Введение к работе
Актуальность работы
Техническое усовершенствование трубопроводов в нефтегазовой отрасли с целью повышения их надежности и снижения расходов на строительство и эксплуатацию и в настоящее время не потеряло своей актуальности.
Важным резервом снижения капитальных затрат, повышения надежности работы трубопроводов и оборудования является применение в них специальных устройств для компенсации температурных деформаций. В последние годы для этих целей стали применяться металлорукава и сильфонные компенсаторы, имеющие значительные технико-экономические преимущества перед компенсирующими устройствами других типов. Простота изготовления, большая надежность (минимальное число сварных швов), высокие эксплуатационные и технико-экономические показатели создали возможность их широкого использования в различных отраслях промышленности. Они не только компенсируют изменения длин трубопроводов из-за перепада температур, но и выполняют другие важные функции: обеспечивают эластичность соединений в трубопроводах, подверженных опасности разрушения вследствие оседания почвы или перемещения зданий, аппаратов и машин; выполняют роли прижимного (силового) элемента; компенсационного элемента в трубопроводах с защитным кожухом; устройства для снижения вибрационных нагрузок и т.д.
Сильфонные компенсаторы герметичны и температуростойки, обладают антикоррозионными свойствами. Кроме того, их конструкции позволяют компенсировать нагрузки для каждого отдельного случая в зависимости от величины и частоты воспринимаемых движений и в соответствии с требуемым сроком службы.
Осевые, поперечные и угловые компенсаторы выпускаются в стандартном исполнении с диаметрами условных проходов от 20 до 3000 мм.
Основным гибким элементом компенсатора является металлический сильфон, который изготавливается из высококачественных нержавеющих сталей и материалов, выбор которых зависит от условий эксплуатации. Чаще всего применяются компенсаторы с многослойными сильфонами. Возможность варьирования общей толщиной и числом слоев определяет их применение, прежде всего, при высоком давлении, причем в результате их многослойности сохраняется высокая эластичность при небольшой изгибной жесткости.
Несмотря на ряд неоспоримых преимуществ, применение сильфонных компенсаторов осуществляется не в полном объеме в силу их недостаточного предложения на рынке услуг, а также традиционного подхода проектных организаций к разработке трубопроводных систем. Это связано, в частности, и с тем, что до настоящего времени отсутствуют единые принципы проектирования новых конструкций компенсаторов, наблюдается большой разброс в инженерных расчетах конструктивных и эксплуатационных характеристик, недостаточно изучены факторы, влияющие на работоспособность компенсаторов в различных условиях эксплуатации и т.д.
Особый интерес представляют вопросы обеспечения безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами, изготовленных из различных сталей. Для таких соединений характерна выраженная неоднородность свойств, обусловленная диффузионными и закалочными процессами при сварке и эксплуатации.
В этом направлении известны фундаментальные работы научных школ профессоров В.Н. Земзина, Н.О. Окерблома, О.А. Бакши, Р.З. Шрона, М.Х. Шоршорова, Ю.Н. Готальского, А.В. Бакиева и др.
Тем не менее, остаются нерешенными ряд проблем, связанных с технологическим обеспечением безопасности разнородных соединений, а также оценкой и повышением их ресурса при эксплуатации.
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации разнородных соединений патрубков сильфонных компенсаторов с трубопроводами.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
анализ характеристик работоспособности и безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами;
исследование напряженного состояния в окрестности линии сплавления разнородных соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом;
обоснование технологического обеспечения безопасности эксплуатации разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами;
разработка методических рекомендаций по оценке остаточного ресурса разнородных соединений сильфонных компенсаторов с трубопроводами по критериям длительной прочности.
Методы решения поставленных задач
Проблемы оценки напряженного состояния и несущей способности разнородных соединений сильфонных компенсаторов решались с применением широко используемых подходов теории пластичности неоднородных тел.
Остаточный ресурс определялся на базе полученных автором результатов по несущей способности и напряженному состоянию с использованием известных критериев длительной прочности, развиваемых в Институте машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, ИПТЭР, УГНТУ и др.
Научная новизна результатов работы
1. Установлены и описаны основные закономерности напряженного состояния металлов в окрестности линии сплавления разнородных соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом. Установлено, что разнородность соединения обуславливает различную деформационную способность металла в окрестности соединения вследствие реализации диффузионных прослоек с отличающимися по величине коэффициентами жесткости напряженного состояния.
2. Получены формулы для определения допускаемых параметров диффузионных мягких (ДМП) и твердых (ДТП) прослоек, образующихся в окрестности линии сплавления разнородных соединений, при которых их наличие не оказывает заметного влияния на характеристики работоспособности и безопасности эксплуатации участка трубопровода с компенсатором.
3. Разработаны методические рекомендации по расчетной оценке ресурса безопасной эксплуатации участка трубопровода с сильфонным компенсатором с использованием критериев длительной прочности.
На защиту выносятся результаты исследований, имеющие научную и практическую ценность, а именно:
закономерности напряженного состояния в окрестности линии сплавления разнородных соединений сильфонного компенсатора с трубопроводом;
аналитические формулы для определения допускаемых параметров диффузионных мягких и твердых прослоек в разнородных соединениях;
методы обеспечения технологической безопасности и определения остаточного ресурса разнородных соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом.
Практическая ценность результатов работы
-
Предложенный комплекс технических решений по выполнению соединений патрубков сильфонного компенсатора с трубопроводом позволяет обеспечивать их технологическую безопасность.
-
Разработанные методические рекомендации по оценке остаточного ресурса позволяют устанавливать научно обоснованные сроки безопасной эксплуатации участка трубопровода с сильфонным компенсатором.
-
Разработанные стандарты предприятий и методические рекомендации по оценке остаточного ресурса согласованы компетентными органами и рекомендованы ведущими институтами для использования в расчетной практике.
Достоверность результатов исследований
Решение основных задач базируется на современных апробированных подходах теории оболочек, теории пластичности и упругости. В работе учитываются современные достижения в области промышленной безопасности и оценки остаточного ресурса.
Большинство полученных результатов согласуются с общими представлениями теории пластичности неоднородных тел и данными других авторов.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях и научно-технических семинарах по вопросам обеспечения надежности и безопасности нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов в ГУП «ИПТЭР» (г. Уфа, 20072009 гг.) и на секции «Безопасность нефтегазового оборудования и трубопроводов» Ученого Совета ГУП «ИПТЭР» (протокол № 2 от 21.01.09 г.)
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах (два в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ), в том числе разработаны Методические рекомендации (1) и стандарт предприятия.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 116 наименований. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 7 таблиц.
