Научные основы обеспечения безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования трубопроводов с технологическими, конструктивными и эксплуатационными несплошностями (стр. 4 )

Поскольку наибольшую опасность для цилиндрических конструктивных элементов представляют трещины, то здесь, в основном, рассматривались модели, представленные на рисунке 35.

Разрушающие окружные напряжения можно представить в следующем виде: , (33)

где kh – коэффициент, учитывающий степень ослабления рабочего сечения элемента (kh £ 1,0); – коэффициент, поддерживающий эффект коротких трещин (kℓ ³ 1,0); kj – коэффициент, учитывающий наклон трещин к продольной оси трубопровода (kj ³ 0); kg – коэффициент, учитывающий наклон трещин к радиальному направлению (kg ³ 0). В работе даны соответствующие формулы для оценки коэффициентов, входящих в формулу (33).

Особую опасность для конструктивных элементов оборудования представляют различные комбинации несплошностей. Этот вопрос в литературе изучен недостаточно полно.

В связи с этим нами проведены исследования влияния различных комбинаций несплошностей на несущую способность конструктивных элементов оборудования.

Рисунок 35 – Схемы цилиндрического элемента с эксплуатационными несплошностями (трещинами)

I

I II III

В частности, проведены испытания на растяжение образцов из органического стекла (рисунок 36) с несплошностями и сварными швами с дефектами (подрезами).

Рисунок 36 – Образцы с несплошностями и швом (а) и швом с подрезом (б)

Любопытно, что образцы с несплошностями и без них разрушались примерно при одинаковой нагрузке » 290 кг. Наличие сварных швов с усилением q (q = 5 мм) заметно снижает несущую способность образцов. Это объясняется тем, что в моделях специально создавали острый переход от металла шва к основному металлу. Как известно, острые углы можно приводить к эквивалентным трещинам (РД 387-87). Для этого усиление шва q необходимо умножить на коэффициент эквивалентности kэ: , где глубина эквивалентной трещины (рисунок 37).

Установлено, что величину kэ в зависимости от угла b можно определять по формуле .

Рисунок 37 – Модели со схематизированным усилением шва (а) и эквивалентной трещиной (б)

В дальнейшем прочность модели рассчитывается в соответствии с
РД 387-87.

Показано, что расчетные значения для образца по рисунку 36, а составляют около 281 кгс, что близко к экспериментально полученному значению . Аналогичные результаты получаются для образцов с несплошностью и подрезом (рисунок 36, б). В работе установлены закономерности изменения несущей способности моделей с пересекающимися несплошностями и трещинами различных размеров, когда вершина несплошности может оказаться в окрестности патрубков и др.

В литературе имеется достаточно много публикаций, в которых дается аналитическая зависимость для оценки предельных нагрузок для моделей с несплошностями в условиях вязкого разрушения ( и др.). Однако эти формулы можно применять для оценки несущей способности элементов с протяженными трещиноподобными дефектами.

В работе произведена оценка несущей способности элементов с несплошностями различных конфигураций и размеров с учетом их протяженностей.

Показано, что уменьшение протяженности способствует уменьшению номинальных напряжений, а следовательно, несущей способности элементов. Этот эффект назван поддерживающим эффектом.

Шестая глава посвящена оценке ресурса безопасной эксплуатации оборудования с несплошностями в конструктивных элементах.

Безопасность эксплуатации конструктивных элементов оборудования определяется соотношением параметров несущей способности R(t) и нагрузки Q(t). Отношение этих параметров до начала эксплуатации представляет собой коэффициент запаса прочности n0 : n0 = R0/Q0. Пересечение кривых R(t) и Q(t) дает величину долговечности tр (времени до разрушения) конструктивного элемента. При этом безопасный срок эксплуатации [t] определяется по долговечности tр с учетом коэффициента запаса долговечности nt: [t] = tр/nt. Значение nt устанавливается по справочным материалам или экспертным путем. Очевидно, что если n0 = const
(или`Q0 =`R0 = const), то оборудование будет иметь неограниченную долговечность: tр = tр(1) = ¥. Если n0 ¹ const, то конструктивный элемент будет иметь ограниченную долговечность, зависящую от интенсивности изменения параметров и`R(t). Наименьшей долговечности соответствует случай, когда происходят одновременно снижение несущей способности`R и увеличение параметра нагрузки`Q. Максимальная долговечность конструктивного элемента отмечается при `Q = const и `R0 ¹ const.

Повышение безопасности оборудования при проектировании возможно путем уменьшения параметра нагрузки`Q и повышения несущей способности`R. В процессе эксплуатации долговечность участка трубопровода можно повышать путем увеличения`R проведением ремонта. Аналогичного эффекта можно достичь путем переиспытаний оборудования повышенным давлением, приводящим к снижению уровня остаточной дефектности, и др. В ряде случаев повышение безопасного срока эксплуатации возможно за счет реконструкции, в результате которой происходит уменьшение параметра нагрузки`Q.

Кинетика изменения параметра несущей способности преимущественно определяется сложными процессами водородного и деформационного охрупчивания и деформационного старения металла конструктивных элементов. Рост параметра при эксплуатации оборудования, в основном, обусловлен циклической и механохимической повреждаемостью конструктивных элементов оборудования. Установлено, что долговечность (в годах) конструктивных элементов оборудования, работающего под действием циклических нагрузок, описывается степенным законом в зависимости от отношения :

, (34)

где А и m – константы; ; tр* – константа (1 год).

 

Установлено, что А = 0,0275; m = 12,5. Эта зависимость отражена на рисунке 38. Вместо в формулу (34) можно подставить предельное давление (напряжение) элемента с дефектами или без них (РПР), максимальное давление при гидравлических испытаниях (РИ), предельное давление элементов после ремонта (РРЕМ) или реконструкции (РРЕК), вместо – величину рабочего давления (Р). Зависимость показана на рисунке 39.

Рисунок 39 – Зависимость от nо в условиях механохимической повреждаемости

Очевидно, что отношение представляет собой начальное (до эксплуатации) значение коэффициента запаса прочности .

В условиях механохимической повреждаемости взаимосвязь tр и n0 описывается следующей аналитической зависимостью:

, (35)

где S0 – толщина стенки конструктивного элемента; u – скорость коррозии ненапряженного металла; КМХП – коэффициент механохимической повреждаемости (КМХП > 1,0). Зависимость от nо показана на рисунке 39. В ряде случаев неучет МХП может привести к заметному завышению ресурса безопасности эксплуатации оборудования.

В общем случае скорость коррозии зависит от большого количества факторов, которые можно объединить в четыре основные группы: связанные с металлом (М), рабочей средой (РС), напряженно-деформированным состоянием (НДС) и временем t: u = ¦(М, РС, НДС). В некоторых случаях для оценки влияния механического фактора (НДС) на коррозионное повреждение металла величину u удобно представлять в следующем виде: u = u0צ(НДС), где u0 – скорость коррозии металла без учета НДС. Причем u0 = j(М, РС). Таким образом, учитываются все факторы коррозионного воздействия на металл.

В настоящей работе, базируясь на основных положениях механохимии металла и механики разрушения (, ), предложено следующее уравнение для описания диаграммы длительной статической коррозионной трещиностойкости в координатах «скорость роста коррозионной трещины dHk / dt = u – коэффициент интенсивности напряжений К1»:

, (36)

где m – коэффициент Пуассона (m = 0,3); r – полярная координата. Коэффициент интенсивности напряжений определяется по формулам, приведенным в главах 2-5.

В общем случае долговечность (время до полного разрушения) конструктивного элемента tр определяется интегрированием уравнения (36) в пределах от 0 до tр и от К10 до Кск (Кск – величина КИН в данной коррозионной среде):

, (37)

где φ(К1) = Нк. Заметим, что это выражение справедливо при К10 > К1SCC, где К1SCC – пороговое значение КИН. Как известно, при К1 £ К1SCC трещина не распространяется.

В работе получена соответствующая аналитическая зависимость для определения tр, не прибегая к численным расчетам, а также значений КМХП.

Основные выводы по работе

1. Базируясь на основных положениях и достижениях механики разрушения, теории оболочек и пластичности, получены аналитические зависимости для определения напряженного и предельного состояний предложенных новых базовых моделей для оценки характеристик безопасной эксплуатации нефтегазохимического оборудования и трубопроводов с несплошностями различного происхождения. Получены формулы для расчетов коэффициентов интенсивности напряжений, краевых сил и моментов, предельных нагрузок для базовых моделей с несплошностями.

2. Раскрыт механизм образования технологических несплошностей в конструктивных элементах оборудования из низколегированных сталей и биметаллов. Показано, что большинство конструктивных элементов с несплошностями обладают значительной механической неоднородностью, заключающейся в наличии в них мягких и твердых участков (прослоек).

На основе анализа неустойчивости пластических деформаций и закона аддитивности получены формулы для расчета несущей способности цилиндрических (сферических) конструктивных элементов оборудования с несплошностями с учетом механической неоднородности. Показано, что в ряде случаев возможно заметное снижение несущей способности цилиндрических конструктивных элементов с замкнутыми несплошностями и твердыми (хрупкими) прослойками.

3. На основе предложенного экспериментально-аналитического метода оценки КИН по предельным нагрузкам получена аналитическая зависимость для расчетов несущей способности конструктивных элементов оборудования с технологическими несплошностями с учетом коррозионного повреждения, наличия перемычек между ними, несимметричности их расположения.

Предложена новая конструкция образца (ЧКБ-образец) для оценки несущей способности перемычек между несплошностями. Установлен аномальный факт повышения прочности перемычек с уменьшением их ширины. Получены формулы для оценки КИН в ЧКБ-образцах.

Полученные основные результаты легли в основу методов повышения характеристик безопасности оборудования с технологическими протяженными несплошностями путем создания усовершенствованной технологии ремонта конструктивных элементов.

4. Проведена оценка напряженного и предельного состояний оборудования с конструктивными несплошностями, возникающими в результате приварки на него укрепляющих накладных элементов различных конструкций. Даны научно обоснованные рекомендации по повышению ресурса накладных элементов, которые использованы в нормативно-технических документах, согласованных с компетентными органами.

На основе полученных результатов исследования предложен и экспериментально подтвержден метод повышения эффективности усилительных накладок, базирующийся на рациональном выборе размеров, в частности ширины. В ряде случаев реализация в производстве разработанного метода может значительно снизить металлоемкость и трудоемкость сборочно-сварочных работ при установке накладных усилительных элементов. Проведенные натурные испытания подтвердили правомерность предложенного технического решения.

5. Разработаны методы повышения прочности концевых участков элементов с конструктивными несплошностями, основанные на применении двойных угловых швов, позволяющие в 2,5 раза повысить их несущую способность. Проведенный комплекс лабораторных и натурных испытаний подтвердил целесообразность применения двойных угловых швов. Предложенное техническое решение использовано в при производстве сосудов, аппаратов и сильфонных компенсаторов.

Предложен и реализован ряд научно-технических решений по оценке и повышению ресурса ремонтных хомутов путем их соответствующей реконструкции. Результаты исследования положены в основу нормативного документа, согласованного с компетентными органами.

Предложена и обоснована новая конструкция накладного элемента с закругленным патрубком, позволяющая повышать характеристики работоспособности оборудования.

В изготовлена партия накладных элементов с патрубками.

Определены основные параметры безопасного ведения ремонтных работ при приварке накладных элементов на напряженные конструктивные элементы. Проведен анализ снятия сварочных напряжений при выполнении ремонтных работ при приварке накладных элементов на действующем оборудовании. Показано, что при ведении ремонтно-сварочных работ на напряженных элементах происходит самопроизвольное снятие остаточных напряжений.

6. Проведена оценка коэффициентов несущей способности конструктивных элементов оборудования с эксплуатационными несплошностями.

Получена аналитическая зависимость для оценки поддерживающего эффекта в конструктивных элементах с различными несплошностями.

Разработана методика расчета КИН и несущей способности конструктивных элементов с комбинированными несплошностями.

7. Предложены методы оценки ресурса конструктивных элементов с несплошностями с учетом модифицированного кинетического уравнения механохимической повреждаемости.

Разработана методика расчетов ресурса безопасной эксплуатации элементов с несплошностями по критериям циклической трещиностойкости.

Предложен и обоснован инженерный метод определения ресурса конструктивных элементов оборудования с несплошностями в условиях циклического (пульсирующего) изменения внутреннего давления.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Монографии

1. Особенности термодеформационных процессов ремонтно-сварочных работ на напряженных трубах / , , . – Уфа: РИО РУМНЦ МО РБ, 2005. – 136 с.

2. , Мухаметшин степени опасности и повышения ресурса трубопроводов с протяженными расслоениями / Под ред. . – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – 94 с.

3. , Мухаметшин и оценка ресурса трубопроводов с накладными элементами / Под ред. . – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – 114 с.

4. , Абдуллин технологии ремонта действующих трубопроводов со сквозными повреждениями. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – 57 с.

5. Обеспечение безопасности транспортировки нефтегазопродук
тов / ,
, , . – Уфа: Изд-во «Безопасность эксплуатации сложных технических систем», 2007. – 211 с.

6. Ресурс оборудования с несплошностями / , , . – Уфа: Изд-во «Безопасность эксплуатации сложных технических систем», 2008. – 215 с.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,
рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ

1. , , Абдуллин трубопроводов с коррозионными дефектами // Башкирский химический журнал. – 2005. – Т. 12. – № 4. – С. 102-105.

2. , , Абдуллин  ремонтных хомутов трубопроводов для повышения надежности их работы // Нефтяное хозяйство. – 2006. – № 2. – С. 96-97.

3. , , Худякова оценка остаточного ресурса труб со сквозными трещиноподобными повреждениями // Башкирский химический журнал. – 2006. – № 5. – С. 91-92.

4. , Абдуллин эффективности ремонтных накладок // Нефтяное хозяйство. – 2007. – № 12. – С. 96-97.

5. , Халимов предельного состояния элементов нефтехимическая
промышленность" href="/text/category/himicheskaya_i_neftehimicheskaya_promishlennostmz/" rel="bookmark">нефтепромыслового оборудования (сосудов, аппаратов, трубопроводов) с металлургическими несплошностями и их очагами // Нефтепромысловое дело. – 2007. – № 10. – С. 42-44.

6. , , Абдуллин напряженного и предельного состояний элементов оборудования с эксплуатационными несплошностями // Нефтяное хозяйство. – 2008. – № 1. – С. 102-103.

7. Абдуллин прочности элементов оборудования с несимметрично расположенными технологическими расслоениями // Нефтепромысловое дело. – 2008. – № 1. – С. 32-34.

8. , Абдуллин элементы с отбортовочными патрубками // Нефтяное хозяйство. – 2008. – № 2. – С. 89-90.

9. Абдуллин напряженного и предельного состояния элементов оборудования с конструктивными несплошностями // Нефтепромысловое дело. – 2008. – № 2. – С. 50-51.

10. Абдуллин влияния деформационного старения на остаточный ресурс нефтепромыслового оборудования и трубопроводов // Нефтепромысловое дело. – 2008. – № 3. – С. 23-28.

Нормативно-технические материалы

1. Повышение остаточного ресурса трубопроводов с накладными элементами: Руководящий документ. – Салават: Салаватская городская типография МП РБ, 2000. – 20 с.

2. МР ОБТ 2-03 «Оценка качества труб по механическим свойствам»: Методические рекомендации. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2003. – 16 с.

3. МР ОБТ 4-03 «Оценка степени опасности дефектов и приоритетности ремонта трубопроводов»: Методические рекомендации. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2003. – 39 с.

4. МР ОБТ 8-03 «Технология ремонта действующих трубопроводов накладными элементами»: Методические рекомендации. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2003. – 65 с.

5. МР ОБТ 10-03 «Технология сварочных работ на трубопроводах под избыточным давлением»: Методические рекомендации. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2003. – 10 с.

6. Временная инструкция по применению нестандартных накладных элементов для ремонта внутрипромысловых трубопроводов со сквозными коррозионными дефектами для предприятий бизнес-единицы «Самотлор». – Уфа, 2006. – 16 с.

7. СТП 2-07 «Оценка степени деформационного старения металла нефтегазового оборудования при производстве»: Стандарт предприятия / , ,
. – Уфа: Салаватнефтемаш, 2007. – 8 с.

8. Технология сварочных работ на магистральной части магистральных нефтепродуктопроводов под избыточным давлением: Регламент. – Уфа: РИО РУМНЦ МО РБ, 2005. – 74 с.

Прочие публикации

1. , Абдуллин металлоемкости и повышение ресурса сварных швов накладных усилительных элементов нефтепроводов и сосудов давления // Обеспечение работоспособности нефтепроводов и сосудов давления. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 1999. – С. 61-70.

2. , Абдуллин сварочных напряжений при выполнении ремонтных работ на действующих сосудах и трубопроводах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2000. – № 3. – С. 37-38.

3. , , Абдуллин и оценка ресурса накладных усилительных элементов // Материалы Конгресса нефтегазопромышленников России. – Уфа, 2000. – С. 29-44.

4. Абдуллин и оценка ресурса нефтехимического оборудования с накладными элементами: Автореф. ... канд. техн. наук. – Уфа, 2000. – 24 с.

5. , Абдуллин элементы повышенного качества. – Салават: Салаватская городская типография МП РБ, 2000. – 44 с.

6. , Абдуллин и предельное состояния конструктивных элементов оборудования с технологическими несплошностями. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2002. – 18 с.

7. Абдуллин остаточного ресурса конструктивных элементов оборудования (сосудов, аппаратов и трубопроводов) с технологическими несплошностями. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2004. – 20 с.

8. , , Ешмагамбетов испытания труб с кольцевыми нахлесточными швами // Мониторинг и безопасность трубопроводных систем. – Уфа, 2005. – № 4. – С. 5-6.

9. Особенности применения нестандартных ремонтных накладных элементов для трубопроводов / , , ; под ред. акад. АН РБ . – Уфа, 2005. – 18 с.

10. , , Васильев проведения ремонтно-сварочных работ на трубопроводах, находящихся под давлением // Мониторинг и безопасность трубопроводных систем. – Уфа, 2005. – № 3. – С. 10-12.

11. , , Габбасов термодеформационных процессов при выполнении ремонтно-сварочных работ на напряженных трубах // Мониторинг и безопасность трубопроводных систем. – Уфа, 2005. – № 3. – С. 13-17.

12. , , Абдуллин несущей способности и снижение металлоемкости ремонтных муфт // Прикладная механика механохимического разрушения. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2005. – № 2. – С. 18-20.

13. , , Герасимов технологии ремонта действующих промысловых оборудования и трубопроводов накладными элементами // Работоспособность и технологичность нефтепромыслового оборудования и трубопроводов. Матер. научн.-техн. семинара / Под ред. проф. и . – Салават: , 2006. – С. 12-17.

14. , , Абдуллин ресурса оборудования и трубопроводов по пределу трещиностойкости // Ресурс и безопасность оборудования и трубопроводных систем: Сб. научн. тр. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – С. 75-81.

15. , Абдуллин долговечности конструктивных элементов по коэффициенту запаса прочности при испытаниях // Ресурс и безопасность оборудования и трубопроводных систем: Сб. научн. тр. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – С. 104-109.

16. , Габбасов подход к оценке ресурса // Ресурс и безопасность оборудования и трубопроводных систем: Сб. научн. тр. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – С. 28-30.

17. , , Абдуллин ремонтно-сварочных работ на действующих трубопроводах // Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом
комплексе: Сб. научн. ст. – Салават: Салаватнефтемаш, 2006. – С. 5-7.

18. , Абдуллин параметров термодеформационных процессов при сварке оборудования и трубопроводов под давлением // Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом комплексе: Сб. научн. ст. – Салават: Салаватнефтемаш, 2006. – С. 8-14.

19. , Абдуллин и повышение ресурса трубопроводов после ремонта // Проблемы качества и безопасности в нефтегазохимическом комплексе: Сб. научн. ст. – Салават: Салаватнефтемаш, 2006. – С. 15-18.

20. Абдуллин в конструктивных элементах нефтегазового оборудования и трубопроводах. – Уфа, 2006. – 31 с.

21. , Абдуллин расчетов предельного состояния элементов сложной формы // Ресурс и безопасность оборудования и трубопроводных систем: Сб. научн. тр. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – С. 60-74.

22. , Абдуллин ремонтных хомутов в приварные муфты // Ресурс и безопасность оборудования и трубопроводных систем: Сб. научн. тр. – Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2006. – С. 89-103.

23. Абдуллин скорости развития несплошностей в конструктивных элементах в условиях механохимической повреждаемости // Диагностика и ресурс нефтегазового оборудования. Матер. научн.-практ. семинара, посвященного празднованию 450-летия добровольного вхождения Башкирии в состав России (июль 2007 г.). – Уфа, 2007. – С. 55.

24. Абдуллин направления укрепления отверстий нефтегазохимического оборудования // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования. Матер. семинара в рамках Международн. научн.-практ. конф. «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 13-14 февраля 2008 г.). – Уфа, 2008. – С. 45-47.

25. , Абдуллин диагностики оборудования из биметаллов // Остаточный ресурс нефтегазового оборудования. Матер. семинара в рамках Международн. научн.-практ. конф. «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (Уфа, 13-14 февраля 2008 г.). – Уфа, 2008. – С. 92-104.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 2008 г. Бумага писчая. Заказ № . Тираж 100 экз. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». г. Уфа, пр. Ок тября, 144/3.