WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

1,1,1,Mn 1,Si Al 0,0,0,0,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Номера точек Рисунок 6 – Характер распределения химических элементов В третьей главе приведены методики и результаты измерения микротвердости, определения основных механических свойств металла трубы с ликвационной полосой на растяжение, срез, малоцикловую усталость.

Для оценки неоднородности механических свойств по сечению стенки трубы определялась микротвердость основного металла и ликвационной полосы в соответствии с ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1,96 Н.

Обработка полученных результатов исследований и их визуализация в виде графического изображения с интервальной оценкой ошибки эксперимента проводилась на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ для математической и статистической обработки данных.

Проведенные исследования показали, что в зоне ликвационной полосы микротвердость составляет 2800 Н/мм2, а в основном металле – от 1700 до 1850 Н/мм2 (рисунок 7), что также подтверждает результаты распределения химических элементов по сечению металла трубы.

Испытание на растяжение проводилось по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 1497-84 на плоских образцах с галтелью типа I (№ 15). ЗначеСодержание химических элементов, атомарные % ния механических характеристик основного металла трубы определялись на разрывной машине Р-50. Скорость перемещения подвижного захвата составляла 0,1 мм/мин.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Номера точек Рисунок 7 – Распределение микротвердости по сечению образца Как показали результаты испытания на растяжение, значения механических характеристик стали марки 17Г1С соответствуют требованиям нормативных документов. В изломе протяжённость раскрытия образца по ликвационной полосе составляет более 3 мм и расслоение не выходит на боковую поверхность (рисунок 8). Это соответствует баллу 2 шкалы балльности осевой химической неоднородности.

Рисунок 8 - Расслоение металла после испытания образцов на растяжение Таким образом, показано, что ликвационная полоса не оказывает влияния на значения механических характеристик трубной стали при растяжении.

Испытания на малоцикловую усталость проводились на плоских образцах Значение микротвердости, Н/мм размером 480х38х11 мм жестким нагружением по схеме чистого изгиба.

В работе применялся отнулевой цикл нагружения с частотой 50 циклов в минуту. Величина деформации составляла 0,24 %. Исследования проводились на воздухе при комнатной температуре.

Измерение длины растущей трещины производилось в момент максимального раскрытия ее кромок с использованием микроскопа МБС-9 при десятикратном увеличении.

Одновременно для определения времени до начала расслоения металла по ликвационной полосе с той же периодичностью проводился ультразвуковой контроль с использованием ультразвукового дефектоскопа марки УД2-70 и толщиномера марки УТ-93 П.

Как показали результаты исследований, максимальное число циклов до разрушения стали марки 17Г1С при данных условиях испытаний составило 24600 циклов.

Зависимость длины трещины от числа циклов до разрушения приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Зависимость длины растущей трещины от числа циклов нагружения образцов При испытаниях на воздухе образуется узкая неветвящаяся трещина, однако при приближении к ликвационной полосе она отклоняется и некоторое время растет вдоль стенки трубы, а затем вновь возвращается к основному направлению своего роста. На рисунке 10 показан вид такой трещины.

Рисунок 10 - Вид растущей трещины при малоцикловых усталостных испытаниях (стрелкой показано отклонение растущей трещины в зоне ликвационной полосы от магистрального направления) В процессе усталостных испытаний по линии перехода от ликвационной полосы к металлу происходит рост образующихся трещин и расслоение.

Вид излома образца с ликвационной полосой после проведения малоцикловых усталостных испытаний приведен на рисунке 11.

Рисунок 11 – Вид излома образца после проведения малоцикловых усталостных испытаний (стрелкой показано отклонение растущей трещины в зоне ликвационной полосы от магистрального направления) С использованием полученной зависимости длины растущей трещины от числа циклов нагружения проводился отбор образцов для дальнейших испытаний на срез.

В процессе исследований изучалось изменение прочности металла трубы на срез в зоне ликвационной полосы после различного числа циклов нагружения в условиях малоцикловой усталости.

Испытания проводились на разрывной машине Р-50 с применением специально разработанных захватов.

Вид образца для испытаний на срез приведен на рисунке 12, при этом ликвационная полоса находилась в середине сечения стенки трубы.

Рисунок 12 - Внешний вид образца для испытаний на срез Как показали результаты исследования, напряжения среза у образцов в исходном состоянии (до усталостных испытаний) составляют 375 МПа, а после 23500 циклов – 190 МПа. Изменение напряжений среза произошло на 49 % и началось примерно с 10000 циклов нагружения. Зависимость изменения напряжений среза от числа циклов нагружения приведена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Зависимость напряжений среза от числа циклов нагружения образцов Анализ полученных результатов показывает, что образование макротрещин вдоль ликвационной полосы в данном случае начинается в области циклов. Это можно считать началом расслоения стенки трубы.

Таким образом, срок внутритрубной диагностики трубопроводов из стали 17Г1С для выявления возможного расслоения стенки трубы из-за наличия в ней ликвационной полосы может назначаться исходя из Np =, (лет), (1) где - цикличность изменения давления в трубопроводе, цикл/сут;

Nр– количество циклов до начала расслоения.

Оценку работоспособности труб с ликвационной полосой можно проводить используя критерий циклической прочности. Относительный показатель повреждаемости металла трубы в концентраторе напряжений для магистральных трубопроводов определяется по зависимости, предложенной М.Х. Султановым:

2 (1+с) n n Dвн рраб mc П = П0 N p 1-c), (2) - 2 (n )( (1+c) где П0 – относительный показатель структурной повреждаемости металла;

n – коэффициент надежности по нагрузке;

- относительное сужение;

Рраб – рабочее давление, МПа;

n - коэффициент запаса по деформации;

- толщина стенки трубы, мм;

n - коэффициент запаса по напряжениям;

Dвн – внутренний диаметр трубы, мм;

mс – коэффициент условий работы металла;

Е – модуль упругости, МПа;

- коэффициент, характеризующий пластические свойства металла;

с – коэффициент деформационного упрочнения;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений.

С учетом относительного показателя повреждаемости металла трубы в концентраторе напряжений определяется коэффициент изменения рабочего давления в трубопроводе:

c my = (1- П)m (1+c) 2.

(3) Допускаемое рабочее давление в трубе с ликвационной полосой в этом случае определяется:

р = рраб my.

(4) При этом все входящие в (2), (3), (4) параметры являются характеристиками трубы и определяются условиями эксплуатации по нормативным документам, кроме коэффициента концентрации напряжений. Для его определения требуется проведение дополнительных исследований напряженнодеформированного состояния металла труб в зоне ликвационной полосы.

В четвертой главе приведены модель и метод расчета напряженнодеформированного состояния (НДС) металла труб в зоне ликвационной полосы методом конечных элементов (МКЭ).

Так как металл трубы с ликвационной полосой, как было показано выше, характеризуется неоднородностью механических свойств, то в процессе эксплуатации трубопроводов под действием внутреннего давления перекачиваемого продукта в стенке труб должно создаваться неоднородное напряженнодеформированное состояние. Анализ различных типов дефектов и всего многообразия соответствующих им расчётных схем показал, что выполнить оценку напряжённо-деформированного состояния в различных зонах дефектных участков трубопровода при общей постановке задачи можно только с использованием численного метода расчёта, в качестве которого был выбран конечно элементный анализ, как один из наиболее эффективных методов решения инженерных задач.

Конечно-элементный анализ участка трубопровода был выполнен в среде программного комплекса ANSYS10.0. Для определения напряжённодеформированного состояния в области перехода основного материала и ликвационной зоны была построена модель фрагмента трубопровода с ликвационной полосой в центральной части его поперечного сечения. С учетом значительной величины отношения диаметра трубы к толщине ее стенки фрагмент трубопровода был выполнен в виде пластины размером 100х50х10 мм. Пластина находится под действием результирующих растягивающих нагрузок от действия внутреннего давления анализируемого участка трубы.

Задача решалась в трехмерной (3D) постановке. Расчет выполняли в упругой области. Свойства основного материала трубы и ликвационной полосы приняты изотропными.

Исходные данные для расчета НДС трубы с ликвационной полосой следующие:

- металл трубы – сталь марки 17Г1С;

- рабочее давление 5,5 МПа;

- условный диаметр трубы – 820 мм, с толщиной стенки 10 мм;

- модуль упругости стали 2·105 МПа;

- коэффициент Пуассона 0,3;

- ликвационная полоса располагается в центре сечения стенки трубы, её толщина в расчётах принята 0,5 мм;

- коэффициент Пуассона 0,17;

- модуль упругости неметаллических включений 1,6·105 МПа.

Фрагмент трубопровода определен 3D октаэдрическим элементом первого порядка «Solid 185». Общее число элементов в модели равно 17600.

Первоначально определялись интенсивность напряжений и деформаций для бездефектной трубы от внутреннего давления перекачиваемого продукта в ее части и полученные результаты использовались в последующих расчетах.

Участок ликвационной полосы занимает часть рассматриваемого фрагмента модели. Такая конструкция позволяет оценить НДС на границе раздела основного материала и ликвационной полосы вдоль и поперек образующей трубы. Модель фрагмента трубы с ликвационной полосой представлена на рисунке 14.

Необходимо отметить, что фрагмент трубы имеет две характерные поверхности: А - располагается поперек оси трубы, Б - вдоль оси трубы.

Граничные условия в модели были следующими. К поверхности А фрагмента трубы были равномерно приложены растягивающие напряжения, равные 207,52 МПа, вдоль направления оси OZ, которые создаются в стенке трубы от действия внутреннего давления. Противоположная поверхность закреплена от перемещения вдоль направлений ОZ.

Рисунок 14 - Конечно-элементная модель фрагмента трубы с ликвационной полосой Поверхность Б и противоположная ей поверхность закреплены от перемещения вдоль направления оси ОX.

На рисунке 15 представлены эпюра распределения интенсивностей напряжений и деформаций на поверхностях фрагмента трубы А и Б.

Результаты расчета показали, что значения напряжений в ликвационной полосе выше, чем в основном материале трубы, - 298,6 МПа и 202,0 МПа соответственно.

На границе перехода ликвационной полосы в основной материал наблю дается скачкообразное изменение величины интенсивности напряжений с 202,до 330,7 МПа.

а б Рисунок 15 - Эпюра распределения интенсивности напряжений (а) и интенсивности деформаций (б) в поперечном сечении фрагмента трубы Величина упругой деформации в аналогичных участках фрагмента трубы составляет соответственно 0,1 и 0,13%. Необходимо отметить, что в зоне перехода от ликвационной полосы к основному материалу значение упругой деформации локально увеличивается до 0,15%.

На рисунке 16 а, б представлены эпюры распределения интенсивности напряжений и деформации на краях ликвационной полосы в теле фрагмента трубы, расположенные параллельно плоскостям А и Б. Максимальные значения интенсивности напряжений отмечены в ликвационной полосе и составляют ве личину 342,3 МПа, а величина интенсивности деформации в ней составляет 0,12%.

а б Рисунок 16 - Эпюра распределения интенсивности напряжений (а) и интенсивности деформаций (б) в поперечном сечении фрагмента трубы на границе раздела ликвационной полосы и основного металла Наибольшие значения интенсивности напряжений располагаются в продольном направлении фрагмента трубы, а наименьшие - в поперечном направлении.

В вершине ликвационной полосы значения интенсивности напряжений максимальны и составляют величину 342,3 МПа, а в стенке трубы – 203,4 МПа.

Таким образом, расчетное значение теоретического коэффициента концентрации напряжений в указанной области составляет порядка 1,7.

Подставляя численные значения для рассматриваемых условий в (2), получаем 0.1.11.348201.72 (1+0.42) 5. П = 0.(1-0.42) (1+0.42) 2 0.5 2.1105 10(1.34 0.55-1) 10000 = 0.19, 0,5(1+0,42) m = (1 - 0,19) = 0,, y р = 5,50,93 = 5, МПа.

Таким образом, проведенный расчет показал, что для обеспечения безопасной эксплуатации трубопровода с учетом ликвационной полосы в рассмотренном случае допускаемое рабочее давление необходимо снизить до 5,1 МПа.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1 Установлено, что для обеспечения безопасной эксплуатации трубопровода срок внутритрубной диагностики должен назначаться с учетом возможности нахождения ликвационной полосы в стенке трубы и необходима корректировка рабочего давления при достижении предельного числа циклов нагружения, соответствующего началу расслоения.

2 Показано, что ликвационная полоса не оказывает влияния на значение механических характеристик стали при испытании на растяжение, но снижает прочность на срез после предварительных испытаний на малоцикловую усталость. Для стали 17Г1С образование микротрещин по границе ликвационная полоса – металл начинается с 10000 циклов нагружения.

3 В зоне ликвационной полосы образцов из стали 17Г1С микротвердость выше, чем в основном металле (2800 Н/мм2 и 1700 – 1850 Н/мм2 соответственно), что связано с наличием кристаллических фаз – MnO, SiO2, Al2O3, которые при скоплении образуют протяженный, твердый и хрупкий металлургический дефект в стенке трубы.

4 Установлено, что для труб с ликвационной полосой характерно неравномерное напряженно-деформированное состояние. При этом максимальные значения напряжений создаются на границе металл - ликвационная полоса. Для исследуемой модели трубы из стали 17Г1С с ликвационной полосой толщиной 0,5 мм они составляют 342,3 МПа. При этом теоретический коэффициент концентрации напряжений в указанной области равен 1,7.

5 Разработана методика для определения срока безопасной эксплуатации трубопроводов с ликвационной полосой, которая используется в ОАО «Уренгойтрубопроводстрой» и ООО «Сибрегионгазстрой» при оценке технического состояния магистральных трубопроводов.

Pages:     | 1 || 3 |






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