Технические науки / 2.Механика

 

Д. т. н. А.И. Айнабеков, д. т. н. У.С. Сулейменов, к.ф.-м.н. Г.Ш. Омашова, Л.С. Алдашева

 

Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, Казахстан

 

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ТРУБНОЙ СТАЛИ

 

Деформационное старение – одна из причин снижения безопасности и надежности при эксплуатации газопроводов. О деформационном старении существуют весьма противоречивые мнения. Одни исследователи приводят данные о протекании процессов деформационного старения при эксплуатации конструкций [1,2], что при соблюдении режимов эксплуатации явление деформационного старения металла практически не наблюдается и его механические характеристики изменяются несущественно [3].

Современные методы диагностики позволяют получать информацию о наличии макроповреждений, их размерах и местонахождении в трубе, однако нет полной ясности относительно закономерностей влияния времени эксплуатации магистральных трубопроводов на физико-механические характеристики трубной стали, в том числе на уровень вязкости стали, величина которой определяет степень опасности как исходных, так и накопленных в процессе эксплуатации дефектов.

Практика эксплуатации магистральных трубопроводов допускает наличие дефектов в нагруженных элементах конструкций при надежном обосновании их безопасности. Механика разрушения обеспечивает научную базу для такого анализа. Для практики она представляет как общие схемы расчетов на прочность, так и конкретные методы определения  параметров напряженного состояния и характеристик материалов.

         Поэтому важной задачей является оценка влияния времени эксплуатации и связанного с ним изменения механических характеристик материала на трещиностойкость.

 В качестве базовой методики оценки трещиностойкости используем двухкритериальный подход механики разрушения [4].

         Основная идея двухкритериального подхода состоит в использовании так называемой диаграммы оценки разрушения, которая строится в координатах «мера приближения к хрупкому разрушению -мера приближения к пластическому разрушению .

         Мера приближения к хрупкому разрушению определяется из

                                                                                                                   (1)

где -коэффициент интенсивности напряжений для трещины нормального отрыва, которая определяется методами линейной теории упругости,  - критический коэффициент интенсивности напряжений.

Мера приближения к пластическому разрушению определяется из отношения приложенной нагрузки  к расчетной предельной нагрузке вязкого разрушения , пропорционального пределу текучести:           

                                                                                                              (2)

На диаграмме оценки разрушения строится предельная кривая, определяющая границу между опасным и безопасным состояниями конструкций, граница которой описывается уравнением вида

                                                                                                                (3)

Предельная кривая диаграммы оценки разрушения состоит из трех прямолинейных участков, которые разделены между собой точкой хрупкости  и точкой вязкости . Значения координатных коэффициентов и  обычно принимаются равными  и .

Качественная диаграмма оценки разрушения представлена на рисунке1.

 

Рисунок 1 - Качественная диаграмма оценки разрушения

 

         Точками хрупкости  и вязкости  предельная кривая разделяется на три участка: 1) участок хрупкого разрушения ; 2) участок смешанного разрушения ; 3) участок вязкого разрушения .

Из двухкритериальной схемы (рис.1). Заметим, что характер возможного разрушения зависит от величины тангенса луча нагружения . Если для простого нагружения величина  лежит в пределах (0; -0,5), то характер разрушения вязкий; если  - то квазихрупкий; если >-то хрупкий.

         Поэтому, с точки зрения поставленной перед работой задачей, интересно рассмотреть влияние длительной эксплуатации, соответственно механических характеристик стали, на величину .     

         По определению тангенс луча нагружения  равна:

                                         (4)

Величина напряжения  определятся из формулы:

,

где - безразмерный коэффициент снижения прочности дефектной трубы по отношению к бездефектной.

Как видно значение  во многом зависит от конкретного соотношения предела прочности  и трещиностойкости К1с  материала. Поскольку на эти характеристики влияют длительность эксплуатации, то от них зависит и тангенс угла луча нагружения.

Для иллюстрации приведенных положений и установления влияния изменения характеристик вязкости на  рассмотрим количественный пример.

Рассмотрим некоторую условную трубу, нагруженную внутренним давлением , радиусом , толщиной стенки . Предел прочности материала трубы МПа, предел текучести МПа. Трещиностойкость, определенная по ГОСТ 25.506.85 К1 с =150МПа.

Воспользуемся результатами испытании материала труб газопровода высокого давления эксплуатируемого более 20 лет  по ул. Громова  г. Шымкента [5], приведенные в таблице 1.

 

Таблица 1 – Механические свойства основного металла  исследованных труб

Место вырезки

образцов

Временное

сопротивление

, МПа

 

Предел текучести

, МПа

Отношение

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость КСU Дж/см2

по проекту

(ГОСТ 19282-73)

490

345

0,704

21

73

из   аварийного запаса

487

342

0,702

19,6

63

после эксплуатации,

1,6 км. от КС

483

362

0,729

19,3

58

после эксплуатации,

2,8км. от КС

480

366

0,742

18,8

66

после эксплуатации,

3,2км. от КС

486

363

0,726

18,9

56

 

В соответствии с таблицей 1, для типичных трубопроводных сталей характеристики металла труб при длительной эксплуатации изменяются  примерно следующим образом:   , .

Это значит, что  при длительной эксплуатации изменится в   раза..

Значение . В этом случае труба газопровода будет разрушаться в квазихрупкой области.

В заключение отметим, что ожидаемый характер разрушения конструкции зависит от изменяющихся в процессе эксплуатации механических свойств материала труб, влияние которых необходимо учитывать в проектировочных расчетах в рамках двухкритериального подхода.

Настоящее исследование дает основание утверждать, что переход к систематическому анализу изменения физико-механических характеристик материала труб с течением времени следует рассматривать как важный элемент принципиального развития современного прогнозирования характеристик длительной прочности и трещиностойкости газопроводов.

 

 

ЛИТЕРАТУРА.

 

1.                 Ямалеев К.М.,Абраменко Л.А. Деформационное старение трубных сталей в процессе эксплуатации магистральных нефтепроводов. //Проблемы прочности,-1989,-№11.-С.125-128.

2.                 Гумеров А.Г., Ямалеев К.М.,Журавлев Г.В., Бадиков Ф.И. Трещиностойкость металла труб нефтепроводов.- М.:Недра, 2001.-231с.

3.                 Лякишев Н.П., Кантор М.М., Воронин В.Н. Исследование структуры металла газопроводов после их длительной эксплуатации.// Металлы,-2005,-№1, -С3-16.

4.                 Орыняк И.В., Тороп В.М. Двухкритериальная оценка предельного состояния при несимметричном нагружении тела с трещиной//Пробл. прочн.-1991.-№11.-С. 32-38.

Сулейменов У.С., Омашова Г.Ш., Алдашева Л.С. Изменение механических свойств основного металла труб после длительной эксплуатации газопроводов// Материалы межд. научно-техн. конф. «Современное состояние и перспективы развития машиностроения в КР», Бишкек. -2009. – С. 23-26.