Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время отмечается устойчивая тенденция применения высокопрочных труб для строительства нефтепроводов с целью повышения их пропускной способности. Однако при этом возникает ряд проблем по обеспечению необходимого ресурса безопасности их эксплуатации, и в особенности в условиях нестационарного воздействия внешних силовых факторов. При этом особо важным условием является соответствующее (с увеличением прочностных характеристик металла) повышение качества проектирования, производства и эксплуатации нефтепроводов. В этой связи возрастает актуальность проблем, связанных с оценкой и повышением прогнозируемого и остаточного ресурсов нефтепроводов. Необходимо отметить, что применение высокопрочных сталей непосредственно связано с ростом степени напряженности базовых конструктивных элементов трубопроводов, предопределяющих их металлоемкость и безопасность. Это, в свою очередь, обуславливает пониженную термодинамическую устойчивость и повышенную скорость процессов повреждаемости металла, связанных с воздействием рабочих сред (коррозионной активностью, уровнем и цикличностью нагрузок, температурой и др.). Кроме этого, решение некоторых проблем повышения качества строительства и ремонта трубопроводов приводит к выраженной макроскопической механической неоднородности и их конструктивных элементов. Например, применение низколегированных сталей в структурно-неравновесных (термоупрочненных) состояниях по-рождает появление в конструктивных элементах мягких (разупрочненных) и твердых (закаленных) участков (прослоек).
Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных участков конструктивных элементов нефтепроводов, является, с одной стороны, следствием локализованного температурного воздействия на металл, а с другой, может создаваться по конструктивно-технологическим соображениям обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов. При этом локализованные температурные воздействия на металл приводят к реализации в металле высокой степени остаточной напряженности, возрастающей почти пропорционально росту исходной прочности металла труб. Все это вызывает необходимость решения новых задач по оценке и снижению остаточной напряженности металла нефтепроводов из высокопрочных труб (с повышенной пропускной способностью).
В указанных направлениях и построена настоящая работа.
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации нефтепроводов из высокопрочных труб регламентацией испытательного напряжения, свойств металла, прогнозируемого и остаточного ресурсов их монтажных стыков.
Достижение этой цели обусловило постановку и решение следующих
основных задач:
- обоснование методов снижения остаточной напряженности и дефектности и повышения трещиностойкости монтажных стыков высокопрочных труб нефтепроводов;
- исследование возможности применения мягких швов в монтажных стыках высокопрочных труб с обеспечением необходимого ресурса безопасной эксплуатации нефтепроводов при статическом и циклическом нагружениях;
- расчетное определение ресурса монтажных стыков высокопрочных труб в условиях квазистатической и усталостной повреждаемости металла с учетом особенностей взаимодействия послесварочных и активных напряжений в мягком металле швов;
- разработка методических рекомендаций по оценке и повышению ресурса безопасной эксплуатации монтажных стыков высокопрочных труб нефтепроводов.
Научная новизна:
- установлена взаимосвязь между свойствами характерных зон сварных монтажных стыков высокопрочных труб и испытательного давления, позволяющая расчетным путем оценивать остаточную напряженность и дефектность участка нефтепровода;
- получена формула для расчетного определения коэффициента трещиностойкости высокопрочных сталей в зависимости от обобщенного деформационного параметра, что позволяет избежать трудоемких испытаний образцов с трещинами;
- базируясь на основных положениях теории пластичности, дано теоретическое обоснование возможности безопасной эксплуатации трубопроводов с мягкими монтажными швами, обладающими высокими трещиностойкостью и релаксационной способностью деконцентрации сварочных напряжений;
- предложен метод расчетного определения характеристик квазистатической и усталостной повреждаемости конструктивных элементов нефтепроводов из высокопрочных труб с учетом остаточной напряженности и дефектности, механической неоднородности, наличия концентраторов напряжений и асимметрии цикла нагружения.
На защиту выносятся:
- комплекс результатов исследований, имеющих научно-практи-ческую значимость, в частности методы расчетного определения степени напряженности и дефектности, усталостной долговечности и ресурса монтажных стыков высокопрочных труб нефтепроводов с учетом предыстории нагружения, концентраторов напряжений, характеристик нестационарности эксплуатационных нагрузок;
- методические рекомендации по оценке и повышению прогнозируемого и остаточного ресурсов монтажных стыков высокопрочных труб нефтепроводов с повышенной пропускной способностью.
Практическая ценность результатов работы
результаты выполненных исследований позволяют научно обоснованно устанавливать параметры испытаний и свойства монтажных мягких швов, при которых обеспечиваются пониженные остаточная напряженность и дефектность высокопрочных труб при сохранении необходимого уровня безопасности эксплуатации участка нефтепровода;
разработанные методы расчетной оценки прогнозируемого и остаточного ресурсов нефтепроводов позволяют обеспечивать безопасность их эксплуатации и назначать научно обоснованные сроки периодического диагностирования и испытаний.
Достоверность результатов исследований
Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов механики разрушения, надежности и безопасности трубопроводных систем. Разработанные методы и рекомендации по оценке и повышению ресурса нефтепроводов основываются на представлениях о кинетике коррозионно-механической усталости и трещиностойкости высокопрочных труб, развиваемых в работах ученых ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ГУП «ИПТЭР», УГНТУ, ОГУ и др.
Полученные автором результаты согласуются с известными закономерностями механики деформирования неоднородных твердых тел, а также теории упругости и пластичности. Установленные автором закономерности и аналитические зависимости адекватно отвечают экспериментальным данным других исследователей.
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана на секции Ученого совета ГУП «ИПТЭР» 18 марта 2010 г. и рекомендована к защите.
Результаты работы докладывались на конференциях и семинарах, проведенных в ГУП «ИПТЭР».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемом научно-техническом журнале из Перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 128 наименований, приложения. Она содержит 145 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 5 таблиц.
