WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

БИ ВЭНЦЗЮНЬ ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (Нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2004 1

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Абдуллин Ильгиз Галеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Загорский Валерий Куприянович;

кандидат технических наук Ишмуратов Рафхат Гадиевич.

Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» АН РБ.

Защита состоится «25» мая 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета 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 « » апреля 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Нефтегазопроводы являются опасными производственными объектами. В процессе их длительной эксплуатации происходит старение металла, коррозия наружной и внутренней поверхности труб и, как следствие, их разрушение с экономическими и экологическими последствиями.

В России эксплуатируются системы магистральных трубопроводов протяженностью более 240 тыс. км. В Китае функционируют 9700 км магистральных нефтепроводов и 10030 км газопроводов, а в следующее десятилетие планируется построить соответственно 7500 и 24570 км, в том числе с участием строительных фирм России.

Трубопроводы в силу своего функционального назначения в условиях эксплуатации подвергаются одновременному воздействию статических и повторно-статических (малоцикловых) нагрузок от колебаний давления перекачиваемого продукта, температуры и других силовых факторов при одновременном действии коррозионной среды, приводящих в совокупности к коррозионной усталости металла.

Фундаментальные и прикладные исследования, проводимые в последние десятилетия в области физико-химической механики материалов, убедительно показывают, что надежность и долговечность трубопроводов в реальных условиях эксплуатации определяются не только качеством металла, но и спецификой самопроизвольных механоэлектрохимических процессов, которые возникают за счет формирования на их поверхности гетерогенности механических и электрохимических свойств металла при одновременном воздействии агрессивных сред различной степени активности и механических напряжений. Такое сочетание внешних факторов может значительно ускорить механохимические разрушения трубопроводов, долговечность которых в этом случае определяется механохимической стойкостью металла. В наибольшей степени разрушениям такого рода предрасположены участки поверхности труб, имеющие конструктивные элементы в виде концентраторов напряжений, среди которых, в первую очередь, следует выделить сварные соединения. Они имеют высокую электрохимическую гетерогенность, связанную с макро- и микроструктурной неоднородностью отдельных зон (металл шва, зона термического влияния и основной металл), неравномерным распределением остаточных напряжений в этих зонах, физической и геометрической концентрацией напряжений, зависящей от формы и размеров шва и его дефектов. Поэтому, как показывает анализ аварийных разрушений металла труб, очагом зарождения трещин очень часто является сварной шов или зона термического влияния. Представляется, что отмеченная неоднородность свойств металла зон сварных соединений может быть существенно снижена за счет рационального выбора сварочных электродов, в том числе импортных поставок.

В связи с этим обеспечение промышленной безопасности линейной части трубопроводов нефтегазовой отрасли, продление срока их службы во многом связано с проблемой повышения коррозионно-механической прочности сварных соединений.

Цель работы Повышение ресурса безопасной эксплуатации сварных соединений нефтегазопроводов за счет рационального выбора сварочных материалов производства России и Китая.

Основные задачи исследований:

1. Исследование микроструктуры, определение твердости, микротвердости сварных соединений из сталей 10, 20 и 17Г1С.

2. Исследование коррозионной стойкости зон сварных соединений в 3-х % растворе NaCl, выполненных электродами с рутиловым и основным видами покрытий производства России и КНР.

3. Изучение механохимической коррозии сварных швов при статическом растяжении.

4. Исследование циклической трещиностойкости и остаточного ресурса металла продольного сварного шва трубы, изготовленной из стали класса прочности Х70.

Методы исследований Поставленные задачи решались путем проведения экспериментальных исследований физико-механических и электрохимических характеристик металла и определения малоцикловой коррозионно-усталостной долговечности сварных соединений. При этом были использованы стандартные методы определения механических свойств, микротвердости, макро– и микроструктуры металла, а также оригинальные методики изучения коррозионных и механохимических свойств сварных соединений.

На защиту выносятся результаты исследований механохимических свойств сварных соединений из стали 20, выполненных ручной электродуговой сваркой электродами производства России и Китая, а также характеристики циклической трещиностойкости сварного шва труб из стали Х70.

Научная новизна:

1. Исследованы особенности механохимического поведения металла сварных швов, выполненных электродами с рутиловым и основным покрытием производства России и КНР, позволяющие определять их скорость коррозии и ресурс в реальных условиях эксплуатации трубопроводов.

2. Получена аналитическая зависимость скорости роста усталостной трещины в металле сварного шва от коэффициента интенсивности напряжений, объединяющая стадии ее замедленного и стабильного роста, позволяющая рассчитывать с большей точностью остаточный ресурс оборудования, эксплуатируемого в условиях малоцикловой коррозионной усталости.

Практическая значимость и реализация результатов работы Результаты исследований позволяют повысить стойкость сварных соединений нефтегагопроводов в условиях механохимической коррозии и, соответственно, безопасность их эксплуатации.

Апробация работы Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: III конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2001 г.); VI международной научно-технической конференции (Уфа, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и спе циалистов «Трубопроводный транспорт нефти и газа» (Уфа, 2002 г.); 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2002 г.); 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2003 г.); II Всероссийской учебнонаучно-методической конференции «Реализации государственных образовательных стандартов при подготовке инженеров – механиков: проблемы и перспективы» (Уфа, 2003 г.); IV конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2003 г.); II Международной научно технической конференции (Уфа, г.).

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов и рекомендаций, содержит 103 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 30 рисунков, библиографический список использованной литературы из 104 наименований.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту Худякову Михаилу Александровичу как научному консультанту.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации.

Сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе на основе работ И.Г. Абдуллина, Э.М. Гутмана, А.Г. Гумерова, А.Г. Гареева, Р.С. Зайнуллина, О.М. Иванцова, О.И. Стеклова, М.Ф. Фокина и др. рассмотрены и проанализированы проблемы надежности и коррозионно-механической прочности сварных соединений трубопроводов, а также вопросы, связанные с аварийными разрушениями линейной части магистральных нефтепроводов. Данная проблема актуальна не только для России, но и для развивающихся трубопроводных систем Китая.

На сегодняшний день существуют несколько крупных совместных проектов строительства магистральных газонефтепроводов из России и Казахстана в КНР (нефтепровод от Ангарска до месторождения Дацин в Китае, протяженностью 3 тыс. км, планируемый объем транспортировки нефти более 20 млн т. в год; газопровод из Якутии в Китай до города Жичжао на берегу Желтого моря, протяженностью 3,5 тыс. км, объем транспортировки газа 200 млрд м3 в год;

нефтепровод из города Атырау до западной границы Китая Арашанкон, протяженностью около 3,5 тыс. км).

Как правило, разрушения сварных конструкций, в том числе электросварных труб, начинаются с концентраторов напряжений и могут проходить по основному металлу (по рискам, вмятинам, царапинам) вдали от сварного шва вдоль образующей трубы, по шву или линии перехода от шва к основному металлу с распространением разрыва в тело трубы. Разрушение может распространяться и на соседнюю трубу, пересекая кольцевой монтажный сварной шов. Основным видом разрушения спиральношовной трубы является разрыв по линии перехода спирального шва к основному металлу. Пример разрушения прямошовной трубы по линии перехода от шва к основному металлу приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Вид разрушения прямошовной электросварной трубы К дефектам сварных соединений, часто встречающимся на трубопроводах, относятся непровары, смещения кромок, поры, неметаллические включе ние и трещины. На рисунке 2 приведена макроструктура кольцевого монтажного сварного шва с дефектами.

Рисунок 2 - Поры и смещение Рисунок 3 - Коррозия сварного кромок соединения Виды и особенности коррозионных разрушений трубопроводов, сопротивляемость коррозии сварных соединений определяются свойствами основного металла и сварного шва, напряженным состоянием, агрессивностью коррозионной среды и условиями взаимодействия сварных соединений со средой.

Сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро- и микрогетерогенную систему со следующими характерными видами неоднородности: структурно-химическая макро- и микронеоднородность зон (основной металл, литой металл шва, зона термического влияния); неоднородность напряженного состояния - собственные (остаточные сварочные напряжения и пластические деформации) и от внешней нагрузки; геометрическая неоднородность, обусловленная наличием технологических концентраторов напряжений (граница шва и основного металла, дефекты формы шва - подрезы, непровары и др.) и конструктивных концентраторов напряжений, определяемых геометрическими параметрами шва.

В зависимости от характера распределения значений электродных потенциалов в сварном соединении возможны случаи, когда шов является катодом, коррозии в этом случае подвергается основной металл (рисунок 3).Второй случай, когда шов является анодом, наиболее опасный, так как приводит к локальному растворению шва и образованию концентратора напряжений. Управлять электрохимической неоднородностью, а, следовательно, стойкостью сварного соединения можно путем рационального выбора режимов сварки и сварочных материалов, изменением напряженного состояния трубопровода.

В процессе эксплуатации нефтепроводов возможны технологические и аварийные отключения насосных агрегатов или изменение режима их работы.

Вызываемые этим колебания давления в трубопроводе приводят к циклическому изменению напряжений в теле трубы. При одновременном действий коррозионной среды в зонах концентраторов напряжений возникают условия для малоцикловой коррозионной усталости металл труб. Долговечность трубопроводных систем в этом случае будет определяться временем до зарождения усталостной трещины и скоростью ее роста. На первой стадии происходит накопление микроповреждений кристаллической решетки вследствие движения дислокаций и последующего зарождения трещины. На второй стадии трещина стабильно растет до критического размера и переходит в третью стадию механического разрыва. Продолжительность каждой стадии зависит от напряженного состояния металла труб, частоты изменения давления и температуры перекачиваемого продукта, действия коррозионных сред и поляризации металла при катодной защите магистральных нефтепроводов. Таким образом, для оценки истинного ресурса трубопровода необходимо учитывать циклический характер изменения напряженного состояния металла и особенности коррозионного разрушения сварных соединений.

Несмотря на достигнутые успехи в повышении промышленной безопасности трубопроводных систем, некоторые вопросы, касающиеся коррозионномеханической прочности сварных соединений, остаются открытыми и частично решаются в данной работе.

Результаты анализа, проведенного в первой главе, позволили сформулировать цель работы, задачи исследований и основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе приведены стандартные и оригинальные методики проведения исследований. К ним относятся методы определения основных механических свойств металлов при испытаниях на растяжение и ударный изгиб;

твердости и микротвердости; исследования малоцикловой коррозионной усталости; макро- и микроструктурного анализа; электрохимические и механохимические исследования.

В частности, механохимические исследования проводились на образцах сварных соединений из стали 20, выполненных электродами производства России марок УОНИ 13/55(Б), МР-3(Р) и Китая марок Е4303, Е5015, в условиях одновременного воздействия на них активных сред и механических растягивающих напряжений, создаваемых разрывной машиной Р-5. Запись кривой растяжения сварного шва велась с одновременной фиксацией значений электродных потенциалов металла или величины тока.

Pages:     || 2 | 3 |






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