Експериментально-розрахунковий метод визначення напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

УДК 539.3

Експериментально-розрахунковий метод визначення напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів

05.02.02 - машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дзюбик Андрій Романович

Львів 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Палаш Володимир Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Обладнання та технології зварювального виробництва”

Офіційні опоненти доктор технічних наук, доцент Копей Богдан Володимирович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, професор кафедри “Нафтове обладнання”; кандидат технічних наук, доцент Кичма Андрій Олексійович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Деталі машин”

Провідна установа Технологічний університет Поділля, кафедра "Машинознавство" Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький.

Захист відбудеться 25 квітня 2001 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “21” березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.

Анотація

Дзюбик А.Р. Експериментально-розрахунковий метод визначення напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2000.

Дисертація присвячена розробці методики діагностування напруженого стану та підвищенню довговічності зварних стикових з'єднань із кільцевим швом сталевих труб магістральних газопроводів. У роботі наведено метод визначення напружень на поверхні труби з допомогою контактної локальної термоелектрорушійної сили. Розроблено експериментально-розрахунковий метод визначення напруженого стану у зварних стикових з'єднаннях труб магістральних газопроводів та адаптовано його математичну модель до особливостей експериментально отриманої інформації. Запропоновано функцію для опису поля залишкових пластичних деформацій. Розроблено та запропоновано методику та пакет прикладних програм для діагностування напруженого стану зварних стикових з'єднань труб із кільцевим швом. Досліджено вплив параметрів процесу автоматичного зварювання під шаром флюсу стиків труб на величину залишкових напружень та ресурс роботи зварних з'єднань. Результати роботи впроваджено для діагностування технічного стану та зварювання стиків труб магістральних газопроводів.

Ключові слова напружений стан, зварні стики, термоелектрорушійна сила, експериментально-розрахунковий метод.

Summary

Dsjubyk A. Experimental - calculation method defining the intense condition of joints of welded pipes of main gas pipelines. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.02.02 - mechanical engineering. - National university "Lvivska polytechnica", Lviv, 2000.

The dissertation is devoted to development of not ruinous methods definition of the intense condition in welded joints pipes of main gas pipelines. In work the method of definition of pressure on a product surface with the help contact thermo force is given. The experimental - settlement method of definition of a pressuris field in ring welded joints of pipes is developed and is adapted to measuring features means of not ruinous methods. The function for the description of a field of residual plastic deformations is offered. The experimental researches from influence the parameters of process of automatic welding under a layer on size of residual pressure are executed and is given to the recommendation concerning their decrease. The work resource of welded connections is appreciated.

Key words: the intense condition, welded joints, thermoforce, experimental - numerical method.

Аннотация

Дзюбик А.Р. Экспериментально-расчётный метод определения напряжённого состояния сварных стыков труб магистральных газопроводов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. - Национальный университет "Львивська политэхника", Львов, 2000.

Диссертация посвящена разработке методики диагностирования напряженного состояния и повышения долговечности сварных стыковых соединений с кольцевым швом стальных труб магистральных газопроводов. В роботе теоретически и экспериментально обоснована возможность определения напряжений методом контактной локальной термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте между нагретым стержнем термозонда и исследуемой поверхностью. Разработаны методика проведения исследований и специальное оборудование для определения напряжений в сварных стыках труб магистральных газопроводов в полевых условиях. Для получения тарировочных коэффициентов приборов Hupetron - Z (ультразвуковой метод), Smmt - 3 (магнитоупругий метод) и установки контактной локальной термоэлектродвижущей силы изготовлен исследовательский стенд, который может имитировать работу газопровода. Предложена методика проведения исследований напряженного состояния трубопроводов и их сварных стыков, а также пакеты прикладных программ для оперативного анализа и обработки результатов диагностирования.

Разработан экспериментально-расчетный метод определения напряжений в сварных стыковых соединениях труб с кольцевым швом. Он базируется на решении обратных задач для тел с собственными напряжениями и данных, полученных методами контактной локальной термоэлектродвижущей силы, ультразвуковым и магнитоупругим. Метод учитывает особенности формирования поля напряжений в соединениях труб, сваренных без разработки кромок и с их разработкой. На основании обобщения известных экспериментальных данных предложена функция для отображения поля остаточных пластических деформаций при различных видах сварки, удовлетворяющая условиям гладкости. Математическая модель метода адаптирована к особенностям информации, полученной ультразвуковым и магнитоупругим методами, что позволило учитывать неоднородность поля напряжений в исследованной области сварного соединения и повысить точность определения тензора напряжений.

Предложен способ вычисления распределения по толщине стенок труб кольцевых напряжений, возникающих под воздействием внутреннего давления газа, на основании информации, полученной методами контактной локальной термоэлектродвижущей силы, ультразвуковым и магнитоупругим.

Впервые получены тарировочные зависимости термоэлектродвижущей силы от напряжений для различных структурных составляющих стали 17 ГС - феррита и перлита. Установлено, что они заметно реагируют на напряженное состояние в области упругих деформаций. Проведены исследования влияния параметров автоматической сварки под слоем флюса на величину поля остаточных напряжений сварных стыков труб внешним диаметром 1020 мм и толщиной стенки 10 мм. Разработаны рекомендации, которые позволяют уменьшить остаточные напряжения и повысить долговечность стыковых сварных соединений труб магистральных газопроводов на величину до 10 %. Осуществлена оценка ресурса работы сварных стыков труб газопроводов при различных режимах их работы и полях остаточных напряжений. Проведено диагностирование напряженного состояния и расчет ресурса работы сварных соединений стыков труб магистрального газопровода "Ивацевичи-Долина".

Разработанные методика определения сварочных напряжений в сварных стыках труб магистральных газопроводов и рекомендации по увеличению ресурса их работы внедрены в Управлении магистральных газопроводов "Львивтрансгаз".

Ключевые слова напряженное состояние, сварные стыки газопроводов, термоэлектродвижущая сила, экспериментально-расчетный метод.

напруження зварний з'єднання термоелектрорушійний

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для транспортування газу на великі відстані найбільш широко використовуються магістральні трубопроводи. Зокрема в Україні з цією метою експлуатується понад 34 тис. кілометрів газопровідних систем. Нормативний ресурс їх значної частини наближається до критичного, а аварійні ситуації можуть призвести до важких екологічних та техногенних наслідків, тому забезпечення довговічності магістральних газопроводів є головним завданням у процесі їх спорудження та експлуатації. Ця проблема є багатогранною і потребує застосування сучасних ефективних технологій та засобів діагностування матеріалу труб. Особливо це стосується зварних стикових з'єднань із кільцевими швами, в яких утворюються значні залишкові напруження. У процесі експлуатації останні можуть стати причиною виникнення та поширення тріщин. Таким чином, дослідження напруженого стану у зварних стикових з'єднаннях труб є одним з першочергових завдань із забезпечення безаварійної експлуатації магістральних газопроводів.

Використання існуючих експериментальних методів для визначення розподілу напружень у зварних з'єднаннях є дещо обмеженим через їх недостатньо повну інформативність. Проблемою при застосуванні розрахункових методів є труднощі у встановленні напруженого стану матеріалу зварних стиків труб після тривалої експлуатації газопроводів.

У зв'язку з цим удосконалення існуючих та розроблення нових методів, зокрема експериментально-розрахункових, для визначення напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів є важливим та актуальним завданням технічного діагностування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Основні питання, розглянуті в дисертаційній роботі, виконувалися відповідно до завдань теми № 0196U000138 "Cтворення системи автоматизованого розрахунку і проектування обладнання для виробництва будівельних матеріалів" і теми № 0297U000506 "Розробка методів аналізу причин аварій та забезпечення ресурсу енергетичних котлів".

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розроблення методики діагностування напруженого стану та підвищення довговічності зварних стикових з'єднань із кільцевим швом труб магістральних газопроводів.

Для досягнення цієї мети в роботі були розв'язані наступні задачі

розроблено метод визначення різниці головних напружень на поверхні зварних з'єднань способом вимірювання контактної локальної термоелектрорушійної сили (КЛ ТЕРС);

розроблено переносну установку для визначення напружень методом КЛ ТЕРС на поверхні зварних стиків газопроводів;

розроблено експериментально-розрахунковий метод визначення поля напружень у зварних стикових з'єднаннях труб магістральних газопроводів з адаптацією його до особливостей інформації, отриманої ультразвуковим та магнітопружним методами;

досліджено вплив режиму зварювання на величину залишкових напружень і розроблено рекомендації щодо їх зменшення та підвищення довговічності зварних стиків магістральних газопроводів;

досліджено напружений стан зварних стиків труб діючого магістрального газопроводу та визначено його залишковий ресурс.

Об'єкт дослідження - технічні засоби та процес діагностування напруженого стану магістральних газопроводів.

Предмет дослідження - напруження у зварних стикових з'єднаннях кільцевим швом сталевих труб магістральних газопроводів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження грунтувалися на розв'язанні обернених задач механіки деформівних тіл із власними напруженнями. Базовими при цьому були рівняння теорії оболонок, які враховують наявність умовних пластичних деформацій, що виникають в матеріалі внаслідок процесу зварювання. Застосовувалися розрахункові методи, які базуються на теорії зварювальних деформацій і напружень. Експериментальні дослідження напружень у зварних з'єднаннях магістральних газопроводів проводились ультразвуковим, магнітопружним та розробленим у роботі КЛ ТЕРС методами із використанням апарату математичної статистики та планування експерименту. Опрацьовані результати застосовувалися в експериментально-розрахунковому методі при визначені напруженого стану у зварних з'єднаннях.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розробленні теоретичних та методологічних підходів до визначення напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів. Новими науковими результатами роботи є метод визначення напружень на поверхні зварних з'єднань труб магістральних газопроводів за допомогою КЛ ТЕРС;

функція для опису полів пластичних деформацій, що виникають внаслідок зварювання, яка задовільняє умовам гладкості в області їх існування;

експериментально-розрахунковий метод визначення напруженого стану в зварних стикових з'єднаннях сталевих труб магістральних газопроводів із використанням даних, отриманих КЛ ТЕРС, ультразвуковим та магнітопружним методами;

адаптована математична модель методу щодо особливостей інформації про напруження, отриманої ультразвуковим та магнітопружним методами.

Практичне значення отриманих результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень реалізовано комплексний підхід до визначення напруженого стану зварних з'єднань магістральних газоопроводів, зокрема розроблені методика та пакет прикладних програм для неруйнівного діагностування напруженого стану зварних стикових з'єднань труб із кільцевим швом;

переносний прилад для визначення КЛ ТЕРС на поверхні газопроводів;

спосіб обчислення розподілу по товщині труби кільцевих напружень, спричинених дією внутрішнього тиску газу, на основі вимірювань напружень ультразвуковим, магнітопружним та КЛ ТЕРС методами;

рекомендації щодо збільшення ресурсу зварних стиків газопроводів шляхом регулювання величини залишкових напружень режимами зварювання.

Результати проведених досліджень знайшли практичне застосування при діагностуванні напруженого стану та зварюванні стиків труб магістрального газопроводу “Івацевичі - Долина ІІІ нитка”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, рішення, висновки та рекомендації, наведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В опублікованих за результатами досліджень роботах дисертанту належить [1] - математичне обґрунтування методу та дослідження впливу геометричних розмірів труби на нерівномірність розподілу напружень; [2] - розроблення структури пакету прикладних програм, алгоритму його реалізації та відповідного математичного забезпечення; [3] - проведення експериментальних досліджень, побудова тарувальних залежностей, аналіз результатів роботи; [4] - математичне обґрунтування методу та проведення експериментальних досліджень, [5] - розроблення експериментально-розрахункового методу визначення напружень у зварних стиках сталевих труб, що зварені з попереднім розробленням крайок, адаптація методу до особливостей неруйнівних способів визначення напружень у зварних стиках трубопроводів; [6] - проведення досліджень напруженого стану трубопроводів та аналіз результатів роботи; [7] - розроблення та виготовлення вимірювальної системи установки, дослідження факторів, що впливають на величину КЛ ТЕРС та напружений стан, аналіз результатів роботи; [8] - розроблення конструкції приладу та методики визначення напруженого стану; [9] - розроблення конструкції пристрою.

Крім цього, у дисертації виведено функцію для опису полів пластичних деформацій, що виникають внаслідок зварювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на ІІІ Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, 1997); Міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (м. Львів, 1999); І Українській науково - технічній конференції “Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин” (м. Київ, 1999); Українській науковій конференції “Математика і механіка у Львівському університеті (історія і сучасність)” (м. Львів, 1999); І науковому симпозіумі “Сучасні проблеми інженерної механіки” (м. Луцьк, 2000); VII Всеукраїнській науковій конференції “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики” (м. Львів, 2000); Міжнародній конференції “Сварные конструкции” (м. Київ, 2000).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 друкованих робіт, із яких 6 статей - у наукових фахових виданнях України, 7 - у матеріалах праць і тез конференцій, 2 - патенти України на винахід.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 164 найменувань та додатків на 11 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 112 сторінок, в т. ч. 29 рисунків та 10 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв'язок з науковими програмами, наукове й практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію, особистий внесок автора і публікації.

У першому розділі роботи проведено аналіз літературних джерел щодо причин виникнення та розподілу залишкових напружень у зварних стиках труб. Проаналізовано вплив параметрів зварювання на величину напружень, а також існуючі методи та методики визначення залишкового напруженого стану зварних стиків труб і прогнозування залишкового ресурсу роботи газопроводів. Сформульовано мету та задачі досліджень.

У другому розділі наведено методику дослідження напруженого стану зварних стикових з'єднань труб із кільцевими швами, які застосовуються при спорудженні магістральних газопроводів. Вибрані необхідні для роботи аналітичні й експериментальні методи та засоби вимірювання прилад HUPETRON - Z для вимірювання напружень ультразвуковим методом та прилад магнітопружної тензометрії SMMT - 3. Описано спроектований та виготовлений дослідницький стенд, що імітує роботу реального газопроводу.

Запропоновано метод визначення залишкових напружень на поверхні зварних з'єднань за допомогою КЛ ТЕРС. Вивчення взаємозв'язку між напруженнями та величиною КЛ ТЕРС проводилися з допомогою розробленої та виготовленої на базі мікротвердоміра ПМТ-3 установки (рис. 1) із дотриманням експериментально встановлених вимог щодо геометрії стержня термозонда, величини навантаження на нього та різниці температур між гарячим та холодним спаями. Виявлено, що в результаті вимірювання отримуються значення різниці головних напружень різних структурних складових матеріалу. Вимірювальна система передбачає обмін інформацією з комп'ютером, архівацію результатів вимірювань та їх оброблення за складеними математичними алгоритмами з використанням спеціальних пакетів програм.

Розроблена методика досліджень передбачає непрямі вимірювання напружень. Спочатку проводиться тарування на еталонному зразку з того ж матеріалу, що і виріб. Із значеннями отриманої залежності КЛ ТЕРС від напружень порівнюють величину КЛ ТЕРС, яка виникає при контакті термозонда з поверхнею металевого виробу, і за результатами порівняння визначають різницю головних напружень у поверхневому шарі виробу.

На розроблені методику та установку для локального визначення характеристик напруженого стану на поверхні виробу отримано два Патенти України на винахід.

В розділі наведено розроблені автором алгоритм визначення напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів і комплекс програмного та математичного забезпечення для його реалізації. Він передбачає проведення експериментальних досліджень рівня напружень у зварних стикових з'єднаннях магістральних газопроводів за допомогою КЛ ТЕРС, ультразвукового та магнітопружного методів із подальшим використанням отриманих результатів у моделюванні напруженого стану. Пакет прикладних програм дає змогу оперативно проводити аналіз і оброблення результатів технічного діагностування зварних з'єднань магістральних трубопроводів та прогнозувати ресурс їх роботи.

У третьому розділі дисертаційної роботи розроблена математична модель експериментально-розрахункового методу визначення залишкових напружень у довільній точці стикових з'єднань сталевих труб, що зварюються, з попереднім розробленням їх крайок та без нього.

Цей метод ґрунтується на застосуванні рівнянь теорії оболонок, які враховують наявність у зварному з'єднанні поля умовних пластичних деформацій (тут - координати в осьовому та коловому напрямках; - координата за товщиною оболонки). При цьому для функції прогину оболонки використано інтегральне представлення у вигляді

У цьому виразі (х - відстань вздовж твірної оболонки від осі шва); R - радіус серединної поверхні оболонки;

;

коефіцієнт Пуассона;

h - півтовщина оболонки;

, , - усередненні за товщиною характеристики поля пластичних деформацій

;

;

;

.

У разі зварювання стиків сталевих труб без попереднього розроблення крайок поле пластичних деформацій є локалізоване в околі шва і його можна вважати незмінним за товщиною. Тоді запишемо

(2)

де , , -- відповідно максимальні пластичні деформації, півширина їх області та функція, що характеризує зміну деформацій вздовж твірної труби.

Для полів пластичних деформацій, що виникають внаслідок зварювання сталевих труб, застосовують різні апроксимації, однак при цьому не задовольняються умови гладкості на межі поля. На основі узагальнення відомих експериментальних даних у роботі запропонована апроксимація цієї функції у вигляді

, (3)

де Р - параметр, що характеризує кривину графіка функції.

При цьому функція зберігає плавну зміну на всьому проміжку її існування, а на межі () дорівнює нулю разом з першою похідною.

Тоді, з урахуванням формул (1 - 3), вирази для осьових () та кільцевих () напружень у довільній точці зварного стикового з'єднання труб можна записати так

(4)

де Е - модуль Юнга;

;

.

У ці формули входять три невідомі параметри, що характеризують поле пластичних деформацій ширина (), кривина (Р) та максимальна амплітуда (). Для їх знаходження будується спеціальний функціонал, який являє собою суму середньоквадратичних відхилень між величинами теоретично розрахованих характеристик поля напружень та відповідними їм комбінаціями напружень, котрі можна отримати експериментальним шляхом. У дисертаційній роботі - це значення різниць головних напружень на поверхні виробу, отримані методами КЛ ТЕРС та магнітопружним, а також інтегральні за товщиною, які визначені ультразвуковим методом. Мінімізація цього функціонала дозволяє віднайти шукані параметри. При цьому слід врахувати, що давачі приладів, які використовувалися у роботі, не забезпечують достатню локальність при визначенні напружень в матеріалі. Так, у приладі “Hupetron - z” (ультразвуковий метод) - це деякий умовний циліндр діаметром 0.01 м та висотою, що дорівнює товщині труби, а в приладі “SMMT - 3” (магнітопружний метод) - круг діаметром 0.02 м. Отже, ми отримуємо деякі середньоінтегральні за об'ємом циліндра () чи площею круга () значення різниці головних напружень. Тому відповідні вирази для напружень, отримані теоретичним способом, необхідно проінтегрувати за контактною площею давача для магнітопружного методу () та за об'ємом циліндра () для ультразвукового методу. Тоді функціонал запишемо так:

, (5)

де , , - вагові множники, що враховують точність експериментальних даних, отриманих ультразвуковим, магнітопружним, КЛ ТЕРС методами; - поверхня інтегрування (ультразвуковий метод); - площа інтегрування (магнітопружний метод).

Цей функціонал включає в себе особливості будови вимірювального устаткування вибраних методів, що дає змогу враховувати неоднорідність поля напружень і тим самим підвищити точність визначення шуканих коефіцієнтів поля пластичних деформацій та залишкових напружень в зварному з'єднанні.

У разі зварювання труб із розробленням крайок поле пластичних деформацій є нерівномірним за товщиною стінки труби. Це враховано наступною функціональною залежністю

(6)

де ; m, b - коефіцієнти, які визначаються геометрією розроблення крайок.

З урахуванням формул (1), (3) та (6) вирази для осьових () та кільцевих () напружень в довільній точці зварного стикового з'єднання із кільцевим швом у разі зварювання труб із попереднім розробленням крайок запишемо

де S - коефіцієнт, який задає співвідношення між величиною поля пластичних деформацій в осьовому та кільцевому напрямках;

;

;

Формули (7) дають змогу визначити напружений стан у будь-якій точці зварного стикового з'єднання двох сталевих труб. Необхідна інформація про коефіцієнти, які характеризують поле пластичних деформацій, отримується за допомогою експериментальних даних аналогічно, як при зварюванні без розроблення крайок.

У розділі також наводиться модифікований підхід до визначення ширини пластичної зони за методом Трочуна, яка надалі використовується як апріорна інформація при мінімізації функціонала (5).

Описано спосіб обчислення розподілу за товщиною труби кільцевих напружень, спричинених дією внутрішнього тиску газу, або визначення величини цього тиску на основі вимірювань напружень ультразвуковим, магнітопружним та КЛ ТЕРС методами.

У четвертому розділі містяться результати експериментальних та експериментально-розрахункових досліджень характеристик напруженого стану зварних стиків труб магістральних газопроводів.

Наведено дані про тарування приладів hupetron-z, smmt-3 та установки КЛ ТЕРС, які використовувалися в роботі при дослідженні зварних стиків труб із низьколегованих сталей 17 ГС та 09Г2С (зовнішні діаметри 325 мм, 530 мм, 1020 мм; товщина стінок 6, 8, 10 мм відповідно).

Отримані тарувальні залежності впливу плоского напруженого стану на величину КЛ ТЕРС. У зв'язку з тим, що мікроструктура зварних з'єднань досліджуваних сталей являє собою ферито-перлітну суміш, тарування проводилося для фериту та перліту окремо. Як видно з рис. 2, величина КЛ ТЕРС залежить як від напружень, так і природи структурної складової металу. Тарувальні криві для фериту та перліту є аналогічними за своїм характером. На них можна виділити такі характерні ділянки горизонтальна на початку тарування - "а", зростання КЛ ТЕРС від напружень - "b", різкого зменшення величини КЛ ТЕРС - "c", горизонтальна в кінці тарування - "d".

На основі проведеного аналізу можна зробити висновок, що ділянки "a" і "b" відповідають пружній області деформування, а ділянки "с" і "d" - пластичній. Наявність ділянки "а" свідчить про те, що метод є чутливим до зміни напруженого стану, починаючи з 25 - 30 МПа для фериту та 40 - 45 МПа для перліту. На ділянці "b" при збільшенні напружень має місце зростання величини КЛ ТЕРС, причому для фериту воно істотніше - до 90 %, в той час як для перліту - до 35%. Різке падіння КЛ ТЕРС на ділянці "с" із подальшою стабілізацією на ділянці "d" може викликатися зростанням дефектності структури та релаксацією напружень при пластичному деформуванні. Таким чином, обидві структурні складові сталі (ферит і перліт) помітно реагують на зміну напруженого стану у пружній області.

З урахуванням специфіки визначення напружень на поверхні зварних з'єднань магістральних газопроводів методом КЛ ТЕРС було розроблено і виготовлено для цього спеціальну переносну установку.

У розділі викладено також результати досліджень впливу величини погонної енергії автоматичного зварювання під шаром флюсу на напружений стан у стиках труб зовнішнім діаметром 1020 мм та товщиною стінки 10 мм. Результати експериментально-розрахункового визначення напружень для одного із режимів зварювання (погонна енергія ) наведені на рис. 3.

Найбільш високі розтягувальні залишкові напруження виникають на внутрішній поверхні труби в зоні шва. Із збільшенням відстані від осі шва розподіл напружень носить коливний характер з інтенсивним затуханням на відстані до 150 мм. Максимальні кільцеві напруження досягають межі плинності матеріалу і є при цьому розтягувальними. Саме вони найбільш небезпечні з точки зору поширення тріщин, бо осьові напруження значно менші і, крім цього, на зовнішній стінці вони є стискальними.

Для інших режимів криві носять аналогічний характер, але дещо відрізняються величинами напружень. При зростанні погонної енергії останні в осьовому напрямку збільшуються, але максимальні кільцеві розтягувальні напруження зменшуються.

Аналіз результатів досліджень показав, що при автоматичному зварюванні стиків труб під шаром флюсу на нормативних режимах можливе істотне (до 20 %) варіювання залишкових напружень. У зв'зку з цим розроблено рекомендації щодо зменшення максимальних кільцевих напружень розтягу. Обгрунтовано нові межі погонної енергії (), які не виходять за нормативні, але приводять до зменшення напружень у зварному шві на величину до 15%.

На основі отриманих полів напружень проведено обчислення залишкового ресурсу зварних з'єднань магістральних газопроводів. Для цього застосовано методику, яка дає змогу враховувати вплив неоднорідності механічних властивостей та залишкових напружень у зварних з'єднаннях стиків труб на їх ресурс. Отримані результати показали, що у разі експлуатації газопроводу з наявними в ньому пульсаціями тиску транспортованого газу втомна довговічність зварних стикових з'єднань із кільцевими швами, отриманих на рекомендованих погонних енергіях, може зрости до 10 %.

Проведено діагностування напруженого стану зварних стиків труб магістрального газопроводу "Івацевичі-Долина ІІІ нитка", який експлуатується із 1979 року (сталь 17 Г1С, діаметр труб 1220 мм, товщина стінки 16 мм). Залишкові кільцеві напруження у зварних з'єднаннях труб знаходилися в межах від 190 до 260 МПа. З урахуванням рівня напружень, виявлених пошкоджень у трубі та збереженні умов експлуатації залишковий ресурс становить 8 - 10 років. Розроблені методика діагностування напруженого стану магістральних газопроводів та рекомендації щодо погонної енергії зварювання впроваджено в УМГ "Львівтрансгаз".

Висновки

1. Існуючі методи визначення напружень не забезпечують достатньо повної інформативності у випадку зварних з'єднань трубопроводів. Основні результати дисертаційної роботи спрямовані на розроблення методики визначення напруженого стану зварних стикових з'єднань із кільцевим швом магістральних газопроводів та підвищення їх довговічності.

2. Встановлено взаємозв'язок між напруженнями на поверхні матеріалу та величиною термоелектрорушійної сили. Розроблено методику визначення різниці головних напружень на поверхні зварних з'єднань стиків труб магістральних газопроводів за допомогою КЛ ТЕРС.

3. На основі узагальнення відомих експериментальних даних запропоновано функцію, яка дає змогу відтворити характер можливих полів пластичних деформацій при різних видах зварювання та задовольняє умовам гладкості в усій області їх існування.

4. Для визначення напружень у зварних стиках сталевих труб розроблено експериментально-розрахунковий метод. Він базується на розв'язанні обернених задач для тіл з власними напруженнями та інформації, отриманій КЛ ТЕРС, ультразвуковим і магнітопружним методами та зважає на умови формування поля напружень в зварних стиках труб, що зварювалися без розроблення та з розробленням крайок.

Математичну модель методу адаптовано до особливостей дослідження напруженого стану ультразвуковим і магнітопружним методами, що уможливило врахування неоднорідності поля напружень в досліджуваній області зварного з'єднання і тим самим підвищило точність визначення тензора напружень.

5. Досліджено вплив погонної енергії зварювання на напружений стан стиків труб діаметром 1020 мм, виконаних автоматичним способом під шаром флюсу. Розроблено рекомендації, які дають можливість зменшити залишкові напруження та підвищити довговічність зварних стикових з'єднань із кільцевим швом труб магістральних газопроводів на величину до 10 %.

6. Проведено експериментальні дослідження з діагностування зварних стиків труб магістрального газопроводу "Івацевичі-Долина ІІІ нитка" (сталь 17 Г1С, діаметр труб 1220 мм, товщина стінки 16 мм, який експлуатується із 1979 року). Залишкові кільцеві напруження в зварних з'єднаннях труб знаходилися в межах від 190 до 260 МПа. З урахуванням рівня напружень, виявлених пошкоджень у трубі та умов експлуатації її залишковий ресурс становить 8-10 років.

7. Результати експериментальних та теоретичних досліджень дисертаційної роботи вповаджено в УМГ “Львівтрансгаз”, що підвищує точність оцінки напруженого стану магістральних газопроводів та дає можливість збільшити ресурс трубних зварних стикових з'єднань в процесі їх виготовлення.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях

1. Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Розрахунково - експериментальний метод визначення напружень в оболонках // Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Динаміка, міцність та проектування машин і приладів". - Львів ДУ "Львівська політехніка".- 1999. - № 376 - С. 66 - 69.

2. Юськів В.М., Дзюбик А. Р., Назар І. Б., Березюк Т. Б. Дослідження напруженого стану магістральних трубопроводів ультразвуковим методом // Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Динаміка, міцність та проектування машин і приладів". - Львів ДУ "Львівська політехніка". - 2000. - № 396 - С. 103 - 106.

3. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Дослідження напруженого стану кільцевих швів трубних з'єднань зі сталі 17 ГС // Машинознавство. - 2000. - № 3 - С. 58 - 60.

4. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Напруження у трубах, з'єднаних зварним кільцевим швом // Фіз. - хім. механіка матеріалів. - 2000. - № 4. - С. 95 - 99.

5. Дзюбик А. Р. Визначення напруженого стану кільцевих зварних з'єднань магістральних трубопроводів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль ТДТУ ім. І. Пулюя. - 2000. - Т. 5, № 3. - С. 19 - 23.

6. Ліщинська М. В., Дзюбик А. Р., Вплив залишкових напружень на ресурс зварних стиків магістральних газопроводів // Машинознавство. - 2000. - № 9 - С. 19 - 21.

7. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Використання методу локальної контактної ТЕРС для дослідження напруженого стану металевих конструкцій // Зб. наук. пр. “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій”. - Том 1. - Випуск 2. - Львів Каменяр. - 1999. - С. 118 - 122.

8. Патент 30516 А Україна, МПК G 01 L1/20, H 01L 35/28, 35/30, 35/32. Спосіб визначення напружень в поверхневому шарі металевого виробу і пристрій для його реалізації Пат. 30516 А Україна, МПК G 01L 1/20, H 01L 35/28, 35/30, 35/32/ Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. (Україна); Заявлено 19.05.98; Опубліковано 15.11.2000, Бюлетень № 6-ІІ. - 3 с.

9. Патент 31476 А Україна, МПК H 01L 35/00. Пристрій визначення величини зміни контактної локальної термоелектрорушійної сили в поверхневому шарі металевого виробу Пат. 31476 А Україна, МПК H 01L 35/00/ Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. (Україна); Заявлено 15.09.98; Опубліковано 15.12.2000, Бюлетень № 7-ІІ. - 3 с.

10. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Дослідження залишкових напружень, які виникають при наплавленні сірого чавуну сталлю // Тези доповідей 3-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - Львів. - 1997. - С. 147 - 148.

11. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Застосування методу локальної контактної ТЕРС при дослідженні напруженого стану відновлюваних деталей // Тези доповідей І Української науково-технічної конференції “Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин та конструкцій”. - К. - 1999. - С.31.

12. Юськів В. М., Дзюбик А. Р., Назар І. Б. Застосування універсальних математичних систем для моделювання полів залишкових зварювальних напружень // Тези доповідей VII Всеукраїнської наукової конференції “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики”. - Львів. - 2000. - С.91.

13. Осадчук В. А., Дзюбик А. Р., Назар І. Б. Розрахунково - експериментальний метод визначення залишкових напружень в оболонкових зварних з'єднаннях // Тези доповідей Української наукової конференції “Математика і механіка у Львівському університеті (історія і сучасність)”. - Львів. - 1999. - С.25.

14. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Дослідження впливу параметрів зварювання на напружений стан поверхневих шарів зварних з'єднань методом ТЕРС // Праці І наукового симпозіуму “Сучасні проблеми інженерної механіки”. - Луцьк. - 2000. - С. 39.

15. Палаш В. М., Юськів В. М., Дзюбик А. Р. Mетод визначення залишкових напружень в магістральних трубопроводах // Тези доповідей Міжнародної конференції “Сварные конструкции”. - К. - 2000. - С.56.

Размещено на Allbest.ru