WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

УДК 624.014.25

На правах рукописи

Шайхулов Салават Фазирович

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ

ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
И ТРУБОПРОВОДОВ С ТВЕРДЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ

Специальности: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс);

25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2008

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии
«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»), г. Уфа

Научный руководитель

доктор технических наук

Сущев Сергей Петрович

Научный консультант

кандидат технических наук

Худякова Лариса Петровна

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Абдуллин Рафиль Сайфулович

доктор технических наук

Султанов Марат Хатмуллинович

Ведущее предприятие

Открытое акционерное общество Институт «Нефтегазпроект» г. Тюмень

Защита диссертации состоится 16 мая 2008 г. в 1600 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов».

Автореферат разослан 15 апреля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Многообразие технологических процессов и их интенсификация за счет использования высоких давлений и температур, новых физических процессов, повышение агрессивности рабочих сред значительно усложняют условия работы нефтегазового оборудования и трубопроводов. Расширяется номенклатура применяемых материалов, обновляются виды неразъемных соединений, изменяется строение зоны термического влияния сварных соединений и возникают новые задачи в совершенствовании технологии выполнения сварочных работ. Появляются новые факторы, ранее не учтенные при проектировании, изготовлении и эксплуатации нефтегазового оборудования (сосудов, аппаратов и трубопроводов).

В дальнейшем будут совершенствоваться процессы разработки и производства сварных конструкций, направленные на реализацию преимуществ применения прогрессивных конструкционных материалов, и будет создаваться сварное оборудование, обладающее максимальной надежностью во все более усложняющихся условиях эксплуатации, высокой технологичностью, минимальной материалоемкостью, уменьшенной массой наплавленного металла.

Постоянный рост использования высокопрочных, термически упрочненных, жаропрочных и коррозионностойких сталей, сплавов с различными физико-механическими свойствами, биметаллов обусловили механическую неоднородность в широко распространенное явление.

Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является, с одной стороны, следствием неоднородности температурных полей при сварке, с другой, применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникно­вению сложного напряженного состояния. В сварных соединениях имеется существенная концентрация напряжения, которая, в конечном счете, существенно влияет на характеристики безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов. В связи с этим необходимо устанавливать характеристики безопасности оборудования и трубопроводов с учетом влияния фактора их механохимической неоднородности. Учет этого фактора и сознательное регулирование механохимической неоднородностью позволяет по-новому подойти к оптимизации конструкций и технологии их изготовления, а также реально оценивать их характеристики работоспособности и безопасности. Все это констатирует о несомненной актуальности решаемой проблемы.

Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками регламентацией их остаточного ресурса.

Основные задачи исследования:

• анализ проблемы механической неоднородности нефтегазового оборудования и трубопроводов;

• оценка несущей способности конструктивных элементов с ликвационными (твердыми) прослойками;

• исследование напряженного и предельного состояний твердых прослоек в конструктивных элементах в условиях плоской деформации;

• определение напряженного и предельного состояний твердых прослоек в условиях осесимметричной деформации;

• оценка остаточного ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Научная новизна

1. На базе основных положений механики пластически неоднородных тел выполнен анализ напряженного и предельного состояний базовых конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях плоской и осесимметричной деформаций, на основании которого получена адекватная оценка условий перехода в пластическое состояние твердого металла при более низких нагрузках.

2. Выявлены и описаны специфические закономерности распределения основных компонентов тензора напряжений в объеме твердых прослоек конструктивных элементов с учетом особенностей реализации контактных эффектов, способствующих снижению шарового тензора напряжений в твердом металле.

Показано, что в отличие имеющихся решений величина и характер распределения контактных касательных напряжений существенно зависят от степени механической неоднородности и относительной толщины твердых прослоек.

3. Произведена адекватная оценка контактных эффектов разупрочнения твердых прослоек, деформированных в составе базовых конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов. Установлено, что существующие методы в несколько раз завышают величину контактных эффектов разупрочнения твердых прослоек в сравнении с полученными оценками в настоящей работе.

4. Впервые решена задача о напряженном и предельном состояниях твердой кольцевой прослойки в составе конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.

С учетом ранее установленных новых закономерностей распределения контактных касательных напряжений в плоских и осесимметричных твердых прослойках получены формулы, адекватно описывающие распределение основных компонент тензора напряжений в объеме твердых кольцевых и дискообразных прослоек.

5. Базируясь на положениях теории тонких оболочек вращения, впервые показано, что уменьшение толщины твердых прослоек в конструктивных элементах приводит к снижению краевых моментов и соответствующему росту их несущей способности.

6. Разработаны методы определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками в конструктивных элементах.

Практическая ценность

1. Разработанные методы определения остаточного ресурса, позволяют научно обоснованно устанавливать безопасные сроки эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками в конструктивных элементах.

2. Базируясь на установленных условиях перехода твердых прослоек в полное пластическое состояние, даны рекомендации по ограничению относительной толщины твердых прослоек технологическими способами.

3. Разработан стандарт предприятия по технологическому регулированию параметров геометрии и свойств твердых прослоек в конструктивных элементах оборудования и трубопроводов.

На защиту выносятся:

- методы определения напряженного и предельного состояний конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками различных конфигураций;

- аналитические зависимости для определения коэффициентов снижения несущей способности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками;

- методы расчета остаточного ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов при наличии в них твердых прослоек.

Методы решения поставленных задач

Большинство поставленных задач по оценке напряженного состояния твердых прослоек решены на основе теории упругости пластичности с использованием результатов, полученных методом муаровых полос.

Несущая способность конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками определялась с использованием методов механики твердого деформируемого тела и разрушения.

Разработанные методы расчета остаточного ресурса конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов базируется на современных достижениях в области повреждаемости металлов при эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Достоверность результатов

В частных случаях из полученных аналитических зависимостей для определения напряженного и предельного состояний вытекают формулы, полученные ранее другими учеными.

Некоторые (частные) результаты исследований качественно и количественно совпадают с экспериментальными данными других авторов, полученными методом муаровых полос и натурными испытаниями конструктивных элементов с твердыми прослойками.

Апробация работы

Основные результаты исследований, представленных в работе, докладывались на:

- научно-практическом семинаре «Работоспособность и технологичность нефтепромыслового оборудования и трубопроводов» (апрель 2006 г., г. Салават);

- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России и XV юбилейной международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии 2007» (22 мая 2007 г., г. Уфа);

- научно-практическом семинаре «Диагностика и ресурс нефтегазо-химического оборудования», посвященном 450-летию добровольного вхождения Башкирии в состав России (июнь 2007 г., г. Уфа).

Публикации.

Основные положения работы опубликованы в 8 научных трудах, из них три соответствуют перечню журналов, рекомендуемых ВАК Минобразования РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций. Она изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы, 61 рисунок. Библиографический список использованной литературы включает 125 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, основные задачи, научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе освещены основные проблемы обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с механической неоднородностью, и в частности с твердыми прослойками, находящимися в сварных конструктивных элементах. Выявлены негативные и позитивные проявления твердых прослоек в конструктивных элементах нефтегазового оборудования и трубопроводов. Показано, что в ряде случаев сознательное регулирование параметрами твердых прослоек приводит к заметному повышению характеристик безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Особенностью твердых прослоек в конструктивных элементах является реализация в них при нагружении более мягкого напряженного состояния, чем при осевом растяжении гладкого образца. В результате этого пластические деформации в твердой прослойке реализуются при напряжениях, меньших величины их предела текучести, что способствует повышению деформационной способности конструктивных элементов и снижает вероятность их хрупкого разрушения.

Имеющиеся теоретические решения по оценке напряженного состояния базируются на весьма жестких (необоснованных) исходных допущениях и условиях, приводящих к неадекватным результатам.

Вторая глава посвящена оценке предельного состояния и несущей способности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с ликвационными и диффузионными (твердыми) прослойками.

Показано, что повышенная твердость в ликвационных прослойках обусловлена наличием в них кристаллических фаз Мnо, SiО2, AО3 и др. Проведенные в УГНТУ (М.А. Худяков и др.) исследования показали, что в ликвационных прослойках твердость может быть в 1,50…1,65 раза выше, чем твердость основного металла. Другими словами, коэффициент механической неоднородности. При этом для твердых участков (прослоек), где и толщины ликвационной прослойки и стенки цилиндра) достигает 33 %. Очевидно, что твердые ликвационные прослойки должны иметь пониженные пластические характеристики, в частности, относительное удлинение, где относительное удлинение основного металла). В связи с этим в качестве расчетной схемы для оценки несущей способности цилиндрических элементов с ликвационными прослойками можно принять композитный (трехслойный) образец, растягивающийся напряжением (рисунок 1). Как известно, в цилиндрическом элементе, где радиус цилиндра (трубы).

М – мягкий металл; Т – твердый металл

С использованием известного закона аддитивности получена следующая формула для расчета коэффициента несущей способности, представляющего собой отношение предельных окружных напряжений цилиндра с ликвационной прослойкой к таковым без нее :

, (1)

где напряжение в мягком (основном) металле, соответствующее деформации, где относительное удлинение ликвационной прослойки. Здесь полагалось, что несущая способность композитного цилиндра имитируется деформационной способностью металла ликвационной прослойки.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»