Анализ       Справочники       Сценарии       Рефераты       Курсовые работы       Авторефераты       Программы       Методички       Документы     опубликовать

Національна академія наук україни інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона олійник Олег Ігорович




Скачать 358.76 Kb.
НазваниеНаціональна академія наук україни інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона олійник Олег Ігорович
страница1/2
Дата04.12.2012
Размер358.76 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА


Олійник Олег Ігорович


УДК 621.791.75.07 + 621.791.004.67 + 621.791:621.643


Підвищення ефективності і безпеки ремонту дуговим зварюванням магістральних газопроводів

в умовах експлуатації


Спеціальність: 05.03.06 – Зварювання та споріднені процеси і технології


Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук


Київ – 2012

Дисертацією є рукопис


Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України


Науковий керівник: академік НАН України,

доктор технічних наук,

професор

^ Махненко Володимир Іванович,

Інститут електрозварювання

ім. Є.О. Патона НАН України,

завідувач відділом


Офіційні опоненти: доктор технічних наук

^ Гарф Едуард Феофілович,

Інститут електрозварювання

ім. Є.О. Патона НАН України,

головний науковий співробітник


доктор технічних наук,

професор

^ Прохоренко Володимир Михайлович,

Національний Технічний Університет України "КПІ",

завідуючий кафедрою зварювального виробництва


Захист відбудеться "18" квітня 2012 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.


З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.


Автореферат розісланий "12" березня 2012 р.


Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

^ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ


Актуальність теми. У світовій практиці широко відома необхідність забезпечення безперебійної експлуатації газопровідних систем. Безліччю завдань цієї проблематики займаються наукові школи, що склалися в США, Канаді, Норвегії, Південній Кореї, Австралії, Росії та Україні. За даними НАК "Нафтогаз України" протяжність газотранспортної системи складає майже 40 тис. км, з них більше половини припадають на магістральні газопроводи, термін експлуатації яких значно перевищує 20 років. Природно, існує потреба в арсеналі надійних і раціональних технологічних прийомів і засобів ремонту трубопроводів, головним чином з використанням дугового зварювання.

У переліку питань, пов'язаних з ефективністю і надійністю технічних рішень в області ремонту стало актуальним ранжирування безлічі дефектів трубопроводів, що виявляються сучасними засобами внутрішньотрубної діагностики, по вірогідності відмови пошкоджених місць на прогнозований період експлуатації магістралі з тим, щоб обґрунтовано встановити черговість ремонтних робіт. Такий підхід доки не знайшов застосування через відсутність завершених наукових досліджень.

У практиці нашої країни питання відновлення несучої здатності дефектних ділянок вирішуються в основному із застосуванням бандажів і муфт. Такі конструкції частково розвантажують стінку трубопроводу і полегшують створення безпечних умов виконання зварювальних робіт при збереженні внутрішнього тиску природного газу в магістралі. Проте засновані на такому підході методи ремонту є металоємними і трудомісткими технічними рішеннями. Прагнення створити технології без застосування підсилюючих елементів із заварюванням великих поверхневих дефектів породжує проблеми безпеки людини, пов'язані з виконанням зварювання безпосередньо на трубопроводі з внутрішнім тиском природного газу. Це вимагає поглиблення знань про поведінку основного металу в зоні нагріву зварювальної дуги і уявлень про умови забезпечення надійності зварних з'єднань.

Сказане вище свідчить про актуальність обраної теми дисертаційної роботи.

^ Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з комплексними планами науково-дослідних робіт відділів №18, 34 Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України і є фрагментами тем цільової комплексної програми "Проблеми ресурсу та безпечної експлуатації конструкцій, споруд і машин" НАН України – "Розробка технологій ремонту в екстремальних умовах і відновлення несучої здатності магістральних трубопроводів під тиском" (номер державної реєстрації – 0104U006718, шифр теми – 18/38, 2004-2006 рр.), "Розробка конструктивних рішень та технологій видалення дефектних ділянок і деталей трубопроводів без зупинки транспортування продукту з метою подовження ресурсу і безперервної роботи транспортних магістралей" (номер державної реєстрації – 0107U003563, шифр теми – 18/55, 2007-2009 рр.), "Створення системи розрахункових алгоритмів для прогнозування ресурсу безпечної експлуатації зварних з‘єднань та вузлів відповідальних конструкцій та розробка заходів щодо попередження аварійних ситуацій" (номер державної реєстрації – 0107U004955, шифр теми – 34/55, 2007-2009 рр.), державної науково-технічної програми "Ресурс" – "Розробка методів подовження строку експлуатації магістральних трубопроводів за рахунок раціонального конструктивного оформлення напусткових зварних з‘єднань" (номер державної реєстрації – 0107U005860, шифр теми – 18/61, 2007р.).

^ Мета роботи: з урахуванням даних сучасних методів діагностики технічного стану лінійної частини магістральних газопроводів сформулювати науково обґрунтовані принципи і технологічні рекомендації підвищення ефективності та безпеки ремонту типових дефектів дуговим зварюванням при наявності тиску природного газу, що транспортується.

^ Задачі дослідження:

- розробити методику численного ранжирування дефектів стінки труби по ступеню небезпеки на прогнозований термін експлуатації магістрального газопроводу;

- визначити умови виключення небезпеки спонтанного руйнування стінки труби в місці дефекту при його ремонті дуговим зварюванням на трубопроводі, що знаходиться під тиском природного газу;

- оцінити ступінь впливу водню, що поступає в зону зварювання з природного газу, що транспортується, на ризик утворення холодних тріщин в зварних з'єднаннях;

- обґрунтувати умови ефективного застосування муфт з натягом на трубопровід в місці розташування дефекту для недопущення його спонтанного руйнування в процесі подальшої експлуатації;

- оцінити роботоздатність кільцевих напустково-стикових зварних з'єднань в герметичних муфтах з самотверднучим наповнювачем;

- сформулювати принципи вдосконалення технологічних процесів ремонту дуговим зварюванням на магістральних газопроводах під тиском.

^ Об'єкт дослідження – лінійна частина магістральних газопроводів.

Предмет дослідження – ремонт дуговим зварюванням дефектів стінок труб магістральних газопроводів в умовах експлуатації.

^ Методи дослідження. Визначення ступеня небезпеки і вірогідності відмов дефектів несуцільності стінки труби для встановлення черговості ремонтів виконувалося розрахунковим методом Монте-Карло. Визначення критичних розмірів дефектів несуцільності стінки труби виконувалося із застосуванням розрахункових методів Американського Інституту Нафти (API). Визначення вмісту дифузійного водню в наплавленому металі електродами, призначеними для ремонту зварюванням на магістральних газопроводах, виконувалося експериментально у відповідності до ГОСТ 23338-91. Встановлення факту дифузії водню через стінку трубопроводу на магістральному газопроводі в умовах експлуатації досліджувалось експериментально. Визначення концентрації дифузійного водню, що поступає в зону нагріву від продукту, що транспортується, виконувалося розрахунковими методами із застосуванням пакету програм "Weldprediction". Оцінка роботоздатності кільцевого напустково-стикового зварного з‘єднання за наявності тиску в наповнювачі виконувалася розрахунковими методами з використанням критерію крихко-в'язкого руйнування матеріалу.

^ Наукова новизна одержаних результатів та їх теоретичне значення.

1. Для обґрунтованого ранжирування дефектів по мірі їх небезпеки виконана розрахунково-експериментальна оцінка ризик-відмови пошкоджених місць трубопроводу. Шляхом опису параметрів детермінованих критеріїв оцінки небезпеки дефектів законами теорії вірогідності отримані закономірності зміни вірогідності відмови пошкоджених місць з часом, достовірність яких ґрунтується на використанні емпіричних залежностей, отриманих API обробкою даних досліджень в лабораторних і польових умовах експлуатації трубопроводу. Показано, що науково-обґрунтованим критерієм оцінки ступеня небезпеки дефекту є прогнозована тривалість експлуатації до моменту досягнення порогового значення вірогідності відмови. Встановлено, що по мірі зниження небезпеки дефекти можна розташувати в наступний ряд: подовжньо орієнтовані тріщини - поперечні тріщини - стоншення стінки труби з урахуванням їх розмірів і орієнтації.

2. Для забезпечення умов безпечного виконання зварювальних робіт за наявності внутрішнього тиску в магістралі у випадках усунення великих дефектів стоншення проведені дослідження за визначенням критичних розмірів таких дефектів з урахуванням впливу тиску, характеристик міцності металу труби, глибини проплавлення, зони температурного зниження міцності основного металу в результаті зварювального нагріву. Побудовані діаграми допустимих лінійних розмірів дефектів. Показано, що для будь-якого значення тиску в трубопроводі в межах 3,3…7,5 МПа існує мінімальна залишкова товщина стінки труби при якій збільшення габаритних розмірів в поздовжньому напрямі і по окружності не вимагає подальшого зниження тиску із умови безпеки, що відбивається вертикальним ходом кривої на вказаній діаграмі. Стверджується, що при залишковій товщині стінки труби менше 5 мм зниження тиску не є ефективною мірою по забезпеченню безпеки і виконання ремонту зварюванням неприпустимо.

3. Стосовно питання повного виключення небезпеки утворення холодних тріщин проведені дослідження за оцінкою ступеня впливу водню, який імовірно може насичувати тіло труби унаслідок її контакту з природним газом і в результаті проникнення в зону нагріву. Розрахунково-експериментальним шляхом встановлено, що тільки при нездійсненних на практиці максимально несприятливих умовах, коли парціальний тиск водню в трубі складає 10% (0,75 МПа) його додатковий вплив разом із звичайним рівнем стає помітним. Це дає підставу стверджувати, що можливим надходженням водню в зону нагріву таким шляхом з точки зору ризику утворення холодних тріщин слід нехтувати.

4. Стосовно випадків ремонту муфтами з натягом на трубопровід встановлена умова виключення ризику спонтанного руйнування стоншення стінки труби: значення тиску, що становить долю робочого тиску, який припадає на дефектну стінку в режимі експлуатації магістралі, не повинно перевищувати величину тиску в дефектному місці, що визначається за критерієм допустимості за відсутності підсилюючої муфти.

5. Для випадків ремонту місць стоншення з постановкою герметичних муфт з самотверднучим наповнювачем повинні виконуватися дві умови, з яких перша формулюється аналогічно до муфт з натягом на трубопровід, а друга - пов'язана з наявністю концентраторів напружень в місцях виконання кільцевих швів по торцях муфти, а саме: необхідне значення коефіцієнта безпеки n ≥ 2 повинно забезпечуватися регулюванням тиску ∆P, створюваним наповнювачем в проміжку між муфтою і трубою, відповідно до отриманих в роботі розрахункових залежностей n=f(∆P) для магістральний газопровід діаметром до 1420 мм і робочим тиском 5,5 і 7,5 МПа.

Практичне значення отриманих результатів та їх впровадження у практику. За результатами виконаних досліджень сформульовані принципи вдосконалення технологічних процесів зварювання на магістральних газопроводах під тиском стосовно відновлення несучої здатності трубопроводів в місцях з стоншеннями стінки труби та тріщиноподібними дефектами. Основні положення відносно вибору методів ремонту уведені в галузеві та відомчі будівельні норми України та впроваджені на об’єктах ДК "Укртрансгаз" та ПАТ "Укртранснафта". Вони також використовуються в навчальних програмах для підвищення кваліфікації інженерно-технічних працівників нафтогазового комплексу України в Міжгалузевому учбово-атестаційному центрі ім. Є.О. Патона.

^ Особистий внесок здобувача в отриманні результатів наукових досліджень. Інформаційний пошук, аналіз літературних джерел, вибір методів дослідження виконані здобувачем самостійно. Планування мети і завдань досліджень та обговорення отриманих результатів проводилися разом з науковим керівником та співавторами публікацій. Особистий внесок здобувача полягає в наступному: аналіз сучасного стану в сфері ремонту магістральних трубопроводів [1, 13, 14, 15]; розробка розрахункової методики ранжирування дефектів по ступеню небезпеки в частині встановлення черговості ремонту ділянок трубопроводів [2, 3, 7, 17]; встановлення залежності допустимих лінійних розмірів дефектів від характеристик трубопроводів і умов експлуатації [5, 10, 16]; розробка рекомендацій по вдосконаленню методу ремонту заварюванням стоншень стінки труби [9]; визначення ступеню впливу дифузійного водню, джерелом якого є середа, що транспортується, на ризик утворення холодних тріщин при заварюванні дефектів стоншень [12]; встановлення умов ефективного застосування зварних муфт при ремонті ділянок магістральних газопроводів під тиском [4, 6, 8, 11].

^ Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювалися на Міжнародній науково-практичній конференції "Прочность и надежность магистральных трубопроводов" (м. Київ, Україна, 2008 р.), III Міжнародному форумі по відновлювальним джерелам енергії (м. Дубровнік, Хорватія, 2008 р.), 5-й Міжнародній конференції "Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах" (п. Кацивелі, АР Крим, Україна, 2010 р.), Міжнародній науково-практичній конференції "Остаточный ресурс и проблемы модернизации систем магистральных и промышленных трубопроводов" (м. Київ, Україна, 2011 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 статей у фахових виданнях за переліком для технічних наук, та 5 статей в збірниках доповідей науково-практичних конференцій.

^ Структура та обсяг дисертації. Дисертація викладена на 218 аркушах, вміщує 86 ілюстрацій, 39 таблиць. Складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаної літератури, що містить 125 позицій, трьох додатків.


^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ


У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета, задачі дослідження, наукова новизна і практична значущість результатів роботи по проблемі ремонту дуговим зварюванням магістральних газопроводів під тиском.

В першому розділі проведений аналіз сучасного стану в сфері ремонту магістральних трубопроводів по таким напрямкам як ранжирування дефектів стінок труб по ступеню небезпеки, проблемам застосування дугового зварювання на трубопроводах під тиском, особливостям використання муфт для ремонту лінійної частини.

В даний час найбільш повну інформацію про технічний стан лінійної частини дає внутрішньотрубна діагностика. Практика її проведення свідчить





Ріс.1 Приклад розподілу кількості виявлених дефектів NДЕФ по довжині ділянки магістрального газопроводу "Уренгой - Центр 2" (Долгов І.О., 2006)

про великий об'єм виявлених дефектів, які, як правило, нерівномірно розподілені по довжині трубопроводу (рис. 1).

За чинними нормативними документами розшифровка даних з метою встановлення ступеня небезпеки дефектів не дає відповіді на питання, які дефекти необхідно ремонтувати в першу чергу, оскільки один і той же ступінь небезпеки привласнюється десяткам і навіть сотням пошкоджень. Тому розробка методики ранжирування виявлених дефектів є нагальною для обґрунтованого встановлення черговості ремонту.

Аналіз особливостей застосування дугового зварювання на магістральних газопроводах під тиском показує, що рішення питання безпеки в науковій та промислових сферах розглядається в основному з двох позицій: виключення ризику порушення цілісності стінки труби під час зварювання та запобігання утворення холодних тріщин в зварних з‘єднаннях. На даний час ці питання вирішуються головним чином за рахунок обмеження тепловкладення при зварюванні, зниження тиску в магістралі, використанням попереднього підігріву та застосуванням низьководневих електродів.

З точки зору небезпеки виконання робіт на газопроводах під тиском найбільш критичним є випадки ремонту стоншень стінки труби заварюванням. Огляд літератури на цю тему показав, що для безпечного виконання робіт головним є розрахунок допустимого тиску в трубопроводі з урахуванням впливу локального зварювального нагріву. Сучасні нормативно-технічні документи з огляду на безпеку праці суттєво обмежують розміри пошкоджень в той час, як актуальним є ремонт досить великих за площею дефектів. Тому необхідні експериментально-розрахункові дослідження щодо безпечного заварювання таких дефектів, аби виявити додаткові резерви.

Стосовно ризику утворення холодних тріщин дослідниками визначено, що при ремонті на трубопроводі під тиском є стандартні методи боротьби, а саме зменшення кількості гартівних структур в ЗТВ, зниження концентрації дифузійного водню. Останнім часом з‘явилася інформація про те, що в зв‘язку з великими строками експлуатації магістралей має місце насичення воднем металу труби через тривалий контакт з природним газом. Оскільки це може створювати додаткові ускладнення для зварювання, виникає потреба більш ґрунтовно вивчити це питання.

Наукові дослідження в сфері використання муфт для ремонту трубопроводів під тиском показують, що зниження рівня напружень в зоні дефекту стінки труби можливо за рахунок щільного прилягання поверхонь муфти і трубопроводу. Для цього під час проведення ремонту рекомендують застосовувати зниження тиску в магістралі (до 0,7 від робочого) і механічне стягування елементів муфти при її монтажі. Проте рекомендації по вибору тиску не враховують поведінку дефекту після відновлення експлуатаційного режиму роботи трубопроводу. Вірогідна ситуація, при якій діючі напруження після ремонту залишаться високими і перевищать допустимий рівень, що може призвести до спонтанного руйнування дефекту. У зв'язку з цим для ефективнішого використання муфт треба вирішити питання, пов'язане з кількісною оцінкою необхідного рівня зниження тиску на час ремонту з метою отримання безпечного рівня тиску в зоні стоншення стінки при подальшій експлуатації трубопроводів, зв'язавши ці дані з механічним натягом при постановці муфт.

Практика використання муфт з самотверднучим наповнювачем при ремонті обширних поверхневих дефектів показує ефективність такого методу ремонту, який полягає в розвантаженні дефектної стінки зовнішнім тиском від наповнювача. Оскільки цей тиск неминуче сприймають концентратори напружень, які конструктивно розташовані в зварних вузлах муфт, існує необхідність оцінити розрахунковим методом їх роботоздатність, пов‘язавши її з тиском наповнювача і недопущенням спонтанного руйнування стінки труби в місці дефекту.

^ Другий розділ присвячений дослідженням з ранжирування дефектів по ступеню небезпеки при ремонті магістральних газопроводів в умовах експлуатації. Ці дослідження виконані на основі розподілу дефектів несуцільності стінки труби на тріщиноподібні та локальні стоншення, використанням детермінованих методів оцінки граничного стану пошкоджень та застосуванням підходів теорії вірогідності.

В основу розрахунково-експериментальних досліджень покладено ідею використання відомих детермінованих залежностей по оцінці дефектів в поєднанні з розрахунковими методами теорії вірогідності. Виходячи з необхідності представлення дефектів у вигляді точних геометричних тіл та фігур виконана схематизація пошкоджень через надання їм канонічних форм, для яких існує математичний опис. Показано, що поверхневі тріщини та стоншення стінок труб можуть бути представлені відповідно у вигляді напівеліптичних тріщин і об‘ємних тіл еліпсоїдної форми з точними габаритними розмірами.

При оцінці граничного стану використовувались детерміновані залежності з практичних рекомендацій API 579. Для тріщиноподібних дефектів їх допустимість визначається умовою:


, (1)


де Kr, Lr – параметри, що визначають механізми крихкого та в‘язкого руйнування у відповідних точках по контуру тріщини; n ≥ 1,0 – коефіцієнт безпеки.

Для локальних стоншень стінки труби їх допустимість визначається умовою:


, (2)


де δmin.- мінімальна залишкова товщина стінки труби в границі дефекту, – розрахункова мінімально допустима товщини стінки труби без дефекту; ^ P – робочий тиск у трубопроводі; D - зовнішній діаметр труби; [σ] - допустимі напруження в стінці труби; Rj – функція граничного стану дефекту; m ≤ 1,0 – коефіцієнт безпеки.

Детерміновані залежності (1), (2) доповнені математичним апаратом з теорії вірогідності, яка дає змогу при n=m=1,0 оцінювати ступінь небезпеки дефектів через вірогідність відмови. Всі необхідні параметри описані через щільність розподілу та частість.

Для адекватності оцінок використані усічений нормальний закон розподілу та закон розподілу Вейбулла. На цій базі за допомогою методу Монте-Карло будуються нормовані щільності розподілу величин Y, які дозволяють отримувати вірогідність відмови p (при Y<0) дефекту на прогнозований строк Δt (рис. 2).




а) б)


Рис. 2 Приклад розрахунку вірогідності відмови р дефектів стінки труби на прогнозований строк Δt: а) тріщини (j=1… 5); б) стоншення (j=6 …10).


Якщо при обстеженні трубопровід має n = 1, 2 … N незалежних дефектів, то по кожному визначається вірогідність відмови p1 , p2, … pN на період Δt. При цьому всі n дефектів мають pn<1,0. Проте, серед них можна виділити k дефектів із значеннями p1 , p2, … pk, для яких умова pn<<1,0 не виконується. Тоді вірогідність pNt) того, що за період Δt станеться відмова принаймні по одному з дефектів, визначається залежністю:

(3)


де – оператор добутку величин (1 - pn) при pn>0,1.





Рис. 3 Приклад діаграми різик-відмови для обґрунтування необхідного обсягу ремонту.


Використовуючи, для прикладу, дані з рис. 2 по залежності (3), розраховується вірогідність відмови для дефектів k = j = 1…10 (рис. 3), що відповідає варіанту М=0 дефектів, які усуваються (тобто ні один дефект не ремонтується).

З наведених даних помітно, що для випадку pNt)<0,1, в якому вірогідність відмови p=0,1 можна вважати пороговим значенням, необхідно ліквідувати сім найбільш небезпечних дефектів (М=7).

Для практики виконання ремонтів важливо виділити відрізки магістралі з найбільшими сумарними ризиками відмови, які визначається залежністю:


(4)


де Nk, Mk – діапазон номерів дефектів, виявлених на ki відрізку довжини LТ магістрального газопроводу.

В роботі наведено приклад ранжирування відрізків з дефектами на лінійній частині магістрального газопроводу діаметром 1420х20 мм із сталі 17Г1С довжиною LT = 1000 м. Виконаний аналіз отриманих розрахункових даних слугує наочним посібником в користуванні з метою визначення черговості проведення ремонтних робіт на цій дільниці на період до 2-х років.

Аналіз розрахункових даних про вірогідність відмови дозволив встановити наступні закономірності:

- врахування порогового значення вірогідності відмови, що задається, істотно впливає на необхідний об'єм ремонтних робіт;

- криві, що описують вірогідність відмови в часі місць з тріщинами, характеризуються двома частинами, з яких перша відбиває інкубаційний період з нескінченно малими значеннями вірогідності відмови, а друга - фазу інтенсивного росту тріщини, в якій p →1,0;

- характер кривих вірогідності руйнування для випадків із стоншеннями стінки труби відрізняється від такого для тріщин помірним розвитком, з меншим нахилом до осі часу, що свідчить про менш інтенсивне наближення до критичного стану в реальному масштабі часу;

- вірогідність відмови визначається геометричними характеристиками дефекту, а також його розташуванням по відношенню до головних діючих напружень. У цьому сенсі найбільшою небезпекою є тріщини, розташовані вздовж твірної труби.

В третьому розділі розглянуті питання, пов‘язані з особливостями виконання дугового зварювання на магістральних газопроводах під тиском. В роботі прийнято, що умови забезпечення безпеки ремонтних робіт на діючих трубопроводах відносяться до двох актуальних задач, із яких перша охоплює питання безпеки при виконанні підготовчих та зварювальних робіт із збереженням тиску в магістралі і друга стосується якості зварних з‘єднань в частині виключення утворення холодних тріщин.




Рис. 4 Схематичне зображення стоншення стінки труби

Для встановлення умов безпеки виконання як підготовчих, так і зварювальних робіт проведені розрахунково-експериментальні дос-лідження з кількісного визначення критичних розмірів дефектів стоншення стінки труби (рис. 4). В основу розрахунку покладена методика, за якою через перетворення відомого виразу (2) отримані формули,

які дозволяють визначити граничні значення розмірів стоншень, що відповідають умовам безпеки при різних рівнях тиску, а саме:


(5)


де ; Sкр, Cкр – критичні розміри стоншення в осьовому та кільцевому напрямках відповідно; RS,C – параметр, що визначається за методикою API через залишкову товщину стінки труби δmin..


За цією методикою розрахунку побудовані діаграми допустимості лінійних розмірів стоншень δmin - Sкр та δmin - Cкр для рівнів тиску від робочого P до 0,6P (рис. 5), різних типорозмірів труб до D = 1420 мм і δ = 18 мм, сталей 17Г1С, Х60, Х70, експлуатаційних тисків 5,5 та 7,5 МПа.



Рис. 5 Приклад діаграми допустимості лінійних розмірів стоншень для трубопроводу із сталі Х70 розміром 1420х18 мм при Р=7,5 МПа.


Аналіз отриманих залежностей дозволяє встановити наступні положення:

- завжди існує рівень тиску в трубопроводі, нижче якого усунення дефекту стоншення заварюванням є безпечною операцією з точки зору збереження цілісності магістралі;

- для великих за площею дефектів стоншення стінки труби більш значимим для забезпечення безпеки є розмір в довжину ^ S, ніж в окружному напрямі C;

- для будь-якого значення тиску в трубопроводі існує мінімальна залишкова товщина стінки труби δmin, при якій збільшення габаритних розмірів S або C не вимагає подальшого зниження тиску для забезпечення безпеки виконання робіт, що відбивається вертикальним ходом кривої на діаграмі в координатах δmin - Sкр. чи δmin - Cкр;

- в діапазоні значень залишкової товщини стінки труби δmin≤5 мм зниження тиску не є ефективним заходом для забезпечення безпеки і виконання ремонту зварюванням неприпустимо.

Ці висновки покладено в основу дослідів щодо виконання умов гарантування безпеки у випадках ремонту стоншень заварюванням безпосередньо на тілі труби (рис. 6, а). Прийнято до уваги також результати спеціальних дослідних робіт щодо впливу напрямку зварювання, виконаних в Edison Welding Institute (Bruce W.A.) та Battelle Columbus Laboratories (Kiefner J.F.). Ними показано, що окружні напруження вдвічі більші від аксіальних, тому поздовжні шви знаходяться під впливом вдвічі більш високих напружень порівняно з швами, виконаними в кільцевому напрямку. Напруження в стінці труби можуть збільшитись до значимих величин у разі зварювання з надлишковою погонною енергією на високих технологічних режимах. В цих випадках шви, що виконуються в кільцевому напрямку, є більш безпечними.

Традиційна техніка ремонту, коли заварювання починається з ділянки, що має максимальну глибину дефекту amax (рис. 6, б), не враховує ці положення та застереження. Нами сформульовані нові принципи техніки ремонту дефекту, яка, на відміну від традиційної, полягає у виконанні заварювання швами в кільцевому напрямку, по черзі з протилежних країв, тим самим скорочуючи довжину дефекту в осьовому напрямку (рис. 6, в).




а) б) в)


Рис. 6 Заварювання стоншення еліпсоїдної форми: а) схема дефекту та його механічного розроблення; б) традиційна техніка; в) нова техніка ремонту.


При цьому необхідно враховувати два сценарії розвитку подій. За першим глибина дефекту разом з зоною розігріву, яка обмежена ізотермою Т=10000С (ξ=3 мм), не перевищує максимальну глибину, тобто δум=a(x)+ξ>δmin, за другим, навпаки, залишкова товщина стінки зменшується: δум < δmin, що може потребувати корегування рівня тиску в магістралі на час виконання ремонту за допомогою діаграм допустимості лінійних розмірів. На окремих прикладах розрахунками доведено, що при застосуванні нових принципів реально виконувати заварювання при робочому тиску в трубопроводі або при рівнях тиску більших, за необхідні для традиційної техніки ремонту.

В зв‘язку з необхідністю забезпечити високу стійкість зварних з‘єднань трубних сталей проти утворення холодних тріщин, а також через існування гіпотези про насичення метала труби воднем з природного газу, що транспортується, виконані розрахунково-експериментальні дослідження з фізико-математичним моделюванням процесу насичення та дифузії для оцінки ступеню впливу водню, що потрапляє в метал зварювальної ванни та зону нагріву з названого додаткового джерела.

Розглядалося два сценарії. Перший передбачав насичення зони нагріву дифузійним воднем виключно від зовнішнього чинника – електрод, що забезпечує вміст водню в наплавленому металі на рівні 10 см3/100г. Другий додатково враховував насичення зони нагріву дифузійним воднем, який поступає зсередини газопроводу. Оскільки рівень парціального тиску водню достеменно невідомий, було прийнято, що всередині трубопроводу його постійно діюча величина складає PH = 0,75 МПа.

Розрахунки показали, при заварюванні стоншення з мінімально допустимою залишковою товщиною стінки труби δmin. = 5 мм, в умовах PH = 0,75 МПа при охолодженні наплавленого металу, в діапазоні температур Т ≤ 100…150 0С, характерному для утворення холодних тріщин, концентрація дифузійного водню в окремих областях зони нагріву збільшується приблизно в 3 рази у порівнянні з концентрацією згідно з першим сценарієм (PH = 0 МПа). Збільшення залишкової товщини стінки труби в два рази насичує зону нагріву в 1,6…1,85 рази більше при інших рівних умовах. Оскільки майже відсутня інформація про кількість водню в суміші природного газу (відповідно і рівня PH), розрахунковим шляхом оцінені величини потоку дифузійного водню J через стінку трубопроводу товщиною δ в діапазонах PH=0,001…1,0 МПа і Т=20…80 0С. Розрахунки засвідчили, що в умовах PH < 0,4 МПа і Т ≤ 40 0С потік дуже низький – J = 0,471·10-3 мл/(см2·час) при δ=1,0 см.

У зв‘язку з цим для встановлення факту наявності потоку були проведені експериментальні дослідження на трьох діючих магістральних газопроводах в різних умовах. Суть робіт полягала в том, що на зачищену поверхню труби наносився тонкий шар в‘язкої рідини товщиною 3…5 мм і витримувався на протязі 7…10 діб. Передбачалося, що рідина фіксуватиме дифузійний водень, який буде виділятися на поверхні. Моніторинг встановлених проб не дозволив візуально встановити існування потоку. Було зроблено висновок, що рівень потоку значно нижчий за розподільчу здатність використаного методу (1мм3/см2). Реальне значення парціального тиску водню значно менше, тобто PH << 0,1 МПа. Прийнята для розрахунків величина парціального тиску водню усередині трубопроводу PH = 0,75 МПа не досяжна в умовах експлуатації магістральних газопроводів. Отже, його вплив на ризик утворення холодних тріщин вкрай незначний.

В четвертому розділі проведені дослідження по вирішенню двох задач для ефективного використання муфт: 1) встановлення умов запобігання спонтанного руйнування дефектних ділянок зі стоншенням завдяки монтажу муфти з натягом; 2) забезпечення роботоздатності кільцевих напустково-стикових швів в конструкціях зварних вузлів муфт з наповнювачем.

Для вирішення першої задачі розрахунковим шляхом встановлена залежність між необхідним тиском в магістралі на час ремонту Ррем, експлуатаційним тиском P, співвідношенням геометричних характеристик трубопроводу та муфти , натягом муфти на трубопровід ∆PН:


(6)


де [^ Р] – тиск в магістралі, при якому стоншення стінки труби залишається допустимим у відповідності до (5) і визначається по діаграмі допустимості (рис.5); R, RM – зовнішні радіуси труби та муфти; δ, δМ – товщини стінки труби та муфти.

Тут принциповим є знання необхідного натягу ∆PН. Найбільшу складність створює визначення дійсної величини ∆PН в умовах ремонту. Для вирішення цього питання запропоновано використовувати механічні деформометри, які на етапі монтажу конструкції дозволяють вимірювати окружні деформації в стінці муфти. Перерахунок останніх в окружні напруження дає можливість визначити величину ∆PН та при потребі скорегувати її для дотримання умови (6). Проведені роботи в польових умовах дозволили експериментально визначити ∆PН для випадку ремонту дефектної ділянки трубопроводу D=720 мм шляхом підсилення стінки труби з δ=9 мм бандажем довжиною L=390 мм із товщиною δМ=12 мм. В умовах Ррем=0,8 МПа величина ∆PН визначена на рівні 1,53 МПа. Отримані експериментальні дані свідчать про адекватність розрахункових підходів.

Використана розрахункова схема передбачає зниження тиску в магістралі на момент виконання ремонтних робіт. У разі неможливості суттєво знизити тиск, тобто PремP, натяг повинен бути підвищеним і таким, щоб виконувалась умова: ∆PН = P – [P].

Для вирішення другої задачі, яка стосується герметичних муфт з самотверднучим наповнювачем, що створює постійно діючий тиск ∆Р, розроблена розрахункова методика оцінки роботоздатності кільцевих зварних напустково-стикових швів (рис. 7).




Рис. 7 Конструктивне оформлення кільцевого напустково-стикового шва:

1 – трубопровід; 2 – зварний шов; 3 – технологічне кільце; 4 – сталеве підкладне кільце; 5 – муфта; 6 – тріщиноподібні концентратори напружень.

аs – ширина зони проплавлення; δТК, δНП – товщина стінки технологічного кільця та шару наповнювача; h1, h2, h3 – напрямки можливого руйнування шва; Q – перерізуюча сила; М1, М2 – згинальні моменти.
  1   2



Разместите кнопку на своём сайте:
Документы




База данных защищена авторским правом ©kiev.convdocs.org 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Похожие:
Документы