Введение к работе
Актуальность проблемы
Многообразие технологических процессов и их интенсификация за счет использования высоких давлений и температур, новых физических процессов, повышение агрессивности рабочих сред значительно усложняют условия работы нефтегазового оборудования и трубопроводов. Расширяется номенклатура применяемых материалов, обновляются виды неразъемных соединений, изменяется строение зоны термического влияния сварных соединений и возникают новые задачи в совершенствовании технологии выполнения сварочных работ. Появляются новые факторы, ранее не учтенные при проектировании, изготовлении и эксплуатации нефтегазового оборудования (сосудов, аппаратов и трубопроводов).
В дальнейшем будут совершенствоваться процессы разработки и производства сварных конструкций, направленные на реализацию преимуществ применения прогрессивных конструкционных материалов, и будет создаваться сварное оборудование, обладающее максимальной надежностью во все более усложняющихся условиях эксплуатации, высокой технологичностью, минимальной материалоемкостью, уменьшенной массой наплавленного металла.
Постоянный рост использования высокопрочных, термически упрочненных, жаропрочных и коррозионностойких сталей, сплавов с различными физико-механическими свойствами, биметаллов обусловили механическую неоднородность в широко распространенное явление.
Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является, с одной стороны, следствием неоднородности температурных полей при сварке, с другой, - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности. Все это приводит к возникновению сложного напряженного состояния. В сварных соединениях имеется существенная концентрация напряжения, которая, в конечном счете, существенно влияет на характеристики безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов. В связи с этим необходимо устанавливать характеристики безопасности оборудования и трубопроводов с учетом влияния фактора их механохимической неоднородности. Учет этого фактора и сознательное регулирование механохимической неоднородностью позволяет по-новому подойти к оптимизации конструкций и технологии их изготовления, а также реально оценивать их характеристики работоспособности и безопасности. Все это констатирует о несомненной актуальности решаемой проблемы.
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками регламентацией их остаточного ресурса.
Основные задачи исследования:
анализ проблемы механической неоднородности нефтегазового оборудования и трубопроводов;
оценка несущей способности конструктивных элементов с ликвационными (твердыми) прослойками;
исследование напряженного и предельного состояний твердых прослоек в конструктивных элементах в условиях плоской деформации;
определение напряженного и предельного состояний твердых прослоек в условиях осесимметричной деформации;
оценка остаточного ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов.
Научная новизна
1. На базе основных положений механики пластически неоднородных тел выполнен анализ напряженного и предельного состояний базовых конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях плоской и осесимметричной деформаций, на основании которого получена адекватная оценка условий перехода в пластическое состояние твердого металла при более низких нагрузках.
2. Выявлены и описаны специфические закономерности распределения основных компонентов тензора напряжений в объеме твердых прослоек конструктивных элементов с учетом особенностей реализации контактных эффектов, способствующих снижению шарового тензора напряжений в твердом металле.
Показано, что в отличие имеющихся решений величина и характер распределения контактных касательных напряжений существенно зависят от степени механической неоднородности и относительной толщины твердых прослоек.
3. Произведена адекватная оценка контактных эффектов разупрочнения твердых прослоек, деформированных в составе базовых конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов. Установлено, что существующие методы в несколько раз завышают величину контактных эффектов разупрочнения твердых прослоек в сравнении с полученными оценками в настоящей работе.
4. Впервые решена задача о напряженном и предельном состояниях твердой кольцевой прослойки в составе конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.
С учетом ранее установленных новых закономерностей распределения контактных касательных напряжений в плоских и осесимметричных твердых прослойках получены формулы, адекватно описывающие распределение основных компонент тензора напряжений в объеме твердых кольцевых и дискообразных прослоек.
5. Базируясь на положениях теории тонких оболочек вращения, впервые показано, что уменьшение толщины твердых прослоек в конструктивных элементах приводит к снижению краевых моментов и соответствующему росту их несущей способности.
6. Разработаны методы определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками в конструктивных элементах.
Практическая ценность
1. Разработанные методы определения остаточного ресурса, позволяют научно обоснованно устанавливать безопасные сроки эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками в конструктивных элементах.
2. Базируясь на установленных условиях перехода твердых прослоек в полное пластическое состояние, даны рекомендации по ограничению относительной толщины твердых прослоек технологическими способами.
3. Разработан стандарт предприятия по технологическому регулированию параметров геометрии и свойств твердых прослоек в конструктивных элементах оборудования и трубопроводов.
На защиту выносятся:
- методы определения напряженного и предельного состояний конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками различных конфигураций;
- аналитические зависимости для определения коэффициентов снижения несущей способности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками;
- методы расчета остаточного ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов при наличии в них твердых прослоек.
Методы решения поставленных задач
Большинство поставленных задач по оценке напряженного состояния твердых прослоек решены на основе теории упругости пластичности с использованием результатов, полученных методом муаровых полос.
Несущая способность конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с твердыми прослойками определялась с использованием методов механики твердого деформируемого тела и разрушения.
Разработанные методы расчета остаточного ресурса конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов базируется на современных достижениях в области повреждаемости металлов при эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов.
Достоверность результатов
В частных случаях из полученных аналитических зависимостей для определения напряженного и предельного состояний вытекают формулы, полученные ранее другими учеными.
Некоторые (частные) результаты исследований качественно и количественно совпадают с экспериментальными данными других авторов, полученными методом муаровых полос и натурными испытаниями конструктивных элементов с твердыми прослойками.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленных в работе, докладывались на:
- научно-практическом семинаре «Работоспособность и технологичность нефтепромыслового оборудования и трубопроводов» (апрель 2006 г., г. Салават);
- научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VII Конгресса нефтегазопромышленников России и XV юбилейной международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии - 2007» (22 мая 2007 г., г. Уфа);
- научно-практическом семинаре «Диагностика и ресурс нефтегазо-химического оборудования», посвященном 450-летию добровольного вхождения Башкирии в состав России (июнь 2007 г., г. Уфа).
Публикации.
Основные положения работы опубликованы в 8 научных трудах, из них три соответствуют перечню журналов, рекомендуемых ВАК Минобразования РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций. Она изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы, 61 рисунок. Библиографический список использованной литературы включает 125 наименований.
