автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Влияние механической неоднородности сварных элементов на сопротивление разрушению и безопасность эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающей отрасли

На правах рукописи

ДИНЬМУХАМЕТОВА ЛЮДМИЛА СЕРГЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ

Специальности: 05.16.09 - «Материаловедение»

(машиностроение в нефтегазовой отрасли) 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

10 Т 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2013

005534816

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кузеев Искандер Рустемович

Официальные оппоненты: Щяпачев Андрей Михайлович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» / кафедра «Технология машиностроения», профессор

Худяков Михаил Александрович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» / кафедра «Технология нефтяного аппаратостроения», доцент

Ведущая организация ОАО «Техдиагностика» (г. Оренбург)

Защита диссертации состоится «18» октября 2013 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат диссертации разослан «47 » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Интенсификация технологических процессов в нефтеперерабатывающей отрасли способствует ужесточению требований к производственному оборудованию, в частности, к применяемым материалам и технологиям его изготовления, методическим и техническим основам диагностирования и оценки ресурса безопасной эксплуатации.

Свойства оборудования в нефтеперерабатывающей отрасли формируются на протяжении всего его жизненного цикла, т. е. на всех стадиях его проектирования, изготовления и эксплуатации. Коррозионно-активные компоненты перерабатываемой нефти способны вызывать практически все виды коррозионных разрушений, а также сильные изменения вязкопластических характеристик металла. Воздействие перечисленных неблагоприятных факторов на сварные конструкции усугубляется свойственной последним механической неоднородностью.

Механическая неоднородность, являясь следствием неравномерности температурных полей при сварке, а также применения отличающихся по свойствам сварочных материалов, в некоторых случаях может снижать несущую способность конструкций за счет образования зон ослабленного металла и сложного напряженного состояния. Кроме того, наличие участков с существенно различными свойствами затрудняет адекватную оценку сопротивления разрушению элемента в целом. Проведение термической обработки также оказывает неоднозначное влияние на комплекс прочностных и ресурсных характеристик сварных конструкций оборудования нефтеперерабатывающей отрасли.

Фундаментальными основами методов анализа сопротивления разрушению сварных конструкций служат труды академиков H.A. Махутова, К.В. Фролова, C.B. Серенсена. Большое значение при этом имеют результаты исследования деградационных процессов в материалах конструкций, отраженные в трудах

A.M. Щипачева, M.M. Закирничной, И.Р. Кузеева, В.М. Кушнаренко, Ю.А. Чиркова, A.B. Митрофанова, и оценки влияния механической неоднородности на несущую способность сварных элементов O.A. Бакши, Р.С Зайнуллина, О.И. Стеклова, М.А. Худякова, Е.В. Поярковой, А. Г. Халимова, A.A. Халимова, И. А. Рябова, Ю.Н. Антипова, С.Ф. Шайхулова и др. Большинством из перечисленных авторов также рассмотрен вопрос о влиянии дефектов на прочность и ресурс безопасной эксплуатации сварных конструкций. Несмотря на большое количество работ, посвященных анализу влияния деградационных процессов в структурно неоднородных материалах резервуаров для нефтепродуктов на компоненты их безопасности эксплуатации, некоторые вопросы в этой сфере остаются открытыми. В частности, недостаточно исследовано влияние механической неоднородности сварных соединений, контактирующих с дизельной и керосиновой фракцией, на показатели прочности и живучести конструктивных элементов резервуаров. В связи с этим изучение подобных вопросов является практически значимой и актуальной задачей.

Цель работы - оценка показателей сопротивления разрушению сварных элементов с мягкими прослойками для разработки рекомендаций по обеспечению безопасности эксплуатации конструкций оборудования для хранения нефтепродуктов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установить количественный показатель изменения несущей способности и сопротивления разрушению конструктивных элементов из низколегированных сталей повышенной прочности от характера механической неоднородности сварных соединений.

2. Выявить особенности структурно-механического поведения неоднородных сварных элементов в условиях длительной эксплуатации и проанализировать их влияние на живучесть вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов.

3. Оценить воздействие термической обработки на морфологические особенности структуры, характер изменения показателей сопротивления разрушению и живучесть сварных элементов резервуаров для хранения нефтепродуктов.

Научная новизна

1. Определена топография механической неоднородности сварных элементов сталей классов прочности К52 - К70 с мягкими прослойками в диапазоне относительной толщины от 0,6 до 0,8, вызывающих снижение показателей прочности до 30 %, удельной работы разрушения до 50 %. Предложен комплексный критерий, характеризующий механическую неоднородность сварных соединений.

2. Для сварных соединений с мягкими прослойками установлены закономерности изменения критериев предельного состояния в зависимости от длительности эксплуатации. Рекомендовано производить обоснование возможности продления безопасной эксплуатации резервуаров, имеющих трещиноподобные дефекты, при наработке до 17 лет - по критерию статической прочности, в последствии — с учетом усталости.

Достоверность результатов обеспечивается комплексным использованием современных методов исследования и высокоточного оборудования, согласованностью результатов лабораторных и производственных испытаний с учетом методов математической статистики и сопоставлением результатов исследований с работами и выводами отечественных и зарубежных авторов.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по обеспечению безопасности эксплуатации резервуаров для хранения нефтепродуктов с механически неоднородными элементами по критерию минимизации затрат на изготовление, эксплуатацию и проведение работ по оценке технического состояния.

Предложенные рекомендации по внедрению технологии термоциклической обработки элементов конструкций с целью повышения эксплуатационной надежности технологического оборудования используются в ООО ЭСКО «Южный Урал» (г. Оренбург) при разработке мероприятий по подготовке технологических решений объектов нефтегазового назначения по обеспечению пожарной безопасности.

Результаты исследования структурно-механического поведения сварных элементов в условиях длительной эксплуатации и коррозионного воздействия используются в учебном процессе при проведении практических занятий и

лабораторных работ по дисциплинам «Прочность сварных конструкций» и «Контроль качества сварных соединений» при подготовке инженеров по специальности 150501 «Материаловедение в машиностроении» в Орском гуманитарно-технологическом институте (филиале) ОГУ.

На защиту выносятся: предложенные зависимости для оценки показателей несущей способности как функций механической неоднородности сварных соединений; результаты анализа деградации структурно-механического состояния сварных соединений, а также расчетов допускаемых и критических размеров повреждений и остаточного ресурса при различной длительности эксплуатации резервуаров для хранения нефтепродуктов, результаты анализа влияния различных видов термической обработки на сопротивление развитию повреждений и ресурс сварных элементов; рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации сварных резервуаров для хранения нефтепродуктов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. С.-Петербург, 2009 г.), XVII международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2009 г.), итоговой научно-практической конференции преподавателей и студентов ОГТИ (г. Орск, 2009 - 2012), международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Оренбург, 2010 г.), I и II международной научной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов» (г. Орск, 2009, 2011 г.), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы нефтегазовой отрасли» (г. Оренбург, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 121 наименования, 2 приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, включая 60 рисунков, 20 таблиц.

При написании 4 и 5 глав работы научным консультантом являлась к.т.н., доцент Пояркова Е.В.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих методов оценки сопротивления разрушению и ресурса безопасной эксплуатации сварных оболочковых конструкций оборудования нефтеперерабатывающей промышленности, в том числе с механически неоднородными элементами, а также опубликованных работ, посвященных этим вопросам. Установлено, что наличие большого числа сварных соединений может оказывать существенное влияние на работоспособность и ресурс конструкций оборудования, контактирующего с нефтепродуктами. Присущая сварным соединениям механическая неоднородность затрудняет адекватную оценку эксплуатационных свойств элементов конструкций и в ряде случаев может существенно снижать их значения. Раскрыт метод комплексного подхода к оценке сопротивления разрушению и ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемого оборудования нефтегазовой отрасли. Освещены особенности сварных соединений как элементов конструкций с точки зрения влияния их на прочность и живучесть. Обоснованы критерии живучести сварных конструкций как способности противостоять развитию критических разрушений при наличии повреждений, и проанализированы методы их оценки применительно к объектам нефтегазового комплекса.

Во второй главе описаны предмет, материалы и методики исследования. Микроструктурный анализ сварных соединений (в исходном, термообработанном и поврежденном коррозией состояниях) выполнялся с использованием оптического микроскопа ЕС МЕТАМ РВ-22 и высокоразрешающей цифровой фотоаппаратуры. Дюрометрический анализ, определение механических свойств при испытаниях на растяжение и на ударный изгиб, а также трещиностойкости при статическом нагружении выполняли по стандартным методикам на оборудовании, прошедшем государственную поверку.

Для оценки напряженно-деформированного состояния сварных соединений проводили моделирование полей остаточных напряжений методом конечных элементов в программном комплексе А^УБ и определение напряжений в различных точках механическим методом (методом отверстий).

На основании результатов экспериментальных исследований проведена оценка несущей способности и живучести сварных элементов конструкций из исследуемых сталей по критериям статической и циклической прочности и сопротивления хрупкому разрушению.

В третьей главе исследовано влияние структурно-механической неоднородности сварных соединений на характеристики несущей способности сталей повышенной прочности классов К52 - К70 (марок 09Г2С, 17Г1СУ, 09Г2ФБ, 10ХСНД и 10Г2ФБЮ). В ходе металлографического и дюрометрического анализа установлено, что в исследуемых сварных соединениях имеют место мягкие прослойки, в роли которых выступает металл зоны термического влияния и непосредственно шва. Также выявлено присутствие в структуре наплавленного металла и околошовной зоны неравновесных составляющих - феррита видманштеттовой ориентации и игольчатого.

Результатами проведенных испытаний подтверждается, что свойства сварных соединений не определяются свойствами мягкой прослойки; они зависят от степени механической неоднородности, а также ее топографии, характеризуемой взаимным расположением и геометрией твердых и мягких прослоек. Это наглядно демонстрируется экспериментальными данными

(рисунок 1, степень механической неоднородности Кп определялась как отношение Со,2 твердой прослойки К 00,2 мягкой прослойки). Так, наличие мягких прослоек относительной толщиной х более 0,4 значительно снижает прочностные и пластические свойства. Особенно отрицательное влияние оказывают прослойки с ^ в диапазоне от 0,6 до 0,8, что проявляется в уменьшении величины удельной работы разрушения примерно на 50 %.

а) б)

Рисунок 1 - Влияние характера структурно-механической неоднородности на относительное изменение показателей несущей способности сварных соединений с мягкими прослойками (по вертикальным осям отложены величины, равные отношению соответствующей характеристики, определенной для сварного соединения, к

характеристике основного металла): а) предела прочности и предела текучести; б) удельной работы разрушения

По результатам оценки поля остаточных напряжений в сварных соединениях (рисунок 3) установлено, что в зависимости от прочности свариваемой стали их значения повышаются и могут достигать 35 % предела текучести (при сварке равнопрочных сталей). При сварке двух сталей различной прочности остаточные напряжения составляют до 50 % предела текучести менее прочной стали.

Наличие в наплавленном металле неравновесных структур приводит к снижению ударной вязкости этой зоны на величину до 50 % (рисунок 2, где ОШЗ - участок перегрева околошовной зоны, ЗТВ - участок синеломкости зоны термического влияния, ОМ - основной металл). Участок металла, подвергаемый при сварке термическому старению, имеет значения КСУ на 25 % ниже, чем для основного металла.

К52 К66

И центр шва ПОШЗ НЗТВ НОМ

Рисунок 2 - Значения ударной вязкости в различных зонах сварных соединений

Принимая во внимание подтвержденное в работе несоответствие свойств сварных соединений свойствам их слабых зон, при проведении диагностирования сварных конструкций предложено использование зависимостей изменения характеристик предельной несущей способности сварных соединений с мягкими прослойками от характера механической неоднородности, описываемой комплексным показателем ^г

Х. = Х(НТ-НМ)/НМ>

X - относительная толщина прослоек;

Нт, Нм - твердость основного металла и мягкой прослойки.

(1)

------JO0

ч.,., . >ч

-09Г2С

---17ПСУ

......09Г2ФБ

--10ХСНД

- • 10Г2ФБЮ

Ж 09Г2С+ЮХСНД

25

20

15

20

25

10 5 0 5 10 расстояние от центра шва, мм Рисунок 3 - Распределение максимальных остаточных растягивающих напряжений в

сварных соединениях

Получение искомых зависимостей осуществляли построением графиков, абсциссы которых соответствовали величинам а ординаты - показателям относительного изменения характеристик несущей способности. Обработанные средствами Microsoft Excel графические зависимости представлены на рисунке 4.

В четвертой главе представлены результаты анализа деградации структурно-механического состояния сварных элементов при взаимодействии с продуктами переработки нефти - керосином, дизельным топливом, смеси керосиновой фракции с дизельной. Установлено, что скорость коррозии для

1

0,8 е 0,6 0,4 0,2 • 0

у = -456,Збх2 + -I 026,2х - 575,99 Я2 = 0,8666

0,8

сч 0,6

(Л 0,4 -

0,2

0

у = -315,66х2 + 705,53х- 393,29 Я2 = 0,873

1,11

1,13 Хв

1,15

1,11

1,13 Хв

1

0,8 0,6

с

0,4 0,2 0

/

;У= 1736,2х2 - 3953,4х + 2251 Я2 = 0,8741

1,15

1,13 Хв

1,15

Рисунок 4 - Зависимости изменения показателей предельной несущей способности сварных соединений сталей повышенной прочности от характера механической

неоднородности

разных участков сварных элементов различна и зависит от характера среды и длительности взаимодействия (рисунок 5). Самой агрессивной средой оказался керосин, нейтральной - дизельное топливо: максимальная скорость роста коррозионных каверн в керосине составила в среднем 0,3 мм/год, тогда как в дизельном топливе - 0,15 мм/год. Наиболее интенсивное уменьшение толщины образцов наблюдается в течение первого полугодия - 4 % в год, при взаимодействии со средой более одного года скорость коррозии существенно снижается и составляет 2 % в год (для ЗТВ). При этом сталь 09Г2С, имеющая более крупнозернистое строение и низкие механические свойства, более подвержена коррозии. Выявлено, что при длительном воздействии нефтепродуктов наиболее интенсивно разрушается металл ЗТВ, наименее -наплавленный металл (рисунок 6, коррозия сварных соединений 09Г2С в керосине). Результаты механических испытаний (рисунки 7, 8 и 9) показали, что контакт с агрессивной средой приводит к интенсивному эксплуатационному старению металла, неравномерному для различных участков сварных элементов. Наиболее значительное влияние на изменение вязкопластических свойств оказывает керосин. Так, за первый год взаимодействия с ним статическая трещиностойкость основного металла и ЗТВ сварных элементов стали 09Г2С снижается более чем в 1,6 раза, металла шва - в 1,25 раза (рисунок 8). Подобным образом изменяются и величиныударной вязкости. В результате этого по мере увеличения срока эксплуатации показатели вязкости разрушения основного металла и ЗТВ приближаются к аналогичным показателям для металла шва, при

Рисунок 5 - Скорость коррозии сварных соединений при взаимодействии с керосином (сплошные линии), смеси керосиновой и дизельной фракций (штриховые линии), дизельным топливом (пунктирные линии): • - сварные соединения стали 09Г2С; А - сварные соединения 09Г2С и 09Г2ФБ; ■ - сварные соединения 09Г2ФБ.

этом К,с основного металла и ЗТВ снижается в 2,87 раза, шва - в 2 раза. Характеристики прочности изменяются незначительно - повышаются не более чем на 10 % за 25 лет, (рисунок 9, по вертикальной оси отложены величины, равные отношению абсолютной разницы показателей свойств материала после эксплуатации и в исходном состоянии к аналогичным показателям свойств в исходном состоянии, выраженные в процентах). Существенно снижается пластичность (относительное удлинение металла ОШЗ за 25 лет эксплуатации - на 20 %).

Представлены результаты оценки показателей живучести вертикального цилиндрического резервуара для продуктов переработки нефти емкостью 5000 м3 с толщиной стенки 10 мм как способности противостоять развитию критических и катастрофических разрушений из-за повреждений. При расчетах определили максимальные допускаемые и критические

сварных соединений в зависимости размеры трещиноподобных дефектов а от длительности эксплуатации

также ресурс безопасной эксплуатации, по критериям статической и усталостной прочности и сопротивления хрупкому разрушению в соответствии с ГОСТ Р 52910-2008, РД 153-112-017-97 и др.

И ом

Наработка, лет □ ошз В шов

Рисунок 6 - Изменение скорости коррозии различных участков

Ы09Г2ФБ □ 09Г2С

И09Г2ФБ+09Г2С

Рисунок 7 - Влияние продуктов переработки нефти на изменение ударной вязкости сварных соединений (Дл - дизельное топливо, ЕН - смесь дизельной фракции с керосиновой, РТ - керосин)

3

гч

I"

Я

>- I

о

2

19

о

10 15 т, лет

20

25

Рисунок 8 - Изменение ударной вязкости и статической трещиностойкости основного металла (пунктирные линии) и сварных швов (сплошные линии) в зависимости от продолжительности контакта с керосином

Рисунок 9 - Относительное изменение механических свойств сварных элементов из стали 09Г2С в зависимости от длительности взаимодействия с керосином: сплошные линии - предел прочности, штриховые - предел текучести, пунктирные - относительное остаточное удлинение; •- основной металл, А - металл шва, ■ - ОШЗ.

Проведением конечно-элементного анализа определили, что наибольшие значения эксплуатационных напряжений в обечайке резервуара имеют место в области врезки штуцеров и составляют около 160 МПа, тогда как максимальные напряженияв стенке резервуаров составляют от 16 до 66 МПа.

Рассчитали, что ресурс прочности резервуара при расчете по основному металлу с учетом максимальных напряжений и коррозии (при условии отсутствия дефектов сплошности) составляет 27 лет. Принимая во внимание неравномерность распределения напряжений в различных участках резервуара, произвели расчеты допускаемой и критической глубины трещин в зависимости от срока эксплуатации. При расчете на статическую прочность в качестве предельного состояния принимали наступление текучести в нетто-сечении конструктивного элемента, ослабленном трещиноподобным дефектом. Результаты расчетов представлены на рисунке 10.

а)

т — - -

в * *

Д-'— * •■'<%•••••■•■. -

1______________________________ В * 111--

-.......

т, лет б)

Рисунок 10 - Кривые живучести обечайки резервуара 5000 с керосином: а) допускаемая глубина дефекта; б) критическая глубина дефекта; сплошными линиями показаны результаты расчета на статическую прочность; штриховыми - расчета на сопротивление хрупкому разрушению; пунктирными - на сопротивление усталости; сплошными тонкими линиями обозначен прогноз изменения предельных размеров дефектов; • - основной металл; ■ - ОШЗ; ▲ - металл шва

Из представленных результатов выявлено, что критерий наступления предельного состояния элемента конструкции с дефектом определяется в зависимости от места нахождения дефекта и срока эксплуатации. При этом

четко прослеживается, что металл околошовной зоны наиболее чувствителен к дефектам, и следовательно размеры их здесь минимальны: после 10 лет эксплуатации допускаемая глубина дефекта в ОШЗ примерно в два раза ниже, чем в основном металле. Наступление предельного состояния резервуара, отработавшего не более 17 лет, с трещиноподобным дефектом в околошовной зоне сварного элемента реализуется в момент достижения действующими в ослабленном сечении напряжениями значений расчетного сопротивления, эквивалентного пределу текучести. Также отмечается, что на начальном этапе эксплуатации конструкции значения допускаемых и критических размеров повреждений по мере наработки снижаются более интенсивно, что связано со значительной деградацией структуры и свойств материала в течение первых трех лет. Для резервуаров, отработавших более пяти лет, зависимость максимальной глубины дефекта от срока эксплуатации близка к линейной. При превышении срока эксплуатации более 17 лет расчеты критических и допускаемых размеров повреждений следует производить с учетом подрастания трещин усталости. Эксплуатация резервуара после наработки 27 лет сопряжена с высоким риском его нестабильного разрушения.

Использование кривых живучести, построенных для резервуаров конкретной вместимости и условий эксплуатации, способствует снижению трудоемкости процедуры оценки прочности и несущей способности.

В пятой главе приведены результаты анализа влияния термической обработки на структурно-механическое состояние и сопротивление разрушению сварных элементов из сталей повышенной прочности. С этой целью проводили отпуск сварных соединений по стандартной технологии и термоциклическую обработку по маятниковому и среднетемпературному режиму (МТЦО и СТЦО) общую и локальную. МТЦО заключалась в прохождении нескольких нагревов-охлаждений в интервале температур неполных фазовых превращений: нагрев до температуры на 30...50 °С выше Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50...80 °С ниже точки Аг,. Отличие СТЦО состояло в том, что охлаждение осуществляли до температуры на 30...50 °С ниже точки Аг, на воздухе, а далее - в воде или масле (в нашем случае - в воде). Объемную МТЦО и СТЦО осуществляли в электропечи сопротивления БШЬ; локальную - на

установке индукционного нагрева ВЧГ-6, параметры режимов МТЦО и СТЦО представлены в таблице 1. При разработке режимов термоциклической обработки (ТЦО) использовался метод планирования экспериментов, критерием оптимизации выбрано повышение прочности сварного соединения при сохранении высоких вязко-пластических свойств.

Таблица 1 - Режимы ТЦО сварных соединений

Сварное соединение Вид обработки т °г 1 нагр» ^нагр Т °Р 1 охл» ^ ^охл» °С /мин Число циклов

09Г2С МТЦО общая 770±10 250±10°С/мин 550.20 200±20 3

МТЦО местная 790±10 25±2°С/с 550.20 4

СТЦО 770±10 250±10°С/мин 600.20 3

10ХСНД МТЦО 780±5 250±10°С/мин 580.20 200±20 3

СТЦО 790±10 250±10 °С/мин 600-20 2

Проведением металлографического анализа сварных соединений после ТЦО по оптимизированным режимам установлено, что данный вид обработки улучшает их структурное состояние благодаря перерождению неравновесных и грубокристаллических структур, имеющих место в наплавленном металле и околошовной зоне, в однородную мелкодисперсную (рисунок 11). Также наблюдается измельчение зерна в ЗТВ. Однако следует отметить, что ТЦО стали 09Г2С не способствует устранению перлитной полосчатости вследствие того, что в катанных кремние-марганцевых сталях скопления перлита за счет обогащения марганцем при распаде аустенита оказываются устойчивыми к нагреву и при интенсивном термическом воздействии могут вырождаться в строчечное расположение перлитных зерен. Для стали 10ХСНД (после термоулучшения, рисунок 12) примечательным является то, что ТЦО не вызывает роста зерна основного металла, а следовательно, не должно вызывать снижения его прочности.

На основании комплексного анализа результатов механических испытаний термообработанных сварных соединений (рисунок 13) заключили, что проведением ТЦО возможно обеспечить повышение показателей прочности

Рисунок 11 - Характер структурных превращений в сварных соединениях стали 09Г2С при термоциклической обработке (цена деления шкалы - 5 мкм)

Рисунок iz - ларактер структурных превращений в сварных соединениях стали 10ХСНД при термоциклической обработке, х500

ОШЗ

Отпуск МТЦО СТЦО

1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2

им ии п

ОМ СС 0

Нов На0,2 П5 0К1с ом сс

Рисунок 13 - Сравнительные диаграммы изменения свойств стали 09Г2С (ОМ) и сварных соединений (СС) после термообработки (по вертикальным осям отложены величины, равные отношению исследуемой характеристики материала после термической обработки к аналогичной характеристике материала в исходном

состоянии)

МТЦО

1 —

ом сс

сварных соединений на 10 %, при этом их значения стремятся к аналогичным для основного металла, то есть снижается степень механической неоднородности. Пластичность основного металла и сварного соединения остается практически неизменной, существенно повышается вязкость разрушения К1С. Также было выявлено, что что проведение ТЦО способствует повышению хладостойкости сварных соединений при незначительном понижении температуры (от комнатной до минус 20 °С). Дальнейшее охлаждение влечет за собой резкое уменьшение сопротивления хрупкому разрушению как находящихся в исходном состоянии элементов, так и термически обработанных (рисунок 14).

Результаты анализа поля остаточных напряжений в сварных элементах после термоциклической обработки показывают, что ее проведение не вызывает повышения уровня остаточных напряжений (рисунок 15).

Количественную оценку влияния термической обработки на живучесть сварных конструкций производили на основании анализа изменения предельных размеров повреждений и остаточного ресурса сварных элементов из стали 09Г2С после отпуска и ТЦО.

Остаточный ресурс рассчитывали по формуле:

где М — резерв прочности как разность

несущей способности и нагрузки; с1М / ёх- скорость изменения резерва прочности за расчетный период.

Сопоставлением предельных размеров повреждений элементов в исходном и термически обработанном состоянии (рисунок 16, а) установили, что проведение ТЦО способствует увеличению предельно допускаемых размеров повреждений в прилегающем к сварному шву участке до соответствующих значений, характерных для основного металла. Кроме того, выявили, что ТЦО способствует продлению ресурса безопасной эксплуатации исследуемых

температура, °С -исходное состояние---ТЦО

Рисунок 14 - Влияние низких температур на ударную вязкость сварных соединений из стали марки 09Г2С

резервуаров с дефектами (на 15 %, рисунок 16, б). Проведение отпуска на исследуемые показатели влияет незначительно.

а)

Я!

б)

Рисунок 15 - Поле остаточных эквивалентных напряжений в сварных соединениях сталей 09Г2С и 10ХСНД (Па): а) в исходном состоянии; б) после термической обработки

допускаемая критическая

а) б)

Рисунок 16 - Изменение предельных размеров дефектов (а) и остаточного ресурса (б) в

зависимости от глубины трещиноподобного дефекта в сварных элементах из стали 09Г2С при термической обработке (• - ранее не эксплуатируемый резервуар; ■ -после трех лет эксплуатации; ▲ - после 15 лет эксплуатации; сплошные линии - без термической обработки; штриховые - после ТЦО)

Таким образом установили, что в некоторых случаях проведение общей или локальной термической обработки конструкций оборудования оказывается

целесообразным с точки зрения повышения несущей способности и продления ресурса безопасной эксплуатации. Для технико-экономического обоснования применения определенного режима термической обработки рекомендуется использовать целевую функции оптимизации следующего вида:

3 = Зуд w2 + Згр1п + Зтод + R. -> min, (3)

К = К**,

где Зуд - удельные (на 1 м3 нефтепродукта) затраты на изготовление и эксплуатацию резервуара вместимостью Vpi для резервуарного парка, где должен содержаться нефтепродукт объемом W^; 3npi - стоимость одного модуля систем обнаружения утечек и пожаротушения и его монтаж; п - количество модулей обнаружения утечек; Зтод — затраты на проведение работ по оценке технического состояния и остаточного ресурса резервуара; Ra - возможный ущерб от аварии; К** - требуемое значение показателя безопасности резервуара.

То есть варьированием технологии изготовления резервуаров необходимо найти вариант, при котором затраты на изготовление резервуаров, приобретение и монтаж системы обнаружения утечек и пожаротушения, проведение диагностических работ, а также возможный ущерб в результате аварии в сумме должны быть минимальны.

Основные выводы по работе:

1. При оценке сопротивления разрушению сварных соединений с мягкими прослойками установлено, что наличие мягких прослоек приводит к снижению прочности конструктивных элементов до 30 % и ресурса безопасной эксплуатации до 15%.

2. Установлена взаимосвязь критерия механической неоднородности с показателями изменения несущей способности сварных соединений, описываемая кривыми второго порядка. Выявлено, что металл шва и зоны перегрева сварного соединения, имеющие грубокристаллическую структуру, имеют значения ударной вязкости и трещиностойкости, до двух раз меньшие аналогичных для основного металла. Также идентифицировано наличие

значительных собственных напряжений в сварных соединениях, составляющих до 50 % от предела текучести материала. Данные факты свидетельствуют о повышении вероятности хрупкого разрушения при пониженных температурах эксплуатации сварных конструкций.

3. Установлено, что длительное взаимодействие с продуктами переработки нефти (в особенности с керосином) приводит к эксплуатационному старению и коррозионному разрушению материала резервуара, наиболее интенсивно протекающим в течение первых трех лет эксплуатации в зоне термического влияния сварных элементов. За время эксплуатации 25 лет трещиностойкость основного металла и ЗТВ снижается в 2,87 раза, шва - в 2 раза; характеристики прочности изменяются незначительно (повышаются не более чем на 10 %), но существенно снижается пластичность (относительное удлинение металла ОШЗ - на 20 %). Присутствие гетерогенных зон в сварных элементах вызывает снижение предельных размеров повреждений в стенке резервуаров для хранения нефтепродуктов до двукратной величины.

Полученные результаты анализа наступления предельного состояния сварных элементов с трещиноподобными дефектами по мере наработки устанавливают применимость критериев оценки их текущего состояния и остаточного ресурса: при наработке до 17 лет - по условию статической прочности, свыше 17 лет - с учетом усталости в пределах срока службы 25 лет. При запроектном сроке эксплуатации работоспособность элементов оценивается по критерию хрупкого разрушения.

Построенные для резервуаров конкретной вместимости и условий эксплуатации кривые живучести целесообразно использовать для снижения трудоемкости процедуры оценки прочности и несущей способности.

4. Показана возможность продления ресурса безопасной эксплуатации сварных конструкций (на 15 %) проведением термоциклической обработки сварных элементов, способствующей устранению структурной неоднородности, выравниванию свойств по сечению сварных соединений и двукратному увеличению удельной работы разрушения, благодаря чему обеспечивается увеличение предельно допустимых размеров повреждений в сварных элементах в 1,3 раза.

По итогам проведенных исследований, а также анализа действующей нормативной документации в работе предложены рекомендации, которые необходимо учитывать при проектировании, изготовлении, диагностике и оценке остаточного ресурса оборудования для хранения нефти и нефтепродуктов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: в изданиях из Перечня ВАК РФ:

1. Кузеев, И. Р. Эволюция градиентных структурно-механических состояний сварных соединений при термоциклическом воздействии / И. Р. Кузеев, Е. В. Пояркова, JI. С. Диньмухаметова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» - 2011. -№ 1. - С. 254-267. URL:HTTP://wwvv.ogbus.ru/AUTHORS/Kuzeev 3.pdf.

2. Кузеев, И. Р. Прогнозирование безопасности эксплуатации сварных конструкций в условиях нефтесодержащих сред / И. Р. Кузеев, JI. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», - 2011. - № 6, -С. 254-262. URL:HTTP:// www.ogbus.ru/AUTHORS/Kuzeev 7.pdf.

3. Диньмухаметова, JI. С. Влияние механической неоднородности на предельную несущую способность сварных соединений из сталей повышенной прочности / JI. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова // Научно-технический вестник Поволжья.-2011,- №6,-С. 160-161. ISSN2079-5920.

4. Диньмухаметова, JI. С. Применение магнитных методов при контроле качества сварных конструкций из сталей повышенной прочности / JI. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», - 2012. - № 4, - С. 352-360. URL:HTTP:// www.ogbus.ru/authors/Dinmukhametova / Dinmukhametova 1 .pdf.

в прочих изданиях:

5. Кузеев, И. Р. Влияние циклической повреждаемости на изменение свойств и деградацию структуры сварных соединений на разных масштабных уровнях / И. Р. Кузеев, Е. В. Пояркова, JI. С. Диньмухаметова, Н. Ю. Трякина // Физика прочности и пластичности материалов : материалы XVII междунар. конф., 23-25 июня 2009 г. : сб. тез. / отв. ред. А. М. Штеренберг - Самара : Самарский гос. тех. ун-т, 2009. - С. 261. -ISBN 978-5-7964-1208-4.

6. Диньмухаметова, JI. С. Влияние режимов термоциклической обработки на повышение прочностных свойств низколегированных сталей / Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: материалы 11-й межд. науч.-практ. конф. - в 2 ч. Часть 2: Спб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2009. - С. 103-106.

7. Бугакова, О. В. Анализ структурно-фазовых превращений в низколегированных сталях при ТЦО / О. В. Бугакова, Е. В. Пояркова, JI. С.

Диньмухаметова // Итоговая науч.-практ. конф. преподавателей и студентов ОГТИ (филиала) ГОУ ВПО ОГУ (2009 год): Материалы : в 3 ч. - Орск: Изд-во ОГТИ, 2009. -Часть 3. Технические, физико-математические и экономические науки. - С. 17-19. -ISBN 978-5-8424-0389-9.

8. Горелова, Е. С. Исследование механического поведения сварных соединений низколегированных сталей при ТЦО / Е.С. Горелова, Е. В. Пояркова, JI. С. Диньмухаметова // Итоговая науч.-практ. конф. преподавателей и студентов ОГТИ (филиала) ГОУ ВПО ОГУ (2009 год) : Материалы : в 3 ч. - Орск: Изд-во ОГТИ, 2009. -Часть 3. Технические, физико-математические и экономические науки. - С.28-29. -ISBN 978-5-8424-0389-9.

9. Диньмухаметова, Л. С. Оптимизация режимов термоциклической обработки сварных соединений стали 09Г2С с целью повышения их эксплуатационной надежности / JI. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова // Мировое сообщество: проблемы и пути решения : сб. науч. ст. - Уфа : Изд-во УГНТУ, 2009. - №25. - С. 59-61. - ISBN 57831-0541-4.

10. Диньмухаметова, JI. С. Влияние режимов термоциклической обработки на механическое поведение легированных сталей / Л. С. Диньмухаметова, Н.Ю. Трякина // Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» : сборник тезисов- Витебск : УО «ВГТУ», 2009. - С. 106-107. - ISBN 978-985-481-161-1.

11. Диньмухаметова, Л. С. Оценка остаточного ресурса сварных соединений с несплошностями / Л. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова, И. Р. Кузеев // Прочность и разрушение материалов и конструкций : материалы междунар. науч. конф., 20-22 октября 2010 г. Оренбург / науч. ред. С. Н. Летута, Г.В. Клевцов - Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2010, С. 577-582. - ISBN 978-5-7410-1079-2.

12. Диньмухаметова, Л. С. Исследование напряженно-деформированного состояния сварных соединений / Л. С. Диньмухаметова // Итоговая науч.-практ. конф. преподавателей и студентов ОГТИ (филиала) ГОУ ВПО ОГУ (2010 год) : Материалы : в 3 ч. - Орск: Изд-во ОГТИ, 2010. - Часть 3. Технические, физико-математические и экономические науки : в 2 т. Т.1. Технические и физико-математические науки. - С.49-51.-ISBN 978-5-8424-0543-5.

13. Диньмухаметова, Л. С. Структурно-энергетические аспекты повышения надежности сварных соединений / Л. С. Диньмухаметова // Итоговая науч.-практ. конф. преподавателей и студентов ОГТИ (филиала) ГОУ ВПО ОГУ (2010 год) : Материалы : в 3 ч. - Орск: Изд-во ОГТИ, 2010. - Часть 3. Технические, физико-математические и экономические науки : в 2 т. Т.1. Технические и физико-математические науки. - С.51-54. - ISBN 978-5-8424-0543-5.

14. Диньмухаметова, Л. С. Критерии синергетики в техническом обосновании и оптимизации послесварочной обработки металлоконструкций / Л. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова // Итоговая науч.-практ. конф. преподавателей и студентов ОГТИ (филиала) ГОУ ВПО ОГУ (2010 год) : Материалы : в 3 ч. - Орск: Изд-

во ОГТИ, 2010. - Часть 3. Технические, физико-математические и экономические науки : в 2 т. Т.1. Технические и физико-математические науки. - С.54-55. - ISBN 9785-8424-0543-5.

15. Диньмухаметова, JI. С. Применение диаграмм неразрушимости для оценки работоспособности сварных конструкций с дефектами сплошности / JI. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова, И. Р. Кузеев // Мировое сообщество: проблемы и пути решения : сб. науч. ст. - Уфа : Изд-во УГНТУ, 2011. - № 29. - С. 33-38. - ISBN 57831-0541-4.

16. Пояркова, Е. В. Роль остаточных напряжений в оценке напряженно-деформированного состояния сварных соединений. / Е. В. Пояркова, JI. С. Диньмухаметова, Т. Ф. Халитов // Инновации. Инициатива. Опыт. Изд-во ОГТИ, 2011. -№ 1,-С. 77-82.

17. Пояркова, Е. В. Структурно-механическое поведение сварных соединений при термоциклической обработке. / Е. В. Пояркова, JI. С. Диньмухаметова // Инновации. Инициатива. Опыт. Изд-во ОГТИ, 2011. - №1, - С. 70-77.

18. Пояркова, Е. В. Оптимизация технологии термоциклической обработки сварных элементов из сталей повышенной прочности / Е. В. Пояркова, JI. С. Диньмухаметова // Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов: сборник докладов Международной научной конференции. Орск, Орский гуманитарно-технологический институт (24-25 ноября 2011 г.) в 2 т. Т.1. - М.: Машиностроение, 2012. - С. 521-532

19. Диньмухаметова, JI. С. Оценка несущей способности сварных соединений / Л. С. Диньмухаметова, Е. В. Пояркова, Д.О. Икамацких II XIV внутривузовская науч. - пракг. конф. Орского гуманитарно-технологического инстшуга (филиала) О ГУ (12 апреля 2012 года): материалы: в 3 ч. - Орск: Из-во ОГТИ, 2012. - Часть 3. Технические, физико-математические и экономические науки. - С. 21-25. ISBN 978-5-8424-0620-3.

Подписано в печать 16.09.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 А6 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 90. Заказ 139

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Уфимский государственный нефтяной технический университет

04201363392

ДИНЬМУХАМЕТОВА ЛЮДМИЛА СЕРГЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ

Специальности: 05.16.09 - «Материаловедение»

На правах рукописи

(машиностроение в нефтегазовой отрасли) 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Кузеев И.Р., д.т.н., профессор

Уфа-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

1. Особенности эксплуатации сварных оболочковых конструкций в нефтеперерабатывающей отрасли......................................................11

1.1 Анализ факторов, влияющих на несущую способность, ресурс и безопасность эксплуатации сварных конструкций в нефтеперерабатывающей отрасли........................................................................................12

1.1.1 Влияние характера структурно-механической неоднородности сварных соединений..................................................................................12

1.1.2 Влияние остаточных напряжений в сварных элементах..................16

1.1.3 Влияние характера рабочей среды...............................................18

1.2 Технологические возможности процессов термической обработки в формировании эксплуатационных свойств сварных конструкций оборудования в нефтеперерабатывающей отрасли..................................21

1.3 Основные подходы к анализу сопротивления разрушению, ресурса и безопасности эксплуатации сварных оболочковых конструкций в

нефтеперерабатывающей отрасли......................................................25

2 Материалы и методики исследований...............................................39

2.1 Общая характеристика объекта исследования..................................39

2.1.1 Материалы.............................................................................39

2.1.2 Изготовление сварных образцов................................................39

2.2 Методика проведения термической обработки.................................40

2.2.1 Методика проведения отпуска....................................................40

2.3.2 Методика проведения термоциклической обработки.......................41

2.3 Методы исследований.................................................................42

2.3.1 Методика металлографического анализа.......................................42

2.3.2 Методика механических испытаний............................................42

2.3.2.1 Методика дюрометрического анализа.......................................43

2.3.2.2 Методика проведения испытаний на растяжение...................44

2.3.2.3 Методика испытаний на ударный изгиб...............................45

2.3.2.4 Методика определения разрушающей силы для образца с трещиной при статическомнагружении..............................................45

2.3.2.5 Методика построения кинетических диаграмм усталостного разрушения..................................................................................48

2.3.3 Методика определения магнитных характеристик...........................49

2.3.4 Конечно-элементное моделирование поля остаточных напряжений в сварных элементах в вычислительном комплексе ANS YS........................50

2.3.5 Определение остаточных напряжений методом отверстий................51

2.3.6 Определение коррозионной стойкости сварных соединений..............54

2.4 Методика статистической обработки результатов испытаний............55

3 Влияние структурно-механической неоднородности сварных соединений на несущую способность конструкций из сталей повышенной прочности...................................................................................57

3.1 Микроструктурные аспекты эволюции механических свойств сталей повышенной прочности при образовании сварных соединений.................57

3.2 Влияние характера механической неоднородности на показатели несущей способности сварных соединений с мягкими прослойками......................65

3.3 Напряженно-деформированное состояние механически неоднородных элементов из сталей повышенной прочности........................................71

3.4 Диагностическое исследование энерго-механического состояния сварных элементов из сталей повышенной прочности.........................................76

3.5 Несущая способность сварных оболочковых конструкций с мягкими прослойками.................................................................................77

4 Влияние длительной эксплуатации на сопротивление разрушению и безопасность сварных элементов резервуаров для хранения

нефтепродуктов............................................................................82

4.1 Оценка структурно-механического состояния сварных элементов при

взаимодействии с продуктами переработки нефти.............................83

4.2 Оценка живучести сварных элементов резервуаров для хранения

нефтепродуктов............................................................................92

5 Влияние термической обработки на свойства сварных элементов из сталей повышенной прочности........................................................105

5.1 Назначение и оптимизация режимов термической обработки..............106

5.1. Шазначение режимов отпуска....................................................106

5.1.2Разработка режимов термоциклической обработки........................106

5.2 Характер структурных превращений в сварных соединениях при термической обработке..................................................................110

5.2.1 Сварные соединения стали 09Г2С.............................................110

5.2.2 Сварные соединения стали 10ХСНД..........................................114

5.3 Характер изменения механического поведения сварных соединений после термической обработки..................................................................116

5.4 Напряженно-деформированное состояние сварных соединений после термической обработки..................................................................123

5.5 Анализ влияния термической обработки на живучесть сварных элементов резервуаров для хранения нефтепродуктов.........................................128

5.6 Рекомендации по обеспечению безопасности эксплуатации резервуаров

для хранения нефтепродуктов.........................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................137

Список использованных источников................................................139

Приложение А - Химический состав, состояние поставки и механические

свойства исследуемых сталей.........................................................155

Приложение Б - Кинетические диаграммы усталостного разрушения сварных соединений стали 09Г2С................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация технологических процессов в нефтеперерабатывающей отрасли способствует ужесточению требований к производственному оборудованию, в частности, к применяемым материалам и технологиям его изготовления, методическим и техническим основам диагностирования и оценки ресурса безопасной эксплуатации.

Свойства оборудования в нефтеперерабатывающей отрасли формируются на протяжении всего его жизненного цикла, т. е. на всех стадиях его проектирования, изготовления и эксплуатации. Коррозионно-активные компоненты перерабатываемой нефти способны вызывать практически все виды коррозионных разрушений, а также сильные изменения вязкопластиче-ских характеристик металла. Воздействие перечисленных неблагоприятных факторов на сварные конструкции усугубляется свойственной последним механической неоднородностью.

Механическая неоднородность, являясь следствием неравномерности температурных полей при сварке, а также применения отличающихся по свойствам сварочных материалов, в некоторых случаях может снижать несущую способность конструкций за счет образования зон ослабленного металла и сложного напряженного состояния. Кроме того, наличие участков с существенно различными свойствами затрудняет адекватную оценку сопротивления разрушению элемента в целом. Проведение термической обработки также оказывает неоднозначное влияние на комплекс прочностных и ресурсных характеристик сварных конструкций оборудован™ нефтеперерабатывающей отрасли.

Фундаментальными основами методов анализа сопротивления разрушению сварных конструкций служат труды академиков H.A. Махутова, К.В. Фролова, C.B. Серенсена. Большое значение при этом имеют результаты исследования деградационных процессов в материалах конструкций, отраженные в трудах A.M. Щипачева, М.М. Закирничной, И.Р. Кузеева, В.М.

Кушнаренко, Ю.А. Чиркова, A.B. Митрофанова, и оценки влияния механической неоднородности на несущую способность сварных элементов O.A. Бакши, Р.С Зайнуллина, О.И. Стеклова, М.А. Худякова, Е.В. Поярковой, А. Г. Халимова, A.A. Халимова, И. А. Рябова, Ю.Н. Антипова, С.Ф. Шайхулова и др. Большинством из перечисленных авторов также рассмотрен вопрос о влиянии дефектов на прочность и ресурс безопасной эксплуатации сварных конструкций. Несмотря на большое количество работ, посвященных анализу влияния деградационных процессов в структурно неоднородных материалах резервуаров для нефтепродуктов на компоненты их безопасности эксплуатации, некоторые вопросы в этой сфере остаются открытыми. В частности, недостаточно исследовано влияние механической неоднородности сварных соединений, контактирующих с дизельной и керосиновой фракцией, на показатели прочности и живучести конструктивных элементов резервуаров. В связи с этим изучение подобных вопросов является практически значимой и актуальной задачей.

Цель работы - оценка показателей сопротивления разрушению сварных элементов с мягкими прослойками для разработки рекомендаций по обеспечению безопасности эксплуатации конструкций оборудования для хранения нефтепродуктов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установить количественный показатель изменения несущей способности и сопротивления разрушению конструктивных элементов из низколегированных сталей повышенной прочности от характера механической неоднородности сварных соединений.

2. Выявить особенности структурно-механического поведения неоднородных сварных элементов в условиях длительной эксплуатации и проанализировать их влияние на живучесть вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов.

3. Оценить воздействие термической обработки на морфологические особенности структуры, характер изменения показателей сопротивления

разрушению и живучесть сварных элементов резервуаров для хранения нефтепродуктов.

Научная новизна

1. Определена топография механической неоднородности сварных элементов сталей классов прочности К52 - К70 с мягкими прослойками в диапазоне относительной толщины от 0,6 до 0,8, вызывающих снижение показателей прочности до 30 %, удельной работы разрушения до 50 %. Предложен комплексный критерий, характеризующий механическую неоднородность сварных соединений.

2. Для сварных соединений с мягкими прослойками установлены закономерности изменения критериев предельного состояния в зависимости от длительности эксплуатации. Рекомендовано производить обоснование возможности продления безопасной эксплуатации резервуаров, имеющих трещиноподобные дефекты, при наработке до 17 лет - по критерию статической прочности, в последствии - с учетом усталости.

Достоверность результатов обеспечивается комплексным использованием современных методов исследования и высокоточного оборудования, согласованностью результатов лабораторных и производственных испытаний с учетом методов математической статистики и сопоставлением результатов исследований с работами и выводами отечественных и зарубежных авторов.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по обеспечению безопасности эксплуатации резервуаров для хранения нефтепродуктов с механически неоднородными элементами по критерию минимизации затрат на изготовление, эксплуатацию и проведение работ по оценке технического состояния.

Предложенные рекомендации по внедрению технологии термоциклической обработки элементов конструкций с целью повышения эксплуатационной надежности технологического оборудования используются в ООО ЭСКО «Южный Урал» (г. Оренбург) при разработке мероприятий по

подготовке технологических решений объектов нефтегазового назначения по обеспечению пожарной безопасности.

Результаты исследования структурно-механического поведения сварных элементов в условиях длительной эксплуатации и коррозионного воздействия используются в учебном процессе при проведении практических занятий и лабораторных работ по дисциплинам «Прочность сварных конструкций» и «Контроль качества сварных соединений» при подготовке инженеров по специальности 150501 «Материаловедение в машиностроении» в Орском гуманитарно-технологическом институте (филиале) ОГУ.

На защиту выносятся: предложенные зависимости для оценки показателей несущей способности как функций механической неоднородности сварных соединений; результаты анализа деградации структурно-механического состояния сварных соединений, а также расчетов допускаемых и критических размеров повреждений и остаточного ресурса при различной длительности эксплуатации резервуаров для хранения нефтепродуктов, результаты анализа влияния различных видов термической обработки на сопротивление развитию повреждений и ресурс сварных элементов; рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации сварных резервуаров для хранения нефтепродуктов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. С.-Петербург, 2009 г.), XVII международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2009 г.), итоговой научно-практической конференции преподавателей и студентов ОГТИ (г. Орск, 2009 - 2012), международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Оренбург, 2010 г.), I и II международной научной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и

получению современных материалов и сплавов» (г. Орск, 2009, 2011 г.), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы нефтегазовой отрасли» (г. Оренбург, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 121 наименования, 2 приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, включая 60 рисунков, 20 таблиц.

При написании 4 и 5 глав работы научным консультантом являлась к.т.н., доцент Пояркова Е.В.

Для оценки влияния мягких прослоек на сопротивление разрушению сварных соединений (СС) выявили структурные аспекты изменения свойств металла зоны термического влияния (ЗТВ), установили характер распределения механических свойств по сечению сварных соединений, определили показатели несущей способности сварных элементов с различной геометрией и степенью механической неоднородности, а также исследовали изменение механических свойств и скорости коррозии отдельных зон и СС в целом в следствие длительного эксплуатационного воздействия нефтепродуктов. По результатам перечисленных экспериментов получили корреляционные зависимости показателей предельной несущей способности сварных соединений от характера механической неоднородности, используемые при проведении диагностики конструктивных сварных элементов, а также произвели расчет допускаемых и критических размеров повреждений и остаточного ресурса сварных элементов резервуаров для хранения нефтепродуктов при различных критериях предельного состояния. Для анализа изменения показателей несущей способности и безопасности эксплуатации конструкций оборудования после термической обработки исследовали структурные превращения, механические свойства и поле

остаточных напряжений, произвели расчет предельных размеров повреждений и остаточного ресурса сварных элементов после отпуска и термоциклической обработки, а также оценили возможность идентификации напряженно-деформированного состояния СС после термообработки по распределению магнитных свойств.

По итогам проведенных экспериментов предложены рекомендации и алгоритм мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации резервуаров для хранения нефтепродуктов. В рекомендациях отражены особенности учета механической неоднородности при проведении прочностного анализа, оценки несущей способности, определении предельных размеров повреждений и ресурса безопасной эксплуатации сварных конструкций резервуаров для хранения нефтепродуктов. Для снижения трудоемкости процедуры оценки прочности и несущей способности показана целесообразность использования кривых живучести и диаграмм неразрушимости, построенных для резервуаров конкретной вместимости и условий эксплуатации. Подробно описана процедура технико-экономического обоснования применения термической обработки на основании целевой функции минимизации суммарной величины издержек на