Анализ остаточных напряжений в трубах большого диаметра на стадии проектирования магистральных газопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ остаточных напряжений в трубах большого диаметра на стадии проектирования магистральных газопроводов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние десятилетия отечественная газовая отрасль столкнулась с проблемой разрушений магистральных газопроводов по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН).

В результате исследований многочисленных авторов установлено, что КРН подвержены все без исключения марки сталей. Качество трубных сталей (содержание неметаллических включений, механические свойства листа), а также технология изготовления труб на заводах играют существенную роль в возникновении и развитии трещин. Обширные исследования на стендах, имитирующих различные условия работы газопровода, до сих пор не смогли дать однозначное и доказуемое объяснение, опираясь только на химически обусловленный механизм развития КРН.

Наименее изученной в настоящее время причиной возникновения КРН представляется оценка локальных напряжений, действующих в трубе. Обычно в актах расследования аварий газопроводов указывают лишь рабочее давление газа в момент, предшествующий аварии. Напряжения в металле труб, возникающие при их производстве и транспортировке, прокладке газопроводов или в процессе эксплуатации, не учитывают. Проведенные исследования показали, что остаточные напряжения вносят значительные изменения в распределение напряжений в теле трубы, вызванных внутренним давлением.

Несмотря на обширные исследования причин возникновения КРН на магистральных газопроводах полного понимания природы явления до сих пор нет. Известные на сегодня результаты экспериментов, а также данные статистики отказов магистральных газопроводов по причине КРН не позволяют осуществить корректную оценку вклада факторов трубного передела в стресс-коррозионную повреждаемость труб. Очень важной задачей является разработка методов предотвращения проявления КРН на магистральных газопроводах на стадии их проектирования.

Поэтому изучение влияния технологических факторов производства труб большого диаметра на надежность газопроводов и разработка методов предотвращения и (или) снижения негативного влияния остаточных напряжений, возникающих в процессе технологического передела лист-труба, на работоспособность сварных труб представляется весьма актуальным.

Цель работы - разработать методы и технические решения по проектированию газопроводов, предотвращающие или уменьшающие негативное влияние напряжений, возникающих в трубе при ее изготовлении.

Основные задачи исследований. Поставленная цель достигается решением следующих взаимосвязанных задач:

1. Анализ технологии изготовления сварных труб большого диаметра и методов контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов.

2. Провести аналитический расчет НДС трубной катушки при ее производстве.

3. Выполнить численное моделирование НДС при технологических операциях формовки сварных труб большого диаметра.

4. Экспериментально, с использованием неразрушающих методов контроля, определить изменение НДС трубной заготовки в процессе производства трубы.

5. Разработать мероприятия по предотвращению КРН в металле стенок газопроводов на стадии подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов.

Научная новизна.

Разработана математическая модель процесса технологического передела лист-труба. На основе этой модели проведено комплексное (аналитическое и численное) исследование НДС труб для всех операций технологической цепочки производства электросварных труб большого диаметра. Оценены уровни остаточных напряжений, возникающих в трубе при ее производстве.

В результате экспериментальных исследований НДС трубы в процессе формовки установлено расположение зон с повышенным уровнем остаточных напряжений и дефектов по периметру трубы, а также определено изменение упруго-пластических свойств материала труб после каждой операции технологического процесса их производства.

Установлена взаимосвязь распределения стресс-коррозионных дефектов, обнаруженных внутритрубной дефектоскопией и в результате аварийных отказов магистральных газопроводов, и распределения остаточных напряжений по периметру трубы.

Разработаны методы проектирования магистральных газопроводов, предотвращающие и (или) снижающие негативное влияние остаточных напряжений, возникающих в процессе технологического передела лист-труба, на работоспособность сварных труб.

Практическая ценность.

1. Разработана программа численного расчета всех операций технологии производства электросварных труб большого диаметра на основе созданной математической модели процесса формовки трубы.

2. Разработана инструкция пооперационного обследования НДС и дефектности трубы в процессе ее производства. Определены параметры распределения остаточных напряжений в готовой трубе на примере одношовной трубы DN1000, изготовленной по UOE-технологии. Данная инструкция используется на ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».

3. Разработана инструкция по предотвращению КРН в металле стенок газопроводов на стадии подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов. Инструкция применяется при проектировании объектов магистрального транспорта газа в ОАО «Гипрогазцентр» и ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель процесса производства трубы большого диаметра, описывающая теоретически и экспериментально подтвержденную неравномерность напряженного состояния готовой трубы.

2. Результаты комплексного экспериментального обследования трубы в процессе технологического передела лист-труба, позволившие выявить: наличие неоднородности распределения технологических напряжений в исходном штрипсе и готовой трубе; наличие поверхностных дефектов, обусловленных влиянием формовки трубы.

3. Методика экспериментального обследования труб в процессе их производства, для прогнозирования уровня и распределения остаточных напряжений в готовой трубе.

4. Результаты комплексного анализа данных аналитического, численного и экспериментального исследований, подтверждающие совпадение зон с повышенным уровнем остаточных напряжений с областями наиболее частого проявления стресс-коррозионных трещин (по данным внутритрубной дефектоскопии и аварийных отказов магистральных газопроводов).

5. Рекомендации по предотвращению КРН в металле стенок трубопроводов на стадиях подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на четвертой и пятой Всероссийских конференциях молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (Москва, 2001, 2003 г.), 11-й Всероссийской конференции молодых ученых (Пермь, 2002 г.), 7-й Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (Н.Новгород, 2002г.), первой Международной научно-технической конференции "Развитие компьютерных комплексов моделирования, оптимизации режимов работы систем газоснабжения и их роль в диспетчерском управлении технологическими процессами в газовой отрасли" (Москва, 2002г.), Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций, посвященной памяти профессора А.И. Весницкого (Н.Новгород, 2004 г.), научно-практической конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза (Ухта, 2006 г.), итоговой научной конференции учебно-научного инновационного комплекса ННГУ «Модели, методы и программные средства», (Н.Новгород, 2007 г.).

В полном объеме диссертационная работа обсуждалась на расширенном семинаре лаборатории волновых процесов в материалах и конструкциях НФ ИМАШ РАН, на научно-технических советах ОАО «Гипрогазцентр» и ООО «Газпром трансгаз Ухта».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, 24 таблиц, 74 рисунков, списка литературы из 72 наименований и приложений общим объемом 250 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено ее содержание.

В первой главе приведен анализ причин возникновения КРН в газопроводах и обзор методов определения НДС трубопроводов. Наименее изученной в настоящее время причиной возникновения КРН представляется оценка локальных напряжений, действующих в стенке трубы.

Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) металла при формовке отражены в работах Матвеева Ю.М., Жуковского Б.Д., Чекмарева А.П., Шевакина Ю.Ф. и других. Изучению вопросов прочности и долговечности магистральных и технологических трубопроводов посвящены монографии Александрова А.Е. и Яковлева В.И., а также Анучкина М.П., Горицкого В.Н. и Мирошниченко Б.И.

Рядом авторов отмечена связь мест проявления КРН с остаточными напряжениями, возникающими при изготовлении и строительстве.

Неоднородность распределения остаточных напряжений по периметру прямошовных труб и ее связь с различной стойкостью против КРН были отмечены в работах Волгиной Н.И. и Сергеевой Т.К.

Селезнев В.Е., Алешин В.В., Прялов С.Н., проведя математическое моделирование технологической операции-экспандирования трубы, отмечают, что для объективного анализа уровня остаточного НДС труб необходимо последовательное проведение численного моделирования всех операций технологической цепочки для каждого из способов производства электросварных труб большого диаметра.

Понимая важность снижения аварийности магистральных трубопроводов из-за стресс-коррозионных разрушений, коллектив в составе руководителей трубных заводов, ученых и специалистов нефтяной и газовой промышленности (Марченкор Л.Г., Пермяков И.Л., Нуриахметов Ф.Д., Марков Д.В., Романцов И.А., Бродский М.В., Степанов П.П., Хоменко В.И., Пашков Ю.И., Харионовский В.В., Пышминцев И.Ю., Лифанов В.Я., Морозов Ю.Д.) сформулировали проблемы, решение которых обеспечит надежность и безопасность сварных высокопрочных толстостенных труб для сооружения магистральных газопроводов. Важнейшими из них являются:

- выявить причины повышенной аварийности магистральных трубопроводов из-за стресс-коррозионных разрушений, особенно в зонах сварного соединения и подгибки кромок труб в процессе технологического передела лист-труба;

- провести количественную оценку возникновения и перераспределения полей остаточных напряжений в зонах локальных пластических деформаций и анализ их влияния на КРН;

- ввести в нормативные акты критерии и методы оценки максимальной пластической деформации, не влияющей на снижение предельной работоспособности труб при высоких рабочих напряжениях;

- провести сопоставительные исследования влияния технологического передела лист-труба на работоспособность сварных труб, изготовляемых по различным технологиям.

Возникновение внутренних напряжений в конструкционном материале начинается в самом процессе его изготовления. Материал листового проката, из которого изготавливаются трубы большого диаметра, уже содержит некоторые остаточные напряжения, связанные с неравномерностью пластического деформирования и температурного режима при прокатке и последующем «отпуске» металла листов.

Следующий этап - производство труб. Для линейной части магистральных газопроводов применяют главным образом трубы большого диаметра (530-1420 мм), изготовляемые методами холодного деформирования и последующей сварки.

После окончания процесса формовки трубы в ее теле имеются остаточные напряжения, связанные с операцией упругопластического изгиба и пластического деформирования материала листа. Как показывают результаты экспериментов, распределение остаточных напряжений по периметру прямошовной (ПШ) трубы весьма неоднородное, в отличие от спиралешовной (СШ) трубы, где технологические напряжения распределены относительно равномерно по периметру кольца. Особенно эта неоднородность характерна для двухшовных труб.

Сварочные напряжения накладываются на технологические, связанные с операциями изготовления сварной трубы.

Следующим источником остаточных напряжений может быть незавершенный процесс снятия напряжения. В результате полной или частичной пластификации детали при экспандировании должно достигаться снижение напряжений.

Рассмотрим напряжения, которые появляются в эксплуатируемых трубопроводах. Самыми опасными с точки зрения увеличения коррозионного растрескивания считаются окружные (кольцевые) напряжения. Они способствуют возникновению и развитию продольных стресс-коррозионных трещин и могут складываться с технологическими и сварочными напряжениями, особенно на внешней поверхности трубы.

Для обоснованного выбора средств экспериментальных исследований выполнен обзор существующих методов и приборов для определения НДС металла трубопроводов. Описаны основные разрушающие и неразрушающие методы измерения напряжений и деформаций. При определении НДС труб в процессе изготовления и эксплуатации предпочтительным является неразрушающий контроль материала изделия.

Проанализированы как традиционные, широко используемые методы (электротензометрия, рентгеновские методы), так и сравнительно новые (ультразвуковые, магнитные). Рассмотрены основные характеристики приборов неразрушающего контроля напряжений и деформаций в реальных конструкциях. Сделан обоснованный выбор методов и приборов для экспериментального исследования изменения НДС, возникновения и развития дефектов в трубной заготовке в процессе ее изготовления.

В результате проведенного анализа методов, которые могут быть использованы при обследовании труб, выбраны для дальнейшего исследования неразрушающие методы, а именно: акустический и магнитный. Методы определения НДС должны быть дополнены методами, показывающие изменения таких параметров, как толщина и твердость. Также при обследовании должны быть использованы приборы, фиксирующие зарождение и развитие дефектов в стенке трубы.

Во второй главе исследовано изменение НДС трубной заготовки на каждой стадии передела лист-труба. Оценка уровня напряжений, возникающих на каждой операции изготовления трубы, проводилась аналитическим и численным методами.

Наибольшие упруго-пластические нагрузки испытывает зона подгибки кромок. На образование остаточных напряжений в этой зоне наибольшее влияние оказывают следующие операции: подгибка кромок, формовка в закрытом штампе и экспандирование трубы.

Разработана методика аналитического расчета напряжений и деформаций на каждой стадии передела лист-труба для участка трубы, испытывающего интенсивные деформации на операции по подгибке кромок листа.

1. Определение деформаций при подгибке кромок.

Рассмотрен случай чистого изгиба прямого штрипса при наличии пластических деформаций. Положим, что для штрипса справедлива гипотеза плоских сечений. Тогда получим, что деформации равны

, (1)

где 1/с - кривизна срединной линии изогнутого штрипса, а у - расстояние от этой линии.

Максимальная деформация определяется формулой:

, (2)

где h - ширина зоны деформирования.

2. Напряжения, соответствующие этим деформациям, определяем по диаграмме деформирования.

3. Определение момента разгрузки.

Изгибающий момент в сечении штрипса определяется выражением:

(3)

или, учитывая симметрию штрипса:

, (4)

где b - длина штрипса.

Разбивая интеграл на части по зонам деформирования, после интегрирования (с учетом схематизации зависимости s-e двумя линейными участками) получим:

,(5)

где Е₀- модуль Юнга; Е₁- модуль упрочнения; y_Т - расстояние от нейтральной оси до зоны с пластическими деформациями; - предел текучести.

4. Определение напряжений (), которые останутся в теле заготовки после окончания операции (снятия нагрузки).

Остаточные напряжения оценим по формуле:

, (6)

где s_Ф - фактические напряжения с учетом упрочнения материала (определенные по диаграмме деформирования);

- изгибные напряжения, которые были бы в теле заготовки в предположении об идеальной упругости материала;

W- момент сопротивления деформируемого листа (заготовки).

.(7)

5. Изменение НДС в зоне подгибки кромок при экспандировании трубы.

Остаточные напряжения определяются как разница напряжений, получаемых при нагрузке и разгрузке.

Напряжения разгрузки определяются по формуле для расчета напряжений от внешнего давления, которое необходимо приложить к трубе для компенсации внутреннего давления:

,(8)

где р - величина давления экспандирования.

Кольцевые напряжения для трубы, нагруженной внутренним давлением в упруго-пластическом состоянии, определяются по следующей формуле:

,(9)

где - параметр упрочнения; - предел текучести; r -радиус, на котором рассматриваются напряжения; r_Т - радиус, на котором напряжения достигают предела текучести; r₁ - внутренний радиус трубы; r₂ - наружный радиус трубы.

, (10)

где у_В - временное сопротивление, МПа; у_Т - условный предел текучести, МПа; е_В - деформация, соответствующая временному сопротивлению; е_0,2 - деформация, соответствующая условному пределу текучести.

Напряжения с учетом остаточных напряжений, которые образовались на предыдущих стадиях формовки трубы после экспандирования, будут равны:

, (11)

где у_t - кольцевые напряжения для трубы, нагруженной внутренним давлением в упруго-пластическом состоянии без учета остаточных напряжений; - остаточные напряжения в теле трубы перед экспандированием.

Проведены численные расчеты изменения НДС трубной катушки в процессе ее производства (на примере изготовления трубы DN 1000 мм) с помощью математического моделирования с привлечением программных комплексов, реализующих конечноэлементный анализ. Наружный диаметр трубы равен 1020 мм, толщина стенки 14 мм, длина формуемого листа 11000 мм, материал листа - сталь 10Г2ФБЮ.

В расчетах использован программный комплекс ANSYS. Он может быть использован для моделирования операций листовой штамповки со сложным движением деформирующих инструментов.

Моделирование процесса формовки трубы осуществлялось в следующей последовательности:

1.Подгибка кромок.

2.Снятие нагрузки - пружинение.

3.Формовка заготовки в открытом штампе в U-образную заготовку.

4.Снятие нагрузки - пружинение.

5.Формовка заготовки в закрытом штампе в О-образную заготовку.

6.Снятие нагрузки - пружинение.

8.Нагрузка внутренним давлением до предела текучести - экспандирование.

9.Снятие нагрузки.

По результатам расчетов после изготовления трубы в ее теле имеются зоны с различным уровнем остаточных напряжений. Напряжения изменяются от 50 до 100 МПа. Особенно протяженная зона с остаточными напряжениями наблюдается в области интенсивной деформации при подгибке кромок (с ориентацией на 30 минутч2 часа по условному часовому разбиению). Далее такие зоны чередуются с зонами относительно небольших напряжений (порядка 5 МПа).

На основании проведенных численных расчетов можно сделать вывод о том, что возникающие в процессе производства остаточные напряжения являются, по крайней мере, одним из факторов, влияющих на НДС действующего трубопровода.

В процессе аналитических и численных исследований:

- проанализирована связь НДС с различными режимными параметрами формовки листового металла в трубу;

- установлено влияние операций формовки на образование зон с повышенным уровнем остаточных напряжений, найдено их местоположение по периметру трубы.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса формовки трубной заготовки и проанализировано изменение НДС трубы после операций по ее изготовлению: в исходном листе, после подгибки кромок, после формовки в закрытом штампе и сварки, после экспандирования готовой трубы.

На первом этапе исследования исходного состояния листа были выполнены:

- замеры поверхностной твердости прибором ТЭМП-2;

- регистрация зон НДС прибором ИМНМ-1М и прибором ИН-5101А;

- контроль дефектности (приборы ЭМИТ-1М, МВД-2МК, ВК-1);

- измерения толщины стенки ультразвуковым толщиномером Panametrics 26 MG.

На рис. 1 приведено распределение параметра акустической анизотропии, представляющего собой относительную разницу скоростей сдвиговых волн, поляризованных поперек и вдоль направления прокатки по ширине листа. Этот параметр должен монотонно возрастать при увеличении величины пластической деформации в направлении проката.

Рис. 1. Параметр акустической анизотропии a0

Акустические исследования штрипса, поставляемого для изготовления труб, показывают, что величина его пластической деформации довольно высока. Этот фактор неблагоприятен для дальнейшей обработки и эксплуатации материала. Величина акустической анизотропии резко возрастает (на 50 %) к краям листа на расстоянии всего около 100 мм. Это тоже неблагоприятный фактор - резкая неоднородность пластических свойств в районе будущего сварного шва и линии подгибки кромок. Проведенная по линиям разметки дефектоскопия не выявила дефектов.

На основании измерений твердости и напряженности магнитного поля сделан вывод о том, что поверхность листа не имеет зон с повышенной концентрацией напряжений.

Второй этап исследований заключался в изучении напряженно - деформированного состояния листа после подгибки кромок и НДС трубной катушки после сварки контрольного листа.

На втором этапе исследования проведены все виды работ, что и на первом этапе, дополнительно проведены: оценка НДС прибором Комплекс-2.05; контроль геометрии по всему периметру контрольной трубы; капиллярная дефектоскопия с фотографированием дефектов.

Для трубной катушки после сварки проведены следующие исследования: замеры поверхностной твердости; оценка НДС магнитными приборами ИМНМ-1М и Комплекс-2.05, ультразвуковым прибором ИН-5101А; контроль дефектности (приборы ЭМИТ-1М, МВД-2МК, ВК-1); контроль толщины стенки; контроль геометрии по всей поверхности.

Результаты акустических измерений в штрипсе после подгибки кромок показывают, что эта операция влияет на НДС всего листа, а не только области подгибки. Кривая акустической анизотропии «распрямляется» и становится более пологой. В отличие от штрипса акустическая анизотропия стала не симметричной. Очевидно, что для дальнейшей обработки симметрия (по ширине) упруго-пластических свойств заготовки приведет к большей однородности аналогичных свойств трубы.

Исследования трубной катушки после сварки показали следующее:

-неоднородный характер распределения толщины штрипса объясняется интенсивным процессом пластического деформирования и неоднородностью распределения пластической деформации как по ширине, так и по длине листа;

-зоны концентрации напряжений, регистрируемые приборами Комплекс-2.05 и ИМНМ-1М, имеют похожее расположение, что соответствует существенной концентрации напряжений в зоне до 300 мм от сварного шва. Также имеются отдельные зоны концентрации напряжений и на расстоянии 500 мм, 1070 мм, 1335 мм.

Оценка НДС прибором Комплекс-2.05 показала существенно неравномерное распределение остаточных напряжений по периметру трубы (см. рис. 2).

Рис. 2 Распределение концентрации напряжений на прямошовной одношовной трубе 1020Ч14 мм до экспандирования. Шаг измерения - 20Ч20 мм. Ноль по оси абсцисс совпадает со сварным швом.

График распределения величины акустической анизотропии по периметру трубы представлен на рис. 3.

В зоне, расположенной по обе стороны от сварного шва на расстоянии от 20 до 30 мм, дефектоскопы регистрируют поверхностные микротрещины глубиной до 0,5 мм. На расстоянии порядка 2700 мм от торца контрольной трубы и 5 ч 30 (1400 мм) обнаружена сетка поверхностных дефектов.

На третьем этапе обследована контрольная труба после гидроиспытания и экспандирования.



Рис. 3. Распределение акустической анизотропии по периметру трубы.

Для контрольной трубы проведены замеры поверхностной твердости, толщины стенки, оценка НДС прибором ИМНМ-1М и контроль дефектности трубы приборами ЭМИТ-1М, МВД-2МК, ВК-1, а также капиллярная дефектоскопия.

Подтвердились найденные на втором этапе исследований поверхностные аномалии («дефекты») в зонах, расположенных по обе стороны от сварного шва на расстоянии от 20 до 30 мм и зоны с сеткой поверхностных дефектов на расстоянии 2800 мм от торца трубы и на 5 часов 30 минут от сварного шва. Размеры и глубина указанных аномалий не изменились после гидроиспытаний. Кроме этого, на расстоянии 4200 мм от торца и на 5 часов от сварного шва обнаружена еще одна зона с сеткой поверхностных дефектов глубиной до 1,2 мм (см. рис. 4).

В процессе гидроиспытаний остаточные напряжения выравниваются, что видно при сравнении результатов измерений напряженности магнитного поля прибором ИМНМ-1М на втором и третьем этапах.



Рис. 4. Расположение зон с сетками поверхностных дефектов на поверхности контрольной трубы

Зафиксировано изменение средней толщины контрольной трубы на каждом этапе исследований и после обжатия листа по периметру. При штамповке в закрытом О-образном штампе средняя толщина листа увеличивается, после гидроиспытаний и экспандирования трубы - уменьшается, что связано с раздачей трубы при указанных операциях.

В главе 4 представлен сравнительный анализ результатов аналитического, численного и экспериментального исследования НДС прямошовной трубы.

В табл. 1 приведено сопоставление результатов аналитического и численного расчетов в зоне подгибки кромки.

Таблица 1 Результаты аналитического и численного моделирования НДС труб в процессе их производства

Операция	Результаты аналитического исследования	Результаты численного исследования
	Напряжения, МПа	Деформации, %	Эквивалентные напряжения, МПа	Эквивалентные деформации, %
1	2	3	4	5
Подгибка кромок	460	1,86	445	1,0ч2,2
Отвод инструмента	242	1,13	129	0,9ч2,1
U-образная формовка	242	1,13	129	0,9ч2,1
Отвод инструмента	242	1,13	129	0,9ч2,1
О-образная формовка	442	1,37	495	0,9ч3,0
Экспандирование (калибровка)	524	2,6	388ч484	0,7ч3,0
Готовая труба	46	2,08	50-100	2,0

Сравнение результатов аналитической и численной оценок изменения НДС трубной заготовки показывает близкие значения уровня НДС в рассматриваемых зонах.

В трубе, аналогичной исследуемой, напряжения от внутреннего давления при эксплуатации составят 190 МПа. Рассчитанные аналитически остаточные напряжения в зоне подгибки кромок составят 24% от кольцевых, а полученные численным моделированием будут находиться в диапазоне от 26% до 52% от кольцевых напряжений. Этот результат доказывает существенную неравномерность остаточных напряжений и показывает необходимость учета этих напряжений при оценке прочности и надежности трубопроводов.

Напряжения от проектного рабочего давления, суммируясь с остаточными напряжениями, могут привести к началу пластического течения материала в определенных зонах трубной поверхности. Это обстоятельство может оказаться достаточным для преодоления порогового уровня и начала развития трещин КРН от внешне незначительных по размеру поверхностных дефектов

При формовке тело трубы в зонах интенсивной деформации испытывает напряжения, превышающие предел текучести материала и близкие к пределу прочности. С учетом неоднородности структуры металла и включений в тело трубы могут сложиться условия для зарождения микродефектов. Зоны с повышенным уровнем остаточных напряжений образуются вследствие интенсивной упруго-пластической деформации заготовки в процессе формовки трубы и имеют достаточно определенную привязку по периметру относительно сварного шва.

В результате всего процесса изготовления прямошовной сварной трубы DN1000 UOE-технологией на ее поверхности образуются зоны остаточных напряжений с уровнем до 100 МПа и расположенные на 1час, 2 часа, 3 часа, 4 часа 30 минут и 6 часов от сварного шва по условной часовой ориентации. Эти зоны фиксируются приборами при обследовании труб.

Также экспериментальные исследования изменения НДС трубной заготовки в процессе изготовления трубы показывают, что в зонах с повышенным уровнем напряжений, выявленных в результате расчетов, фиксируются существенные изменения параметров акустической анизотропии. Величина акустической анизотропии, регистрируемой прибором ИН-5101А, в исследованном штрипсе весьма высокая. Это фактор неблагоприятный для дальнейшей обработки и эксплуатации материала. Известно, что высокая степень текстурированности материала, связанная с большим уровнем его анизотропии, приводит к растрескиванию при штамповке. Очевидно, что такие явления могут произойти и при формовке, также характеризующейся высокими «ударными» нагрузками. В процессе формовки неоднородность анизотропии материала несколько уменьшается, по-видимому, из-за того, что пластическая деформация происходит в направлении поперек проката.

Также в указанных зонах наблюдаются повышенные значения коэффициента концентрации напряжений (определенные прибором Комплекс-2.05), магнитные аномалии (прибором ИМНМ-1М), свидетельствующие о концентрации напряжений, и поверхностные микродефекты, обнаруженные дефектоскопами.

Все это говорит о существенном влиянии технологии изготовления трубы на распределение и уровень НДС готовой трубы, поставляемой с завода-изготовителя для строительства объектов магистрального транспорта газа. В результате акустических измерений прибором ИН-5101А видно, что акустические свойства металла в центре и с краю штрипса весьма различны. При исследовании связи акустических и механических свойств металла листа были проведены металлографические исследования, механические испытания и анализ химического состава образцов.

Результаты механических испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты механических испытаний штрипса

Плавка	Партия	Лист	№ образца	Растяжение
				в	т	5	т/в
				кгс/мм2	кгс/мм2	%	%
ТУ 14-1-4627-96		Мин	60	49	22
			Макс	70	59		0,9
143650	31200	31626	Сертификат производителя	60	50	23	0,83
		31627	Сертификат производителя	62	51	25	0,82
143650	31200	31599	1 -край листа	62	59	23	0,95
			3-центр листа	63	58	24	0,92
			5-край листа	64	57	21	0,89

Данные таблицы показывают, что для образцов 1 и 3 отношение предела текучести к пределу пластичности превышает регламентируемую техническими условиями норму, в основном не за счет уменьшения предела прочности, а за счет сужения диапазона нагрузок, допускающих пластическое течение материала. Материал исследованного штрипса более хрупкий, чем полагается по ТУ и указано в сертификате на листы данной партии. Это может привести к возможности хрупкого разрушения проблемных областей листа при формовке. В готовой трубе после формовки и сварки методами цветовой дефектоскопии обнаружены поверхностные дефекты в зоне напротив сварного шва, то есть по периметру в месте вырезки образца 3. При анализе статистических данных аварий по признаку стресс-коррозии предпочтительные места образования колоний стресс-коррозионных трещин связаны с остаточными напряжениями, происхождение которых объясняется неблагоприятными условиями формовки ПШ-труб. Данные внутритрубной диагностики, проведенной специалистами ЗАО ПО «Спецнефтегаз» и НПО «Спектр», подтверждают связь зон остаточных напряжений, которые возникают в процессе производства труб, с наличием стресс-коррозионных дефектов в действующем трубопроводе (табл. 3).

Таблица 3 Расположение очаговых стресс-коррозионных дефектов по периметру трубы (относительно продольного сварного шва)

Характеристика расположения дефектов	Расстояние от линии сплавления продольного сварного шва, мм	Число дефектов на трубах различного производства	Группо-вая частота
		ХТЗ	Импорт-ных	Всего
По линии сплавления продольного шва с основным металлом	0	7	1	8	0,186
По линии сплавления продольного сварного шва с основным металлом и по основному металлу	0-100	3	0	3	0,065
По основному металлу	0-100	7	0	7	0,163
По основному металлу	100-200	10	1	11	0,256
По основному металлу	200-300	1	1	2	0,047
По основному металлу	300-400	1	0	1	0,023
По основному металлу	400-500	0	0	0	0
По основному металлу	500-600	0	2	2	0,047
По основному металлу	600-700	4	0	4	0,093
По основному металлу	700-800	0	1	1	0,023
По основному металлу	800-900	0	0	0	0
По основному металлу	900-1000	0	0	0	0
По основному металлу	1000-1100	2	1	3	0,07
По основному металлу	>1100	0	1	1	0,023
Все дефекты в пределах ука-занного расстояния от шва	0-100	17	1	18	0,419
Все дефекты в пределах ука-занного расстояния от шва	0-250	29	1	30	0,698

Как показал проведенный на основе данных внутритрубной дефектоскопии статистический анализ, продольные дефекты преимущественно располагаются вблизи продольных сварных швов и зоны подгибки кромок при изготовлении листа. Для двухшовных труб характерна дополнительная зона, расположенная посередине между швами. Эти закономерности, вероятно, связаны с технологическими процессами производства труб, определяющими напряженно-деформированное и микроструктурное состояние металла.

Аналитические и численные расчеты напряжений, выполненные в процессе сквозного моделирования технологического процесса производства прямошовных труб большого диаметра, подтвердили наличие зон повышенных деформаций и напряжений. Они совпадают с обнаруженными методом внутритрубной дефектоскопии стресс-коррозионными дефектами на эксплуатируемых газопроводах. Наличие неравномерного распределения остаточных напряжений по периметру трубы провоцирует процесс развития КРН.

Чтобы уменьшить негативное влияние остаточных напряжений на проявление коррозионного растрескивания под напряжением, необходимо решить следующие задачи:

1. Снизить уровень остаточных напряжений в штрипсе путем его дополнительной обработки или выбрать для производства труб листы с более равномерным их распределением по листу.

2. Изменить технологию производства труб с целью снижения уровня остаточных напряжений в готовой трубе.

3. Снизить уровень остаточных напряжений в готовой трубе путем ее дополнительной обработки.

4. При проектировании и эксплуатации газопроводов разработать и реализовать специальные мероприятия, снижающие возможность зарождения и роста стресс-коррозионных трещин.

Для решения поставленных задач:

Разработана инструкция пооперационного обследования НДС и дефектности трубы в процессе ее производства. Определены уровни и параметры распределения остаточных напряжений в готовой трубе на примере одношовной трубы DN1000, изготовленной по UOE-технологии. Данная инструкция используется на ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».

Разработана инструкция по предотвращению КРН в металле стенок газопроводов на стадии подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов. Инструкция применяется при проектировании объектов магистрального транспорта газа в ОАО «Гипрогазцентр» и ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

труба сварочный напряженный газопровод

1. Исследованы особенности технологии производства сварных труб большого диаметра. В результате обобщения мирового и отечественного опыта определены причины возникновения КРН, а именно: неравномерность распределения остаточных напряжений в трубах, обусловленная технологией передела лист-труба.

2. Разработаны математические модели для аналитического и численного расчета изменения НДС трубы в процессе ее производства. Методика численного моделирования формовки трубы в процессе производства реализована в виде подпрограммы для вычислительного комплекса ANSYS.

3. Проведены аналитические и численные расчеты НДС трубы в процессе ее производства. Выявлена неравномерность распределения напряжений по периметру трубы. Сравнение результатов аналитической и численной оценок изменения НДС трубной заготовки в зоне подгибки кромок показывает близкие значения уровня напряжений и деформаций на всех стадиях формовки. При формовке металл трубы в зонах интенсивной деформации испытывает напряжения, превышающие предел текучести материала и близкие к пределу прочности, в результате чего могут сложиться условия для зарождения микродефектов.

4. Разработана методика определения экспериментальными методами зон с остаточными технологическими напряжениями и деформациями в процессе производства электросварных труб большого диаметра. Данная методика используется на ЗАО НПСК «Металлостройконструкция» при входном контроле и производстве трубных узлов.

5. Проведено комплексное экспериментальное исследование трубы от заготовки до выхода с завода, которое позволило выявить зоны повышенных напряжений, а также следующие эффекты: наличие неоднородности распределения технологических напряжений в исходном штрипсе, наличие поверхностных дефектов, обусловленных влиянием формовки трубы.

6. Проведенные аналитические и численные расчеты, а также экспериментальные исследования НДС трубы в процессе ее производства, позволили сделать вывод о существенном влиянии технологии изготовления на распределение и уровень НДС готовой трубы, поставляемой с завода-изготовителя для строительства объектов магистрального транспорта газа.

7. Выполнен анализ возможных способов снижения влияния остаточных технологических напряжений на стресс-коррозию магистральных газопроводов. Разработана инструкция по предотвращению КРН в металле стенок газопроводов на стадии подготовки проектов строительства и реконструкции магистральных газопроводов. Инструкция применяется при проектировании объектов магистрального транспорта газа в ОАО «Гипрогазцентр» и ЗАО НПСК «Металлостройконструкция».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

труба сварочный напряженный газопровод

Репин Д.Г., Наместников Г.И., Свердлик Ю.М. Расчетно-методическое обоснование обеспечения прочности и определение НДС технологических трубопроводов. / Тез. докл. научно-практической конференции, посвященной 30-летию предприятия "Севергазпром". Ухта. 1998. С. 151-153.

Репин Д.Г., Наместников Г.И., Свердлик Ю.М. Сравнительный анализ программ расчетов трубопроводных систем на статическую прочность / Научно-практический сборник, посвященный 30-летию ДОАО "Гипрогазцентр". Н.Новгород: ДОАО «Гипрогазцентр». 1999. С. 62-66.

Никитина Н.Е., Репин Д.Г. О необходимости учета и контроля НДС материалов трубопровода при изучении причин трещинообразования при эксплуатации // Моделирование динамических систем / Сб. научн. трудов. Н.Новгород: "Интелсервис". 2002. С. 40-44.

Лисин В.Н., Никитина Н.Е., Репин Д.Г. Повышение надежности работы труб большого диаметра путем их виброобработки // Испытание материалов и конструкций / Сб. научн. трудов. Н.Новгород. Интелсервис. 2002. С.9-12.

Репин Д.Г. Математическое моделирование процесса формовки сварных труб большого диаметра // Математическое моделирование в естественных науках / Тез. докл. 11 Всероссийской конф-и молодых ученых. Пермь: ПГТУ. 2002. C.20-23

Репин Д.Г., Лисин В.Н., Наместников Г.И. Влияние остаточных напряжений в сварных трубах большого диаметра на их работоспособность / Тез. Докл. 7-й Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). Н.Новгород. Нижегородский гуманитарный центр. 2002. С.17-18.

Пужайло А.Ф., Федотов М.Б., Репин Д.Г., Свердлик Ю.М. Методические и проектные решения ДОАО "Гипрогазцентр" при исследовании оценки технического состояния магистральных газопроводов в зоне действия оползня на правом берегу р. Волга (ООО "Волготрансгаз") // Материалы заседания секции "Техническое обслуживание и ремонт газопроводов" НТС ОАО "Газпром"(г. Волгоград. 22-23 мая 2002г.) Том 2 Москва: ИРЦ Газпром 2002. С.58-63.

Пужайло А.Ф., Комиссаров О.А., Наместников Г.И., Репин Д.Г., Комаров М.В., Герке В.Г. Расчетно-технологические паспорта магистральных газопроводов / Газовая промышленность. 2003, №8. С.70-71.

Репин Д.Г., Борзенко Ю.О., Комиссаров О.А., Наместников Г.И., Комаров М.В. Автоматизация процесса разработки проектов реконструкции и развития ГТС / Газовая промышленность. 2003, №11. С.76-79.

Никитина Н.Е., Репин Д.Г. Расчет остаточных напряжений, возникающих при изготовлении труб большого диаметра // Прикладная механика и технологии машиностроения / Сб. научн. трудов. Вып. 2 (6). Н. Новгород: «Интелсервис». 2003. С.152-157.

Лисин В.Н., Репин Д.Г., Свердлик Ю.М., Спиридович Е.А. Методологические подходы к определению влияния технологии производства труб на проявление коррозионного растрескивания под напряжением / Материалы конференции, посвященной 45-летию СеверНИПИгаза. Ухта: СеверНИПИгаз, 2006. С. 202-211.

Свердлик Ю.М., Репин Д.Г., Спиридович Е.А. Опыт ОАО «Гипрогазцентр» в области прогнозирования сроков безопасной эксплуатации объектов транспорта газа на стадии проектирования // Прикладная механика и технологии машиностроения / Сборник научных трудов №2 (11), г.Н. Новгород, 2007. С.73-90.

Репин Д.Г., Никитина Н.Е., Лисин В.Н. Математическое моделирование изменения НДС труб большого диаметра при формовке // Итоговая научная конференция учебно-научного инновационного комплекса, г.Н.Новгород, 2007. С.334-336.

Репин Д.Г., Лисин В.Н., Спиридович Е.А., Никитина Н.Е. Влияние технологии изготовления труб большого диаметра на возможность их КРН / Газовая промышленность. 2008, № 3. С.66-69.

Спиридович Е.А., Пужайло А.Ф., Свердлик Ю.М, Репин Д.Г. Определение времени проведения повторного диагностического обследования газопровода / Газовая промышленность. 2008, № 7. С.74-75.

Размещено на Allbest.ru