библиотека нефтяника / Безопасность нефтепроводов / 6

6

ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ

Представленные в настоящей работе методы расчета напряжений, прочности и ресурса, а также методы ремонта были проверены экспериментально под руководством и при непосредственном участии авторов. В организации и выполнении всех экспериментов также принимали участие Р.Г. Ишмуратов, М.С. Салихов, И.К. Гумеров и сотрудники ИПТЭР и СУПЛАВ ОАО «Уралсибнефтепровод».

6.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОВ И СВАРНЫХ ШВОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ

НЕФТЕПРОВОДОВ

При длительной эксплуатации магистральных нефтепроводов происходит изменение механических свойств металла труб и сварных швов (см. разделы 2.1 и 2.4). Определить изменились ли эти свойства практически невозможно из-за того, что нет точной информации об этих свойствах в исходном состоянии труб. Существуют сертификаты на поставленные трубы. Но, как показывает анализ, имеется значительный разброс свойств в исходном состоянии. Например, в табл. 6.1−6.3 приведены результаты статистического анализа некоторых сертификатных данных труб нефтепроводов УБКУА и Александровское − Анжеро-Судженск (ААС).

Видно, что разброс сертификатных параметров труб сопоставим с изменениями механических свойств металла труб и сварных швов в результате длительной эксплуатации. Поэтому, случайно отобрав для испытаний катушки труб из

264

Таблица 6.1

Сертификатные значения механических характеристик труб нефтепровода УБКУА

265

нефтепровода, можно в несколько раз ошибиться в определении степени старения металла труб и сварных швов.

В настоящее время методики оценки остаточного ресурса труб по результатам исследований механических свойств металла труб на стандартных образцах недостаточно разработаны. В связи с этим в данной работе сделана попытка разработать методику оценки остаточного ресурса труб на основе испытаний С-образных образцов, представляющих собой полукольца определенной ширины b, вырезанные из трубы диаметром D и толщиной стенки δ (рис. 6.1, а). Схема испытаний образцов на остаточный ресурс показан на рис. 6.1, б. Для этого использовали механизм, создающий возвратнопоступательное движение с регулируемой амплитудой. При испытаниях один конец полукольцевого образца (точка А) шарнирно закреплялся. Другой конец образца (точка В1 или В2) совершал колебательное движение в горизонтальном направлении с заданной амплитудой d.

К параметрам испытаний относятся следующие величины: амплитуда перемещения точки d; установленное базовое количество циклов N; сила (усилие), развиваемая при испытаниях Q.

Наибольший интерес вызывает исследование ресурса образцов со сварными швами при различных сочетаниях с дефектами по отношению к ресурсу образцов без дефектов. Ресурс бездефектных образцов из основного металла без сварных швов можно взять за условный эталон (базу сравнения).

Для изготовления образцов использовали катушку (часть трубы), вырезанную из нефтепровода УБКУА при ремонтных работах. Нефтепровод построен и принят в эксплуатацию в 1973 г. При этом использованы трубы размером 1220×12 мм

Рис. 6.1. Общий вид С-образных образцов (a ) и схема испытаний (б)

266

Таблица 6.4

Результаты испытаний на растяжение основного металла

производства ЧТПЗ. Сталь марки 17Г1С. Нормативные ха-

Для определения фактических механических свойств металла в настоящий момент (после 26 лет эксплуатации) были проведены испытания образцов на растяжение по ГОСТ

1497−84 (табл. 6.4).

Из полученных данных видно, что произошло снижение относительного удлинения (запаса пластичности) основного металла приблизительно на 16 %, а пределы текучести и прочности остались практически на исходном уровне.

При выборе амплитуды перемещений при испытаниях С- образных образцов исходили из эквивалентности напряжений на трубопроводе и образцах.

Напряжения на С-образных образцах определяли методом тензометрирования и расчетным методом конечных элементов. Расчетный метод позволяет варьировать всеми характеристиками металла и образцов, а также параметрами нагружения в широких диапазонах.

При тензометрировании использовали пленочные тензорезисторы 2ПКП-10-100В, которые были наклеены клеем «Циакрин ЭО» на поверхность образца после соответствующей обработки. Схема наклейки тензорезисторов и расположение сварного шва показаны на рис. 6.2. Тензорезисторы наклеивали на внешнюю и внутреннюю поверхности С-образного образца. Тензорезисторы 7 и 8 смещены друг от друга на 70 мм, остальные пары наклеены один под другим. Измерения производили на тензометрическом приборе ИДЦ-1.

267

Рис. 6.2. Схема наклейки тензорезисторов (1–8 ) на С-образный образец

Измерение деформаций на С-образном образце проводили в следующей последовательности:

наклейка тензорезисторов на образец в ненагруженном состоянии;

установка образцав испытательный механизм без нагрузки; перемещение подвижного крепления образца последовательно от нейтрального положения на разные расстояния

сначала в одну сторону, а затем в другую.

После каждого измерения в нагруженном состоянии образец перемещался в нейтральное положение с контролем показаний тензометров во всех промежуточных положениях, в которых проводились измерения. Это позволило проверить состояние наклеенных тензорезисторов. В табл. 6.5 приведены показания тензометрического прибора на всех измеренных положениях образца. Положительное перемещение соответствует растяжению, отрицательное – сжатию образца.

Относительная деформация ε определяется по формуле

ε = 2 (εí − ε0 )10−6 ,

K

где K − коэффициент чувствительности тензорезисторов (для данной серии тензорезисторов K = 1,98); εн – показания при-

268

бора при нагруженном образце; ε0 − показания прибора при ненагруженном образце.

Измеренные относительные деформации приведены в табл. 6.6.

Линейные напряжения σ определяли с использованием диаграммы деформирования металла, которая показана на рис. 6.3. В области упругих деформаций можно использовать формулу σ = Eε, где E = 206 000 МПа − модуль упругости стали. Измеренные напряжения показаны в табл. 6.7.

Рис. 6.3. Диаграмма деформирования металла трубы (УБКУА, сталь марки

17Г1С, размер 1220×12 мм)

Для проверки полученных экспериментальных результатов провели расчеты напряженно-деформированного состояния С-образных образцов при различных нагружениях. Расчетная программа основана на методе конечных элементов. На рис. 6.4 приведены расчетные значения деформаций в С-образном образце (толщиной 11,5 мм, шириной 60 мм, длиной по наружной поверхности 1850 мм) при различных значениях растяжения и сжатия образца.

На графиках по горизонтали отложены расстояния х от вершины образца (в одну сторону со знаком минус, а в другую − со знаком плюс), а по вертикали − значения напряжений σ. Каждый из графиков соответствует сжатию или растяжению образца на определенную величину d. Точки соответствуют результатам тензометрирования.

На рис. 6.5 приведены зависимости деформаций ε и напряжений σ на вершине образца, а также усилия Q от значения сжатия – растяжения d. По этой зависимости можно выбирать режимы испытаний С-образных образцов на остаточный ресурс.

Проектное рабочее давление нефтепровода УБКУА на

Рис. 6.4. Распределение напряжений на поверхности С-образного образца при сжатии-растяжении на различные значения d (сплошные линии соответствуют решению методом конечных элементов, точки – результатам тензометрирования)

Рис. 6.5. Зависимость напряжений и деформаций в вершине С-образного образца от параметров нагружения

Примечание. Среднее количество циклов до разрушения 26 341.

При испытаниях трубопровода и в моменты переключения режимов давление может превышать на 25 %. С учетом этого выберем напряжения испытаний 305 МПа.

Из графиков (см. рис. 6.5) находим, что напряжениям

± 305 МПа соответствуют следующие параметры нагружения: амплитуда перемещения d = 143 мм, усилие Q = −680÷ + 800 кН.

Были проведены испытания С-образных образцов с различным расположением сварного шва относительно середины образца и разными дефектами коррозии. Характеристики образцов и результаты испытаний их на остаточный ресурс приведены в табл. 6.8−6.11.

Испытания проводили до момента разрушения образцов. Испытательный стенд в процессе работы, вид испытанных образцов, вид излома показаны на рис. 6.6. Топография дефектов на некоторых образцах (№ 8, 9, 10) показана на рис. 6.7.

Таблица 6.9

Образцы с коррозионными дефектами в зоне сварного шва

Таблица 6.10

Образцы с коррозионными дефектами, сварной шов смещен от вершины

В процессе испытаний наблюдали следующее:

при испытании образцы бездефектные не нагревались (тепло рукой не ощущалось). Локализации деформации не происходило;

Таблица 6.11

Образцы без сварных швов и бездефектные