Безопасность механически неоднородных элементов конструкций нефтегазового комплекса

Задачи, стоящие в нефтегазовой и нефтехимической отраслях производства, выдвигают жесткие и противоречивые требования к применяемым техническим устройствам. Они должны сохранять прочность и работоспособность в условиях одновременного действия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур, обладать достаточной долговечностью в условиях нестационарных и циклических режимов. Учитывая, что эти производства связаны с опасными продуктами, а разрушения оборудования или отдельных элементов могут вызвать пожары, взрывы и отравления работающего персонала, а также ущерб окружающей среде, все применяемые технические средства должны обеспечивать высокую степень надёжности и безопасности.

Решение указанных задач требует постоянного совершенствования технических устройств, что невозможно без использования новых конструкционных материалов. Поскольку ни один материал в отдельности не может удовлетворять всем выдвигаемым требованиям одновременно, при изготовлении современного оборудования всё чаще используют различные материалы и их сочетания, постоянно расширяя ассортимент. Это одновременно требует развития сварочных технологий. В настоящее время технически возможно получать бездефектные соединения практически любых пар материалов за счёт применения специальных технологий (сварка дуговая в защитных средах, лазерная, электронно-лучевая, диффузионная, трением, пайка, склеивание и т. д.) [4, 36, 37, 45, 47, 48, 54, 76, 78]. Дальнейшее совершенствование технологий соединения разнородных материалов происходит в направлении повышения качественных показателей и эффективности производства.

С расширением разнообразия конструкционных материалов на передний план выходят также проблемы обеспечения прочности их соединений. Очевидно, что прочность элементов конструкций из разнородных материалов зависит от прочности применяемых материалов и их соединений (стыков). Однако, как оказалось, на прочность соединения влияют ещё, как минимум, два фактора: соотношение механических характеристик использованных материалов и конструктивные особенности самих стыков (форма, углы, протяжённость, другие размеры). На эти особенности впервые было обращено пристальное внимание в связи с необходимостью сварки высокопрочных сталей для изготовления специальных толстостенных аппаратов. Наиболее удачным решением оказалась сварка мягкими электродами, что позволило избежать образования сварочных трещин при остывании швов. При этом за счёт подбора толщины мягкой прослойки удалось добиться рав-нопрочности соединения с основным высокопрочным металлом [6−12, 101].

Дальнейшие исследования показали универсальность явлений контактного упрочнения мягких материалов и разупрочнения твердых. Причём, эти явления проявляются практически при всех видах воздействия (растяжение, сжатие, изгиб, циклические нагрузки, вибрация, коррозия) за исключением сдвига параллельно плоскости контакта. Явление состоит в том, что при высоких нагрузках мягкий металл шва раньше других участков вступает в состояние пластического деформирования. Но с развитием местных пластических деформаций «включается» механизм контактного упрочнения, что тормозит дальнейшее протекание пластических деформаций в мягком металле шва вплоть до достижения предела текучести основного твердого металла. В таких соединениях под механической неоднородностью понималось различие металла шва от основного металла по пределу текучести сгх.

С дальнейшим совершенствованием технических средств всё больше стали применяться сварные соединения различных марок сталей и сплавов, в том числе легированных и высоколегированных. В них наряду с неоднородностью по пределу текучести заметнее стала проявляться неоднородность по коэффициентам теплового расширения Ор. Это усилило влияние неоднородности свойств материалов и соединения на напряженное состояние и прочность [16, 17, 49, 58]. Причём, определённый уровень напряженности остается даже при полном отсутствии нагрузки (остаточные напряжения). Поэтому в таких соединениях под механической неоднородностью следует понимать различие участков соединения не только по пределу текучести, но и по коэффициенту теплового расширения. По результатам ряда исследований, одним из способов управления концентрацией напряжений является подбор форм стыков. Это показало актуальность более подробного изучения эффектов, связанных с механической неоднородностью.

Дальнейшее развитие теории прочности неоднородных соединений связано с расширением разнообразия применяемых конструкционных материалов. При этом на передний план вышли параметры механических свойств, описывающие состояние материалов в упругом состоянии: модуль упругости Е и коэффициент Пуассона v. Различие материалов по упругим свойствам вызывает концентрацию напряжений при любых нагрузках, даже при самых незначительных. Поэтому понятие механической неоднородности следует расширить и под ней понимать различие материалов и участков соединения по множеству параметров, в том числе Е, v, ат, ат, ав. Как показал ряд исследований [27, 32], влияние неоднородности на напряженное состояние, прочность и надёжность соединений зависит от конструктивных форм и размеров соединения. Поэтому оптимизация форм и размеров стыков остаётся наиболее доступным и эффективным способом повышения качества таких соединений. Для реализации этой возможности в полном объёме требуется провести подробные целенаправленные исследования, эффективным методом управления концентрацией напряжений остается.

Отметим, что отдельные стороны проблемы механической неоднородности рассматривались и изучались учёными, в том числе зарубежными. Но это были в основном академические труды, и они оставались далеко от производственных нужд [1−3, 5, 18−21, 35, 43, 52, 59, 69, 71, 73, 80, 100, 103].

В нефтегазовой и нефтехимической отраслях производства механическая неоднородность встречается часто и в разных видах. Отметим наиболее яркие проявления механической неоднородности.

Например, для изготовления некоторых сосудов и аппаратов применяют биметаллы и плакированные листы [29, 84−86], в которых материалы слоев отличаются практически всеми вышеуказанными характеристиками. При этом каждый из слоев выполняет разные функции: основной слой обеспечивает прочность, поверхностные слои выполняют барьерную функцию, обеспечивая коррозионную стойкость аппарата. Здесь неоднородность механических свойств условно можно назвать продольной, поскольку действие основные напряжения направлены вдоль слоев биметалла.

Другой пример — стыковые соединения труб из разных марок сталей и сплавов [31, 32, 89]. Здесь возникают рабочие напряжения в направлении, перпендикулярном плоскости стыка. Механическую неоднородность в этом случае условно назовём поперечной.

Применяются также элементы конструкций, обладающие механической неоднородностью, занимающие промежуточное положение между продольной и поперечной. Это — большинство паяных и клеевых соединений, которые несут нагрузки, но для увеличения площади предусматриваются косые поверхности контакта [22, 23, 36, 37, 47, 48].

Дефектные участки трубопроводов, резервуаров и сосудов в последнее время ремонтируют с применением специальных паст на основе клеёв и наполнителей. При этом отремонтированный участок будет обладать неоднородностью практически по всем показателям.

При ремонте высоконагруженных магистральных нефтегазопроводов применяют так называемую композитно-муфтовую технологию (КМТ). В результате ремонта данный участок трубопровода становится трёхслойным: внутренний и наружный слои стальные, средний слой — отверждённый композитный состав на основе эпоксидной смолы с наполнителем [34, 44].

Неярко выраженным свойством механической неоднородности обладают практически все сварные соединения труб, аппаратов, конструкций. В' них свойства основного металла, зоны термического влияния, металла шва отличаются твердостью, следовательно, пределами текучести и прочности. Кроме того, в силу неоднородности химического состава участков будет присутствовать неоднородность и по остальным характеристикам.

Важной особенностью элементов конструкций, обладающих механической неоднородностью, является то, что влияние отдельных параметров неоднородности на общую картину напряженного состояния не аддитивно, а сложным образом зависит от сочетания всех остальных механических свойств, геометрических характеристик, а также от параметров, характеризующих условия эксплуатации (температурно-силового режима). Поэтому исследования отличаются большой многофакторностью. Это вызывает определённые трудности при поиске оптимальных конструкционных решений. В числе возможных вариантов таких решений, в частности, являются следующие:

— выбор материалов и оптимизация размеров слоев в биметаллических сосудах;

— оптимизация геометрических характеристик соединений (форм и размеров стыков).

Несмотря на все конструктивные решения, направленные на снижение концентрации напряжений, в большинстве случаев достичь равномерного распределения напряжений не удаётся. Боле того, даже в бездефектных соединениях разнородных материалов могут образоваться резкие концентраторы напряжений с особенностью типа а—>оо [31, 51, 60, 61]. Кроме того, при длительной эксплуатации оборудования могут образоваться и развиваться трещины, которые являются концентраторами напряжений такого же типа. Поэтому существует задача правильно оценивать опасность таких концентраторов напряжений и назначать безопасные режимы и сроки эксплуатации. Для этого необходимо провести исследования закономерностей образования концентраторов напряжений, пересмотреть критерии разрушения, учитывая влияние фактора механической неоднородности.

Методы исследования также должны учитывать фактор механической неоднородности. Опираться только на классическую теорию прочности и механику разрушения в данных задачах недостаточно. Это следует хотя бы из того, что в некоторых случаях фактор механической неоднородности влияет даже на размерность коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Это делает невозможным применение традиционного критерия разрушения, основанного на сравнении КИН с вязкостью разрушения материала Кк, не говоря уже о том, что значение К]С в механически неоднородных элементах не всегда известно.

Ввиду большого разнообразия исходных параметров на первом этапе исследований целесообразно ограничиться подробным изучением двух основных видов механической неоднородности: продольной (на примере биметалла) и поперечной (на примере стыкового соединения). При этом следует уделять особое внимание вопросам зарождения и развития трещин, поскольку от этих вопросов зависит безопасность оборудования.

Вышеперечисленные особенности, связанные с безопасной эксплуатацией оборудования нефтегазового комплекса с учетом фактора механической неоднородности позволили сформулировать тему диссертации, поставить соответствующие цель и задачи.

Цель работы — совершенствование методической базы обеспечения надёжности и безопасности элементов конструкций нефтегазового комплекса на основе изучения особенностей формирования напряженного состояния и развития разрушения с учётом фактора механической неоднородности.

Задачи:

1. Изучить особенности напряжённо-деформированного состояния элементов конструкций, обладающих ярко выраженной механической неоднородностью, на примере биметаллических сосудов, эксплуатирующихся в условиях нестационарных термомеханических воздействий.

2. Исследовать особенности развития трещин при разрушении элемента конструкции на примере биметаллического сосуда.

3. Исследовать особенности формирования концентрации напряжений в бездефектных неоднородных элементах конструкций на примере стыковых соединений.

4. Разработать критерии разрушения бездефектных неоднородных элементов конструкций, содержащих концентратор напряжений типа сг —> оо.

5. Разработать методы снижения отрицательного влияния механической неоднородности на надёжность и безопасность элементов конструкций, эксплуатирующихся в условиях нестационарных термомеханических воздействий.

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых: O.K. Аксентяна, O.A. Бакши, H.H., Блумберга, 'M.JL Вильямса, K.M. Гумерова, Дж. Ирвина, H.A. Махутова, С. Е. Михайлова, Е. М. Морозова, Н. И. Мусхелишвили, В. В. Панасюка, В. В. Парцевского, П. Париса, Дж. Райса, Дж. Си, Г. П. Черепанова, К. С. Чобаняна, Р. З. Шрона, Ф. Эрдо-гана и других. В работе широко использованы теоретические и численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов конструкций, положения теории прочности и механики разрушения (MP), результаты испытания специальных образцов.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

1. Исследованы закономерности взаимного влияния слоев биметаллической стенки сосуда при одновременном воздействии внутреннего давления и температурных полей. Закономерности выражены в виде количественных формул для напряжений, в которых в качестве исходных данных участвуют размеры сосуда, термомеханические свойства материалов, параметры режимов эксплуатации.

2. Установлены причины и механизмы термоциклической ползучести стенки сосудов с учетом условий эксплуатации и фактора механической неоднородности. Получены расчётные формулы, позволяющие прогнозировать этот процесс и оценивать ресурс безопасной эксплуатации в условиях термоциклической ползучести,.

3. Изучены отличительные особенности формирования концентрации напряжений в окрестности трещин, развивающихся в биметалле. Установлено, что в биметаллах сингулярность поля напряжений типа, а —" оо сохраняется, но порядок особенности X и коэффициент интенсивности (КИН) сильно зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов — вязкости разрушения К^. По энергетическому критерию переход трещины из мягкого материала в твердый затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) облегчен.

4. Установлены особенности напряженного состояния соединений разнородных материалов. Показано, что в зависимости от соотношения упругих свойств материалов и угловых характеристик стыков даже в бездефектных соединениях может образоваться резкая концентрация напряжений с особенностью типа а—>оо. Данный концентратор по опасности для конструкции эквивалентна некоторой трещине. Получены выражения для эквивалентной трещины, которые позволяют применять методы механики разрушения к бездефектным соединениям разнородных материалов.

5. Теоретическими исследованиями и испытаниями образцов показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать появления резкой концентрации напряжений в разнородных соединениях. Этот путь является наиболее эффективным методом обеспечения прочности и безопасности конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Результаты исследований биметаллических сосудов позволяют на этапе проектирования предусмотреть возможные механизмы преждевременного выхода из строя, принять превентивные меры на этапе эксплуатацииадекватно оценивать степень опасности обнаруженных трещин, обосновать остаточный ресурс и назначать соответствующие способы обеспечения безопасности.

2. Результаты исследований стыковых соединений разнородных материалов позволяют на этапе проектирования оптимизировать формы стыков, исключать возможность образования резкой концентрации напряжений, тем самым обеспечивать надёжность и безопасность конструкций.

3. Разработан математический аппарат, позволяющий в зависимости от соотношения механических характеристик использованных материалов определять основные расчётные характеристики концентрации напряжений: порядка особенности X, коэффициента интенсивности напряжений К, интенсивности высвобождаемой энергии G0, размера эквивалентной трещины ЬэквДанные характеристики позволяют на этапе эксплуатации периодически оценивать прочность конструкций с учётом образованного концентратора напряжений, назначать ресурс безопасной эксплуатации.

4. Результаты данной работы использованы при:

— обследовании и оценке безопасных режимов эксплуатации биметаллических сосудов и резервуаров ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» — (справка от ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»);

— экспертизе промышленной безопасности проектов на реконструкцию аппаратов нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств- (справка от AHO РЦ НТО «Башпромбезопасность»);

— оценке безопасности метода ремонта магистральных трубопроводов с использованием композитно-муфтовой технологии («Инструкция по ремонту дефектных мест продуктопроводов широкой фракции легких углеводородов», Уфа — Нижневартовск, 2008.). На защиту выносятся: закономерности влияния фактора механической неоднородности на напряжённо-деформированное состояние, прочность, ресурс и безопасность элементов конструкций на примере биметаллов и стыковых соединенийусовершенствованные с учётом фактора механической неоднородности критерии прочности и безопасности элементов конструкций, содержащих резкие концентраторы напряжений типа, а -> оометоды обеспечения безопасности конструкций с ярко выраженной механической неоднородностью за счёт оптимизации конструктивных форм и размеров, а также за счёт применения новых критериев прочности и методов расчёта безопасных режимов и сроков эксплуатации.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ГУЛ «ИПТЭР» РБ за помощь и полезные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На примерах биметалла и стыкового соединения установлены основные закономерности формирования полей напряжений и деформаций в элементах конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств. Полученные формулы позволяют: на этапе проектирования технических устройств оптимизировать выбор материалов, геометрические характеристики, технологические особенности изготовления и ремонтана этапе эксплуатации оценивать по результатам диагностики техническое состояние, определять безопасные сроки эксплуатации с учетом фактора неоднородности, геометрических характеристик, тепловых и механических режимов нагружения, динамики развития разрушения.

2. Изучены отличительные особенности формирования полей напряжений в окрестности трещин, развивающихся в механически неоднородных элементах конструкций. На трещинах сингулярность поля напряжений типа, а —> со сохраняется, но порядок особенности X и коэффициент интенсивности напряжений (КИН) сильно зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов — вязкости разрушения Кю.

3. Установлено, что: с отклонением разномодульности материалов отдельных участков (Е2/Е,) от единицы распределение напряжений становится всё более неравномерным, увеличивается концентрация напряженийпри некоторых геометрических характеристиках (форма, углы, размеры) концентрация напряжений, вызванная механической неоднородностью, имеет особенность типа ст —"со, что делает их подобным трещине по опасности для конструкциипереход трещины из мягкого материала в твердый затруднён, в обратном порядке (из твердого в мягкий) — облегченотличие материалов отдельных участков по коэффициентам теплового расширения играет всегда отрицательную роль, приводит к снижению термоциклической долговечности.

4. Теоретически и экспериментально показано, что путем оптимизации формы стыков можно избежать образования резкого концентратора напряжений в разнородных соединениях и добиться равнопрочности с использованными материалами. Для этого двугранный угол ам, занятый мягким материалом в краевой зоне стыка, должен находиться в одном из следующих диапазонов: (0, р,), (Р2, р3). Значения углов Р15 Р2, р3 определяются упругими свойствами материалов. Для большинства конструкционных материалов Р, «55°- Р3 = п — Рх.

5. Разработан математический аппарат, включающий методы определения основных характеристик резких концентраторов напряжений с особенностью вида, а —" К • г1: параметров особенности А, — коэффициентов интенсивности напряжений Кэнергетической характеристики О. Математический аппарат основан на методах комплексных потенциалов, конечных элементов, экстраполяции в область сингулярности, теории подобия. Предложены и обоснованы несколько критериев разрушения, которые могут быть применены к концентраторам указанного вида независимо от их происхождения (трещиноподобные, У-образные, конструктивные).