автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Трещиностойкость сварных труб для газопроводов

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОБАТЕДЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДАХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (ВНИИГАЗ)

На правах рукописи УДК 62.1.643/62-192.001.5

Пашков Юрий Иванович

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ ТРУБ ДЛЯ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Уральском научно-исследовательском институте трубной промышленности АО "УралНИТИ"

Официальные оппоненты: - заслуженный деятель науки и техники .

России, доктор технических наук, профессор Иванцов О.М.

- доктор технических наук, профессор Морозов Е.М.

- доктор технических наук, Чарний В.П.

Ьоиущее предприятие - ПО "Уренгойгазпром"

Защита диссертации состоится " ¿У " (7 ¿1 1996г. в 13 час.30 ш. на заседании диссертационного совета Д 070.01.02 при всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ШИИГАЗ) по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос.Развилка.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БНИИГАЗа.

Заа отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить -но указанному адресу.

Автореферат разослан ¿У_1996г.

Ученей секретарь диссертационного совета к.т.н. Б.М.Смерека

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОШ. [Магистралькие газонефтепровода и другие трубопроводные системы являются одним из важнейших звеньев в топливно-энергетическом комплексе развития народного хозяйства страны. Высокая степень ответственности трубопроводов, повышенная их металлоемкость и эксплуатация в чрезвычайно сложных условиях обусловливают исключительно острую необходимость решения проблем обеспечения надежности и безопасности при одновременном сняхения материалоемкости данных сооружений.

Реализация этой народнохозяйственной проблемы возможно только на основе совершенствования существующих и разработки новых научно обоснованных решений по оценке работоспособности трубопроводных систем.

Традиционные метода расчета трубопроводов на прочность,базирующиеся на гипотезе бездефектности материала, не позволяют в полной мере прогнозировать безаварийную работу данных сооружений. Непрерывный рост рабочих параметров, размеров трубопроводов, наличие трещиноподобннх дефектов в трубе и ужесточение условий эксплуатации привели к тому, что надежность и безопасность газопроводов зачастую стала определяться уровнем трещиностойкости труб. Назрела настоятельная необходимость в постановке и проведении целенаправленных научных исследований по созданию прогрессивных методов оценки трещиностойкости сварных газонефтепроводкых труб, учитывающих комплексное влияние па характеристики труб напряженного состояния, температуры, рабочих параметров эксплуатации, кинетики разрушения, масштабного аффекта я других факторов.

Совокупность подученных результатов исследований представле на в диссертации как теоретическое и экспериментальное обобщение и решение на.'чно-технической проблемы, по возмояному исключению или снижению аварийных ситуаций при эксплуатации газопроводов и

3

.других трубопроводов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изыскание путей повышения надежности и безопасности работы газопроводов я снижения их металлоемкости на базе эффективного использования сварных труб, совершенствования и разработки новых прогрессивных методов оценки трещиностойкости сварных труб из пластичных сталей.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

I. Сформулированы основные требования к количественной оценке трещиностойкости газопроводов и разработан метод оценки трещиностойкости пластичных сталей и сварных соединений газопроводных труб с учетом стадийности процесса разрушения, рабочих параметров трубопроводов, масштабного эффекта, кинетики разрушения я других факторов.

£. Разработаны конструкция образца, схема его нагружения я оборудование для испытания образца натурной толщины и с реальным сварным соединением из труб большого .диаметра в статическом режиме зарождения трещины с последующим скоростным распространением трещины в задаваемом диапазоне изменения скоростей разрушения.

3. Разработаны новые метода оценки трещиностойкости сварных труб малого я среднего диаметров с учетом характерных особенностей зон сварного соединения, напряженного состояния, температуры, кинетики разрушения, а также технологических и конструктивных факторов.

4. На базе комплексных исследований работоспособности сварных труб, выпускаемых промышленностью, рассмотрены и реализованы пути снижения металлоемкости труб и совершенствования структуры потребления труб при сооружении газопроводов и других трубопроводных систем.

ОВДАЯ МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Работа выполнялась применительно к прямошовннм я спиральношовным трубам, изготовляемым из углеродистых и низколегированных сталей по различным технологическим схемам, предназначенных для газопроводов и других трубопроводов.

Реализация теоретических задач начиналась с выбора расчетной схемы, принятая её с обоснованием соответствующих условностей и допущений, с последующим анализом полученных решений и экспериментальной проверкой, привлечением данных других исследователей и применением электронно-вычислительных машин.

Разработка экспериментальных методов оценки трещиноотойхос-ти сварных труб базировалась на анализе существующих методов и условий работы трубопроводных систем. Сформулированные требования к методам экспериментально проверялись с использованием тензометрии, делительных сеток, поляризационно-оптическях средств и численных методов. Результата лабораторных исследований сопостаалк-ля с натурными испытаниями труб и о практикой эксплуатации газопроводов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

1. В инженерной постановке сформулированы и реализованы научные подходы для количественной оценки трещиностойкости сварных труб для газопроводов при испытании специального образца на устройстве с аккумулятором энергии, позволяющие имитировать стадийность процесса разрушения, исключать или учитывать влияние масштабного эффекта, кинетики разрушения, рабочих параметров эксплуатации и других факторов на параметры разрушения труб.

2. Внесен научный вклад в практику испытания крупногабаритных образцов на вертикальном копре а на устройстве с аккумулятором энергии с качественной записью рабочего сигнала процесса разрушения.

3. Разработаны научные принципы создания нового испытательного оборудования, позволяющего исследовать трещиностойкость материала на одном образце в условиях статического зарождения трещины и динамического разрушения аналогично процессу разрушения газопровода.

4. Разработан комплекс оригинальных экспериментальных методов оценки трещиностойкости сварных труб малого и среднего диаметров, позволяющих исследовать влияние геометрической и механической неоднородностей сварных соединений, напряженно-деформированного состояния, конструктивно-технологических и других факторов.

5. Разработаны дифференцированные нормативные требования к оценке трещиностойкости сварных труб с учетом их размеров, параметров эксплуатации, кинетики разрушения и других факторов.

6. Установлены основные пути прогнозирования остаточного ресурса прочности и трещиностойкости газопроводов от продолжительности эксплуатации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные научные результаты легли в основу разработки различных нормативных актов: СНиП П-37-76 "Газоснабжение"; Инструкция СН 487-76 по применению стальных труб для строительства газопроводов; СНиП 2.05.13.90 "Нефтепродуктопро-воды, прокладываемые на территориях городов и других населенных пунктов"; Пособие по применению стальных труб для строительства нефтепродуктопроводов. В рамках государственной программы разработана рациональная структура потребления стальных груб в различных трубопроводных системах при строительстве промышленных объектов, позволившая ежегодно экономить до 25$ металла. Разработаны и внедрены ряд методических рекомендаций я инструкций по оценке трещиностойкости сварных труб и прогнозированию остаточного ресурса газопроводов. Проводятся постоянно исследования работоспо-

собности сварных труб с целью совершенствования технологии их изготовления идя повышения надежности и долговечности.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исслоцовани£ ..логокраию докладывались и обсуждались на конгрессах, симпозиумах, конференциях и получили цолоаатйльную оценку. Работа докладывалась в институтах: Лмаш им.Благонравова, ШШС, ЦНИНЧзрыет, ГЛПРОШЙГАЗ, ¡ШИРАЗ, ИоС, ¿НИТИ, ИПП и на трубных заводах.

ПУБЛИКАЦИЯ. Основное содеряанис диссертации нашло отраженно в

42 статьях и 9 изобретениях.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация изложена на 265 страницах шшшюгглс-

ного текста, "состоит из введения, семи разделов и выводов, содержит

35 таблиц, 134 рисунка, 26 Приложений и включает - 264 литературных источника.

Автор искренне благодарен действительному члену Академии горных наук, д.т.н. Харионовскому В.В. за научные консультации при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. РАЗРУШЕНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕТОДА ОЦЕНКИ ИХ ТРЫШОСТО.ЛОС-ТА. НАПРА2Й2ЩЗ ИССЛЕДОВАН»!»!. Современное строительство кагастраль-ных газонзфтепроводов я других металлических конструкции характеризуется непрерывны?/, увеличением их размеров, рабочих напрякений, снижением температуры эксплуатации, что в конечном дгого, повышает вероятность и опасность их разрушения. Достаточно отметить, что при эксплуатации магистральных газонефтедрово.дов ежегодно происходит более 60 разрушений, приносящих огромные убытки и вызывающих нарушение экологического равновесия в природе. Решение проблемы исключения разрушений трубопроводов и других конструкций сдерживается из-за отсутствия совершенных методов расчета и прогнозирования работы конструкций в экстремальных условиях эксплуатации. Это обусловлено в основном чрезвычайной сложностью самого процесса разруие-

ндо конструкций, характеризующегося, как правило, внезапности), скоротечностью, происходящего при нагрузках значительно низе расчетных, сопровождающегося значительными пластическими деформациями оерега трещины я другими особенностями.

Успешное решение проблемы предотвращения катастрофических разрушений конструкций зависит прежде всего от уровня развития теории в прикладных вопросов механики деформирования и разрушения, методов расчета и экспериментальной оценки и других аспектов. Существенный вклад в формирование и утверждение этого научного, направления внесли отечественные и зарубежные ученые (Андрейкив А. Б., Анучкин Ы.П., Винокуров В.А., Давиденков H.H.,- Иванова B.C., Иоффе А.Ф., Капельман I.A., Красовский А.Я., Ларионов В.В., Лившиц I.C., Махутов H.A., Морозов Е.Ы., Моношков À.H., .ПанасюкВ.В., Партон А.З., Фридаан Б.Я., Черепанов Г.П., Броек Д., Гриффите A.A., Георгиев М.Н., Даффи А.Р., Кална К., Маккпянток Ф., Нотт Д., Райе Д. и другие).

К настоящему времени разработав достаточно мощный математический аппарат дал описания напрекеяно-дефоршрованного состояния в вершине трещины при упругом разрушении. Ведутся многочисленные исследования в области нелинейной механики разрушения. Осуществляется унификация в стандартизация методов испытаний в ооласти механики разрушение. Однако полученные решения позволяют устанавливать критериальные значения напряжений на момент только возникновения или подрастания трещины до критических размеров в практически отсутствует возможность получать информацию в закритической области, в которой необходимо предотвратить катастрофическое разрушение конструкции. Это связано с отсутствием общей теории, объясняющей динамику распространения трещины, и технических средств, позволяющих испытывать материалы в широком диапазоне изменения скорости трещины я с достаточной степенью ва-

дежвостя и точности регистрировать параметры разрушения. Кроме того, до последнего времени такие параметры стадия распространения трещины, как скорость и энергия развития трещины, рассматривались как независящие друг от друга. Налами исследованиями и другими авторами установлено, что энергия распространения трещины не является константой материала, а зависит от скорости протекания процесса.

Наряду с развитием теоретических положений механики разрушения интенсивно развиваются экспериментальные метода оценки трещи-ностойкости материалов я конструкций. Однако, методы,' нашедшие применение в исследовательской и заводской практике, еще недостаточно отработаны и далеки от совершенства. Это подтверждается практикой эксплуатации магистральных газонефтепроводов. Нефтепровода и газопровода изготовляются из одинаковых труб, и уровень их трещаностойкостя определяется при изготовлении показателем ударной вязкости. В то же время, при авариях данных трубопроводов наблюдается различный характер процесса разрушения. В нефтепроводах разрушение происходит, как правило, на небольшую длину - не более 5-10 метров, а в газопроводах трещина распространяется на десятки и сотни метрой и доке алеются отделыше случая разрушений .длиной свыше 10 км. Необходим поиск и создание новых более совершенных методов, позволяющих осуществлять оценку грещиностойкости материалов не только на качественной, но л на расчетной основе с возможностью регламентация нормативных требований по грещиностойкости труб. .

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ТРЕЩШЮСТОЙКОСТИ ПЛАСТИЧНЫХ СШЕЙ И СВАРШХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ ДЛЯ ГАЗОПРОВОДОВ.

Процесс разрушения трубопровода начинается с зарождения трещины, развития ее до критических размеров и распространения тре -щины. Первые две ста,дни разрушения, как правило, развиваются мед-

ленно в статическом режиме, а распространение трещины происходит, как правило, в динамическом режиме нагружения. Процесс заровдения трещины является наиболее ответственным, поскольку устранение его означает ликвидацию разрушения вообще. Однако, отсутствие полной информации о форме и размерах дефектов в трубе, появление значительных пластических деформаций в зоне разрушения не позволяют аналитически описать закономерности распределения напряжений на стадии заровдения трещины. В то же время, базируясь на основных положениях механики разрушения, можно осуществлять относительную оценку способности различных материалов противостоять зарождению трещины. В этом случае на так важно знать размеры и ориентацию дефектов, как оценить предлагаемый материал, сравнивая его с известным материалом, который успешно эксплуатировался в . течение длительного времени. При этом трудности анализа напряженного состояния в устье трещины, обусловлегные наличием пластической деформации, удается избежать, если воспользоваться таким энергетическим критерием, как интеграл Райса-Чэрепанова 0С . Доя уменьшения трудоемкости определения 7С предложено эту характеристику определять через макс шальную разрушающую нагрузку Р^^по заранее установленной функциональной зависимости между этими параметрами:

Ртаг =№). (I)

Такая связь подтверждена экспериментально при испытании образца, разработанного в настоящей работе, и получено следующее уравне-

ше- • Ртах=0,41И0^~Г, (2)

где; Ртах - максимальная разрушающая нагрузка при испытании плоского образца; ■ - интеграл Вайса, определенный стандартными методами; $ - толщина испытываемого материала. Из механики разрушения известно, что в упругой области вязкость материала линейно связана с разрушающей нагрузкой РтйХ. Это позволяет устанавливать

связь мевду разрушающими нагрузками на образцах разных конструкций или на образце и реальной конструкции, если воспользоваться известными расчетными формулами для определения критического коэффициента интенсивности напряжений К(С, В отом случае для разных образцов, но из одного и того же материала, можно получить следующее отношение:

* а

• Рта1, (3)

гце:Ртах,Рта.х.- соответственно разрушающие нагруззш сопоставляемых образцов; П - корректирующий коэффициент геометрических параметров испытываемых образцов. Изтрудно викеть, что достаточно определить Р^а* .дня одного образца, чтобы по заранее установленной зависимости (3) оценить трещиностойкость реальной конструкции из исследуемого материала. Такой подход исключает необходимость непосредственного определения значения К(С, что существенно снижает трудоемкость испытаний. Вшз высказано предположение, подтвержденное экспериментально, что зависимость (3) справедлива и для конструкций из пластичных .-.атериолоп. Применительно к трубопроводам получено условие надежности душ относительной оценкя стадии зэгопдёния трещины с учетом рабочих параметров эксплуатации:

» 32,8 Яг , (4)

где: р гг,а1 - максимальная разрушающая нагрузка при испытания

плоского образце высотой 70 мм по схеме "изгиб с растяжением"; г Р.Р

г, = -г- - удельная нагрузка, действующая на единицу длины п

трубопровода; К - радиус трубопровода; Р - рабочее давление; К - коэффициент, учитывающий влияние напряженного состояния, механических свойств материала и рассчитываемый по формуле, предложенной Моношковым А.Н.

нивам д.п. - £ (

Численный коэффициент (32,8) определен на основе статистической оценки наименьшего значения по ГОСТ 22015 в серии массовых испытаний плоских образцов, изготовляемых из труб 1220x12 мм стали 17ПС Эта грубы были взяты в качестве эталонных, т.к. они показывают вполне удовлетворительную эксплуатационную надежность на протяжении многих лет работы газопроводов.

Вторая стадия разрушения газопровода, характеризующаяся подрастанием трещины до критических размеров, обязательно предполагает наличие исходной трещины. При этом процесс подрастания трещины может происходить при статическом шш малоцикловом нагруже-няи и длительность его во многом зависит от условий эксплуатации. Для ведения анализа данного процесса наибольшее распространение получают деформационные подхода, позволяющие учитывать неоднородность и объемность напряженно-деформированного состояния в зоне разрушения, свойства материала и достаточно корректно контролировать кинетику разрушения. Применительно к газопроводам докритичес-кий рост трещины в статическом режиме нагружеаия анализировали на базе решений, предложенных Махутовым H.A., а в условиях малоциклового нагружения - с использованием решения Пэриса-Махутова.

Третья ста.ция - распространение трещины начинается с момента достижения трещиной критического размера. Трещина становится нестабильной и при соответствующих условиях может распространяться на неограниченную .длину. Влияние элементов случайности, носящих обычно локальный характер, на процесс протекания этой стадии разрушения газопровода практически исключается. Перестает играть роль н длина исходной трещины. Таким образом, создаются предпосылки для достаточно четкого описания условий разрушения на количественной основе, если воспользоваться условием надежности газопроводов, предложенным Моношковым А.Н., при участил автора работы:

а^оо)» 1 ~ ' (6)

где: ар(чзо) - удельная работа распространения трещины при скорости 400 м/с, Л - .диаметр газопровода;^ - модуль упругости; Е - коэффициент Пуассона.

Реализация сформулированных подходов оценки трещиностойкости сварных труб для газопроводов на всех стадиях разрушения обусловила разработку принципиально-нового экспериментально-расчетного метода с учетом следующих требований:

- имитация стадийности процесса разрушения и напряженно-деформированного состояния в зоне разрушения образца подобное таковому при разрушении газопровода;

- учет или исключение влияния масштабного эффекта, рабочих параметров эксплуатация и кинетики разрушения газопровода и других факторов на характеристики трещиностойкости труб;

- создание в системе "образец-машина" минимального запаса энергии упругой деформации с обеспечением качественной записи процесса разрушения образца;

- возможность использования метода не только душ исследовательских целей, но и .идя проведения приемо-сдаточных испытаний труб и прогнозирования остаточного ресурса газопроводов.

Анализ разрушений газопроводов позволял в качестве первого приближения принять, что при распространении трещины одна из составляющих пластической деформация в направления движения трещины <5 равна нулю. Обеспечение этого условия облегчается при испытании широких пластин. Конечно, и в этом случае в зоне надреза я в зоне, прилегающей к тыльной грани образца, будет наблюдаться деформация , отличная от нуля. Однако с ростом ширины пластины влияние этих участков на общие затраты работы распространения трещины будет уменьшаться, а с учетом предложенного при еда яри

определении параметров разрушения вообще исключается.

Проведенный анализ конструкций образцов и схем их нагружения показал, что испытание относительно широких образцов по традиционной схеме на изгиб не может считаться безупречным. В образце реализуются значительные по величине пластические деформации сжатия, что не характерно .для разрушения реальных газопроводов. Испытания образцов на растяжение свободны от указанных недостатков, но требуются машины большой мощности, в системе "образец-машина" накапливается значительный запас энергии упругой деформации, обусловливающий спонтанное разрушение образца. В результате испытательная машина не успевает контролировать процесс и определение параметров разрушения усложняется.

В работе предложена схема нагружения образца, совмещающая изгиб с растяжением. Конструктивно такая схема реализована при испытании на изгиб плоского образца с шарнирно закрепленными головками (рис.1). Образец I, состоящий из рабочей части (испытываемый материал натурной толщины и с реальным сварным соединением) и двух головок, соединяемых сваркой или механическим путал, с помощью осей 2 шарнирно закрепляется в приспособлении 3. В сборе с образцом приспособление устанавливается на траверсе испытательной машины. Нагружение образца осуществляется через специальный пуансон 4 с рассредоточенными опорами.

Затраты энергии на зарождение и распространение трещины определяются по диаграмме "нагрузка-перемещение" с учетом энергии упругой деформации , которая определяется по зависимости:

дс=_Еша*___(?)

5 ЮИ6Н-2,09-(0.15Н-2,19)^тн] ' где: $ - толщина образца; Н - высота образца~ от~ носительный прогиб образца, представляющий отношение текущего про-

гиба / к максимальному прогибу образца £

I

шаге

Рис.1 Образен с приспособлением (а) и схема устройства с аккумулятором энергии упругой деформации (б) для его испытания

i

• h = ■ о tj. i Ка к = х. ti Í0M4

(Омм 0 Я

■ -JDKH Я ' ж '

№ tí«!, а, «

ц ч 1 * . •

i 1 .. . .1.. . 1 ¿ t

Ю

JO

so

40 5 О

а) -5 -ю

-iS -ÍC

*

*

X Р» X

A i '» а i п , К i

, 1 10 . « ! К í а i г- Г reí 1 * f

О , X СА 1 s t* Uti

S)

so

70

90

ra до io зо

Расстояние от вершины нсфеза рис. 2 Распределение деформаций t¡ по высота образна из стала 17Г1С толщиной 12 ш

Дж

»о

600 № 200 t

i -njaíKCfJ) 2-(Ша5коИ2 /

/

i / /

И i к

J n M

о 9 W1A&-

4 1 иПС-УЛ-5,5;12Аи*> t. а» СтЗкп (t"6;9,5г-«) Ар»

К;с. 3: Лависимовть работы распространения трещины А,, от высота образца Н F

Рис.4 Зависимость длины треиинн от относительного прогиба образца высотой 70 М(

Установлено, что регулирование напряженно-деформированного состояния в устье распространяющейся трещины возможно осуществлять . за счет расположения отверстий в головках относительно тыльной грани образца (параметр к , рис.1) - Для прикяшх размеров образцов с Н =20 мм и более величина на значительном участке в средней части образца практически равна нулю (рис.2а) и одновременно наблюдается постоянство величины деформации по толщине образца д^ (рис.26). Пониженные абсолютные значения <?Л и наличие величины на участках, прилегающих к надрезу и тыльной грани образца, объясняются проявлением краевых эффектов. По мере смещения отверстий в головках к тыльной грани образца {Ь. =0 и Н =10 мм) начинает сказываться влияние изгибающего момента (уменьшение ). При расположении отверстий в головках ниже тыльной грани (к =-50мм) влияние изгибающего момента становится преобладающим и появляются пластические деформация сжатия (положительные значения и <?3 ).

При исследовании влияния высоты образца Н на сопротивляемость распространению трещины установлен сложный характер зависимости ЛрСН) (рис.3). При испытании образцов в диапазоне 0<Н€30 мм она изменяется по криволинейному закону, а в диапазоне 30^Н<90 мм -по прямолинейному. Наличие прямолинейного участка зависимости Ар(н) и постоянство суммарной протяженности краевых зон в образцах позволяют предложить сравнительно простой прием для определения удельной работы распространения трещины а.р , заключающийся в испытании образцов разной высоты и в последующем делении полученной разности работы разрушения на разность высот образца. В ходе исследований установлено, что протяженность краевых зон в образце зависит от изменения величины йр, что позволяло определять йр по результатам испытания одного образца с использованием зависимости:

л - Ар+г (в)

Р~ Н-2,68

Определенная гакиы образом величина йр становится аезависи-мой от размеров образца геометрии надреза краевых вон в других факторов. Это позволяет рассматривать критерий ар, как достоверную характеристику материала при определенных условиях испытаний ( температура, скорость трещины, толщина, напряженно-деформированное состояние в зоне разрушения) я использовать для количественной оценка тревушостойкооти материалов.

При испытании плоского образца (хрупкий материал, низкие температуры) , когда в зоне разрушения возможно отсутствие пластической деформации, предложено определять критический коэффициент интеноиэ-нооти напряжений К, о учетом уравнения К -тарировки плоского образца, испытываемого по схема нагругекия "изгиб о раотяхением":

У = 0,656 -о,81?*/» * Ч,28(% 8,8 И (%)\ О)

Количественная проверка разработанного метода на сталях 17ПС и 14Г2САФ а сопоставлении с другими методами показала, что разница при определения величины &р, по крайней мере, ва и •¡следуемых сталях, не превысила В качестве сопоставительных попользовались иотод определения а,, по деформационным харакгерястякаи» базирующийся на замерах деформаций в зоне разрушения образца и обобщенней диаграмме деформирования материала я метод определения Яр по тепловому импульсу, оснований на замере тепла, выделяющегося вследствие пластических дофорлацяй.Практическая приемлемость метода подтверждена при анализе разрушений сварных труб размером 720x9 и 820x7,5ш испытанных внутренним давлением.

3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТРЩИНОСТОЙШЛИ МАТЕРИАЛОВ ГАЗОПРОВОДОВ ЛРЛ ДШШШВСШ ШШАШЯХ.

Для скоростного нагружения в разрушения плоских образцов разработав и изготовлен вертикальный копер с максимальным запасш энергия 14000 № и начальной скоростью удара до 12 м/о. Для регистрации процесса разрушения образца использовали тензометрирование с

17

записью осциллограммы "усилие-время". Качественная запись рабочего сигнала без наведенных высокочастотных колебаний обеспечивается вводом в нагружаемую систему тарированного податливого элемента из меди. Применительно к данной схеме испытаний образцов получены расчетные формулы для определения параметров разрушения по осциллограмме "усилие-время". Количественная проверка расчетных зависимостей показала, что погрешность при определении характеристик трещиностойкости не превышает 3-4/?. Внесена поправка для более точного определения средней,величины скорости распространения трещины в существующих методах!^ определяется без учета критической .длины трещины которая может при упругопластичес-ком разрушении составлять 20—30? от высоты образца. Для определения (^осциллограмма "усилие-время" перестраивается в диаграмму

"усилие-прогиб" и с использованием полученной зависимоси

(рис.4) определяется при максимальной разрушающей нагрузке.

Осуществлена количественная проверка метода оценки трещиностойкости материалов на действующем газопроводе 1220x12,5 мм и на аварийном газопроводе 1220x12 мм из стали 17ИС. Полученные результаты свидетельствуют о приемлемости метода для приближенной расчетной оценки сопротивляемости газопроводов хрупкому разрушению.

Реальный процесс разрушения трубопроводов, как и большинства других конструкций, начинается с инициирования трещины и подрастания ее 'до критических размеров в статическом режиме нагру-жения, а распространение трещины - в условиях скоростного деформирования и разрушения. Однако существующее оборудование не позволяет испытывать образцы в аналогичных условиях. Образцы испы-тываюгся на статических машинах или на копрах различного типа. Для реализации реальных процессов разрушения при испытании образцов разработана конструкция устройства с аккумулятором энер-

1а

гия упругой деформации, принципиальная схема которого приведена на рис.16. Испытания осуществляются в следующей последовательности. Образед 4 нагружается нагрузкой Р с помощью сило^-й машины через аккумулятор I, пуансон 2 с динамометром 3 до необходимого прогиба, задаваемого зазором Л с помощью шарнирного упорэ 6. В дальнейшем, когда зазор а выбран, усилие передается на упор 6,который позволяет увеличивать нагрузку Р до требуемой величины. При достижении нагрузкой заданной величины узел 6 с помощью гадроцк-ляндров 5 и 7 выводится из равновесия и свободно падает шиз »после чего вся энергия передается на образец. Накопленная в системе энергия расходуется на разрушение образца, обэсисчивая разную скорость распространения трещины. Процесс разрушения фиксируется с помощью динамометра 3 и электронного осциллографа в взде осциллограммы "усилие-время", по которой определяются параметры разрушения с помощью расчетных зависимостей. Среднюю величину скорости распространения трещины при испытании образца на устройстве предложено рассчитывать по зависимости:

1] , (ю)

с р 1 - V 10

где: г1с- усилие в образце; - начальная скорость удара;

С = (Р -Р № - прогиб образца; т - тзиводенна-. масса икерцк-- г^ V1« 1 и)' с ' ^ /

енных элементов; - усилие э аккумуляторе; с - м*. /т ;

г

^и. - внухрзкне« трение системы "образец-устройство"; о, - коэффициент, определяемый из слита; % = ; I - время разрушения. Сопоставление результатов, определяемых по зависимост;: (10) с экспериментальным определением У^на оэрги образцов из разных мирок стали показало вполне удовлетворительную сходимость, разница не превысила 10$.

Оснащение этого устройства компьютерно!! системой для овга.латя-зированной обработки результатов испытания образцов позволяет оценивать трещигостойкость материалов не только в лабораторных условиях,

во и при проведении приемо-сдаточных испытаний труб.

4. МЕТОДУ ОЦЕНКИ ТЕЩИНОСТОЙСОСТИ СВАРНЫХ ТРУБ МАЛОГО И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРОВ.

Согласно требованиям нормативных актов уровень трещиностойкос-ти сварных труб оценивается по показателю ударной вязкости только на трубах диаметром 219 мм и более с толщиной стенки не менее 6 мм. Сварные трубы диаметром меньше 219 мм вообще не подвергаются сдаточным испытаниям на трещиностойкость.

Одним из сдерживающих факторов в этом вопросе является отсутствие достоверных методов оценки трещиностойкости сварных труб малого и среднего диаметров.В силу особенностей напряженного состояния труб, нагруженных внутренним давлением, метода должны давать информацию о трещиностойкости материалов труб в окружном направлении. Для сварных труб большого диаметра - 530 мм и более - допускается предварительная правка образцов,которая практически не влияет на результаты испытаний. С уменьшением диаметра трубы вследствие возникновения значительных пластических деформаций при разгибе образца возникают погрешности при определении параметров трещиностойкости. Кроме того, сварным трубам малого и среднего .диаметров, свариваемым в основном методом контактной сварки, присуще наличие внутреннего грата, смещение кромок, трещиноподобных дефектов (не-проваров). При разгибе образца с такими дефектами усложняются условия деформирования и может происходить преждевременное разрушение.

В настоящей работе разработан ряд оригинальных методов оценки трещиностойкрсти сварных труб малого и среднего диаметров,большинство из которых защищены авторски!,ш свидетельствам на изобретение.

Для оценки низкотемпературной прочности сварных соединений труб при наличии или отсутствии трещиноподобного дефекта (непрова-

ра) в условиях двухосного напряженного состояния продажен рас четно-экспериментальный метод. Метод заключается в испытании криволинейных образцов с выточками, создающими в рабочей зоне образца двухосное напряженное состояние.Образец испытывается в приспособлении реверсяого типа, исключающем его разгиб. В ходе испытаний определяется величина разрушающих напряжений согласно зависй-

=o,6í'ffc • к0'6,> (п)

где: - прочность шва при двухосном напряженном состоянии; К. - коэффициент, учитывающий влияние геометрических параметров трубы, дефекта и выпучивания на разрушающие напряжения. Вывод уравнения (II) базировался на обработке экспериментальных данных испытаний внутренним давлением более 100 патрубков с поверхностными надрезами в сварном соединении, которые испытывались в диапазоне тешератур от плюс 20°С до минус 100°С.

Для полной имитации реальных условий разрушения осуществляют испытание опытных труб на специальном полигоне. Все это связано со значительными материальными затратами, длительностью проведения испытаний и обеспечением безопасных условий работы. В настоящей работе дая устранения этих недостатков предложен и внедрен сравнительно простой и экономичный метод оценки сопротивляемости разрушению натурных груб. Труба с приваренными заглушками заполняется водой и охлаждается в естественных условиях, или с прямене-нием холодильных установок. При температуре кристаллизации вода происходят увеличение объема и за счет этого в стенке трубы возникают напряжения. Трещина в такой трубе распространяется только за счет энергия упругой деформации стенки, что характерно для лавинных разрушений газопроводов. За счет установки внутрь трубы специально! конусной зсгавкя реализуются условия нагружения,обеспечивающие создание переменного по .длине трубы окружного надрше-

21

кия. Это позволяет устанавливать значения критических напряжений на стадиях инициирования трещины и остановки распространения трещины. Такие испытания труб не требуют специального оборудования и практически безопасны.

Информацию об уровне трещиностойкости сварного соединения по всей длине трубы можно получить по результатам испытания ддиномер-ных патрубков или кольцевых образцов на конусной оправке. Испытываемый образец с надрезом по торцу в зоне сварного соединения устанавливается на конусную оправку и с помощью испытательной машины производится разрушение образца по сварному соединению. В качестве критерия оценки трещиностойкости используется угол раскрытия кромок, определяемый последовательно на всей длине сварного соединения. Получение такой информации позволяет достаточно обоснованно устанавливать и регулировать технологические режимы формовки и сварки труб, выбирать исходный материал для изгото&ления труб с обеспечением треЗуемой стабильности свойств сварного соединения по всей длине трубы.

При контактной сварке труб между свариваемыми кромками вследствие выгорания углерода возможно образование так называемой "светлой"полоски толщиной не более 0,2-0,3 мм. Эта полоска может приводить к существенному снижению уровня сопротивляемости разрушению сварных соединений и трубы в целом. Однако малые толщины этой прослойки не позволяют с достаточной достоверности) определять механические свойства известными методами. Для определения свойств "светлой" полоски осуществляется испытание образцов на кручение, при котором не проявляется аффект контактного упрочнения. По результатам испытаний строитря диаграмма "крутящий момент - угловая деформация", которая затем перестраивается в диаграмму растяжения для определения предела текучести и временного сопротивления материала "светлой" полоски.

22

Для проведения приемо-сдаточных испытаний по оценке предельной пластичности различных зон сварного соединения труб и установления причин разрушения газопроводов по сварному соединению разработан метод испытания специальных образцов. Плоский образец е реальным сварным соединением вырезается из трубы. В исследуемой зоне сварного соединения образца механическим способом изготовляется надрез радиусом 10 ым. С противоположной стороны надреза наносятся делительная сетка. Нагруженае образца осуществляется по схеме изгиба с рассредоточенной нагрузкой до момента появления трещины. После испытания замеряется делительная сетка и определяется величина предельной пластической деформации. Рекомендуется этот метод использовать .для сварных труб диаметром более 159 мм.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТРЩИНОСТОЙ-КОСТЬ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И СВАРШХ СОВДНЕНИЙ ТРУБ.

При разрушении однородного материала пласгическа!я деформация краев трещины распределяется симметрично относительно направления движения трещины, т.е. соблюдается' закон парности карательных напряжений, ответственных за разрушение при распространении трещины. Яря наличии в одном из краев трещины участка с повышенной сопротивляемостью эта симметрия нарушается и тем в большей степени,чем больше жесткость этого участка. В результате трещина может отклониться от этого участка в зону, где начинает проявляться закон парности касательных напряжений, т.е. обеспечиваются оптимальные условия распространения трещины. Роль такого участка ?«гакет выполнять сварной иоэ. Трещина мотет при выходе из шва распространяться по околошовной зоне, если объёмность напряженного состояния в ней вызывает уменьшение касательных напряжений по отношению к растягивающим. Это возможно при увеличении концентрации напряжений в зоне перехода усиления пва к основному металлу за счет уменьшения радиуса на данном участке сварного соединения.

Экспериментальные исследования образцов-моделей из стали 17ГЕ позволили вскрыть эти закономерности и подтвердить, что форма и размеры внешней части стыкового шва существенно влияют на траекторию трещины и сопротивляемость окслошовной зоны разрушению. Установленные закономерности процесса распространения трещины в сварном стыковом соединении позволяют уже на данном этапе подойти к обоснованию геометрической Форш шва .обеспечивающей повышенную трещиностойкость сварного соединения газонефтеправодных труб.

Статистические .данные отказов магистральных газопроводов нефтепроводов свидетельствуют о том, что разрушения трубопроводов во многих случаях начинаются в околошовной зоне концевых участков сварных соединений труб. Исследованиями на натурных кольцах из сварных труб диаметрами 530, и 730 мм и на плоских образцах с надрезами в зоне сварного соединения выявлены основные причины низкой трещиностойкос!« этой зоны. При экспандирования сварных труб вследствие того, что металл шва более прочен, чем основной металл, он деформируется в меньшей степени. В результате околошовная зона пластически деформируется значительно больше, чем металл шва. Повышенная прочность шва приводит к тому, что при раздаче трубы на конусной оправке и при экспавдировании трубы гидравлическим давлением в первую очередь пластически депортируется- основной металл, а шов стремится остаться в упругом состоянии. В силу разности коэффициента Пуассона для упругой =0,3) и пластической =0,5) областей нагружения на линии сплавления шва и основного металла появляются напряжения сдвига. Эти напряжения возрастают по направлению от центра трубы к ее концам. Установлено, что шов и околошовная зона груб деформируются на различные величины, значительно превышающие нормативные значения пластических деформаций при экспандирования. Возникающие пластические деформации в зонах сварного соединения при экспандировании труб в отдельных случаях стано-24

вятся соизмеримы с предельной пластичностью шва и околошовной зоны, что может приводить к разрушению труб при экспэндврованяя я эксплуатации трубопроводов.

Из практики эксплуатации известно, что температура перехода в хрупкое состояние реальных конструкций зачастую не совпадает с порогом хладноломкости, определенным по изменению ударной вязкости. Причина такого несоответствия полностью пока еще не раскрыта. Порог хладноломкости в основном зависит от трех факторов: теглперо-туры, напряженно-деформированного состояния и скорости деформирования (скорости трещины). При испытания образцов на ударный изгиб папряженно-деформяровакнез состояние, обусловленное размерами,геометрией надреза и расстоянием между опорами копра, при всех температурах сохраняется постоянным. Однако скорость трещины при испытаниях не фиксируется. Поэтому говорить о температурной зависимости ударной вязкости можно ляшь в том случае, если скорость трещийы в ходе испытаний сохраняется постоянной. Об этом свидетельствуют результаты исследований образцов Менаке и Шарпи на устройстве с аккумулятором энергии, позволяющем регулировать скорость трещины в образце. При фиксированной скорости трещины .для сталей СгЗКП-и Ст45 отсутствует порог хладноломкости в .диапазоне температур испытаний от 20°С до минус 80°С. В то же время нз температурной зависимости изменения ударной вязкости для этих стаде;', зафиксирован порог хладноломкости по результатам испытания образцов на маятниковом копре, где нет возможности регулировать скорость трещины. Открывается возможность проведения целенаправленных исследований для установления противоречий между результатами испытания образцов я реальными процессами разрушения конструкций.

6. ТШЦИНОСТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ ТГУБ И пт ПОВЫШЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ.

Впервые с единых позиций осуществлена комплексная оценка работоспособности сварных труб практически всего сортамента, серийно изготовляемых на трубных заводах: Челябинском, Северском,Волжском, Выксунском, Новомосковском, Харцызском, Новосибирском, Первоуральском, Ленинградском, Московском, Альметьевском и др.

Сварные трубы малого .диаметра, свариваемые контактной сваркой с нагревом токами высокой частоты, обладают достаточно высоким, уровнем трединостойкости при температурах эксплуатации минус 60°С и рабочем давлении 10 МПа и. более. Прочность труб лимитируется прочностью основного металла. На нетермообработанных сварных трубах в отдельных случаях наблюдается нестабильность механических свойств сварного соединения по .длине трубы. Применение термической обработки или высокотемпературного редуцарозания позволяет стабилизировать эксплуатационные свойства сварного соединения по всей дайне трубы.

Работоспособность сварных труб, изготовляемых на станах печной сварки.характеризуется достаточно высоким уровнем сопротивляемости деформированию и разрушению. Разрушение труб печной сварки при гидроиспытаниях происходит при давлениях до 100 МПа и при наличия пластических деформаций стенки трубы 10-15$, дахе при минус 60°С. В целом несущая способность труб печной сварки лимитируется прочностью сварного соединения, коэффициент прочности которого равен 0,6 и выше. По коэффициенту прочности сварного соединения отечественные трубы печной сварки не уступают трубам печной сварки зарубежного производства. В то же время существующий стандарт на трубы печной сварки не гарантирует коэффициент прочности сварного соединения и поэтому эти трубы нерационально используются в трубопроводных системах.

Низкотемпературная прочность прямошовных я спиралъношовных . труб среднего диаметра (114-426 мм) характеризуется достаточно высокигл уровнем сопротивляемости разгерметизации и разрушению, даже при наличии возможных трещяноподобных дефектов(непроваров) в сварном соединении,которые могут быть не выявлены при дефектоскопическом контроле. Эти трубы имеют не менее чем двухкратный запас прочности при рабочем давлении до 10 Ша и температурах эксплуатации до минус 60°С. Установлено,что в газопроводах, сооруженных из этих труб, не могут возникнуть лавинные разрушения, если окружные напряжения в стенке не превышают величины 137 Н/м2.

Сварные трубы большого ,диаметра из стали 17ПС серийного производства, предназначенные для магистральных газопроводов, фактически исчерпали запас по трещиностойкости уже при 0°С (рис.5). Установлено, что да труб диаметром 530 мм из данной стали предельная величина разрушающего напряжения (коэффициент запаса прочности) должна определяться изусловия сопротивляемости деформированию, а .для груб диаметром 720 мм и более -. из условия трещиностойкости, т.е. сопротивляемости распространению трещины. Массовые испытания образцов из этой стали с использованием предложенных условий надежности (4 ,-6) подтверждают данный вывод (рис.6). Сварные газопроводные трубы размером 1220x12 ш иг стали 17Г1С на давление 5,5 Ша удовлетворяют условш? обеспечения надежности на стада зарождения трещины по максимальной нагрузке до минус 20°С,. а на стадии распространения трещины по удельной работе разрушенияЯ^(400) при Ур =400 м/с - только при температурах эксплуатации Газопровода не ниже 0°С.

Результаты исследований трещиностойкости сварных газопроводных тру^ из сталей повышенной прочности (14Г2САФ, 16Г2САФ, 14Г2АФ-У) позволили установить ряд закономерностей. Рост проч-

530

то

72а та то

Диаметр труды, мм

Рис.5 Зависимость разрушающих напряжений и запаса прочности от диаметра трубы

/тах,

кН 120

30 60 30

— у. —у \ "

\ Гт

о -ОМ О-ЦШ л -03

сн

л?

20

Ю

/

/ (

-40' -го' о* го\ -«о« -го' о* го* Рис.6 Сопоставление параметров трещиностойкости различных зон сварного соединения труб 1220x12мм из стали 17Г1С с нормативными требованиями

ности трубных сталей позволяет решать проблему снижения удельной металлоемкости газопроводов за счет уменьшения расчетной толщины стенки трубы. Однако снижение толщины стенки' обусловливает повышение напряжений в стенке газопровода и увеличивает запас удельной величины эффективной энергии разрушения £2,и, как следствие, повышается вероятность и опасность разрушения газопроводов. Общеизвестно, что с ростом прочности стали снижаются ее пластические характеристики <£, У, а это влечет за собой снижение уровня сопротивляемости стали на стадия зарождения трещины и особенно в процессе подрастания трещины до критических размеров, когда необходимо за счет пластичности стали снижать пиковые напряжения, возникающие в дефекте ила в устье зародившейся трещины. Кроме того, при эксплуатации газопроводов свыше 20 лет, как показали исследования, возникает опасность снижения пластических и вязкостных свойств сталей. Теш снижения исходных свойств сталей от продолжительности работы конструкции зависит от фактической прочности материала. Чем выше прочность стали, тем интенсивнее могут снижаться исходные мехаядческяе свойства. Поэтому на современном этапе производства сварннх газопроводных труб целесообразно,как с технической, так а с экономической стороны, использовать стали прочностью не более 600-620 Н/мм2.

Установлена принципиальная возможность использования труб большого .диаметра из низколегированных сталей, сваренных высокопроизводительной сваркой токами высокой частоты, .идя магистральных газопроводов на высокие рабочие давления. Освоение этой технологии взамен луговой сварки под слоем фшоса позволит в 1-5 раз повысить скорость сварки, отказаться от расхода дорогостоящих сварочных материалов и значительно улучшить условия груда свар'*даов.

7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ.

Па основе проведенных исследований и на базе условий надежности (4) и (6) сформулированы нормативные требования для оценки трещиностойкости материалов сварных газонефтепроводных труб с учетом их размеров, рабочего давления, кинетики разрушения, напряженно-деформированного состояния и других факторов. Предложено нефтепроводные трубы оценивать только на стадии зарождения трещины, а газопрово,дные трубы - как на стадии зарождения, так и на стадии распространения трещины. Для определения этих требований в исследовательской и заводской практике разработаны методические рекомендации "Расчетная и экспериментальная оценка трещи-ностойкости газонефтепроводных труб", утвержденные научно-методической комиссией по механике разрушения ГОССТАНДАРТА.

Сформулированный подход к выбору материалов для труб находит широкое применение в совместных работах с трубными (Челябинский, Волжский) и металлургическими (Быксунский, Череповецкий, Орско-Халшовский) заводами по исследованию влияния на трещиностойкость материала и труб технологии формовки, сварки, режимов термической обработки, способов выплавки сталей и других параметров.

Результаты исследований работоспособности сварных труб малого и среднего .диаметров позволили совместно с институтами "Гипро-НИИгаз" и "ГипроНИИнефтетранс" на базе разработок: СНиП П-37-76 "Газоснабжение. Внутренние я наружные устройства"; СНиП 2.05.13-91 "Нефтепродуктопроводы, прокладываемые на территории городов и дру гих населенных пунктов" и Пособий по выбору стальных труб для газопроводов и нефтепродуктопроводов решить проблему создания рациональной структуры потребления труб и расширения области использования сварных труб в этих трубопроводных системах. Эти разработки позволили снизить металлоемкость трубопроводов до 2Е$.Разработаны рекомендации по расширению области использования алектро 3ü

сварных труб дая технологических трубопроводов на рабочее давление до 10 МПа и при температуре эксплуатации до, минус 40°С.

В рамках государственной научно-технической программы по проблеме "Совершенствование структуры потребления труб в капитальном строительстве" осуществлен анализ использования труб при сооружении инженерных трубопроводных систем на промышленных объектах ряда отраслей народного хозяйства. В ходе выполнения работы широко использовались результаты исследований, полученные в настоящей работе. Установлена возможность снижения металлоемкости трубопроводных систем различного назначения от 15 до 25% .

Для прогнозирования остаточного ресурса прочности я трещино-стойкости газопроводов от продолжительности эксплуатация находят применение разработанные методы. Диагностирование эксплуатирующихся 15-20 лет и более трубопроводов с помощью неразрушающего магнитношумового и других методов позволило установить существенное снижение пластических и вязкостных свойств основного металла я сварного соединения труб.

Разработанные метода и оборудование для оценки трещиностой-кости находят применение в различных организациях. Вертикальный копер применяется для сдаточных испытаний продукции на ряде трубных и металлургических заводов и в институте ИФТПС СО АН. Метод оценки трещшюстойкости материалов на плоском образце используется для проведения исследований в институте ГипроНИИгаз, Сибирском металлургическом институте и Челябинском филиале ВШКТИСТАЛЬ-КОНСТРУКЦИЯ.

обще вывода

I. Современная тенденция развития магистральных газонефтепроводов, характеризующаяся непрерывным ростом их размеров и ужесточением условий эксплуатации привала к тому, что их работоспособность зачастую стала определяться трещиностойкостью. Однако сущест-

вующие метода оценки трещиностойкости трубопроводов и других конструкции недостаточно строго или вообще не учитывают влияние напряженно-деформированного состояния в зоне разрушения, скорости трещины, размеров образца и других факторов, что в конечном итоге, не позволяет достаточно аргументировано прогнозировать их работоспособность.

2. Впервые сформулированы подхода к оценке трещиностойкости газопроводов на стадиях зарождения, подрастания и распространения трещины.

Предложено стадию зарождения трещины оценивать по относительной характеристике трещиностойкости материала. Основной металл и сварное соединение труб могут быть пригодными для газопроводов, если по уровню трещиностойкости они не уступают материалу трубопровода, который длительное время успешно эксплуатируется. В качестве критерия оценки стадия заровденда трещины используется 7 -интеграл шш максимальная разрушающая нагрузка.

Стадию подрастания трещины до критических размеров предложено оценивать на основе деформационных критериев, широко используемых в механике разрушения.

Процесс лавинообразного протяженного разрушения магистральных газопроводов оценивается на расчетной основе с использованием условия надежности. Предложено определять удельную работу распространения трещины материала газопровода при скорости трещины, равной 400 м/с и сопоставлять эту характеристику с удельной величиной потенциальной энергии в стенке трубопровода, расходуемой на процесс разрушения.

3. Впервые для количественной оценки трещиностойкости материалов разработана специальная конст$сция образца и комплекс испытательного оборудования (вертикальный копер, устройство с аккумулятором энергии), позволяющие испытывать образцы труб натурной тол-

щины, с реальным сварным соединением в условиях ударного нагруяе-ния шш статического зарождения трещины с последующим динамическим разрушением при различных скоростях распространения трещины.

При испытании плоского - образца по схеме нагружения "изгиб с растяжением" в устье распространяющейся трещины обеспечивается напряженно-деформированное состояние, аналогичное таковому при разрушении газопровода. Кроме того, исключается влияние масштабного фактора, краевых зон, геометрии надреза в образце и других факторов на получаемые параметры трещиностойкости материалов.

4. На базе условий надежности определены нормативные требования по оценке трещиностойкости сварных газонефтепроводных труб

с учетом их размеров, рабочего давленля, температуры эксплуатация, транспортируемого продукта, скорости трещины, напряженно-деформированного состояния и .других факторов.

Для реализации этих требований в исследовательской и заводской практике разработаны методические рекомендации.

5. Разработаны оригинальное испытательное оборудование и экспериментальные методы испытания образцов и натурных труб,большинство из которых выполнены на уровне изобретения и защищены авторскими свидетельствами. Для имитации реального процесса разрушения разработаны принципиальная схема и конструкция устройства

с аккумулятором энергии упругой деформации, позволяющие испытывать плоские образцы в условиях статического зарождения трещины и .динамического распространения трещины в широтам .диапазоне изменения скорости разрушения. Предложены средства регистрации процесса испытания образца и расчетные зависимости для определения критериев трещиностойкости материалов. Осуществлен численный анализ энергосиловых параметров устройства да выбора оптимальной конструкции при проектировании.

Для ударных испытаний разработана конструкция вертикального копра с тензометрированием процесса разрушения плоского образца и получением качественной записи, осциллограммы в координатах "усилие-время".

Для оценки стадий инициирования и распространения трещины при постоянном или переменном окружном напряжении в стенке по дайне трубы предложено испытывать трубы, нагружаемые внутренним давлением с помощью твердого тела (льда).

Стабильность механических свойств различных зон сварного соединения по .длине трубы предлоаено определять при испытании образцов на кручение или испытывать кольцевые образцы с надрезом на раздачу.

Исследование низкотемпературной прочности труб с поверхностными трещяноподобнши дефектами в сварном соединении предложено проводить на натурных трубах или криволинейных сегментных образцах с надрезом, им~-зрующим соотношение главных напряжений в стенке трубы, равное =0,5.

6. Установлено, что для заданных конструкций образца и схемы его нагружения существует вполне определенная связь между податливостью системы с .длиной трещины и прогибом образца, позволившая получить зависимость для расчета энергии упругой деформации при испытания плоского образца на любом участке диаграммы деформирования и разрушения я определять длину трещины в образце на любом пути ее следования.

7. Создание оптимальной внешней формы стыкового сварного шва позволяет управлять траекторией распространения трещины и переносить разрушение со сварного соединения на основной металл.

Установлено, что сварные швы и околошовная зона труб большого диаметра при экспавдированяи деформируются на различные величины, значительно превышающие значение деформаций, допускаемых нор-

мативами. Независимо от различных факторов сварной шов деформируется в основном на стадии деформирования трубы, а околошовная зона - на всех стадиях деформирования труб при экспандировании. Возникающие пластические деформации в зонах сварного соединения при экспацдировакди труб в отдельных случаях становятся соизмеримыми с предельной пластичностью шва и околошовной зоны, что монет приводить к разрушениям труб при изготовления, строительстве и эксплуатации газопроводов.

8. Сварные газонефтепроводные трубы серийного производства размером 1220x12 мм из стали 17Г1С на рабочее давление 5,4 МПа удовлетворяй; условия надежности на стадии зарождения трещины до минус 20°С, а на стадии распространения трещины - при температуре не ниже 0°С. Такой вывод качественно согласутся с практикой эксплуатация магистральных трубопроводов.

Использование сварных газонефтепроводных тр„б большого диаметра-из высокопрочных низколегированных сталей обусловливает необходимость повышения вязкости, что требует значительного увеличения технических и материальных средств. В то же время, снижение толщины стенки за счет использования сталей повышенной прочности увеличивает рост напряжений в стенке и, как следствие, повышается опасность разрушений. На современном этапе производства труб целесообразно, как с технической, так и с экономической точек зрения, использовать стали прочностью не выше 600 Н/мм^.

9. Установлено, что независимо от систем легирования и уровня прочности трубных сталей (14ХГС, 16Г2-У, 1ЭГ2, 09Г2С, Д7ГС, 17Г1С, Х60, Х70 и др.) во временной зависимости механических свойств материала трубопроводов имеются два временных интервала.

В первом интервале времени до 10-12 лет эксплуатации.механические свойства газопроводов практически не изменяются. Число разрушений в этот период времени незначительно. После 12-15 лет экс-

плуатации происходит значительное снижение уровня пластичности и • трещиностоЕкости материалов труб и резкое увеличение числа разрушений трубопроводов.

10. На основе комплексных исследований работоспособности алектросварных труб малого и среднего диаметров и разработки нормативных актов (СНиП, инструкций, пособий и др.) осуществлена целевая программа по созданию рациональной структуры потребления труб при сооружении систем газоснабжения, позволившая снизить удельную металлоемкость газовых сетей до 20$ и получить значительный экономический эффект в народном хозяйстве.

В рамках государственной научно-технической программы осуществлен анализ, и разработана рациональная структура потребления стальных труб при сооружении инженерных трубопроводных систем (технологические трубопроводы, водопровода, теплосети я др.),позволившая снизить их металлоемкость от 15 до 25$.

ОСНОВНЫЕ П010ШШ ДИССЕРТАЦИИ (ПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Воловик А.Я., Пашков Ю.И. Влияние податливости нагружения на некоторые параметры квазихрулкого разрушения. - Заводская лаборатория, 1967, гё 4, с. 492-495.

2. Моношков А.Н., Миндлин В.Г., Пашков Ю.И. и др. Об оцеке хладноломкости конструкционных сталей. - Проблемы прочности, 1970, й 8, с.43-47.

3. Моношков А.Н., Миндлин В.Г., Пашков Ю.И., Каплан А.Б.

О статье Рождественского В.В. "Расчет магистральных трубопроводов на сопротивляемость хрупким разрушениям лавинного характера". - Строительство трубопроводов, 1971, ]Ь 2, с.36-37.

4. Моношков А.Н., Пыхов С.И., Светланов В.А. Устройство для испытания труб внутренним давлением с осевой силой. - Заводская лаборатория, 1971, № 8, с.992-993.

5. Моношков А.Н., Мшадшн В.Г., Пашков Ю.И., Каплая А.Б. По поводу статьи Л.С.Лившица, А.С.Рахманова, В.В.Рождествекского "Устойчивость против хрупких разрушений сварных сосудов, работаю-' вдх под давленаем". -Сварочное производство, 1972, I, с.49-51.

6. Моношков А.Н., Лунин В.А., Пашков Ю.И. и др. Оценка сопротивляемости конструкций хрупким разрушениям. - Проблемы прочности, 1972, & 7, с.64-66.

7. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., Власов В.А. К выбору образца а схемы нагрунения .для определения сопротивляемости материалов распространению трещины. -Заводская лаборатория, $ 3, 1973, 2.338-341.

8. Моношков А.П., Пашков Ю.И., Власов В.А. Определение со-1ротивляемости хрупкому разрушении сварных соединений листовых конструкций. - Автоматическая сварка, 1973, К 10, с.23-25.

9. Моношков А.Н., Пыхов С.И., Пашков Ю.И. и др. К мето.дике гспытания материалов на ударное растяжение. - Заводская лаборато-)ЯЯ, 1974, й 12, с. 1524-1526.

10. Моношков А.Н., Лупин В.А., МшдашнВ.Г., Пашков Ю.И. ¡спользование энергетического подхода .идя оценки сопротивляемости газопроводов хрупкому разрушению. В кн.: Работоспособность вшин и конструкций в условиях низких температур. Хдадостойкость йтериалов. Часть П. Прочность металлов и сварных конструкций. [зд.ЯФ СО АН СССР, 1974, с.75-95.

11. Балаховская М.Н., Балдин В.М., Пашков Ю.И. и .др. Влия-гие структуры металла сварных соединений на склонность к хрупко-|у разрушению. - Сварочное производство, 1974, # 9, с.34-35.

12. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., Кашхан А.Б. Определение работы распроотранения трещины в материалах по деформационным ха-«ктерпстпнам разрушения образца. - Заводская лаборатория, 1974,

| 7, с.872-874.

13. Будкин Г.В., Иванов В.Н., Пашков Ю.И. и др. Прочность сварных труб большого диаметра, сваренных токами высокой частоты. - Автоматическая сварка, 1975, & 12, с. 13-16.

. 14. Моношков А.Н., Пыхов С.И., Пашков Ю.И. Вертикальный копер для определения механических свойств при испытании крупногабаритных образцов. - Ив$. листок В 312-76, Челябинск, ЩГИ: 1976, 4с.

15. Моношков A.B., Пашков Ю.И. Сметанин Влияние усиления сварного стыкового шва на сопротивляемость хрупкому разрушению. - Сварочное производство, 1976, № 9, с.36-38.

16. Моношков А.П., Рахман М.З., Пашков Ю.И. Метод оценки сопротивляемости разрушению труб. - Инф. листок $ 599-76, Челябинск, ЩГЕИ: 1976, 4 с.

17. Моношков А.Н., Миндлин В.Г., Пашков Ю.И. и др. Низкотемпературная прочность сварных труб малого диаметра. - Автоматическая сварка, 1979, JS 9, с. 42-45.

18. Потехин Б.А., Тютюков С.А., Пашков Ю.И. и др. Получение аустенита в сталях, переходного класса, его стабильность и влияние на механические свойства. - Физика металлов и металловедение, 1979, т.48, с. 182-187.

19. Моношков А.Н., Панков Ю.И., Кашин А.Б. Совершенствование метода оценки работы распространения трещины, в листовых материалах. - Заводская лаборатория, 1981, $ 12, с. 62-65.

20. Мельников Н.П., Богатов П.Н., Пашков Ю.И. и др. Расширение применения электросварных труб - важный резерв экономии материальных ресурсов в капитальном строительстве, - Сварочное производство, 1983, $ I, с. 10-12.

21. Моношков А.Н., Миндлин В.Г., Пашков Ю.И. и др. Экономи металла при сооружении распределительных газопроводов среднего диаметра путем применения тонкостенных электросварных труб. -

Сварочное производство, 1983, № I, с. 12-14.

22. Сзидов Г.И., Моношков Ä.H., Пашков Ю.И., Остсемин A.A. Температурные зависимости механических свойств основного металла

и сварных соединений труб большого диаметра. - Проблемы прочности, 1983,й 6, с. I08-112.

23. Сессии И.В., Богатов H.A., Пашков Ю.И., Волков B.C. и др. Пособие по применению стальных труб .для строительства систем газоснабжения (к СНиП П-37-76), М., Стройиздат, 1984, 9 с.

24. ¡Лоношков А.Н., Пашков Ю.И., Каплан А.Б. Определение энергии упругой деформации системы "образец-машина" при оценке трецино-стойкости материалов. - Заводская лаборатория, 1985, й 5, с. 62-72.

25. Пашков Ю.И., Моношков А.Н. Совершенствование метода оценки трещиностойкости .пластичных сталей. - Заводская лаборатория, 1985,& 7, с. 66-69.

26. Еудкин Г.В., Моношков А.Н., Пашков Ю.И. и .др. Определение механических свойств материала тонких мягких прослоек. - Заводская лаборатория, IS85, с.79-81, & 10,

27. Пашков Ю.И. О некоторых путях оценки трещиностойкости листовых конструкций. - 3 сб.: Прочность материалов и элементов конструкций в условиях низких температур. Изд. ЯФ СО АН СССР, 1985,

с.74-83.

28. Будкин Г.В., Иванов В.Н., Пашков Ю.И., и .др. Прочность труб большого диаметра, сваренных токами высокой частоты. - Сварочное производство, 1986, й 2, с. 28-30.

29. Пашков Ю.И. Определение характеристик трещиностойкости при упруго-пластическом разрушении. - Заводская лаборатория, 1986, & 8, с. 62-64.

30. Будаш Г.В., Иванов В.Н., Пашков Ю.И. и др. Свойства

труб диаметром 530x7 мм из низколегированных сталей, сваренных токами высокой частоты. - Автоматическая сварка, 1986, ß 10,с.49-53.

39

31. Пашков Ю.И., Сериков C.B., Моношков А.Н. Устройство с аккумулятором энергии упругой деформации для оценки трещиностой-кости материалов. - Заводская лаборатория, 1987, $ 6, с. 66-67.

32.,Волков B.C., Логинова О.Б., Самохвалова. Л.К., Пашков Ю.И. Расширение области применения труб из полуспокойной и кипящей сталей. Экспресс-информация, выпуск 6, серия: Транспорт и подземное хранение газа, ВНШЭгазпром, Москва, 1987, с.1-3.

33. Ериклинцев В.В., Пашков Ю.И. и др. Совершенствование методов оценки работоспособности стальных труб. - М.: Черная металлургия, Черметинформация, выпуск 20 (1048), 1987, с. 7-8.

34. Пашков Ю.И., Капяан А.Б., Горбовицкий А.И. и др. Относительная оценка трещиностойкости трубопроводов на стадии заровде-ния трещины. - Заводская лаборатория, 1988, ü I, с. 57-90.

35. Волков B.C., Логинова О.Б., Моношков А.Н., Пашков Ю.И. Цути снижения металлоемкости распределительных газопроводов. -Газовая промышленность, 1988, Ä 9, с. 63.

36. Пашков Ю.И., Земская Л.В., Зажогина O.A., Регистрация параметров разрушения при испытании крупногабаритных образцов

на вертикальном копре. - Заводская лаборатория, 1989, № 2, с.77-80.

37. Пашков Ю.И. О природе4порога хладноломкости металлов. -Заводская лаборатория, 1990, JS 12, с.87-90.

38. Махутов H.A., Пашков Ю.И. Применение механики разрушения .для оценки трещиностойкости трубопроводов. - Проблемы машиностроения и автоматизации (меадународный журнал) ,1991, ft I, с.43-52.

39. Пашков Ю.И., Каплан А.Б., Зажогина O.A. К определению предельной пластичности зон сварных соединений труб. - 1991, -Заводская лаборатория, M 6, с.48-49.

40. Ланчаков Г.А., Степаненко А.И., Пашков Ю.И. и др. Диагностика напряженного состояния газопроводов при эксплуатации.

- 1993, Газовая промышленность, К 4, с.15-18.

40

41. Пашков Ю.И., Каштан А.Б., Волков B.C., и др. Оценка работоспособности спиральношовных труб со стыковым швом. - Сб. вопросы сварочного производства. - Челябинск, . издателюгао ЧТО', ISS4,' ï. 20-25.

42. Ланчсков Г.Д., Степанешсо А.И., Пашков Ю.И. Влияние врамо-ш эксплуатации i:a ресурс прочности трубопроводе- 1094, Газовая громышдонность, й 3, с. 11-12.

43. Ыоношков А.К., Дашков Ю.И. и др. Способ исследования ¡рочносткых свойств материалов. - Авторское свидетельство

i 437949, Ï974, Бал. А 28.

44. Ыоношков A.II., Пашков Ю.И., Кайлен А.Б. Способ исслецо-iaiшя прочностных свойств полых изделии при низких температурах. ■ Авторское свидетельство Jî 7II427, 1980, Бол. J5 3.

15. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., Каплан А.Б. Способ испыта-:ия полых изделий на прочность при низких температурах. - Авторс-:ое свидетельство .'5 8III00, 1981, Вол. JS 9.

46. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., Каплзн А.Б. Способ иссле-ования сопротивляемости материалов магистральных газопроводов рупкому разрушению. - Авторское свидетельство £ 800807, К81, ал. Jâ 4.

47. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., Шалшов ГЛ., Сериков C.B. гсособ оценки сопротивляемости материала хрупкому разрушению, вторское свидетельство JS 864048, 1981, Вол. Л 34.

48. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., Каплан А.Б. я др. Способ зпнтания полых изделий на прочность при низких температурах. Авторское свидетельство & 968988, 1982, Валлетень й 39.

49. Моношков А.Н., Пашков Ю.И., S омская Л.В. Устройство к ;пытательной машине для испытания труб на раздачу. - Авторское звдетельство й 976341, 1983, Бол. № 43.

50. Моношков А.Н., Цыкалов В.Ф., Пашков Ю.И. и др. Способ испытания матеряала сварных труб на сопротивляемость распространении трещины. - Авторское свидетельство )Ъ 1070446, 1984, ВсЛ.В <

51. Демаков М.И., Пашков Ю.И., Ситников Л.Л. и др. Образец для тарировки магнитощумового прибора. - Положительное решение от 22.12.93 г. по заявке № 5055248.

Соискатель ей?« УбтГ^ Ю.И.Пашков