Введение к работе
Актуальность темы исследований
Ремонт изношенных участков магистральных нефтегазопроводов в ряде случаев приводит к необходимости их замены на новые участки из сталей, отличающихся по химическому составу и механическим свойствам от основного материала трубопровода. Получаемые при этом разнородные сварные соединения отличаются повышенным уровнем остаточных напряжений и пониженной сопротивляемостью к воздействию различных факторов, способствующих разрушению. Это приводит к снижению долговечности нефтегазопроводов как одного из основных показателей их надёжности. Качество соединений разнородных сталей зависит от степени различия их состава и механических свойств.
Для повышения остаточного ресурса нефтегазопроводов с соединениями разнородных сталей , в настоящее время используют послесварочную термическую обработку. Согласно нормативным документам на проведение сварочно-монтажных работ на промысловых и магистральных газопроводах, при сварке сталей, отличающихся по пределу прочности более чем на 80 МПа, необходимо проводить высокий отпуск, заключающийся в нагреве сварного соединения до температуры 575 - 600оС, выдержке в течение часа и последующем медленном охлаждении. Такой вид термической обработки является сложным и энергоемким процессом, который трудно осуществлять в полевых условиях.
Известно, что альтернативным методом снятия остаточных напряжений в сварных соединениях однородных сталей является вибрационная обработка свариваемых элементов, проводимая в процессе сварки. Большой вклад в изучение данного вопроса внесли Г.В. Сутырин, В.А. Судник, В.А. Винокуров, М.Н. Могильнер, А.М. Файрушин, Я.А. Колесников, А.Л. Карпов, Z. Zhu, L. Chen, D. Rao, J. Xu, C. Ni, и другие. В работах В.Г. Полнова, В.М. Сагалевича и других показано, что вибрационная обработка при сварке однородных сталей наиболее эффективна при частотах, близких к частоте собственных колебаний свариваемой конструкции.
В то же время, несмотря на свою простоту и значительный положительный эффект, вибрационная обработка как метод повышения надежности сварных соединений нефтегазопроводов практически не используется. В литературных источниках отсутствуют сведения о применении виброобработки при производстве сварных соединений из разнородных сталей. Поэтому проведение исследований по изучению влияния вибрации на качество соединений разнородных сталей и внедрение вибрационной обработки в технологию сварочно-монтажных работах на нефтегазопроводах является актуальной задачей.
Цель работы: повышение надежности эксплуатации нефтегазопроводов, имеющих соединения из разнородных сталей, путем применения их вибрационной обработки в процессе ремонта.
Задачи исследований:
-
Разработать метод обеспечения равной прочности соединений участков трубопровода, находящегося в длительной эксплуатации, и врезаемых при его ремонте участков трубы из более прочной стали.
-
Установить частоты собственных колебаний подвешенных на время сварочно-монтажных работ участков трубопроводов различных диаметров для выбора оптимального значения частоты вибрационной обработки соединения.
-
Определить влияние вибрационной обработки с частотой, близкой к частоте собственных колебаний участков трубопроводов, на надежность сварных соединений разнородных сталей.
-
Экспериментально изучить и сравнить влияние вибрационной и термической обработок на качество соединений разнородных трубопроводных сталей.
-
Разработать технологию сварочно-монтажных работ на нефтегазопроводах с применением вибрационной обработки.
Идея работы: долговечность и надёжность кольцевых соединений нефтегазопроводов из разнородных сталей следует обеспечивать за счет вибрационного воздействия в процессе сварки.
Научная новизна работы:
-
Установлена зависимость частот собственных колебаний участков трубопроводов от их диаметров и длин, на основании которой определены необходимые частоты (50 – 360 Гц) вибрационной обработки свариваемых участков магистральных нефтегазопроводов из разнородных сталей для повышения качества их сварных соединений.
-
Установлено, что вибрационная обработка соединений разнородных сталей, проведенная с частотой, близкой к частоте собственных колебаний свариваемого участка трубопровода, повышает его долговечность до 4-х раз и может служить заменой термической обработке.
Защищаемые положения:
-
Для повышения надежности соединений магистральных нефтегазопроводов вибрационную обработку в процессе сварки следует вести с частотой, прямо пропорциональной диаметру трубопровода, близкой к частоте собственных колебаний свариваемого участка.
-
Применение вибрации с частотой 50…360 Гц в процессе сварочно-монтажных работ на участках нефтегазопроводов из разнородных сталей с диаметром от 720 мм до 1420 мм повышает до 4-х раз долговечность разнородных сварных соединений и способно заменить послесварочную термическую обработку.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение данных по сварочно-монтажным работам на нефтегазопроводах и вибрационной обработке сварных соединений, стандартные методы определения механических свойств, а также рентгеноструктурный, электронно-микроскопический и рентгенофлуоресцентный методы анализа. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием метода регрессионного анализа.
Практическое значение работы:
разработанная технология сварочно-монтажных работ с применением вибрационной обработки на участках нефтегазопроводов из разнородных сталей, которая позволяет снизить энергозатраты и исключить послесварочные операции;
предложенный способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов (заявка на изобретение № 2009128814/02 (040086)), заключающийся в направленности приложения вибрационного воздействия, обеспечивает повышение качества соединений разнородных сталей нефтегазопроводов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на III Международном форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов «Эврика-2006» (Новочеркасск, 2006); XII Республиканском конкурсе научных работ Республики Башкортостан - 2007 (Уфа, 2007); 61-й Студенческой Научной Конференции «Нефть и газ-2007» (Москва, 2007); 8-й Международной специализированной конференции «Нефтепереработка и нефтехимия» в рамках 7-го международного форума «ТЭК России» (Санкт-Петербург, 2007); Международном форум-конкурсе молодых учёных молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2008); Х Международной молодежной научно-технической конференции «Севергеоэкотех-2009» (Ухта, 2009); IV Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт – 2008» (Уфа, 2007); международной научной конференции «60-й день горняка и металлурга» (Фрайберг, Германия, 2009); Немецком Аэрокосмическом центре DLR (Штутгарт, Германия, 2011) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень журналов ВАК Минобрнауки России, подана 1 заявка на изобретение.
Личный вклад соискателя состоит в создании экспериментального стенда, разработке методики, проведения экспериментальных исследований и обработке их результатов.
Реализация результатов работы
Разработанная технология сварочно-монтажных работ с применением вибрационной обработки может быть использована при ремонте нефтегазопроводов для исключения послесварочных операций.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе СПГГУ при изучении дисциплины «Технология металлов и трубопроводно-строительных материалов» студентами специальности 130501.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 111 страниц, содержит 13 таблиц, 37 рисунков, а также список литературы из 145 наименований.
Похожие диссертации на Повышение надежности нефтегазопроводов на основе применения вибрационной обработки сварных соединений в процессе ремонта трубопроводов
