Діагностування напруженого стану і оцінка запасу міцності кільцевих зварних стиків різнотовщинних труб магістральних нафтогазопроводів

Abstract

Дисертацію присвячено розвиткові розрахунково-експериментального методу визначення залишкових напружень в зонах кільцевих зварних з’єднань різнотовщинних труб і оцінці їх впливу на статичну міцність ділянок трубопроводів з такими з’єднаннями за наявності в них гострокінцевих дефектів типу тріщин. В рамках теорії оболонок побудовано математичну модель, що описує осесиметричний напружений стан зварених різнотовщинних труб під дією локалізованих біля шва залишкових несумісних деформацій. Визначення залишкових напружень грунтується на розв’язанні обернених задач теорії оболонок з власними напруженнями з використанням експериментальної інформації, отриманої неруйнівними методами. Використавши діаграму оцінки руйнування, яка базується на двопараметричному критерії механіки руйнування , оцінено вплив залишкових напружень на коефіцієнти запасу міцності ділянки трубопроводу під внутрішнім тиском зі зварним з’єднанням, з внутрішньою півеліптичною поверхневою тріщиною в стінці тоншої труби.

Диссертация посвящена развитию расчетно-экспериментального метода определения остаточных напряжений в зонах кольцевых сварных соединений разнотолщинных труб и оценке их влияния на статическую прочность участков трубопроводов с такими соединениями при наличии в них остроконечных дефектов типа трещин. В рамках теории оболочек построено математическую модель, описывающую осесимметрическое напряженное состояние сваренных разнотолщинных труб под действием локализированных возле шва остаточных несовместных деформаций. Определение остаточных напряжений базируется на решении обратных задач теории оболочек с собственными напряжениями с использованием экспериментальных данных, полученных неразрушающими методами. Получены выражения для расчета окружных и осевых напряжений в трубопроводе, обусловленных локальными остаточными деформациями в зоне сварного шва, двумерное распределение которых описано тензорными полиномиальными функциями с определенным количеством произвольных параметров. В зависимости от разности толщин стенок труб одного диаметра рассмотрены сварные соединения без и со специальной разделкой толстой стенки трубы. На основании решения задачи для заданного множества несовместных остаточных деформаций проанализировано влияние ширины зоны их локализации и градиентов вдоль и по толщине трубы на уровень и распределение остаточных напряжений в зоне сварного шва. Установлено, что с увеличением ширины зоны термопластических остаточных деформаций расширяются пределы растягивающих окружных остаточных напряжений, а характер их распределения изменяется несущественно. Увеличение градиентов остаточных деформаций вдоль труб при фиксированных ширинах зон их локализации может значительно изменить уровни окружных и осевых остаточных напряжений. С увеличением градиента термопластических деформаций по толщине труб уровень окружных напряжений изменяется незначительно, а осевые сжимающие напряжения могут существенно увеличится. Уровень окружных и осевых остаточных напряжений в глубинных слоях труб может значительно превышать их уровень на поверхностях труб. Изготовлено оборудование для экспериментального определения характеристик напряженного состояния в зоне сварных соединений разнотолщинных труб. Для соединения труб (0 1020 мм, сталь 17Г1С) с толщинами стенок 10 мм и 14 мм методом спекл-интерферометрии в нескольких сечениях на внешних поверхностях определены значения окружных и осевых остаточных напряжений, а электромагнитным методом - значения усредненной разности главных напряжений. С использованием функционала невязки между теоретически рассчитанными и экспериментальными данными Определены произвольные параметры в формулах для напряжений и рассчитаны окружные и осевые остаточные напряжения в произвольной точке сварного соединения. На основании двупараметрического критерия предельного состояния и соответствующей диаграммы определения разрушения оценено влияние остаточных напряжений на статическую прочность участка трубопровода под внутреннем давлением с кольцевым сварным швом с дефектом в тоньшей трубе, который моделируется внутренней осевой полуэллиптической трещиной. Показано, что при внутреннем давлении Р = 4 МПа нерелаксированные остаточные кольцевые напряжения на уровне 95 МПа, который может иметь место даже при высоком отпуске, для определенных размеров дефекта могут существенно влиять на работоспособность сварного соединения.

The dissertation is devoted to the development of design-experimental method for determining of residual stresses in zones of circumferential welded joints of different thickness pipes and for estimation of their influence on static strength of segments of pipeline with such joints, sharp-ended defects like cracks being present in them. Within the shell theory, a mathematical model is developed which describes the axis-symmetrical stressed state of welded pipes of different thickness under the influence of localized near a joint residual non-compartible deformations. The determination of residual stresses is based on solutions of inverse problems of the theory of shells with inner stresses, information from experiments based on non-destructive methods being used. Using the diagram of fracture estimation which is based on fracture mechanics, the effect of residual stresses on safety factors of pipeline segment with a welded joint and with an internal semi-elliptical surface crack in the wall of the thiner pipe under internal pressure is estimated.