WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ШАРИПКУЛОВА АЙГУЛЬ ТИМИРЬЯНОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПАРАМЕТРАМ

Специальности:

05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)»

05.02.01 – «Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

УФА - 2009

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Кузеев Искандер Рустемович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бугай Дмитрий Ефимович;

доктор технических наук,

профессор Абдуллин Рафиль Сайфуллович.

Ведущая организация ЗАО «Центр диагностики трубопроводов

“Интроско”» корпорации «Обнинск».

Защита состоится «13» марта 2009 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «27» января 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оборудование опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли работает в условиях механических нагрузок, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. В связи с чем очень важно определять предельное состояние металла и возможность дальнейшей безопасной эксплуатации такого оборудования.

Транспортировка углеводородного сырья на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях осуществляется с помощью трубопроводных систем. В настоящее время накопленные повреждения и остаточный ресурс оборудования определяются по фактическим данным о режимах работы и действующих напряжениях, деформациях, температурах и состоянии дефектов и не учитываются изменения структуры, содержания углерода, фазового состава металла в процессе эксплуатации металлоконструкций. Поэтому работа, направленная на разработку методов оценки предельного состояния металла оборудования с учетом содержания углерода, структуры материала и вида нагружения, представляется актуальной. Разработка методов оценки ресурса безопасной эксплуатации технических устройств опасных производственных объектов является одним из приоритетных направлений специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность». Установление закономерностей и критериев оценки разрушения материалов от действия механических нагрузок относится к области исследований специальности 05.02.01 «Материаловедение». Таким образом, проблема повышения безопасной эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли путем предупреждения развития разрушения материала с учетом его структуры и содержания элементов носит междисциплинарный характер.

В настоящее время специалистами все больше внимания уделяется методам и средствам неразрушающего контроля, позволяющим оценивать уровень деградации материала с использованием косвенных параметров, для реализации которых широкое распространение получили электромагнитные методы. На сегодняшний день разработано несколько методов диагностики технического состояния оборудования, основанных на использовании взаимосвязи изменения механических и электрофизических свойств металлов. Но они не позволяют однозначно идентифицировать текущее состояние из-за сложности процессов, протекающих в металле оборудования при эксплуатации, и трудоемкости обработки диагностической информации. Одним из возможных путей решения данной проблемы является подход, основанный на анализе отклика системы “электромагнитный преобразователь (ЭМП) – металл” на типовое возмущающее воздействие с применением электромагнитного метода контроля. Впервые данный подход был предложен для оценки предельного состояния металла, которое характеризовалось склонностью к хрупкому разрушению*. При этом была разработана карта динамики разрушения для стали 09Г2С, позволяющая оценивать ее предельное состояние. Однако в предложенном подходе не рассмотрены: влияние исследуемого материала (структура, содержание различных элементов), параметры входного воздействия сигнала (напряжение, частота), условия окружающей среды, вид нагружения материала и др.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритма оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов с применением электромагнитного метода контроля с помощью карты динамики разрушения сталей, полученной на основе анализа переходных характеристик «ЭМП – металл», с учетом содержания углерода и среднего размера зерна в материале.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Подбор оптимальных параметров частоты входного электромагнитного воздействия для разработки карты динамики разрушения.
  2. Исследование переходных характеристик сталей с разным содержанием углерода и разным размером зерна при статическом нагружении электромагнитным методом неразрушающего контроля.
  3. Исследование влияния циклического нагружения стали 20 с разным размером зерна на изменение электромагнитных параметров материала.

* Баширова Э.М. Оценка предельного состояния металла оборудования для переработки углеводородного сырья с применением электромагнитного метода контроля: автореферат …. канд. техн. наук. – Уфа: УГНТУ, 2005.

  1. Построение карты динамики разрушения сталей для оценки предельного состояния металла с учетом структуры материала и содержания углерода и выявление критерия предельного состояния металла.
  2. Разработка метода оценки предельного состояния металла оборудования, работающего в условиях статического и циклического нагружения, по изменению его электромагнитных параметров.

Научная новизна

1 Установлены оптимальные диапазоны частоты входного электромаг-нитного воздействия для оценки предельного состояния сталей с учетом содержания углерода и среднего размера зерна: сталь 10 (19 мкм), сталь 20 (15 мкм) - 500-800 Гц; сталь 45 и 65Г - 500-700 Гц; сталь 10 (28 мкм, 32 мкм), сталь 20 (25 мкм, 35 мкм) – 400-700 Гц.

2 Показана возможность применения параметра разности значений корней характеристического уравнения [Rei-Re0; Imi-Im0], полученных по результатам решения дифференциального уравнения системы «ЭМП - металл» для оценки предельного состояния металла оборудования. Полученный параметр позволяет определить переход металла из упругой области в упругопластическую (для термообработанного и нетермообработанного металла) и из упругопластической к пластической зонам (для термообработанного материала).

3 Впервые для оценки предельного состояния металла оборудования получены карты динамики разрушения для сталей с разным содержанием углерода и размером зерна с учетом статического и усталостного нагружения.

Практическая значимость работы

Разработанная методика определения предельного состояния конструкционных материалов по деформационным картам используется в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Разрушение конструкционных материалов в условиях переработки нефти и газа» при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП УГНТУ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 57 – 59-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г.Уфа, 2006-2008 гг.), республиканской научно-технической конференции «Проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий» (г.Уфа, 2008 г.), а также на Всероссийском открытом конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г.Уфа, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе имеется одна публикация в ведущем научном рецензируемом журнале.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 135 наименований; содержит 110 страниц машинописного текста, в том числе 33 рисунков, 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность выбранной темы диссертационной работы, формулирует цель и основные задачи исследований, а также отражает научную новизну выполненных исследований.

В первой главе проведен анализ аварийности на объектах нефтегазовой отрасли и рассмотрены существующие методы оценки предельного состояния и ресурса безопасной эксплуатации оборудования. Показано, что одной из причин отказов технологических трубопроводов нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий являются усталостные повреждения, обусловленные нестационарной работой технологических установок, связанной с нестабильной загрузкой сырьем. Подобные разрушения характеризуются медленным скрытым подрастанием усталостных трещин и объединением их в магистральную макротрещину, раскрытие которой может произойти внезапно и привести к аварийной ситуации.

С целью повышения промышленной безопасности для предотвращения разрушений необходимо своевременное проведение мероприятий по оценке технического состояния оборудования и ресурса его безопасной эксплуатации. Существующие методики оценки остаточного ресурса (РД 03-421-01) условно подразделяют по следующим признакам: скорости коррозии металла; трещиностойкости металла; усталости металла и характеристикам узлов оборудования, работающих в условиях ползучести. Однако для повышения достоверности результатов данных расчетов необходима информация о степени поврежденности материала в процессе эксплуатации.

Для оценки фактического состояния металла оборудования положительно себя зарекомендовали электромагнитные методы неразрушающего контроля. Благодаря своей специфике – электрофизические свойства металлов на уровне кристаллической решетки связаны с механическими свойствами, повреждением структуры, химическим составом, режимами термообработки, упругими и пластическими деформациями – электромагнитные методы позволяют выявить не только развитые дефекты, но также зоны концентрации напряжений и элементы конструкций, у которых на уровне структуры металла произошли необратимые изменения. Поэтому каждая стадия процесса деформирования-разрушения металла в условиях действия сжимающих и растягивающих усилий, температуры может быть охарактеризована совокупностью электрофизических параметров, значения которых могут быть измерены. Таким образом, электромагнитные методы направлены не только на поиск развитых дефектов, но и на осуществление ранней диагностики, выявляя участки оборудования, наиболее предрасположенные к повреждениям.

В связи с этим приводится обзор исследовательских работ по оценке фактического состояния металла оборудования на основе анализа изменения электромагнитных свойств материала, которые направлены на повышение надежности и безопасности эксплуатации оборудования. Данному направлению посвящены работы Горкунова Э.С., Мужицкого В.Ф., Дубова А.А., Агинея Р.В., Абакумова А.А., Абакумова А.А. (мл.), Баширова М.Г., Загидуллина Р.В., Султанова М.Х, Вильданова Р.Г., Наумкина Е.А., Кондрашовой О.Г., Башировой Э.М. и др.

В заключении первой главы сделаны выводы о целесообразности и актуальности выбранной темы диссертационной работы.

Во второй главе работы представлены объект исследований, оборудование, методики проведения экспериментов и обработки результатов.

Технологические трубопроводы работают при различных схемах нагружения, поэтому все экспериментальные исследования в работе построены по двум направлениям: при статическом и циклическом нагружении металла. В качестве материалов для исследований были выбраны конструкционные стали с разным содержанием углерода: сталь 10, сталь 20, сталь 45 и 65Г, используемые для изготовления данного оборудования. Химический состав и механические свойства сталей соответствовали ГОСТ 1577.

Эксперименты по исследованию электрофизических параметров материала проводились по предложенной Башировой Э.М. методике оценки предельного состояния материала с применением электромагнитного метода контроля. При проведении экспериментов анализировались выходные сигналы системы “ЭМП – металл”, полученные при одноосном статическом растяжении и малоцикловом нагружении образцов.

Для проведения исследования электромагнитных параметров использовался измерительный комплекс, состоящий из внешнего измерительного устройства TiePie SCOPE HS801; ЭМП; персонального компьютера (ПК) и образцов. Программное сопровождение внешнего измерительного устройства обеспечивает его работу в режимах осциллографа, цифрового вольтметра, анализатора спектра, регистратора переходных процессов и функционального генератора и осуществляет связь ЭМП с ПК. На рисунке 1 представлена принципиальная схема измерения.

Для проведения исследований электромагнитных параметров на образец устанавливается проходной ЭМП. На вход системы «ЭМП - металл» генерируется ступенчатый сигнал с заданной частотой и напряжением. Выходной сигнал с исследуемого образца поступает на внешнее измерительное устройство и фиксируется на ПК. Реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях называется переходной характеристикой. Алгоритм математической обработки выходного сигнала представлен на рисунке 2.

Рисунок 1 - Принципиальная схема измерения электромагнитных параметров

Рисунок 2 - Алгоритм математической обработки выходного сигнала

Переходную характеристику, полученную с металла, можно описать дифференциальным уравнением (ДУ)

, (1)

где у - воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства; х - воздействие, подаваемое на вход системы или устройства; а, b - постоянные коэффициенты; t - время.

Pages:     || 2 | 3 |






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