Научные основы обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования трубопроводов с технологическими, конструктивными и эксплуатационными несплошностями (стр. 2 )

Податливость разномодульной модели будет равна:

. (7)

Дифференцируя уравнение (7) по и подставляя полученное выражение в формулу потока энергии, имеем:

. (8)

Поскольку практический интерес представляет случай, когда имеется полость (несплошность) между обечайками, следует принимать . Тогда поток энергии будет равен: . (9)

В этом случае КИН: . (10)

Отсюда следует, что несущая способность рассматриваемой модели определяется свойствами верхней обечайки, как и для однородных моделей.

В дальнейшем методами теории тонких оболочек определены краевые напряжения и моменты в окрестности концевых участков несплошностей. Показано, что краевые напряжения могут превышать мембранные примерно в 4 раза.

Кроме этого, на базе теории пластичности установлены предельные нагрузки на концевых участках несплошностей. Несущая способность концевых участков цилиндрических элементов с несплошностями составляет около 80 % от несущей способности такого же элемента без несплошности. Такой результат может реализовываться при определенных параметрах соединения концевых участков.

В третьей главе приведены результаты исследования по оценке и повышению характеристик безопасности конструктивных элементов оборудования с технологическими несплошностями.

Установлено, что в трубах из низколегированных сталей технологические (металлургические) несплошности (расслоения) возникают в ликвационной зоне, совпадающей со срединной поверхностью. В ряде случаев в окрестности несплошностей (или их очагов) отмечаются зоны с повышенной (в 1,5 раза) твердостью в сравнении с основным металлом. Доля твердого металла составляет около 35 % от толщины стенок труб. На рисунке 9 показана расчетная схема для оценки несущей способности трубы с несплошностью и твердой прослойкой.

Необходимо отметить, что твердые участки, как правило, имеют пониженные пластические характеристики, в частности относительное удлинение . Поэтому несущая способность такой трубы будет имитироваться деформационной способностью твердой прослойки. Между тем, бытует мнение о том, что несплошности не оказывают влияния на несущую способность труб. Этот факт не вызывает сомнения, если в окрестности несплошности отсутствуют твердые (хрупкие) прослойки.

Рисунок 9 – Расчетная схема трубы с несплошностью и твердой прослойкой (Т). Здесь М – основной металл

Более ярко выраженной механической неоднородностью отличаются цилиндрические биметаллические обечайки (рисунок 10).

ОМ – основной металл; ОП – обезуглероженная прослойка; НП – науглероженная прослойка; ПМ – плакирующий металл Рисунок 10 – Механическая неоднородность биметаллического конструктивного элемента с несплошностью

 

Свойства всех характерных зон отличаются. К примеру, металл обезуглероженной прослойки может быть более мягким, чем основной металл. Науглероженный металл должен иметь наибольшую твердость. Чисто плакирующий металл может иметь более высокую прочность в сравнении с основным металлом (и, очевидно, по сравнению с обезуглероженной прослойкой). Ясно, что обезуглероженная прослойка образуется в основном металле, а науглероженная – в плакирующем металле.

Выявлены основные закономерности формирования различных структур в сварных соединениях колонных аппаратов, изготовленных из биметалла
(17ГС + 08Х13).

В работе на основе анализа неустойчивости пластических деформаций и использования закона аддитивности получена аналитическая зависимость для расчетной оценки несущей способности цилиндрических конструктивных элементов с несплошностями и твердыми прослойками. Показано, что в ряде случаев наличие твердых прослоек может снижать несущую способность до 30 % и более.

На следующем этапе настоящего исследования проведены статические испытания РДКБ - и РБЗН-образцов с различными геометрическими параметрами: и . Образцы изготовлялись из низкомодульного хрупкого материала (органического стекла).

Установлено, что с ростом параметров mнв и разрушающая нагрузка (момент) = Q×/в (здесь – толщина образцов) возрастает (рисунок 11).

При достижении некоторой критической величины предельный параметр сохраняет постоянное значение (= const). В проведенных опытах критическое значение практически не зависит от величины mнв. Величина » 5/3, как и в случае, когда mнв = 1,0.

В области £ относительная прочность РДКБ-образцов описывается следующей формулой: , (11)

где Мс - разрушающий параметр нагрузки при данном значении , а значение Мс* соответствует РДКБ-образцам при ³ (см. главу 2).

В работе описаны особенности разрушений образцов.

Рисунок 11 – Зависимость от параметра при различных значениях параметра

Рисунок 12 – Зависимость от для РБЗН-образцов

Подобные испытания проводились на РБЗН-образцах (рисунок 12). Здесь также введены аналогичные параметры: = Qс×/в; a = /; mнв= Sн/Sв; = С1/S; mсs = ; mс* - параметр , соответствующий > для PДКБ-образцов. Величины в и mсs в PДКБ-образцах и РБЗН-образцах были одинаковыми (mсs = 5).

В РБЗН-образцах отмечаются те же закономерности, что и в РДКБ-образцах. Однако значения параметра нагрузки для СДКБ-образцов были заметно выше, чем для ДКБ-образцов (см. рисунок 12). При этом характер разрушения образцов обоих типов примерно одинаковый. Критические значения для РДКБ - и РБЗН-образцов практически одинаковые (). Если значение Мс разделить на Мс* для РБЗН-образцов, то зависимости a() для рассмотренных типов образцов практически совпадают и описываются одной и той же формулой (11).

В ряде случаев в элементах оборудования могут встречаться расслоения с перемычками (рисунок 13). При этом не исключена возможность появления в конструктивных элементах расслоений, не совпадающих с их срединной поверхностью (рисунок 13, б). В этих случаях Sн Sв. Очевидно, что при с = 0 получается элемент с расслоением без перемычки. В литературе не обнаружено данных по несущей способности цилиндрических элементов с перемычками как при с = 0, так при с0. Кроме этого, рассматривается наиболее общий случай, когда Sн Sв.

Эксперименты проводились на моделях, изготовляемых из органического стекла (см. рисунок 13). В образцах варьировали относительные параметры mсs
(mсs = С/Sн или mсs = С/Sв) и mнв (mнв = Sн / Sв). В ряде образцов изменяли величину mсs (mсs = /Sн или mсs = /Sв). С целью сравнительной оценки производили испытания образцов без перемычек (с = 0).

б)

Рисунок 13 – Схемы образцов с перемычками между несплошностями

Для испытаний образцов с расслоениями и перемычками было изготовлено специальное шарнирное захватное устройство.

Для сравнительной оценки производили испытание базовых образцов типа ДКБ - и БЗН-образцов.

Подтверждено, что с увеличением параметра 2С1/S () несущая способность базовых образцов возрастает, и при определенных (критических) значениях прочность этих образцов достигает предельных значений. Дальнейший рост не оказывает влияния на их прочность. При этом значение составляет около 1,7.

Заметим, что в образцах с расслоением и перемычкой величина сохранялась постоянной ( = 2,0 > ), а варьировалось значение относительной протяженности перемычки = С/Sн. Установлено, что при одинаковых значениях С1, S и несущая способность образцов с расслоениями и перемычкой примерно в четыре раза больше несущей способности РБЗН-образцов (без перемычки). Это условие обеспечивается при критических значениях ( » 0,35) (рисунок 14).

Здесь = Qc/Qc*; Qc – предельная нагрузка данного образца с фиксированным значением mсs, а Qc* - предельная нагрузка ДКБ-образца при .

Рисунок 14 – Зависимость от mсs

Из этого рисунка видно, что значение mсs заметно меньше, чем для ДКБ - и БЗН-образцов. На основании анализа, проведенного в данной работе, для ориентировочных расчетов коэффициента интенсивности напряжений в образцах с расслоениями и перемычкой в области значений и mсs > 1,5 предложена следующая формула: . (12)

В области значений и для оценки относительной прочности образцов с расслоениями и перемычкой получена следующая формула:

φ. (12¢)

В дальнейшем проводились эксперименты по исследованию влияния местоположения расслоений по толщине образцов, т. е. при различных отношениях Sн/Sв = mнв. Установлено, что параметр jс в интервале 0,5 £ mнв £ 1,0 можно рассчитывать по формуле (12¢) с корректировкой параметров и mсs.

Таким образом, получены расчетные зависимости для определения напряженного и предельного состояний элементов с расслоениями, соединенными перемычкой.

Как уже отмечалось ранее, в элементах нефтегазового оборудования встречаются перемычки, соединяющие несплошности (рисунок 15).

Рисунок 15 – Элемент (1) с несплошностями (2) с перемычкой (4)

и сквозными повреждениями (3)

Имеющееся теоретическое решение оценки для ДКБ-образцов (рисунок 1) имеет достаточно жесткие ограничения. В частности, формулы для определения КИН справедливы для сравнительно больших значений параметра С.

Нами для оценки прочности перемычек предложена новая конструкция модели – четырехконсольная балка (ЧКБ-образец). Схема ЧКБ-образца показана на рисунке 16.

Рисунок 16 – Четырехконсольный образец (балка)

Для ДКБ-образца при Sн = Sв величина КИН определяется по известной формуле: . Как видно, в это выражение не входит параметр С.

Для оценки влияния параметра С на прочность ДБК-образцов проведены специальные эксперименты на образцах, изготовленных из хрупкого материала (органического стекла). На каждую серию экспериментов изготовили не менее 3-5 образцов.

Результаты экспериментов показаны на рисунке 17. На этом рисунке по оси ординат отложены значения относительной прочности образцов jс = Qс/Qс*, а по оси абсцисс - mсs (mсs = С/2S). Здесь Qс – предельное (разрушающее) усилие (момент или напряжение) образца с текущим значением параметра mсs = С/2S. Величина Qс* соответствует ДКБ-образцу при С >> 1. Параметр Qс* может определяться на основании формулы (1). Показано, что в данных условиях опытов значение mсs* при Sн = Sв составляет около 5/3 (mсs* = 5/3).

Рисунок 17 – Зависимость от mсs

В ряде случаев Sн ¹ Sв. В этом случае mсs = Sн / S. Критические значения mсs* такие же, как и при Sн = Sв (mсs » 5/3). Отличие состоит в том, что, например, при
Sн < Sв происходит увеличение l/Sн.

Аналогичные изменения jc в зависимости от mсs наблюдаются и для четырехконсольных образцов (рисунок 18). Однако, в этом случае величина mсs* » 0,75, что примерно вдвое меньше. Это говорит о том, что при одинаковых значениях mсs прочность ЧКБ-образцов заметно выше, чем ДКБ-образцов. Этот феномен на данном этапе можно объяснить следующим. Во-первых, в ЧКБ-образцах с незначительными значениями mсs область действия сжимающих напряжений охватывает большую часть металла перемычки. Во-вторых, при сближении вершин несплошностей происходит самокомпенсация сингулярных напряжений. По-видимому, эти факты обуславливают экстремальный характер зависимости jc (mсs) (рисунок 19).

Необходимо отметить, что в результате исследований получена следующая единая формула для определения относительной прочности ДКБ - и ЧКБ-образцов:

, (13)

где mнв = Sн/Sв; = l/Sн (или l/Sв); k – эмпирический коэффициент.

При Sн = Sв получается следующая формула:

где, как и ранее, mсs = С/2S; = /S.

Установлено что для ДКБ - и ЧКБ-образцов величина k составляет соответственно около 1,75 и 0,75.

На основании формулы (13) можно получить расчетные критические значения mсs, при которых jс = 1: . (15)

Рисунок 19 – Зависимость jс от mсs для четырехконсольных балок, нагружаемых с двух торцов

Рисунок 18 – Зависимость от

Здесь = Sн/Sв. При = 1,0 из формулы (15) вытекает следующая формула:

. (16)

Критическое значение mсsкр возрастает прямо пропорционально с ростом параметра mсs. При фиксированных значениях mсs и k величина mсsкр зависит обратно пропорционально от параметра (mнв =  Sн/Sв).

Таким образом, предложена новая конструкция образцов (ЧКБ-образцы) для оценки прочности перемычек между несплошностями. Установлены и описаны закономерности несущей способности ДКБ - и ЧКБ-образцов в зависимости от их геометрических параметров.

Базируясь на основных результатах исследований, приведенных в предыдущих главах, разработана усовершенствованная технология ремонта конструктивных элементов оборудования с обнаруженными при диагностике протяженными металлургическими несплошностями. Особенностью разработанной технологии ремонта является то, что в ней даны научно обоснованные рекомендации по безопасному сроку эксплуатации конструктивных элементов оборудования после выполнения ремонтно-сварочных работ без остановки перекачки.

С целью снижения трудоемкости ремонтных работ предлагается обваривать конструктивный элемент (цилиндр или трубу) с расслоением двумя или более кольцевыми швами так, чтобы обеспечивалось проплавление поверхности расслоения. При этом два крайних сварных шва могут явиться барьерами в случае распространения расслоения в продольном направлении. Для того чтобы обеспечивать достаточную несущую способность элемента с протяженным расслоением, необходимо накладывать несколько дополнительных кольцевых швов в зависимости от протяженности расслоения. Степень упрочнения трубы с несплошностью после наложения дополнительных швов оценивается отношением расстояния между швами В к диаметру трубы Д (mвд = B/D).

В ряде случаев в зависимости от протяженности несплошностей можно использовать несколько коротких ремонтных муфт, устанавливаемых, например, по торцам дефекта и по его середине.

Анализ полученных ранее результатов показал возможность применения для ремонта металлургических несплошностей муфт с пониженной металлоемкостью (или то же самое, что меньшей толщины). Установлено, что степень снижения толщины стенок ремонтных муфт (Кd = Sм/S, где Sм и S - соответственно толщины стенок муфты и ремонтируемой трубы) прямо пропорционально падает с уменьшением параметра mвд. К примеру, четырехкратное снижение mвд приводит к уменьшению металлоемкости муфты в четыре раза. С целью достижения такого эффекта необходимо усиливать концевые участки муфт. Для этого в работе обоснован ряд технических решений, которые регламентированы методическими рекомендациями МР ОБТ-8-03.

Четвертая глава посвящена разработке методов расчета и повышения характеристик безопасности эксплуатации оборудования с конструктивными несплошностями.

Конструктивные несплошности, в основном, образуются между поверхностями двух цилиндрических (или сферических) элементов, привариваемых друг к другу угловыми (или специальными) швами. При этом один из элементов преимущественно играет роль укрепления (повышения несущей способности) другого (основного) элемента.

Конструктивные несплошности создаются преднамеренно с целью укрепления отверстий и повышения несущей способности тонкостенного оборудования путем изготовления его в двухслойном или многослойном исполнении. Конструктивные несплошности возникают также в соединениях типа охватываемых и охватывающих базовых элементов, в частности в соединениях корпусов вертикальных аппаратов с опорными обечайками. В горизонтальных аппаратах и сосудах несплошности возникают между поверхностями их корпусов и приварных накладок, устанавливаемых на опорных участках, а также на участках временного приложения сосредоточенных сил, и др.

Предложенные в работе рекомендации использованы при изготовлении нефтегазового оборудования в .

К конструктивным несплошностям можно отнести те, которые образуются при ремонте сквозных повреждений на трубопроводах с помощью ремонтных хомутов.

В работе описан основной принцип укрепления ослабленных (отверстиями, повреждениями и др.) элементов оборудования и трубопроводов. Получена формула для оценки коэффициента концентрации напряжений для усиленных и неусиленных сквозных повреждений (отверстий).

В плане несущей способности цилиндрических элементов с накладными элементами значительную роль играют сварные угловые швы. Ра­ботоспособность угловых швов можно повышать рациональным выбором их свойств и размеров.

Первое направление - сварка угловых швов с повышенными значения­ми коэффициента трещиностойкости Кс. Второе направление связано с выбором оптимальных геометрических параметров накладных элементов.

Повышения Кс можно достичь выбором соответствующих сварочных электродов, оптимальных режимов сварки, термической обработки в процес­се сварки или после выполнения сварки и др. Второе направление, в основ­ном, может быть реализовано соответствующим выбором параметров гео­метрии угловых швов.

В ряде случаев не исключена возможность попадания внутреннего давления в полость между обечайкой (трубой) и накладным элементом (рисунок 20). В этом случае указанные проблемы значительно обостряются.

В связи с этим возникает ряд нерешенных проблем по оценке и повышению работоспособности элементов оборудования с несплошностями в экстремальных условиях.

Во многих случаях конструктивные элементы оборудования с повреждениями ремонтируются с применением накладок различных форм. В результате этого в оборудовании появляются конструктивные несплошности (рисунок 20). При этом не исключена возможность попадания в полость между ремонтируемым конструктивным элементом и накладками внутреннего давления, например в связи с образованием сквозного повреждения либо в накладке (рисунок 20, б), либо в ремонтируемом цилиндрическом (сферическом) элементе (рисунок 20, а).

1 – ремонтируемый элемент (обечайка, сфера, труба и др.); 2 – накладка; 3 – сквозное повреждение Рисунок 20 – Схемы цилиндров (труб) с конструктивными несплошностями

В этих случаях давление конструктивной несплошности вызывает расклинивающее действие, и в области сварных угловых швов возникают значительные краевые моменты Мо. Для оценки величины Мо воспользуемся решением задачи о напряженном состоянии цилиндрического элемента с жестко защемленными торцами (см. главу 2).

Введем следующие обозначения: - длина муфты; Д = 2R – диаметр цилиндрического элемента; Sн и S - толщины соответственно накладки и цилиндрического элемента. Заметим, что напряжения от поперечных сил значительно меньше таковых от действия краевых моментов. Поэтому влиянием поперечных краевых сил в расчетах будем пренебрегать.

Установлено, что коэффициент концентрации напряжений от изгибающего момента (as) для сравнительно длинных ремонтных цилиндрических накладок (муфт) при /Д > 0,2 составляет около 12m, где m - коэффициент Пуассона. С уменьшением /Д величина as заметно снижается (практически прямо пропорционально параметру /Д): as = 2м/Д. Заметим, что тензометрирование сосудов с кольцевыми угловыми швами при /Д » 2,4 и Sм = S показало, что as » 4,0, что несколько больше найденного теоретического значения. Отметим, что величина as определялась по отношению осевых (продольных) напряжений в трубе sz (sz = РД/4S). Любопытно, что найденное значение as (as = 4,0) совпадает со значением as для сварного соединения со смещением кромок: as = 1 + 3с/S, где с – смещение кромок. Для нахлесточного соединения с = S, следовательно, as = 4,0. Для случая, когда Sн ≠ S, можно получить: as = 1+1,5(1+ms), где ms = Sн/S. Если Sн = S, то as = 4.