WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |
При этом для металла зоны сварки газопрессовых сварных стыков значения ударной вязкости ниже, чем для металла электродуговых швов и основного металла, что, по-видимому, обусловлено сильным наклепом ферритных зерен.

Таблица Механические характеристики основного металла и металла сварных соединений (сталь Ст4сп) Наименование Средние значения механических характеристик* металла Предел Предел Относит. Относит. Ударная текучести прочности удлинение сужение вязкость 0,2, МПа В, МПа при разры- KCV,, % Дж/смве к, % Основной металл (кольцевое направление) 270 494 31 47 Основной металл (осевое направление) 284 505 28 43 Сварной шов (электродуговая сварка) 299 515 22 39 ЗТВ (электродуговая сварка) 286 487 25 47 Металл зоны сварки (газопрессовая сварка) 227 397 20 35 Ст4сп по ГОСТ 14637-(поперечное напр-е) 265 410-530 23-26 > Ст4сп по ГОСТ 19282-(продольное напр-е) 265 410-530 23-26 > Сертификат на трубы - 455-565 21-30 - * - Средние значения механических характеристик устанавливались по испытаниям образцов для каждой группы образцов - основного металла и металла сварных соединений Для определения реальной прочности металла сварных соединений проводились испытания на растяжение образцов с уже имеющимися дефектами в корне швов, выполненных электродуговой сваркой (непровары и подрезы), и в зоне сварки стыков, выполненных газопрессовой сваркой (несплавления в стыках), причем наружная и внутренняя поверхности образцов механически не обрабатывались. Для образцов сварных соединений, выполненных ЭДС, разрушение прошло по швам; для образцов сварных соединений, выполненных ГПС, - по металлу зоны сплавления или в непосредственной близости от зоны сплавления. Установлено, что реальная прочность на растяжение металла сварных швов, выполненных ЭДС, ниже значений предела прочности металла этих швов, установленного на стандартных образцах, в 2 раза, а реальная прочность металла зоны сварки стыков, выполненных ГПС, ниже значений предела прочности металла зоны сварки этих стыков в 1,5 раза.

С целью определения предельного числа циклов до разрушения и зависимости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения были проведены испытания на малоцикловую усталость натурных образцов основного металла и сварных соединений труб. Испытания проводились по схеме чистого изгиба по симметричному циклу. Наружная и внутренняя поверхности образцов не обрабатывались, их толщина соответствовала толщине металла труб.

Контроль над моментом образования и роста усталостных трещин проводился с помощью бинокулярного микроскопа МБС-10. Установлены средние значения долговечности для образцов из основного металла и сварных соединений, выполненных газопрессовой и электродуговой сваркой, построены графики зависимости длин усталостных трещин на образцах сварных соединений, выполненных ЭДС и ГПС, от числа циклов нагружения. Разрушение образцов сварных соединений проходило, как правило, по основному металлу (для ГПС) или в зоне перехода от шва к основному металлу (для ЭДС). Определены значения остаточной долговечности в условиях циклически изменяющихся нагрузок с использованием графиков зависимости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения.

Проведено исследование малоцикловой долговечности металла сварных соединений, выполненных газопрессовой сваркой, и основного металла длительно эксплуатируемого нефтепровода при циклических испытаниях на осевое растяжение и изгиб.

Циклические испытания на осевое растяжение образцов из металла сварных стыков, выполненных газопрессовой сваркой, и основного металла (сталь Ст4сп) проведены по ГОСТ 25.502-79. Испытания проводились при асимметричном мягком нагружении с частотой нагружения 5 Гц при максимальном напряжении, равном пределу прочности, определенному именно для этой стали предварительными испытаниями на однократное растяжение для основного металла и металла газопрессового стыка. Образцы испытывались на 4-х уровнях напряжений (0,25, 0,5, 0,75, 0,9в), на каждом уровне по 5 образцов из основного металла и по 3 образца из металла газопрессовых сварных стыков. В результате испытаний определено предельное число циклов до разрушения на каждом уровне нагружения для основного металла и металла сварных стыков, выполненных газопрессовой сваркой, и построены кривые усталости, кривые распределения долговечности по уровням напряжений и кривые усталости для различных вероятностей разрушения (Р = 10, 30, 50, 70, 90 %) (рис. 1, 2) для образцов из основного металла и металла газопрессовых сварных стыков.

4 3 100 1000 10000 100000 Число циклов до разрушения N Рис. 1. Кривые усталости для различных вероятностей разрушения при циклических испытаниях на осевое растяжение для основного металла:

1 – Р = 90 %; 2 – Р = 70 %; 3 – Р = 50 %; 4 – Р = 30 %; 5 – Р = 10 % Циклическими испытаниями на осевое растяжение образцов из металла сварных стыков, выполненных газопрессовой сваркой, и основного металла длительно эксплуатируемого нефтепровода установлено, что долговечность металла газопрессовых сварных стыков в среднем в 1,5 – 2 раза меньше долговечности основного металла.

МПа Уровень максимальных напряжений, 4 2 100 1000 10000 100000 Число циклов до разрушения N Рис. 2. Кривые усталости для различных вероятностей разрушения при циклических испытаниях на осевое растяжение для металла газопрессовых стыков:

1 – Р = 90 %; 2 – Р = 70 %; 3 – Р = 50 %; 4 – Р = 30 %; 5 – Р = 10 % Проведены циклические испытания на изгиб образцов из основного металла длительно эксплуатируемого нефтепровода (сталь Ст4сп). Образцы испытывались на установке для испытаний на малоцикловую усталость при симметричном мягком нагружении по схеме поперечного изгиба с частотой нагружения 10 циклов в минуту, при температуре 20°С. Построены усталостные кривые, кривые распределения долговечности по уровням напряжений и кривые усталости для различных вероятностей разрушения (Р = 10, 30, 50, 70, 90 %) для образцов из основного металла.

В третьей главе «Анализ напряженно-деформированного состояния сварных соединений длительно эксплуатируемых нефтепроводов» проведена оценка концентрации напряжений в сварных соединениях, выполненных газопрессовой сваркой, длительно действующего нефтепровода методом конечных элементов (МКЭ). В работе использован вычислительный комплекс программ МКЭ ANSYS 5.5.3. Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) в газопрессовых сварных стыках нефтепровода проведено двумя методами: по упругой модели и по упругопластической модели.

По упругой модели расчеты напряженно-деформированного состояния выУровень максимальных напряжений, МПа полнены отдельно на действие внутреннего давления и на действие суммарных продольных напряжений от совместного действия внутреннего давления и положительного перепада температур. Расчет осуществлялся для четырех типов геометрических форм газопрессовых сварных стыков (рис. 3).

Тип 1 Тип Тип 3 Тип Рис. 3. Конечно-элементные модели основных типов геометрических форм газопрессовых сварных стыков: тип 1 и тип 2 – формы стыков, встречающиеся в 75 – 80 % случаев; тип 3 – в 15 – 20 % случаев; тип 4 – до 5 % случаев Напряженно-деформированное состояние при действии внутреннего давления имеет две отличительные особенности: появление касательных напряжений разного знака в зонах, примыкающих к основанию усиления шва (рис. 4, а); деформация удлинения кольцевого сечения от действия внутреннего давления значительно больше удлинения зоны стыка, что приводит к появлению изгибных деформаций и напряжений по границам сварного стыка (рис. 4, б).

От действия внутреннего давления по упругой модели рассчитаны максимальные значения главных 1, изгибных х, касательных напряжений ху и интенсивностей напряжений i в местах наибольшей концентрации напряжений для сварного стыка типа 2; рассчитаны номинальные значения этих напряжений в гладкой части стенки трубы на достаточном удалении от концентратора и определены условные коэффициенты концентрации главных, осевых, касательных напряжений и коэффициенты концентрации интенсивности напряжений сварного стыка типа 2 (табл. 3.1).

а б Рис. 4. Распределение изополос касательных xy (а) и изгибных х (б) напряжений от действия внутреннего давления в зоне сварного стыка типа Анализ результатов расчетов по упругой модели от действия внутреннего давления показывает, что в газопрессовых сварных стыках наиболее часто встречающихся типов (типа 1 и 2) концентрация главных напряжений и интенсивностей напряжений от действия внутреннего давления незначительна при достаточно большом уровне номинальных напряжений. В то же время значительные неравномерности распределения изгибных и касательных напряжений даже при общем меньшем уровне их значений могут привести к снижению надежности газопрессовых стыков, особенно на криволинейных участках и на выходе из насосных станций.

При расчете по упругой модели от действия суммарных продольных напряжений получены распределения изополос главных напряжений 1 и интенсивностей напряжений i для газопрессовых сварных стыков типов 1, 2, 3, 4.

Рассчитаны максимальные значения главных напряжений и интенсивностей напряжений в местах наибольшей концентрации напряжений, значения напряжений в гладкой части стенки трубы на достаточном удалении от концентратора, принимаемые за номинальные напряжения, а из их соотношения рассчитаны условный коэффициент концентрации главных напряжений и коэффициент концентрации интенсивности напряжений (см. табл. 2).

Таблица Напряжения и коэффициенты концентрации напряжений, определяемые по упругой модели от действия продольных суммарных напряжений.

Тип образца по геометрической форме Наименование № исследуемого 12 параметра Главные напряжения 1, МПа:

1 - максимальные 1 max 25,12 22,78 80,97 227,- номинальные 1 н 11,183 10,1 17,79 25,Условный коэффициент концентрации 2 2,25 2,26 4,55 8,главных напряжений Интенсивность напряжений i, МПа:

3 - максимальные i max 25,12 23,97 80,07 251,- номинальные i н 8,38 8,04 17,79 27,Коэффициент концентрации интенсив4 2,99 2,98 4,50 9,ности напряжений i Интенсивность упругих деформаций 5 0,16·10-3 0,14·10-3 0,5·10-3 1,41·10-i Из анализа результатов видно, что даже при отсутствии радиальных и угловых смещений свариваемых кромок труб усиление и грат, образовавшиеся при осаживании свариваемых труб (стыки типа 1 и 2), дают значения коэффициентов концентрации интенсивности напряжений, равные 2,98 – 2,99 на закругленных участках сварного стыка. Радиальные смещения кромок с поворотом плоскости сплавления (стык типа 3) даже при наличии закруглений у оснований выступов увеличивают коэффициент концентрации в 1,5 и более раз, а такие же дефекты с острыми углами, образовавшимися при выдавливании металла зоны влияния (стык типа 4), имеют коэффициент концентрации в 3 раза больший по сравнению с коэффициентами концентрации образцов типа 1 и 2.

Установлено, что значения коэффициентов концентрации напряжений газопрессовых сварных стыков типа 1, 2, 3, 4, определенные методом конечных элементов по упругой модели, на 4,8 – 50,2 % выше, чем значения теоретических коэффициентов концентрации этих стыков.

Оценка напряженно-деформированного состояния сварных стыков по нелинейной упругопластической модели осуществлялась итерационным методом - методом касательной жесткости Ньютона – Рафсона. Для расчетов НДС сварных стыков с использованием нелинейной упругопластической модели зона сварного стыка разбивалась на участки со значениями твердости металла одного уровня. Основой для определения границ участков с различными значениями твердости и других механических характеристик являются данные измерений микротвердости основных типов сварных соединений, выполненных газопрессовой и электродуговой сваркой. Определение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 алмазной пирамидой с углом при вершине 136 и нагрузкой 100 г. Диаграммы распределения микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения типа 1 и электродугового сварного соединения представлены на рис. 5, 6.

Рис. 5. Распределение микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения типа По результатам исследований микротвердости установлено:

- микротвердость металла электродугового сварного шва на 13 % выше микротвердости зоны термического влияния и на 20 % выше микротвердости основного металла;

- микротвердость металла зоны сплавления газопрессового сварного стыка на 4 % ниже микротвердости металла зоны влияния и на 3 % выше значения микротвердости основного металла;

- распределение микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения носит неравномерный характер. Максимальное значение микротвердости выявлено на расстоянии 6 - 7 мм от зоны сплавления и выше значения микротвердости основного металла на 7 %.

Рис. 6. Распределение микротвердости по зонам электродугового сварного соединения Для газопрессовых сварных стыков типа 3 и 4 использовались значения микротвердости, замеренные по направлению, перпендикулярному линии сплавления стыков. Каждый участок со значениями твердости одного уровня является конечным элементом - твердым телом с характеристиками пластичности, прочности и деформируемости, характеризующими значениями твердости.

В результате расчетов получены твердотельная модель нелинейных упругопластичных элементов, распределения по участкам сварного стыка типа 3 изополос главных напряжений 1, изополос полных упруго-пластических деформаций растяжения pl и осевых упруго-пластических деформаций удлинения pl хpl. Выявлено направление развития зон сдвиговых деформаций под дейстxy вием касательных напряжений хy для образца типа 3.

В четвертой главе «Определение ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефтепроводов и нефтепродуктопроводов» разработана методика определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефте- и нефтепродуктопроводов на основе анализа режима нагружения, принципа линейного накопления повреждений и концентрации напряжений в сварных соединениях и дефектах труб.

По принципу линейного накопления повреждений суммарное повреждение за один год определяется по формуле N1 N2 Ni П1год = + +... +, (1) N1 N N 2 i где N1, N2 – число циклов нагружения при режимах 1 и 2 за один год;

N1*, N2* - число циклов, которое может выдержать до разрушения нефтепровод с дефектом при режимах 1 и 2, включающее оба этапа усталостного разрушения – этап зарождения и этап роста трещины;

Ni - число циклов нагружения при i-том режиме за один год;

Ni* - общее число циклов до разрушения, которое может выдержать нефтепровод с дефектом при i-том режиме.

Уровень накопленных повреждений П за все время эксплуатации определяется как сумма ежегодных повреждений нефтепровода в течение всего срока эксплуатации по формуле n П = Пi, (2) i=где n – количество лет, в течение которых эксплуатировался нефтепровод.

Pages:     | 1 || 3 |






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