Развитие методов оценки работоспособности кольцевых сварных швов газопроводов компрессорных станций.

На правах рукописи

ПРОНИН АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ

Развитие методов оценки работоспособности кольцевых сварных швов

ООО «ПечорНИПИнефть»

Защита состоится ___2009 г. в ___часов на заседании диссертационного совета Д.212.291.02 при Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, г. Ухта Республика Коми, Первомайская 13. УГТУ тел. 8 82147 74 479

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.

Автореферат разослан ___ _____ _____ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн.наук, профессор Н.М. Уляшева

Актуальность проблемы. Современное состояние объектов магистрального транспорта газа и нефти характеризуется неуклонным приближением их к предельному сроку эксплуатации. Замена всего выработавшего ресурс оборудования и трубопроводов на новое объективно неосуществима в ближайшей перспективе, т.к. этот процесс требует огромных финансовых и временных затрат.

Для обеспечения необходимого (регламентированного нормативами) уровня безопасности и надежности оборудования и трубопроводов газо- и нефтетранспортные компании выполняют большие объемы диагностических работ. Например, в ОАО «Газпром» внедрена система диагностического обслуживания оборудования и трубопроводов, охватившая все компрессорные станции (КС) компании.

Благодаря современному уровню диагностического обеспечения было выявлено и в настоящее время все еще выявляется множество дефектов, которые по своим параметрам не соответствуют техническим стандартам. При этом нередко особенностью таких дефектов является то, что они выявляются уже после длительной эксплуатации, что свидетельствует об отсутствии их критического влияния на фактическую несущую способность сооружений. Как правило, устранение дефектов в сварных соединениях требует значительных ремонтных работ, связанных с вырезкой и заменой участков трубопроводов, особенно на КС. Поэтому необходимо знать реальную прочность дефектосодержащих сварных соединений и ремонтировать только те из них, которые не могут обеспечить дальнейшую безопасную эксплуатацию объекта.

С целью определения критериев фактической прочности дефектосодержащих сварных соединений выполняется множество научно-исследовательских работ ведущими центрами нефтяной и газовой промышленности (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ДОАО «Оргэнергогаз» и др.). Большое внимание уделяется экспериментальным работам по испытанию вырезанных дефектных участков трубопроводов, которые, как правило, показывают, что имеется определенный резерв несущей способности и возможность расширения существующего браковочного критерия дефектов. Однако данный вопрос до настоящего времени остается актуальным.

Ввиду отсутствия нормативных документов, учитывающих современное знание настоящей проблемы, часто применяется экспертный подход к определению допустимости дальнейшей эксплуатации объектов с дефектами. Такой подход означает, что эксперт в условиях отсутствия у него объективных данных о реальном уровне безопасности и надежности конструкции и, в большей степени исходя из своего опыта, принимает решение о необходимости ремонта или продолжении эксплуатации без реализации дополнительных превентивных мер. Естественно, что при таком подходе велика вероятность принятия ошибочного решения, т.к. его основой является субъективное мнение.

Цель работы. Целью настоящей работы является развитие методов оценки работоспособности кольцевых сварных швов (КСШ) газопроводов КС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.

Экспериментально изучить характер влияния поверхностных дефектов на механические характеристики образцов трубных сталей в зоне дефектов;На основе комплексного анализа механических и энергетических свойств дефектосодержащих КСШ предложить критерии оценки трубопроводов по предельным состояниям;В рамках упруго-пластической модели разработать и реализовать в среде программного комплекса “ANSYS” численную методику расчета сварных соединений газопроводов. С помощью разработанной численной методики:

- проанализировать влияние макрогеометрии сварного соединения на прочность технологических трубопроводов.

- получить количественную оценку влияния пор, включений и других дефектов в объеме КСШ на работоспособность стыка трубопроводов.

- оценить влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) и работоспособность технологических трубопроводов соединений труб, выполненных с отклонением диаметра (загибом кромок).

Научная новизна. По результатом проведенных комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования:

Показано, что при принятии решения о работоспособность сварных соединений, ослабленных поверхностными дефектами, можно использовать предложенный в работе коэффициент относительной работоспособности

где и соответствующие пределы прочности и относительного удлинения при разрыве бездефектного и дефектного сварного соединения, соответственно.

Установлено, что трещиностойкость сварных швов можно оценить с помощью относительного коэффициента зарождения трещин -,

где и критерии зарождения трещины для дефектных и бездефектных образцов.

Выявлено, что энергоемкость разрушения КСШ при изгибе оценивается параметром, равным произведению, где р – разрушающее напряжение в зоне растяжения, - относительная стрела прогиба.

Защищаемые положения:

1. Численная методика анализа напряженного состояния и оценки влияния макрогеометрии сварных стуков трубопровода и локальных дефектов (пор, включений, трещин) в объеме КСШ на работоспособность стыка трубопроводов.

2. Новые экспериментальные и численные результаты, представленные в виде номограмм зависимостей предельного эксплуатационного давления от параметров локального дефекта (применительно к трубопроводам диаметром 530 мм, толщиной стенки 8 мм, изготовленных из стали 17Г1С.)

3. Обоснование по использованию в качестве показателя снижения энергоемкости сварных соединений, ослабленных локальными дефектами коэффициента относительной работоспособности.

Практическая значимость работы:

1.

2. Экспериментальные и расчетные данные использованы при выполнении ряда хоздоговорных НИОКР и при разработке стандарта предприятия СТП 8828-170-04 «Сварные швы технологических трубопроводов компрессорных станций».

3. Результаты работы внедрены в учебный процесс по кафедре ПЭМГ в форме методической разработки по оценке влияния пор, включений и других дефектов в объеме КСШ на работоспособность стыка трубопроводов.

Работа выполнена на кафедре сопротивления материалов и деталей машин Ухтинского государственного технического университета совместно с ООО “Севергазпром” под руководством к.ф.- м.н. доцента Богданова Н.П. при тесном консультативном участии докт. техн. наук. профессора Гаврюшина С.С. и докт. техн. наук, профессора Андронова И.Н, которым автор выражает личную благодарность за большую научно-организационную помощь, оказанную в ходе выполнения диссертационной работы. Кроме того, за помощь в обсуждении и рассмотрении диссертационной работы автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой ПЭМГ канд. техн. наук Агиней Р.В.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза (2005г. Ухта), на IV международной школе-конференции “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений (MPFP)” (2007г. г. Тамбов);на XLVII Международной конференции “Актуальные проблемы прочности”, (2008г. г. Нижний Новгород), научно-технической конференции УГТУ (2006, 2007, 2008, 2009, Ухта);на расширенном заседании кафедры ПЭМГ и НТС УГТУ (2009).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы объемом в 141 страницы, а также трех приложений общим объемом в 25 страницы. В основном тексте диссертации приведены 95 рисунков и 18 таблиц. В приложении содержится 3 таблицы.

Основное содержание работы. Указанная выше задача решалась в следующей последовательности.

В первой главе диссертации дан краткий ретроспективный анализ прочностных аспектов влияющих на работоспособность сварных соединений длительно эксплуатируемых газопроводов. В обзоре использованы также материалы, выполненные при непосредственном участии автора настоящей работы [4-14]. Доказана актуальность и сформулированы конкретные цели настоящего исследования.

Во второй главе представлены методические и теоретические обоснования исследования применительно к дефектосодержащим сварным соединениям, изложены результаты испытаний на растяжение образцов с искусственно внесенными поверхностными дефектами различных конфигураций и ориентации, обоснована методика расчетного определения параметров, характеризующих энергетические свойства материала в зоне дефектов: энергоемкости, критериев зарождения и развития трещин. В этой же главе представлены результаты натурных испытаний сварных соединений с дефектами.

Процессы, протекающие в металле труб в ходе длительной эксплуатации, как и в металле сварного шва, приводят к изменению механических свойств и сопротивления разрушению. Выявление свойств, чувствительных к сроку эксплуатации, связывают с оценкой повреждаемости структуры материалов при различных НДС, влияющих на наступление предельного состояния и возникновения трещин и разрушения. Ввиду локальности процесса повреждения энергоемкость материалов, по существу, определяется ресурсом их опасных зон. Ставится вопрос о целесообразности применения существующих методов механических испытаний (растяжение, статический изгиб) и оценка энергоемкости к образцам с концентраторами напряжений (дефектами).

Сопротивление тел статическим деформациям можно оценивать путем сопоставления величин действующих нагрузок и, происходящих при таких нагрузках, деформаций. В случае пластической деформации при растяжении энергию разрушения в зоне локализации напряжений Туд можно определить по площади диаграммы истинных напряжений и оценить - относительный локальный ресурс дефектосодержащего образца (ресурс в зоне локализации напряжений) по отношению к бездефектному:

где - истинное относительное удлинение и истинное напряжение при разрыве, определяемое из условия, если;, если. Здесь — относительное сужение шейки при разрыве, - относительное сужение сечения стержня перед возникновением сосредоточенной деформации.

Профессором УГТУ И.Н. Андроновым, из опыта исследования разрушений магистральных конденсатопроводов и систематических лабораторных исследований металла труб, разрушившихся в процессе эксплуатации, был предложен параметр энергоемкости разрушения определяемый как:

где и - произведения математических ожиданий стандартных характеристик: условного предела прочности и среднего относительного удлинения при разрыве для исходного и бывшего в эксплуатации металлов соответственно. Предложенный параметр энергоемкости разрушения позволил давать количественную оценку остаточного ресурса прочности, выраженную в долях (в процентах) по отношению к ресурсу исходного металла.

В работах научной школы профессора В. А. Скуднова (г. Нижний Новгород) предложена методика анализа поведения критериев работоспособности различных сталей от силовых, временных, энергетических и повреждающих факторов, получаемых из испытаний на растяжение. Расчеты предельной удельной энергии, критериев зарождения и распространения трещин проводились по следующим формулам.

. где WC - предельная удельная энергия (МДж/м3) деформации, Т – предел текучести, В – предел прочности, – относительное удлинение, – относительное сужение, КЗТ – критерий зарождения трещины, определяющий способность материала сопротивляться возникновению трещин при деформации, КРТ – критерий распространения трещины, определяющий способность материала сопротивляться свободному движению трещин в условиях достижения критического напряженного состояния.

Первая серия испытаний на растяжение проведена на образцах с искусственно внесенными поверхностными дефектами. Для вычисления значений основных характеристик использовали формулы ГОСТ 1497-84.

Испытано 36 плоских призматических образцов с размерами 240205 мм: из них 4 фоновых бездефектных образца, изготовленных из трубной стали, используемой в технологических обвязках компрессорных станций;16 образцов с искусственными овальными сплошными дефектами, ориентированными под различными углами к оси нагружения;а также 16 образцов с кавернообразными дефектами, ориентированными под различными углами к оси нагружения. Метрологическое описание дефектных образцов приведено на рис.1.

Рис. 1. Схемы продольного и ориентированных под углом 45, 600 и 900 к оси нагружения а) овальных б) кавернообразных дефектов.

Новости // Оборудование, услуги, материалы

Газпром. Тендер на геофизические исследования скважин Западно-Тамбейского месторождения и другие закупки. 19 марта г

Объекты производственной сферы

Право заключения договора на выполнение СМР по объектам Оренбургского филиала ООО Газпромтранс . Лот № 1: Пожарная сигнализация в здании АБК, лабораторном и бытовом корпусах ;Лот № 2: Пожарная сигнализация в здании базы Околотка

№146/ГГР/14-3-0066/14.03.14/ЗЭПГОС на производство геофизических исследований и работ (ГИРС) в разведочных скважинах №№ 124,42,43,44 Западно-Тамбейского месторождения для нужд ООО Газпром геологоразведка

Объекты производственной сферы

Разработка проектной и рабочей документации на капитальный ремонт систем вентиляции и кондиционирования воздуха для нужд ООО Газпром трансгаз Ухта : Лот № 1 Разработка проектной и рабочей документации на капитальный ремонт систем вентиляции и кондиционирования воздуха в здании цеха №1 Мышкинского ЛПУМГ ООО Газпром трансгаз Ухта по объекту: КОМПРЕС.ЦЕХ КС-18 (инв. № 126126). Лот № 2 Разработка проектной и рабочей документации на капитальный ремонт систем вентиляции и кондиционирования воздуха в здании цеха № 4 Вуктыльского ЛПУМГ ООО Газпром трансгаз Ухта по объекту: ЗДАНИЕ КОМПРЕССОРН. ЦЕХА 13 КС-3 (инв. № 125850)

Объекты по капитальному ремонту

Разработка проектной и рабочей документации на капитальный ремонт технологических трубопроводов площадки КЦ №3 Сосногорского ЛПУМГ ООО Газпром трансгаз Ухта по объекту: МЕЖЦЕХОВ.-ТЕХНОЛОГИЧ. КОММУНИКАЦИИ КС-10 (инв. № 126200)

Выполнение работ по капитальному ремонту двигателей ГТД-350 для нужд Пермского филиала ООО Авиапредприятие Газпром авиа

Выполнение работ по капитальному ремонту главного редуктора ВР-2 для нужд Пермского филиала ООО Авиапредприятие Газпром авиа

Капитальный ремонт

Разработка проектной и рабочей документации по объекту: УСТАНОВКА ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА КС-14 (инв. № 126438) - капитальный ремонт установки воздушного охлаждения газа компрессорного цеха №4 газопровод Пунга-Ухта-Грязовец (4 нитка) Ду-1420, Ру-7,4 МПа) Приводинского ЛПУ МГ ООО Газпром трансгаз Ухта

Техническое обслуживание

Право заключения договора на проведение работ по ТО и ТР автомобилей марки Тойота , срок эксплуатации которых не превышает трех лет для филиалов ООО Газпром ПХГ Саратовское УАВР и КРС , Елшанское УПХГ

Выполнение работ по техническому обслуживанию устьевого оборудования нагнетательных скважин Волгоградского ПХГ

Источники: http://www.avtoreferat.seluk.ru/at-zemlya/11104-1-razvitie-metodov-ocenki-rabotosposobnosti-kolcevih-svarnih-shvov-gazoprovodov-kompressornih-stanciy.php, http://neftegaz.ru/news/view/121390