализ методик коррозионно-механических испытаний материалов и выбор критериев оценки коррозионной стойкости материалов......................58

2.2.1 Контроль коррозионного состояния оборудования..........58

2.2.2 Анализ методов испытаний материалов на коррозионное растрескивание.........................................62

2.2.3 Скорость деформации при экспресс-испытании материалов на сероводородное растрескивание..........................73

2.3 Критерии оценки коррозионной стойкости материалов и эффективности защитных мероприятий по повышению долговечности металлических конструкций, работающих в сероводородсодержащих средах...........................80

2.3.1 Сопротивление сталей сероводородному растрескиванию.... 80

2.3.2 Пороговые напряжения...................................82

2.3.3 Сопротивление сероводородному растрескиванию металла швов, выполненных различными сварочными материалами____85

2.3.4 Оценка эффективности защитных покрытий.................86

2.3.5 Защитные свойства ингибиторов сероводородного растрескивания.........................................88

2.4 Выводы и постановка задач исследований.................93

3 КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРНО - ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ К0РР03И0НН0-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ.................99

3.1 Основные характеристики оборудования для механических

и коррозионно-механических испытаний материалов....... 100

3.2 Образцы для коррозионно-механических испытаний........101

3.3 Лабораторные испытательные установки и стенды.........105

3.3.1 Двухпозиционная установка КМУ-5-2.....................105

3.3.2 Установка КМУ - 5 - 2И................................107

3.3.3 Восьмипозиционные лабораторные разрывные машины.......109

3.3.3.1 Стационарный испытательный стенд КМС - 5 - 8..........109

3.3.3.2 Машина МР - 5 - 8В (общее исполнение).................114

3.3.3.3 Машина МР-5-8В (вариант лаборатории ОГУ)..............117

3.4 Вспомогательное оборудование и приспособления для коррозионно-механических испытаний....................121

3.5 Устройства для испытаний материалов на коррозионное растрескивание при постоянной нагрузке................128

3.6 Лабораторно-производственное испытательное оборудование..........................................132

3.6.1 Разрывные машины-зонды................................134

3.6.2 Шестипозиционные разрывные машины и стенды............143

3.6.3 Производственные испытательные стенды.................147

3.7 Выводы................................................150

4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЖАТЕЛЕЙ

МНОГОПОЗИЦИОННЫХ РАЗРЫВНЫХ МАШИН (МРМ) И ПРИВОДОВ С ЗАМКНУТЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛАМИ (РЗД)....................152

4.1 Методика расчета характеристик нагружателей многопозиционных разрывных машин для механических испытаний.............................................153

4.2 Теоретические и экспериментальные исследования при определении параметров многопозиционных нагружателей..163

4.2.1 Функциональные характеристики программ для построения моделей...............................................164

4.2.2 Анализ результатов математического эксперимента.......165

4.2.2.1 Исходные данные для расчета...........................165

4.2.2.2 Приведение значений податливостей элементов МРМ......166

4.2.2.3 Первый случай приведения..............................170

4.2.2.4 Второй случай приведения..............................172

4.2.2.5 Приведение податливостей к вращающемуся промежуточному звену.................................................173

4.2.3 Регрессионные зависимости силовых характеристик МРМ... 174

4.2.4 Расчетные значения характеристик МРМ..................174

4.2.5 Определение значений параметров элементов разрывных машин для коррозионно-механических испытаний..........184

4.2.5.1 Расчет значений податливости образца при растяжении... 186

4.2.5.2 Податливость деталей в форме усеченного конуса........188

4.2.5. 3 Податливость подшипников..............................189

4.2.5.4 Контактная* податливость сопряженных поверхностей

деталей...............................................190

4.2.5.5 Контактная податливость в резьбовом соединении........193

4.2.5.6 Контактная податливость в клиновом соединении.........195

4.2.5.7 Податливость соединительной муфты.....................196

4.2.5.8 Податливость червячной передачи.......................201

4.2.5.9 Податливость зубчато-винтовой передачи................203

4. 2. 6 Экспериментальная проверка результатов теоретического

расчета значений податливости.........................204

4.2.6.1 Экспериментальное определение податливости разветвленной части МРМ...............................205

4.2.6.2 Экспериментальное определение податливости неразветвленной части МРМ.............................207

4.2.7 Последовательность проектирования многопозиционных разрывных машин.......................................211

4.2.8 Рекомендации по эксплуатации МРМ при проведении испытаний.............................................212

4.3 Особенности приводов разрывных машин для коррозионно-механических испытаний в лабораторных и производственных условиях.............................213

4.4 Оптимизация параметров механизмов с замкнутыми дифференциалами.......................................214

4.4.1 Передаточное отношение РЗД............................215

4.4.2. Особенности кинематических схем РЗД и условия обеспечения больших передаточных отношений............217

4.4.3. Определение передаточных отношений РЗД...............220

4.4.4 Подбор чисел зубьев РЗД...............................225

4.4.4.1 Общие положения.......................................225

4.4.4.2 Описание программы для нахождения выборок при определении значений чисел зубьев РЗД с помощью

версий................................................226

4.4.4.3 Пример поиска математической зависимости (версии).....227

4.4.4.4 Пример определения чисел зубьев РЗД...................233

4.4.4.5. Подбор значений чисел зубьев РЗД по таблицам сменных

шестерен..............................................235

4.4.5 Коэффициент полезного действия (КПД) РЗД класса 1....243

4.4.6 Коэффициент полезного действия РЗД класса II.........246

4.4.7 Определение потоков мощностей на валах РЗД............251

4.4.8 Определение вращающих моментов на валах РЗД...........254

4.4.9 Расчет угловых скоростей валов РЗД...................254

4.4.10 Пример энергетического расчета РЗД....................257

4.4.11 Особенности прочностных расчетов РЗД..................259

4. 5 Выводы................................................263

5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ.............267

5.1 Эксресс-методика коррозионно-механических испытаний

материалов............................................267

5.1.1 Экспериментальное значение обобщенного показателя К(э) сопротивления материалов сероводородному растрескиванию (СР) ..................................268

5.1.2 Расчетно-экспериментальное значение порогового напряжения бП(Рэ).....................................270

5.1.3 Условная относительная работа разрушения КА...........270

5.1.4 Показатели качества Ксмпн и Ксммр сварочных материалов............................................271

5.1.5 Степень охрупчивания образцов в коррозионных испытаниях............................................271

5.1.6 Потери пластичности (ПП) материала от действия коррозионной среды....................................271

5.1.7 Степень защиты г сталей от охрупчивания металлов ингибиторами..........................................272

5.1.8 Скорости движения активных захватах (растяжения образцов) в МРМ.......................................272

5.2 Оценка и классификация сталей ОГКМ по

сопротивлению СР......................................273

5.3 Экспрессная оценка пороговых напряжений...............275

5.4 Оценка и классификация сварочных материалов по сопротивлению СР......................................279

5.5 Защитные мероприятия и оценка их эффективности в производственных условиях.............................283

5.5.1 Диффузионные покрытия.................................283

5.5.2 Пиролитические покрытия...............................290

5.5.3 Ионно-плазменные покрытия.............................296

5.5.4 Полимерные покрытия...................................304

5.5.5 Оценка и классификация ингибиторов сероводородного растрескивания........................................311

5.6 Диагностика коррозионного состояния и прогнозирование срока службы металлических конструкций...........................................321

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................324

7 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................327

8 ПРИЛОЖЕНИЯ............................................351

8.1 Кинематические схемы механизмов с замкнутыми дифференциалами.......................................352

8.2 Характеристики механизмов с замкнутыми дифференциалами.......................................354

8.3 Граничные значения характеристик РЗД

(расчет на ПЭВМ)......................................362

8.4 Машина разрывная МР-5-8В. / Методические указания к учебно-экспериментальным работам на

машине разрывной......................................364

8.5 Акты внедрения образцов испытательной техники.........402

8.6 Динамический расчет МР-5-8ВМ. Описание алгоритма

и программное обеспечение.............................417

1 ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие газонефтедобывающего комплекса неразрывно связано с разработкой новых месторождений газа и нефти. Эксплуатация новых и уже разрабатываемых месторождений нефти и газа, транспортировка и переработка этих продуктов требуют создания высоконадежного и долговечного оборудования (собственно трубопроводов, арматуры, различных реакторов, емкостей и т.п.). Оборудование должно работать в весьма жестких климатических условиях и подвергается воздействию высокоагрессивных сред.

Своевременная оценка состояния узлов и деталей оборудования и прогнозирование срока дальнейшей безопасной эксплуатации, разработка защитных мероприятий по повышению надежности и срока службы, поиск новых материалов для изготовления конструкций - далеко не полный перечень задач, решаемых в ходе теоретических и экспериментальных исследований.

Вопросы разработки комплекса оборудования и методик для лабораторных и полевых испытаний, выбора материалов, оценки эффективности защитных мероприятий и практические рекомендации по их применению, оценки ресурса работы конструкций, контактирующих с агрессивными средами, как наиболее актуальные в поднятой проблеме, определили основное содержание данной работы.

С учетом этого произведено теоретическое обоснование предложенных методик, разработаны принципиально новые образцы испытательной техники с научно обоснованными параметрами и эксплуатаци-

онными характеристиками. В подготовленные отраслевые нормативные документы вошли экспресс-методики, во много раз ускоряющие процесс коррозионно-механичеоких испытаний при обеспечении достоверности результатов.' Осуществлена сравнительная оценка применимости различных методик коррозионно-механических испытаний, разработаны методики выбора параметров узлов и деталей нагружателей разрывных машин с учетом особенностей нагружения в ходе испытаний, предложены передаточные механизмы приводов разрывных машин и методики выбора параметров данных механизмов.

Спроектированы и изготовлены унифицированные блочные конструкции разрывных машин для реализации различных методик испытания, предложены и апробированы критерии оценки коррозионной стойкости материалов, эффективности защитных мероприятий. Предложен вариант методики прогнозирования срока службы оборудования по результатам коррозионно-механических испытаний.

Теоретические исследования получили конкретную реализацию в технической документации, в изготовленных опытных образцах испытательной техники, экспериментальной проверке ее и внедрении в научно- производственную практику. Практическая ценность работы подтверждена утвержденными на уровне Госстандарта руководящими документами по производству коррозионно-механических испытаний и в комплексе одно-, двух-, шести и восьмипозиционных разрывных машин (первые три модификации в вариантах для лабораторных и полевых испытаний), коррозионных камер, автоклавов, специальных нагружающих устройств, передаточных механизмов с замкнутыми дифференциалами для обеспечения сверхбольших передаточных отношений. Созданное оборудование прошло лабораторные и производственные испытания в

- и -

Оренбургском государственном университете, на Оренбургском и Астраханском газоконденсатном месторождениях. Оборудование приобретено ВМНИЙК, ВНИИГАЗ, ВНИИСТ, НПО ЦНИИТМАШ (г.Москва), ДКБН (г.Подольск), ВНИИТнефть (г.Самара), ВНИИСПТнефть, УНЙ (г.Уфа), ВНИИПТ-химнефтеаппаратуры (г.Волгоград), ВНИТИ (г.Днепропетровск), ЛЕННИ-ИХИММАШ (г. С.-Петербург), НИПИПНГС (г.Оренбург). Комплекс оборудования позволяет сократить время испытаний в 10...30 раз при обеспечении условий испытаний, соответствующих эксплуатационным.

Оперативная оценка состояния конструкций, особо опасных для обслуживающего персонала (и для окружающей среды) в случае разрушения, обеспечивает труднооценимый экономический эффект от внедрения результатов работы. Прогнозирование срока службы объектов неф-тегазохимического комплекса сокращает материальные потери в результате своевременного выполнения защитных профилактических мероприятий и ремонта указанных объектов.

Автор выражает глубокую признательность научному консультанту д.т.н. профессору Кушнаренко В.М. за ценные советы и практическую помощь в подготовке настоящей работы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ МЕТОДИКИ

КОРРОЗИОННО -МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

2.1 ВИДЫ КОРРОЗИОННЫХ ПОРАЖЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ И МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

АГРЕССИВНЫХ СРЕД

2.1.1 Коррозионное состояние насосно-компрессорных труб и трубопроводов

При обследовании насосно-компрессорных труб ( НКТ ) и обсадных колонн ( ежегодно 20 % скважин ) с помощью каверномера "ОТИС" в большинстве случаев наблюдается язвенная коррозия от 0,3 до 1,6 мм. Отдельные НКТ имеют деформации, возникающие при погрузоч-но-разгрузочных работах и транспортировке, в некоторых трубах имеются солевые отложения. Испытания металла показали отсутствие существенных изменений механических свойств, что объясняется высокой эффективностью ингибиторной защиты НКТ. В некоторых скважинах со значительным водопроявлением наблюдается прогрессирующая местная коррозия, которая наряду с концентраторами напряжений в виде следов от машинных ключей на нагруженных поверхностях глубиной до 2-3 мм приводит к снижению надежности НКТ.

Ежегодный ультразвуковой контроль отводов не менее 3-х скважин каждой установки комплексной переработки газа (УКПГ) показыва-

ет, что наибольший коррозионный и эрозионный износ составляет 1,5 -2,0 мм, т.е. находится в пределах допустимого. Освидетельствование внутренней поверхности катушек, вырезанных из промысловых трубопроводов, ■ позволило обнаружить равномерно расположенные на поверхности язвы глубиной до 0, 5 мм, при этом внутренняя поверхность трубы покрыта продуктом коррозии черного цвета. Удовлетворительное состояние данных трубопроводов после пятнадцатилетней эксплуатации свидетельствует об эффективной ингибиторной защите. Скорости коррозии конденсатопроводов (0,0062 мм/ГОд) намного меньше допускаемой величины вследствие их защиты поступающим с УКПГ растворенным в конденсате ингибитором.

Неочищенный газ от УКПГ до газоперерабатывающего завода (ГПЗ) транспортируется по газопроводам из труб 720 х 22(18) мм, имеющим узлы запуска и приема очистных устройств, позволяющим без уменьшения производительности УКПГ осуществлять очистку и ингибирование трубопроводов. Для проведения контроля за качеством ингибирования и коррозионным состоянием газопроводов в начале и конце трасс имеются пункты коррозионного контроля.

Параметры технологического режима эксплуатации газопроводов выбраны из условий оптимальной эксплуатации УКПГ, удовлетворения требований к параметрам и качеству газа и сокращения до минимума коррозионных процессов. Проектом предусматривалось давление газа на выходе УКПГ или входе в газопровод 6,6 МПа, а на входе ГПЗ - не ниже 5,75 МПа, температура газа на выходе УКПГ - минус 8-3 °С, температура газа в газопроводах на входе ГПЗ составляет (-5...0°С) Для защиты внутренней стенки газопроводов от коррозии планировалась подача в них осушенного газа с относительной влажностью не

более 60 % и периодическое (4 раза в год) ингибирование трубопроводов.

Уменьшение давления газа с 1979 года на входе УКПГ-8 ниже 7,7 МПа, а в последующем на входе и других УКПГ привело к исчерпанию дроссель- �