элементов нефтегазового оборудования с учетом коррозии металла
На правах рукописи
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТНОЙ
ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ БАЗОВЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
С УЧЕТОМ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА
Специальности: 05.26.03 – Пожарная и промышленная
безопасность (нефтегазовый комплекс);
25.00.19 – Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2012
«Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»).
Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты: Ведущее предприятие | – доктор технических наук, профессор
– кандидат технических наук
– доктор технических наук, профессор член корреспондент АН Р – кандидат технических наук, доцент
– «Нефтегазпроект» |
Защита диссертации состоится 29 февраля 2012 г. в 1030 часов
на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов»
г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».
Автореферат разослан 27 января 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Как известно, основным фактором снижения работоспособности большинства нефтегазового оборудования является коррозия, активируемая механическими напряжениями. В связи с этим возникает актуальная проблема создания адекватных кинетических уравнений для оценки коэффициентов механической активации коррозии, а также методов расчета на прочность и долговечность базовых элементов нефтегазового оборудования (НГО).
Работа выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструктивных материалов и технологии» (п. 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом
комплексе»).
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования совершенствованием методов расчетов на прочность и долговечность с учетом механической активации коррозии металла его базовых элементов.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
- анализ разрушений базовых элементов НГО;
- обоснование рациональной степени напряженности базовых элементов НГО;
- оценка взаимосвязей свойств металла и предельного состояния базовых элементов НГО;
- выбор и обоснование кинетического уравнения механической активации коррозии металла;
- разработка методов расчетов на прочность и ресурс базовых элементов НГО с учетом коррозии металла.
Методы решения поставленных задач. Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов теорий коррозии, пластичности, механохимии металлов, механики разрушения, физики твердого тела и др.
Научная новизна результатов работы
· Научно обоснована взаимосвязь коэффициента использования несущей способности базовых элементов НГО и отношения пределов текучести и прочности металла. Доказано, что для большинства оболочковых элементов НГО рабочие напряжения находятся на уровне пределов усталости при симметричном и отнулевом пульсационном нагружениях.
· На основании подходов и положений механики твердого деформируемого тела показано, что силовые характеристики разрушения базовых элементов НГО практически не зависят от схемы напряженного состояния. При этом деформационные параметры могут снижаться до двух раз.
· Базируясь на предложенном кинетическом уравнении механической активации коррозии металла (), разработаны методы расчетов на прочность и долговечность базовых элементов НГО в зависимости от заданного предельного состояния, включая достижение неустойчивого пластического деформирования.
На защиту выносятся результаты исследований, определяющие научную и практическую ценность, а также данные, полученные в результате проведенного комплекса исследований, в частности: предложенные аналитические зависимости для расчетов долговечности базовых элементов НГО; методы расчетов на прочность и ресурс базовых элементов НГО; методические рекомендации по оценке сроков безопасной эксплуатации НГО.
Практическая ценность результатов работы
Разработанные методы расчета на прочность и долговечность базовых элементов позволяют научно обоснованно назначать безопасные сроки эксплуатации НГО как на стадиях проектирования, так и по результатам диагностической информации.
Основные результаты нашли отражение в разработанных методических рекомендациях по расчетам на прочность и ресурс НГО.
Достоверность результатов исследования. Выполненные исследования базируются на широко апробированных подходах и положениях теории упругости и пластичности, механохимии металлов и материаловедения, механики деформируемых тел и др. Теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными других авторов.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти
, нефтепродуктов и газа», «Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа» в рамках ХVIII международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2010» (г. Уфа, 2010 г.); XI Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках XI Российского энергетического форума (г. Уфа, 2011 г.).
Работа заслушана на секции Ученого совета «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» ГУП «ИПТЭР» и рекомендована к защите (протокол от 27 декабря 2011 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных трудах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в 2 монографиях и 3 методических рекомендациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 131 наименование. Работа изложена на 114 страницах, содержит 46 рисунков, 2 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.
Первая глава посвящена анализу формирования характеристик безопасности на всех стадиях жизненного цикла НГО, проанализированы основные факторы повреждаемости, рассмотрена общая методология исследования.
Показано, что большинство разрушений НГО связано с процессами одновременного действия коррозионных сред и механических напряжений.
Скорость механохимической коррозии металла при упругих деформациях экспоненциально возрастает с увеличением степени его напряженности. В пластической стадии деформирования металла скорость коррозионно-механической повреждаемости металла изменяется по сложной экстремальной зависимости с максимумом в области предельной устойчивой интенсивности деформаций.
Обоснована необходимость разработок по усовершенствованию и созданию методов расчета на прочность и ресурс базовых элементов НГО с учетом особенностей взаимодействия механических напряжений и коррозионно-активных сред на всех стадиях деформирования металла.
Во второй главе диссертации выполнен анализ механизмов разрушений базовых элементов НГО и обоснованы усовершенствованные критерии по оценке предельных (допускаемых) напряжений в базовых элементах НГО.
Базируясь на основных положениях и подходах теории упругости и пластичности, в работе показано, что независимо от свойств стали и условий эксплуатации механические отказы нефтегазового оборудования и трубопроводов могут возникать в результате макроскопической или локализованной потери устойчивости пластических деформаций с реализацией соответствующего излома. Высокоэнергетическое (вязкое) разрушение характеризуется волокнистым (шиферным, древовидным и слоистым) изломом. Малоэнергетические (хрупкие) разрушения инициируются в областях металла с высокой степенью жесткости напряженного состояния (стесненности деформаций), при ударных и циклических нагрузках, при действии отрицательных температур и водородсодержащих сред.
В современных нормативных материалах в основу расчетов на прочность элементов оборудования закладываются некоторые предельные напряжения 
и коэффициент запаса прочности 
. В общем случае условия прочности записываются в следующем виде: s £ [s] = `sпр/`n, где s – параметр, характеризующий интенсивность напряженного состояния в опасном сечении; [s] – допустимое значение параметра 
.
Параметр s определяется методами, основанными на теории сопротивления материалов, теории упругости, механики трещин и др. и включает в себя компоненты тензора напряжений, зависящие от геометрических характеристик конструкции, внешних силовых нагрузок, упругих свойств материала и др. Коэффициент запаса прочности характеризует уровень напряжений при эксплуатации изделия и устанавливается в зависимости от условий работы на основании статистических данных о работоспособности подобных конструкций. Параметр 
косвенно оценивает качество технологии изготовления, расчетов на прочность, материалов и др. За предельное напряжение принимается одно из значений компонент тензора напряжений или их определенное сочетание, при котором наступает текучесть, разрушение или нарушение первоначальной формы изделия. Обычно в условиях статического нагружения за величину принимают либо предел текучести sт, либо временное сопротивление металла sв. При этом коэффициенты запаса прочности обозначают соответственно через nт и nв. В условиях воздействия повышенных и высоких температур за предельное напряжение принимается предел ползучести или длительной прочности. Если элемент испытывает циклические нагрузки, то 
= sr, где sr – предел усталости (sr =
и sr = σ0 соответственно при симметричном и отнулевом пульсационном нагружениях).
Аналогичный подход заложен в методах расчета на прочность трубопроводов по СНиП 2.05.06-85*. В частности, расчетное сопротивление растяжению R1 (допускаемое напряжение) определяется по формуле R1 = =
, где m – коэффициент условий работы трубопровода
(m = 0,6…0,9); К1 – коэффициент надежности по материалу (К1 = 1,34…1,55); Кн – коэффициент надежности по назначению (Кн = 1,0…1,5); 
нормативное сопротивление растяжению, принимаемое равным временному сопротивлению металла труб sв. Ясно, что 
. Заметим, что общий принцип расчета на прочность сохраняется не только для магистральных трубопроводов, но и для другого оболочкового оборудования. Отличие существующих методов расчета на прочность, в основном, заключается в различной интерпретации значения допускаемого напряжения [s]. Например, в ряде случаев при определении толщины стенок промысловых труб допускаемые напряжения выражают в долях от предела текучести металла sт:
[s] = К×sт, где К = 0,4...0,6 в зависимости от категорийности трубопровода.
При таком подходе в ряде случаев занижаются запасы прочности, например, труб из сталей с высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению Ктв (Ктв = sт / sв). Кроме того, тенденция снижения металлоемкости оборудования создает предпосылки для создания и применения сталей с повышенным пределом текучести без улучшения вязкопластических характеристик. Примером этому может служить способ повышения предела текучести путем предварительной «холодной» пластической деформации, например, при калибровке труб, гидравлических испытаниях и др. Заметим, что «холодная» деформация металла увеличивает параметр 
и снижает вязкопластические характеристики.
Обычно за допускаемые напряжения принимается наименьшее значение из двух, рассчитанных по пределу текучести и временному сопротивлению: [s] = sт/nт и [s] = sв/nв, где nт = 1,5 и nв = 2,4. Такой подход консервативен к пластичным сталям с низким отношением Ктв. На наш взгляд, целесообразно назначать допускаемые напряжения дифференцированно в зависимости от отношения предела текучести к временному сопротивлению Ктв. Об этом говорит хотя бы тот факт, что величина Ктв непосредственно связана с коэффициентом деформационного упрочнения 
, предопределяющим многие характеристики работоспособности: предел трещиностойкости, параметры малоцикловой долговечности и циклической трещиностойкости, несущую способность конструктивных элементов и др.
В работе предлагается следующий подход к учету параметра Ктв при назначении коэффициентов запаса прочности базовых элементов НГО. Пусть [s]т и [s]в, nт и nв соответственно допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности по пределу текучести и временному сопротивлению
[s]т = sт/nт; [s]в = sв/nв. Очевидно, наиболее благоприятный случай, когда [s]т = [s]в, что обеспечивается при условии nт/nв = Ктв. Для сосудов давления (nт = 1,5 и nв = 2,4) это условие выполняется при Ктв = 0,625. Таким образом, nт = nв Ктв. Если nв = 2,4, Ктв < 0,417, то nт < 1. Это означает, что рабочие напряжения могут быть больше sт. Ясно, что в данном случае целесообразно ограничить значение nт единицей независимо от величины Ктв при
Ктв < 0,417. Такой подход позволяет в ряде случаев заметно снизить металлоемкость оборудования из сталей с малыми значениями Ктв. Возможность такого ограничения nт (в сравнении с установленной величиной nт = 1,5) оправдывается расчетами на прочность по критерию малоцикловой усталости. Возможно применение следующего альтернативного подхода к оценке допускаемых напряжений, охватывающего более широкий круг конструктивных сталей. Анализ литературных данных показывает, что для многих конструкций, в частности сосудов, работающих под давлением, рабочие напряжения 
примерно равны пределу усталости при симметричном цикле нагружения 
. При этом для многих конструкционных сталей по данным ИМАШ РАН им. , 
. Это значение 
широко используется в нормативных материалах, в частности, в расчетах на прочность трубопроводов в атомной промышленности.
В работе установлено, что величина 
зависит от 
. (1)
Следовательно, рабочие напряжения в элементе 
. Тогда коэффициент использования несущей способности 
будет равным 
. Уменьшение 
приводит к заметному росту 
(рисунок 1) и в ряде случаев – к соответствующему снижению металлоемкости базовых элементов НГО.
|
Третья глава посвящена исследованию взаимосвязей свойств металла при испытаниях образцов на растяжение и базовых элементов под действием внутреннего давления.
Известным видом натурных испытаний является нагружение цилиндра (трубы) с приварными днищами (рисунок 2).
Рисунок 2 – Цилиндр с днищами под давлением (а) и напряженный элемент (б)
Внутреннее давление 
(внешняя нагрузка), основные геометрические параметры (толщина 
, радиус 
и длина 
цилиндра) и соответствующие по главным направлениям напряжения (внутренние удельные силы сопротивления деформированию) 
и 
подчиняются известным условиям статического равновесия:
, (2)
где 
и 
усилия по главным направлениям, действующие по соответствующим площадям 
и 
. Большинство базовых элементов в виде цилиндров относятся к категории тонкостенных, для которых 
и 
. В толстостенных цилиндрах 
, действующие напряжения 
соразмерны по величине с внутренним давлением 
. При этом на внутренней поверхности 
, а на наружной 
. Отсюда следует, что тонкостенные цилиндры (оболочки вращения) под действием внутреннего (наружного) давления испытывают двуосное напряженное состояние с отношением главных напряжений 
. Заметим, что в сферах: 
. Ясно, что при одинаковом значении 
сфера оказывается в два раза менее напряженной, чем цилиндр. Заметим также, что при отсутствии днищ в цилиндрах гипотетически в них реализуется одноосное напряженное состояние: 
. Поэтому возникает задача оценки влияния 
(схемы напряженного состояния) на условия перехода металла цилиндров в то или иное предельное состояние. Для этого вводят понятия эквивалентного напряжения 
или интенсивности напряжений 
. В условиях двуосного напряженного состояния: 
. Анализ этого выражения показывает, что в реальном интервале 
отношение 
изменяется от 
по экстремальной функции с минимумом при 
. Если за предельное состояние принять условие текучести Губера-Мизеса 
(
предел текучести стали при одноосном растяжении образцов), то следует, что 
. Это дает основание принимать за условие прочности равенство 
, совпадающее с первой теорией прочности в теории сопротивления материалов.
На диаграммах испытаний цилиндрических сосудов внутренним давлением выделяют три характерные состояния: I – упругое; II – пластическое;
III – разрушение (рисунок 3). Наряду с этим различают переходные состояния: из упругого в пластическое при 
(состояние текучести); из устойчивого пластического состояния в неустойчивое при 
(начало выпучивания).
|
Рисунок 3 – Диаграммы испытаний сосудов (а) и схемы упругого (б), устойчивого (в) и неустойчивого (г) пластического
деформирования
Первое переходное состояние (текучести) сосуда 
описывается основным уравнением: 
. Стадия устойчивого пластического деформирования характеризуется следующими взаимосвязями:
, (3)
где 
и 
текущие радиус и толщина стенок сосуда; 
и 
константы прочности и упрочнения.
Силовые и деформационные характеристики, отвечающие максимальному давлению в сосуде 
, имеют наибольшую практическую значимость:
. (4)
В таблице 1 приведены основные механические характеристики диаграмм одноосного растяжения образцов из распространенных в нефтегазовой отрасли малоуглеродистых и низколегированных сталей.
Таблица 1 – Характеристики диаграмм растяжения образцов при tисп = 20 °С
Марка стали | sт, МПа | sв, МПа | А, МПа | Ктв=sт/sв |
|
|
|
|
Ст3 | 260 | 480 | 870,000 | 0,54 | 0,33 | 0,60 | 0,94 | 116 |
20 | 260 | 461 | 830,000 | 0,57 | 0,31 | 0,56 | 1,02 | 110 |
17ГС | 351 | 549 | 910,000 | 0,64 | 0,27 | 0,52 | 0,96 | 120 |
08Г2СФТ | 600 | 730 | 1,145 | 0,82 | 0,21 | 0,46 | 1,00 | 138 |
Анализ результатов и испытаний показывает, что при 
предельная интенсивность деформаций 
цилиндрического сосуда 
и образца на осевое растяжение 
находится в соотношении 
. Другими словами, предельные интенсивности сосуда и образца из одной и той же стали могут различаться почти вдвое 
. Здесь необходимо обратить внимание на тот факт, что пластический коэффициент Пуассона 
, определяемый отношением поперечной деформации к продольной, не всегда может быть равным 
.
В области неустойчивого пластического деформирования коэффициент Пуассона возрастает до единицы и более (таблица 1). В целом, можно полагать, что в образцах на одноосное растяжение после разрушения для многих сталей 
. Поскольку при испытаниях цилиндрических сосудов металл находится в стесненных условиях, можно полагать, что полные удлинения периметра и сужения толщины стенок, как и соответствующие им равномерные удлинение 
и сужение 
, уменьшаются в 
раза. В этом случае можно ожидать, что максимальное утонение стенок цилиндрического сосуда 
. Это условие достаточно адекватно для цилиндрических сосудов, изготовленных из пластичных малоуглеродистых (Ст3, 20, 22К) и низколегированных (14ГН, 14ХГС, 16ГС, 16ГН, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, Х70) сталей в горячекатаном и нормализованном состояниях.
В дальнейшем в работе проведен анализ закономерностей изменения силовых и деформационных характеристик оболочкового элемента произвольной формы под действием внутреннего давления до разрушения.
Полученные ранее закономерности использованы для оценки изменения энергетических параметров при статическом нагружении оболочковых элементов.
Как известно, плотность энергии деформации при нагружении элементов определяется по уравнению: 
. При одноосном нагружении образцов: 
. При испытаниях цилиндрического сосуда: 
, где 
предельное окружное напряжение цилиндрического сосуда 
. Отсюда следует, что к моменту достижения 
в сосуде накапливается энергия деформации 
, которая почти в два раза меньше реализуемой в образце на осевое растяжение. Это свидетельствует о том, что в цилиндрических сосудах значительно повышается вероятность хрупкого разрушения. В сферическом сосуде из такой же стали: 
, где 
. При этом 
. Следовательно, 
, что на 15 % выше, чем для цилиндрического сосуда. При этом: 
, где 
относительное удлинение пятикратного образца.
К моменту полного разрушения цилиндрического сосуда энергия разрушения:
. (5)
Для расчетов относительного удлинения 
и сужения 
в работе обоснованы следующие зависимости:
, (6)
где 
базовая энергия разрушения осесимметричных (круглых) образцов на растяжение из пластичных малоуглеродистых и низколегированных сталей, для которых 
. Заметим, что для этих сталей 
. При этом предел прочности изменяется в интервале 
, а относительное удлинение 
. Для оценки параметра n в зависимости от 
может быть использована формула:
, (7)
где 
измеряется в МПа. Как известно, 
равномерное удлинение (сужение) стали.
С целью оценки влияния химического состава и вида термообработки сталей на 
получена следующая формула:
, (8)
где 
и 
коэффициенты, предопределяющие степень улучшения (упрочнения) стали от термообработки и изменение химического состава (снижение количества вредных элементов); 
общий коэффициент улучшения (коэффициент работоспособности).
Анализ и обобщение литературных данных позволили рекомендовать следующие формулы для оценки 
и 
:
, (9)
где 
и 
текущее и базовое значения предела прочности; 
показатель степени, изменяющийся в пределах от 0,125 до 0,250.
Полученные результаты работы достаточно адекватно отвечают экспериментальным данным отечественных и зарубежных исследователей. В частности, на рисунке 4 приведены расчетные и экспериментальные зависимости 
.
Зависимости 
от 
приведены на рисунках 5 и 6.
Особую практическую и теоретическую ценность представляют исследования ученых ГДР, результаты которых представлены на рисунках 7 и 8. Анализ этих рисунков показывает, что исследуемые стали достаточно адекватно описываются степенной функцией типа: 
(рисунок 7). Здесь 
и 
константы стали, определяемые по диаграммам испытаний образцов.
– по формулам (5) – (7); – эксперимент [Виноградов, Сорокин]
Рисунок 4 – Зависимости 
(б) и 
(в) от
При этом формулы 6 и 7 подтверждаются в широком диапазоне изменения исходной прочности сталей.
Таким образом, произведена оценка взаимосвязей деформационных, силовых и энергетических характеристик при испытаниях образцов, цилиндрических сосудов и труб из сталей в различных структурно-прочностных состояниях.
Уточнены понятие пластического коэффициента Пуассона и способ его оценки для различных конструктивных элементов и образцов для испытаний.
|
|
а – kто(Кпр); б – kхс(Кпр)
Рисунок 5 – Взаимосвязь kто (а) и kхс (б) с Кпр
Рисунок 6 – Взаимосвязь коэффициента работоспособности kрd
со степенью упрочнения стали Кпр
Таким образом, на основании критерия пластической неустойчивости деформаций и деформационной теории пластичности получены аналитические зависимости для расчетов силовых и деформационных характеристик при испытаниях образцов на растяжение и базовых элементов нефтегазового оборудования с различными исходными механическими характеристиками.
|
[ГДР]
|
с величиной предела прочности 
На основе анализа энергетических параметров при испытаниях предложены и экспериментально подтверждены аналитические зависимости для прогнозирования характеристик высокопрочных сталей, которые достаточно адекватно согласуются с экспериментальными данными отечественных и зарубежных ученых.
Установлено, что силовые характеристики разрушения базовых элементов оборудования практически не зависят от схемы напряженного состояния металла. Деформационные характеристики при изменении схемы напряженного состояния могут снижаться почти вдвое.
Определено, что в области неустойчивого пластического деформирования образцов, сосудов и труб пластический коэффициент Пуассона может возрастать до единицы и более.
Получены аналитические зависимости для оценки относительного удлинения и сужения и энергии разрушения для цилиндрических сосудов и труб из различных сталей после их гидростатических испытаний до разрушения.
В четвертой главе разработаны усовершенствованные методы расчетов на прочность и ресурс базовых элементов нефтегазового оборудования с учетом механической активации коррозии металла.
При этом теоретической базой предложенных методов расчетов на прочность и ресурс базовых элементов НГО явилось предложенное кинетическое уравнение механической активации коррозии металла при упругих и пластических деформациях:
, (10)
где 
и 
скорости коррозии соответственно напряженно-деформированного (
и 
) и ненапряженно-деформированного металла 
; 
термодинамический коэффициент, соответствующий нормальной и абсолютной температурам 
; 
и 
мольный объем стали и универсальная газовая постоянная; 
температурный коэффициент; 
абсолютная рабочая температура; 
температура рабочей среды, 
; 
коэффициент жесткости напряженного состояния; 
интенсивность напряжений, МПа; 
среднее напряжение; 
главные напряжения в элементе; 
равномерное удлинение стали; 
; 
интенсивность деформаций; 
коэффициент деформационного упрочнения 
. При этом величина 
.
При упругих деформациях 
коэффициент механической коррозии металла оценивается формулой 
:
. (11)
В таком виде 
впервые представлен в ГУП «ИПТЭР» (, ).
Уравнение (11) является базовым при выполнении расчетов на прочность базовых элементов НГО. Это обосновывается тем, что номинальные напряжения в базовых элементах должны быть ниже предела текучести и, как было показано ранее, близки к величинам предела усталости 
или 
.
Большинство базовых элементов НГО относится к категории тонкостенных, для которых радиальными напряжениями 
можно пренебрегать 
. Следовательно, в базовых элементах НГО реализуется преимущественно плоское напряженное состояние, которое характеризуется отношением главных напряжений 
, где 
и 
соответственно окружное и продольное напряжения.
Например, для цилиндрического сосуда 
, а для сферического 
.
Интенсивность напряжений 
в условиях общего (с произвольными 
и 
) плоского напряженного состояния определяется по формуле:
. (12)
При заданном значении 
величина среднего напряжения 
равна:
(13)
На основании формул (12) и (13) коэффициент жесткости напряженного состояния 
будет определяться в соответствии со следующей формулой:
. (14)
Для цилиндрического сосуда (
); 
. Для сферы 
: 
. При осевом растяжении (сжатии) цилиндрического стержня: 
.
Поскольку 
(
текущий радиус, например, цилиндрического элемента), то время наступления того или иного предельного состояния определяется интегрированием уравнения (10):
. (15)
В частности, при упругих деформациях по уравнению (15) можно получить следующую формулу для определения среднеинтегрального значения коэффициента механической активации коррозии:
, (16)
где 
предельное (допускаемое) напряжение, 
– коэффициент использования несущей способности базового элемента; 
среднеинтегральная скорость коррозии металла в данной среде.
Формула (16) может быть использована для любого базового элемента при условии подстановки в него соответствующих значений 
и 
как при растягивающих, так и сжимающих напряжениях.
При действии напряжений 
коэффициент механической активации коррозии может быть определен по формуле:
. (17)
Основные выводы и рекомендации
1. Независимо от состава и свойств стали и условий эксплуатации механические отказы нефтегазового оборудования и трубопроводов могут возникать в результате макроскопической или локализованной потери устойчивости пластических деформаций с реализацией соответствующего излома.
Установлено, что для многих оболочковых конструкций расчетные рабочие напряжения находятся на уровне предела усталости при симметричном цикле нагружения.
Научно обоснована формула, связывающая коэффициент использования несущей способности базовых элементов и отношение пределов текучести и прочности.
Показано, что при выборе коэффициентов запаса прочности необходимо учитывать отношение пределов текучести и прочности, что в ряде случаев позволяет снизить металлоемкость базовых элементов оборудования и трубопроводов, а в других – повысить эксплуатационную безопасность.
2. На основании критерия пластической неустойчивости деформаций и теории пластичности получены аналитические зависимости для расчетов силовых и деформационных характеристик при испытаниях образцов на растяжение и базовых элементов нефтегазового оборудования.
Установлено, что силовые характеристики разрушения базовых элементов оборудования практически не зависят от схемы напряженного состояния металла. Деформационные характеристики при изменении схемы напряженного состояния могут снижаться почти вдвое.
Уточнены понятие коэффициента Пуассона и способ его оценки при испытаниях.
Определено, что пластический коэффициент Пуассона может возрастать от 0,5 до 1,0 и более.
3. На основе анализа энергетических параметров при испытаниях предложены и экспериментально подтверждены аналитические зависимости для прогнозирования характеристик высокопрочных сталей, которые достаточно адекватно согласуются с экспериментальными данными других авторов.
4. Базируясь на основных положениях теории упругости и механохимии металлов, а также нормативно-технических материалах, разработаны методы расчетов на прочность и долговечность базовых элементов нефтегазового оборудования с учетом коррозии металла.
Предложены и научно обоснованы аналитические зависимости для определения предельных долговечностей базовых элементов оборудования, соответствующих состоянию текучести и неустойчивости пластического деформирования металла.
Полученные закономерности положены в основу разработанных методических рекомендаций по определению толщины стенок оболочковых элементов нефтегазового оборудования (сосудов, аппаратов и трубопроводов), работающих под давлением коррозионных рабочих сред.
Основные результаты работы опубликованы в следующих
научных трудах:
Ведущие рецензируемые журналы
1. , , Шишков оценка ресурса толстостенных цилиндрических элементов оборудования в условиях механохимической повреждаемости // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2009. – Вып– С. 51-54.
2. , , Анфиногенов диаграмм растяжения нефтегазопроводных сталей в сероводородсодержащих средах // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2010. – Вып– С. 85-88.
3. , , Зайнуллин расчетов на прочность и устойчивость с учетом прибавки на компенсацию коррозионно-механического износа базовых элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2011. – Вып– С. 47-53.
4. , , Сазонов плотности энергии деформации и характеристик безопасности элементов оборудования нефтегазовой отрасли // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – Уфа, 2011. – Вып– С. 120-125.
Монографии
5. и др. Расчеты долговечности оболочковых элементов с учетом коррозии / , , . – Уфа: Гилем, 2011. – 92 с.
6. , Сазонов коррозионно-механической прочности оболочковых элементов оборудования. – Уфа: Гилем, 2011. – 106 с.
Методические рекомендации
7. Расчеты на прочность и ресурс толстостенных конструктивных элементов, работающих под давлением коррозионных рабочих сред: Методические рекомендации / , , . – Уфа, 2010. – 16 с.
8. Определение толщины стенок оболочковых элементов нефтегазового оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы), работающих под давлением коррозионных рабочих сред: Методические рекомендации / , , . – Уфа, 2011. – 16 с.
9. Основы расчетов на прочность базовых элементов нефтегазового оборудования (сосуды, аппараты и трубопроводы): Методические рекомендации / , , . – Уфа, 2011. – 18 с.
Прочие печатные издания
10. , , Сазонов методов расчета прогнозируемого и остаточного ресурсов нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях механохимической повреждаемости // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер. научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. в рамках ХVIII Международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2010». – Уфа, 2010. – С. 278-281.
11. Сазонов методов расчета на прочность и долговечность базовых элементов нефтегазового оборудования в условиях коррозионно-механического износа // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. XVIII Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. в рамках XI Российского энергетического форума. – Уфа, 2011. – С. 171-172.
12. Сазонов процессов локализованной коррозии трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. XVIII Всеросс. научн.-практ. конф. 19 октября 2011 г. в рамках XI Российского энергетического форума. – Уфа, 2011. – С. 213.
|
Подписано в печать 16.01.2012 г. Бумага писчая.
Заказ № 24. Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП «ИПТЭР» РБ. г. Уфа, пр. Октября, 144/3
