Введение к работе
Актуальность работы
Создание нефтегазовых объектов (НГО) с высокими эксплуатационными показателями, снижение их металлоемкости, оценка и повышение конструктивной прочности и долговечности всегда были и будут актуальными проблемами жизнедеятельности. При этом особое внимание придается разработкам НГО, работающих в экстремальных условиях как по параметрам нагружения, так и по параметрам рабочих сред. Применение для изготовления таких НГО высокопрочных сталей в сочетании с локализованными термомеханическими воздействиями на металл их базовых элементов обуславливает большую вероятность возникновения в последних технологических и эксплуатационных повреждений, в том числе и трещиноподобных. Высокая стоимость, масштабность и уникальность большинства НГО, а также несомненные достижения в области механики разрушения предопределяют использование новых подходов к их проектированию и эксплуатации, базирующихся на допущении в их конструктивных элементах безопасных повреждений. Все это позволяет в ряде случаев во много раз повышать прогнозируемый ресурс, а также обеспечивать маневренность регулирования режимами и параметрами безопасной эксплуатации базовых элементов НГО.
В этом направлении сотрудниками ВНИИСПТнефть (ныне ГУП «ИПТЭР»), ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН и МИФИ (г. Москва), а также рядом других научных организаций созданы научные основы нормирования степени поврежденности металла базовых элементов НГО.
Значительный вклад в развитие различных сторон рассматриваемой проблемы внесли работы ученых ВНИИГаза, Института проблем транспорта энергоресурсов, ВНИИСТа, РГУНГ им. И.М. Губкина, проектных организаций: «Гипротрубопровод», «ВНИПИтрансгаз», «Нефтегазпроект», а также работы ряда ученых: Х.А. Азметова, А.Б. Айнбиндера, В.Л. Березина, П.П. Бородавкина, Л.И. Быкова, Г.Г. Васильева, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, Р.С. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, М.Х. Султанова, К.М. Ямалеева и др.
Диагностическое обследование линейной части нефтепроводов страны, проведенное за последние годы внутритрубными снарядами, позволяет на базе полученной информации оценить фактическую поврежденность металла труб и определить пути обеспечения безопасности НГО в условиях ограниченности финансовых и материальных ресурсов для проведения реконструкции и ремонта отдельных участков.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования и решение комплексной народнохозяйственной задачи, направленной на обеспечение безопасности и эффективности эксплуатации стареющих и вновь создаваемых НГО, продолжают оставаться актуальными задачами страны.
Цель работы – обеспечение безопасности эксплуатации НГО регламентацией конструктивной прочности и ресурса их базовых элементов с различными повреждениями и концентраторами напряжений.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
анализ современных подходов по оценке влияния коэффициентов концентрации напряжений на конструктивную прочность базовых элементов НГО;
исследование и оценка коэффициентов концентрации напряжений в базовых элементах НГО с различными повреждениями;
оценка взаимосвязи теоретических и эффективных коэффициентов концентрации напряжений, вызванных различными повреждениями в базовых элементах НГО;
оценка конструктивной прочности базовых элементов НГО в различных структурно-механических состояниях, обусловленных термообработкой.
Методы решения поставленных задач
Теоретические исследования выполнены с использованием современных подходов механики разрушения и надежности и безопасности трубопроводных систем, теорий упругости и пластичности, а также на основе полученных экспериментальных результатов.
Научная новизна результатов работы:
- впервые установлены и описаны основные закономерности влияния коэффициентов концентрации напряжений на несущую способность базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта с учетом исходных механических характеристик металла, а также геометрических параметров, характеризующих степень ослабления и напряженность их рабочих сечений во всем диапазоне их изменения, включая предельные;
- научно обоснована взаимосвязь несущей способности труб (обечаек) и коэффициента трещиностойкости в различных структурно-прочностных состояниях металла, обусловленных термообработкой (закалка + отпуск).
На защиту выносятся:
- комплекс результатов исследований, имеющих научно-практическую значимость, в частности методы расчетного определения степени напряженности и поврежденности конструктивной прочности базовых элементов объектов нефтепроводного транспорта с учетом предыстории нагружения, концентраторов напряжений, исходных механических характеристик металла и др.;
- методические рекомендации по оценке и повышению конструктивной прочности базовых элементов НГО с различными повреждениями и концентраторами напряжений.
Практическая ценность результатов работы:
результаты проведенных исследований позволяют научно обоснованно устанавливать нормируемые параметры и их допустимость в базовых элементах нефтегазовых объектов;
предложенные аналитические зависимости позволяют оперативно устанавливать коэффициенты прочности и ресурс базовых элементов нефтегазовых объектов НГО без проведения дорогостоящих и сложных лабораторных и натурных испытаний.
Достоверность результатов исследования
Разработанные методы и рекомендации по оценке и повышению конструктивной прочности базовых элементов НГО основываются на представлениях о процессах разрушения, развиваемых в работах ученых ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ИПТЭР, УГНТУ и др. Полученные автором результаты согласуются с известными подходами механики деформирования геометрически неоднородных твердых тел, а также теории упругости и пластичности, а установленные новые закономерности и аналитические зависимости адекватно отвечают экспериментальным данным других исследователей.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках
XIII международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии – 2010» (Уфа, 2010 г.); Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2010 г.).
Диссертация заслушана и рекомендована к защите на заседании секции Ученого совета ГУП «ИПТЭР» (протокол № 1 от 11 января 2011 г.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных трудах, в том числе в 2 монографиях и 2 рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 131 наименование, 1 приложения. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 8 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность проф. Р.С. Зайнуллину и доценту И.Ф. Кантемирову за консультации и ценные замечания при выполнении и оформлении работы.
