Расчетные характеристики состояния и свойств материала для обоснования остаточного ресурса объектов газопереработки
На правах рукописи
МАРТЫНОВИЧ
Владимир Леонидович
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ
МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
ОБЪЕКТОВ ГАЗОПЕРЕРАБОТКИ
05.26.03. – Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовая отрасль, технические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук Тюмень 2005 2
Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом универ ситете.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пермяков Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тарасенко Александр Алексеевич кандидат технических наук Хоперский Геннадий Григорьевич Ведущее предприятие: ОАО «Институт «Нефтегазпроект», г. Тюмень
Защита диссертации состоится «»_ 2005г. в ч.
на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государст венном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володар ского, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государ ственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мель никайте, 72.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя и заве ренный печатью организации просим направлять в адрес диссертационного со вета.
Автореферат разослан «_» 2005г.
Ученый секретарь доктор технических наук С.И. Челомбитко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационной работы Более половины парка сосудов и аппаратов газоперерабатывающих пред приятий Тюменской области отработали свой нормативный срок службы. До десяти процентов от общего числа дефектов и повреждений, выявленных при техническом диагностировании, составляют дефекты деформационного проис хождения (вмятины, гофры, выпучины). Под воздействием эксплуатационных термомеханических воздействий изменяются механические свойства металла оборудования.
При превышении геометрических размеров вмятин значений, установ ленных нормативно-технической документацией, возможность дальнейшей эксплуатации сосуда с деформационным дефектом определяется по результа там расчета прочности.
Существующие методики расчета прочности сосудов с вмятиной не по зволяют в полной мере учесть все факторы, влияющие на прочность и остаточ ный ресурс.
Настоящая работа направлена на совершенствование (развитие) и созда ние методов расчета прочности и остаточного ресурса сосудов и аппаратов га зоперерабатывающих предприятий с учетом локального деформационного де фекта, технологической дефектности, фактических условий изменения внут реннего давления, изменения механических свойств металла.
Цель работы заключается в разработке расчетных характеристик состоя ния и свойств материала для оценки прочности и остаточного ресурса газопе рерабатывающего оборудования, отработавшего нормативный срок службы.
Задачи исследования 1. Провести анализ нагруженности и дефектности сосудов и аппаратов га зоперерабатывающих предприятий.
2. Оценить изменение механических свойств металла сосудов и аппаратов газоперерабатывающих предприятий вследствие длительного воздействия ра бочей среды и эксплуатационных режимов.
Провести натурное и численное исследование напряженно 3.
деформированного состояния в зоне локального деформационного дефекта.
4. Разработать методику расчета прочности и остаточного ресурса обору дования, преимущественно отработавшего нормативный срок службы, с учетом локального деформационного дефекта, технологической дефектности, фактиче ских условий изменения внутреннего давления и температуры, изменения ме ханических свойств металла.
5. Разработать новые устройства для определения формы и геометриче ских параметров локального деформационного дефекта, а также для имитации циклического изменения внутреннего давления при испытании поврежденных оболочечных конструкций.
Методы исследований При исследовании напряженно-деформированного состояния использо ваны методы теории упругости и механики деформирования, метод конечных элементов. Для оценки нагруженности и дефектности оборудования применя лись методы статистической обработки данных, при экспериментальных иссле дованиях – методы разрушающего и неразрушающего контроля.
Научная новизна - на основе статистического анализа ретроспективных данных изменения эксплуатационных режимов для сосудов и аппаратов объектов газопереработки получены функции распределения воздействий давления и температуры;
- исследовано изменение механических свойств материала сосудов и ап паратов газоперерабатывающего оборудования за период нормативного срока службы, а так же приведшего к авариям и разрушению;
- на основе численного моделирования, лабораторных и натурных иссле дований получены зависимости напряженно-деформированного состояния в зоне деформационного дефекта от его геометрических параметров;
- разработана методика оценки прочности и остаточного ресурса сосудов и трубопроводов, отработавших нормативный срок службы и характеризую щихся наличием локальных деформационных неоднородностей;
- разработаны новые устройства для определения геометрических разме ров и формы локального деформационного дефекта и проведения испытаний поврежденных оболочечных конструкций на циклическую прочность.
Практическая ценность работы Разработанная методика позволяет проводить оценку прочности и оста точного ресурса инженерных объектов металлоконструкций сосудов и аппара тов с учетом статической и малоцикловой нагруженности, наличия локального деформационного дефекта, для нефтяной, газовой, нефтехимической и нефтега зоперерабатывающей промышленности.
Разработанные устройства позволяют более точно определять форму и основные геометрические параметры локальных деформационных дефектов, моделировать выявленные дефекты и оценивать работоспособность конструк ции в целом;
имитировать реальное циклическое изменение внутреннего давле ния при испытании поврежденных оболочечных конструкций.
Получение расчетными и экспериментальными методами характеристик эксплуатационных напряженно-деформированных состояний и предельных со стояний дает возможность определения прямых количественных данных о прочности и остаточном ресурсе, являющимися сутью работы.
Внедрение результатов исследований осуществлено в Научно технологическом Центре нефтегазопромышленников, ООО «Тобольск Нефтехим» при оценках остаточного ресурса оборудования газоперерабаты вающих и нефтехимических предприятий, а также в учебном процессе для сту дентов специальности «Безопасность технологических процессов и произ водств» Тюменского государственного нефтегазового университета, что под тверждается соответствующими актами внедрения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается: методологией исследований, основанных на трудах зарубежных и отечественных ученых, ис пользованием статистических данных и сопоставлением результатов расчетов с результатами других авторов.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, разработке основных положений научной новизны и практиче ской значимости, сборе и обработке статистических данных нагруженности и дефектности газоперерабатывающего оборудования, оценке изменения механи ческих свойств металла газоперерабатывающего оборудования, разработке ме тодики расчета прочности и остаточного ресурса сосудов с деформационным повреждением, разработке новых устройств определения формы и размеров вмятины, имитации циклического нагружения оболочечных конструкций.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы представлены на 5-й Все российской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1999г.);
7-й Всероссийской конферен ции «Современные методы математического моделирования природных и ан тропогенных катастроф» (Красноярск, 2003г.);
3-й Всероссийской научно практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003г.);
Международной научно-технической конференции «Нефть и газ За падной Сибири» (Тюмень, 2003г.);
3-й Всероссийской научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассей на» (Тюмень, 2004г.);
4-й региональной научно-практической конференции «Новые технологии – нефтегазовому региону» (Тюмень, 2005г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 16 работ (1 статья, 11 те зисов, 4 патента).
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, биб лиографического списка литературы и приложения. Основное содержание ра боты изложено на 156 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 72 рисунка и 18 таблиц. Список литературы состоит из 109 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведена на учная новизна и практическая ценность работы, дана общая характеристика диссертационной работы.
В первом разделе проведен анализ литературных данных, посвященных оценке возможности эксплуатации сосудов и аппаратов с локальным деформа ционным дефектом типа вмятина (выпучина).
Вопросами определения прочности сосудов с вмятинами посвящены ра боты Буренина А., Зайнуллина Р.Х., Иванова Г.П., Копысицкой Л.Н., Лихмана В.В., Махутова Н.А., Муратова В.М., Перелыгина О.А., Пермякова В.Н.
В работах Лихмана В.В., Копысицкой Л.Н., Муратова В.М. о результатах экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформирова ного состояния цилиндрических и сферических резервуаров с вмятинами при действии внутреннего давления отмечено, что происходит перераспределение напряжений и деформаций в зонах концентрации напряжений и начиная со вто рого цикла при повторно-статическом нагружении внутренним давлением оболочки с вмятиной устанавливается постоянный размах деформаций;
увели чение относительной глубины вмятины приводит к росту максимальных на пряжений max, зона которых смещается от центра вмятины к ее границе, а в вершине вмятины при больших значениях hв/s (hв – глубина вмятины, s – тол щина стенки) происходит разгрузка;
увеличение радиуса вмятины в плане rв при постоянной относительной глубине hв/s приводит к росту коэффициента концентрации напряжений ;
увеличение радиуса вмятины rв приводит к уве личению hв/s, при котором максимальные напряжения max действуют в верши не вмятины, а не на ее границе.
В работе специалистов НПО «Техкранэнерго» предложена методика рас чета прочности с использованием оригинальных табулированных коэффициен тов концентрации напряжений в зоне вмятины, которые зависят не только от радиуса rв и толщины стенки сосуда s, длины, ширины и глубины вмятины hв, но и от ее ориентации относительно продольной оси сосуда (угол наклона наи большей оси вмятины к его образующей). Это позволяет решать более сложные задачи при исследовании общих дефектов, присущих сосудам, получившим ме ханические повреждения.
В серии статей коллектива авторов Казанского государственного техно логического университета с помощью компьютерного комплекса ANSYS под тверждены данные о том, что при упругопластическом деформировании обеча ек с дефектами формы напряжения перераспределяются в области концентра торов напряжений и уже после второго цикла нагружения разгрузка и повтор ное нагружение происходит практически упруго.
Анализ литературных источников указывает на отсутствие единой мето дики расчета прочности и остаточного ресурса, отработавшего нормативный срок службы оборудования, учитывающей комплекс факторов: наличие дефор мационного дефекта, изменения механических свойств металла, фактического режима нагружения.
Во втором разделе проведен анализ изменения эксплуатационных пара метров (давление, температура) для различного оборудования, используемого на газоперерабатывающих предприятиях (емкости, аппараты колонного типа, сепараторы). Наиболее распространенным аппаратом на газоперерабатываю щих предприятиях является сепаратор.
Нормативный прочностной расчет сосудов и аппаратов, применяющихся на газоперерабатывающих предприятиях, предусматривает, преимущественно, статический характер изменения внутреннего давления и температуры. Однако в действительности, как отмечено в диссертации, давление и температура в хо де эксплуатации не постоянны, они изменяются вследствие неизбежного изме нения условий технологического процесса.
На рис. 1 представлен график изменения внутреннего давления, постро енного по данным из режимных листов за 182 суток (2184 показаний). Эксплуа тационные параметры фиксируются и отражаются в режимных листах кругло суточно с интервалом в 2 часа. За шесть месяцев было реализовано 308 полных циклов с наибольшим размахом 0,18 МПа при рабочем давлении 0,2 МПа, та ким образом, за весь срок эксплуатации может быть реализовано до 1,21, циклов, следовательно, сепаратор работает в условиях циклической нагружен ности. Очевиден дрейф среднемесячного значения давления в сторону его уве личения с увеличением значения стандартного отклонения. В весенний период наблюдаются увеличение месячного количества циклов и интенсивности коле бания давления в рабочем режиме.
0, 0, Давление, МПа Рис. 1. Типичный 0, график изменения 0, давления в техноло гической емкости 0, 0, 30 60 90 120 150 Время, сут.
Анализ данных частоты реализации значений давления за период наблю дения свидетельствует, что чаще всего сепаратор находился под внутренним давлением из интервала 0,080,1 МПа, в тоже время выявлен случай превыше ния разрешенного рабочего давления на 0,03 МПа.
Разбив всю область изменения давления (0,050,23 МПа) на интервалы, равные 0,02 МПа, строим гистограмму накопленных частот давления (рис. 2).
Отмечена хорошая сходимость эмпирического распределения значений давле ния с нормальным законом распределения (закон Гаусса).
Используя метод «дождя» для схематизации случайного процесса изме нения давления, получена функция распределения амплитуд полуциклов давле ния, представленная на рис. 3, эмпирические данные хорошо аппроксимируют ся степенной функцией, описываемой уравнением y = 0,9267 x 1,6465. Амплиту ды, величина которых превышает 0,15Рраб., составляют 9,6% от общего числа амплитуд, реализованных за время наблюдения.
2 y=e(х0,996) /20,245 /0,245(2) 0, Рис. 2. Частота реали Частота зации величины дав ления в сепараторе 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0, Давление, МПа -1, y=0,9267x Рис. 3. Распределение Частота амплитуд полуциклов давления в сепараторе 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0, Амплитуда полуциклов давления, МПа Опытные данные показывают, что при статистической обработке данных за весь период эксплуатации изменяются только параметры функции распреде ления амплитуд, а закон распределения амплитуд остается практически неиз менным. Следовательно, возможен прогноз накопления повреждаемости за пе риод запроектной эксплуатации с учетом определенного закона распределения.
Указанные выше данные о перепадах давлений и температур должны быть введены в расчеты прочности и остаточного ресурса сосудов и аппаратов.
Проведен статистический анализ дефектности сварных швов более сосудов и аппаратов, использующихся на газоперерабатывающих предприяти ях. Неразрушающим контролем сварных соединений выявлено более 350 недо пустимых дефектов (трещины, непровары и т.п.) и более 1800 допустимых де фектов (поры, шлаковые включения и т.п.). На рис. 4. представлено распреде ление количества выявленных недопустимых дефектов по каждой группе обо рудования.
Количество недопустимых дефектов, ш 160 Количество аппаратов Количество аппаратов, шт.
140 Количество недопустимых дефектов Рис. 4. Повреждае 120 100 мость технологиче 80 60 ского оборудования 40 20 газоперерабатываю 0 Воздухосборник Маслосборник Сепаратор Теплообменник Испаритель Разделитель Колонна Отстойник Емкость V= Холодильник Емкость V= Емкость V= Фильтр Емкость щего производства В сварных соединениях сепараторов обнаружено более 25% от общего числа выявленных недопустимых дефектов. Местоположение выявленных не допустимых дефектов: кольцевой сварной шов (53%);
продольный сварной шов (26%);
сварной шов приварки штуцера (19%), сварной шов на днище (2%).
Проведенный анализ данных дефектоскопии газоперерабатывающего оборудования свидетельствует о необходимости учета показателя дефектности при оценке прочности, остаточного ресурса и условий дальнейшей эксплуата ции отработавшего нормативный срок высокорискового оборудования.
В третьем разделе проведена оценка изменения механических свойств металла сосудов и трубопроводов, длительное время эксплуатирующихся на га зоперерабатывающих предприятиях. Для этого использованы данные расследо ваний причин разрушения двух технологических трубопроводов и материалы исследований металла сепарационной емкости ГЗУ «Спутник».
Согласно результатам испытаний на осевое растяжение и ударный изгиб продольных и поперечных образцов, вырезанных из основного металла (вне зо ны разрушения) технологических трубопроводов, находящихся в эксплуатации более 8 лет, основные показатели прочности (в, т) и пластичности (, ) соот ветствуют требованиям ГОСТ для данного класса стали (таблица 1). Материал исследуемых фрагментов трубопроводов обнаруживает высокий уровень удар ной вязкости вплоть до температур испытания минус 60°С.
Средние значения твердости основного металла труб вне зон разрушения составляют 163…165HV, что соответствует временному сопротивлению 536…546 МПа и отвечает требованиям ГОСТ для данного класса стали.
Таблица 1. Результаты испытаний образцов на растяжение и ударный изгиб Показатель Результаты испытаний Требования механических свойств ГОСТ труба КГПП труба НГПЗ Предел прочности, МПа в 520536 Предел текучести, МПа т 453488 Относительное удлинение, % 520% 21,724,7 23,128, 29, Ударная вязкость,KCU, Дж/см -60°С 43,255,6 76,8178, 29, Ударная вязкость, KCV, Дж/см -5°С 38,946, Микроструктура металла труб вне зоны разрушения феррито-перлитная, близкая к равновесной;
зерна феррита полиэдрические, строчечность феррита встречается редко. Неметаллических включений немного, в основном это хруп кие разрозненные частицы, но также наблюдаются плоские пластичные неме таллические включения, расположенные преимущественно в центральной час ти сечения стенки трубы.
Согласно результатам испытаний на осевое растяжение и ударный изгиб продольных и поперечных образцов, вырезанных из основного металла сепара ционной емкости ГЗУ «Спутник», находящейся в эксплуатации более 20 лет, основные показатели прочности (в, т), пластичности (, ) и твердости также соответствуют требованиям ГОСТ для данного класса стали (табл. 2).
Однако следует отметить, что показатели ударной вязкости при испыта нии на ударный изгиб некоторых поперечных образцов при температуре минус 40°С ниже требуемых по ГОСТ.
Таблица 2. Результаты испытаний образцов на растяжение и ударный изгиб Показатель Результаты испытаний Требования механических свойств ГОСТ продольн. поперечн.
Предел прочности, МПа в 570 Предел текучести, МПа т 325 Относительное удлинение, % 523% 27 Относительное сужение, % 58 Твердость, НV 165169 153159 Ударная вязкость, KCU-40°С, Дж/см2 5382 Ударная вязкость, KCV+20°С, Дж/см2 129135 Микроструктурным исследованием установлено, что все образцы, выре занные из металла сепарационной емкости, имеют мелкозернистую феррито перлитную структуру частично видманштеттового характера. Балл зерна по ГОСТ 5639-82 составляет 6…7, балл полосчатости по ГОСТ 5640-68 равен 2, для поперечных образцов и 3,0 для продольных образцов, балл видманштетта – 1,0. Значительных изменений структуры не выявлено.
Представлены результаты замера твердости основного металла, металла сварных швов и околошовной зоны снаружи и изнутри различных типов обору дования, отработавшего нормативный срок службы (емкости, аппараты колон ного типа, сепараторы и др.). Установлено, что средние значения твердости ос новного металла и металла сварного шва, полученные измерениями изнутри горизонтальных резервуаров, на 515% ниже средних значений твердости, по лученных снаружи резервуаров. Среднее значение твердости металла составля ет для шаровых емкостей 131…149НВ, для воздухосборника – 142…156НВ, для колонны – 151НВ. Эти значения соответствует требованиям ГОСТ для данного класса стали. Пример распределения значений твердости металла сварного шва горизонтальной емкости представлен на рис. 5.
Рис. 5. Твердости сварного шва внутрен Частота ней поверхности гори зонтальной емкости 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Твердость, НВ При проведении прочностных расчетов сосудов механические свойства металла принимаются стандартными, однако, как отмечено в работах Н.А. Ма хутова, Л.Р. Ботвиной и установлено в диссертации, механические свойства не остаются постоянными – они изменяются вследствие ряда факторов (длитель ное воздействия рабочей среды, эксплуатационные параметры). Изменение ме ханических свойств металла, особенно ударной вязкости, необходимо учиты вать при проведении поверочных прочностных расчетов на стадии определения остаточного ресурса газоперерабатывающего оборудования, отработавшего нормативный срок службы.
Микроструктурные исследования и измерение микротвердости металла в зоне вмятины на трубопроводе, образовавшейся в результате удара ковшом экскаватора показали, что по всему периметру вмятины проходит темная поло са структурно уплотненного материала – зерна измельчены и вытянуты, а по мере удаления от края вмятины микроструктура теряет признаки деформаци онной текстуры, обретая структуру исходного состояния.
Исследований изменения механических свойств металла в зонах локаль ных деформационных дефектов по отношению к свойствам недеформирован ного металла и к исходным механическим свойствам не много. В тоже время локальное изменение механических свойств материала элемента конструкции может привести к возникновению аварийной ситуации, хрупкому и лавинному разрушению.
В четвертом разделе отражены теоретические и экспериментальные ас пекты оценки прочности цилиндрических оболочечных конструкций с вмяти ной в условиях статического нагружения.
Моделирование процесса образования дефектов типа вмятина проводи лось на плоских образцах и цилиндрических оболочках вдавливанием инденто ра. Исследования проводились в упругой и упругопластической области. Диа грамма деформирования материала характеризовалась наличием линейного уп рочнения.
Определены зависимости эквивалентных напряжений и деформаций от относительной глубины прогиба (hв/s) для плоского образца и относительной глубины вмятины для оболочек различного диаметра и толщины стенки. Опре делены предельные геометрические параметры вмятины, при которых эквива лентные напряжения в оболочке (образце) достигают предела прочности мате риала.
Пример численного моделирования напряженно-деформированного со стояния плоского образца при прогибе и цилиндрической оболочки при вне дрении индентора, осуществленного методом конечных элементов с помощью компьютерного комплекса ANSYS представлены на рис. 6.
Полученные с помощью ANSYS данные о напряженно-деформированном состоянии в зоне прогиба плоских образцов согласуются с результатами натур ных исследований напряженно-деформированного состояния плоских образцов при статическом нагружении, описанными Пермяковым В.Н.
С целью определения полей напряжений и деформаций в зоне вмятины проводилось исследование напряженно-деформированного состояния плоских образцов с помощью хрупких тензочувствительных покрытий. Плоские образ цы с геометрическими размерами 200х40, изготавливались из стали Ст20 тол щиной 2 мм. С помощью сферического индентора воспроизводили вмятину глубиной 1,5…2,0s (s – толщина образца). После нанесения хрупкого кани фольного покрытия образцы подвергались изгибу и растяжению.
Рис. 6. Результаты модели рования напряженно деформированного состоя ния широкого плоского об разца при прогибе (а) и ци а) линдрической оболочки при внедрении индентора (б) б) Траектория трещин сформирована таким образом, что наибольшая кон центрация напряжений находится на расстоянии 2-3 диаметров вмятины от границы вмятины, а в зоне самой вмятины действуют напряжения сжатия, при чем их значения (по абсолютной величине) превышают значения прикладывае мых растягивающих напряжений, поэтому трещины в покрытии на поверхно сти самой вмятины отсутствуют.
Анализ НДС в зоне вмятин производился на моделях плоских образцов, цилиндрических и сферических оболочек с вмятиной (рис. 7), при этом нагру жение задавалось по внутренней поверхности, имитируя действие внутреннего давления. Определены зоны наибольшей концентрации напряжения, характер их распределения.
Рис. 7. Распределение на пряжений в зоне вмятины на цилиндрической обо лочке и плоском образце под действием внутреннего давления Анализ упругих и упругопластических напряжений, полученных в ре зультате численного исследования, позволил выявить как особенности, так и общие закономерности, свойственные локальному напряженно деформированному состоянию.
Моделирование упругого и упругопластического деформирования оболо чек свидетельствуют о возможности проведения инженерной оценки прочности сосудов с локальными дефектами по результатам численного исследования НДС с помощью компьютерного комплекса ANSYS.
Представлена расчетная методика определения прочности и остаточного ресурса на примере сепаратора с вмятиной на обечайке, при условии изменения механических свойств металла и циклического режима изменения давления.
Для цилиндрических оболочек с геометрическими параметрами R/s=50250, имеющих круглые в плане вмятины с относительной глубиной hв/s1,0, теоретический коэффициент концентрации напряжений в зоне вмяти ны определялся по известной формуле:
m h = 1 + А в, (1) s r r A = 0,117 в + 0,711 в + 1,05 ;
где Rs Rs r m = 0,158 в + 0,358.
Rs При расчетах упругопластических деформаций использовалась модель упругопластического тела со степенным упрочнением, для которой при еет m е = т, (2) е т lg в (1 + 1,4 к ) 1 m 0, 2 0, ;
т = где m = 0, ( ) E 0,2 10 2 + m (200 + 0,5 0, 2 ) lg 105 ln 0, 1 к Учитывалось изменение механических свойств металла сепаратора вследствие: эффекта рассеяния свойств, масштабного фактора, а также экс пертные данные по изменению свойств в результате более чем двадцатилетнего воздействия рабочей среды и эксплуатационных параметров.
Анализ данных изменения давления и температуры в ходе технологиче ского процесса сепаратора свидетельствует о цикличности эксплуатационных параметров, что также нашло отражение в расчете.
Число циклов нагружения до возникновения трещины определялось по уравнению Н.А. Махутова Е а = + ln, (3) 100 1 + 1 1 + r (4 N )m + 1 + r* * в 1 r 1 r Е – модуль продольной упругости;
– относительное поперечное суже где ние образца в шейке;
m – показатель упрочнения материала;
r*, r – коэффици ент асимметрии цикла упругих и пластических деформаций;
-1 – предел вы носливости на базе 106 циклов;
в – предел прочности материала;
а – амплиту да напряжений;
N – долговечность.
Расчетом установлено, что наличие вмятины на обечайке более чем в раз снижает остаточный ресурс сепаратора.
Данная методика реализована в среде MathCAD, что позволяет, варьируя значениями геометрических параметров вмятины, а также механическими свойствами металла (исходными, приобретенными), определять ресурс сосуда с деформационным повреждением.
Используя методику расчета, определен остаточный ресурс сепаратора в зависимости от геометрических параметров вмятины. Результаты расчета пред ставлены на рис. 8.
В пятом разделе представлены вновь разработанные устройства и спосо бы, предназначенные для получения необходимых условий и данных для оцен ки несущей способности и расчета остаточного ресурса сосуда с вмятиной: уст ройство для определения формы и размеров деформационного дефекта на тру бопроводе;
устройство для определения радиуса и центрального угла полусфе рической вмятины на трубопроводе;
способ испытания оболочек, преимущест венно поврежденных, внутренним давлением и устройство для его осуществле ния;
устройство и способ определения оси заглубленного трубопровода.
Рис. 8. Зависимость остаточного ресурса сосуда от геометри ческих параметров вмятины
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Статистический анализ данных изменения давления и температуры со судов и аппаратов газоперерабатывающих предприятий свидетельствует о цик личности изменения эксплуатационных параметров. Число циклов изменения давления различных амплитуд, за нормативный срок службы, например, для сепаратора может достигать N=1,5105 циклов, а число циклов изменения тем пературы для аппаратов колонного типа за нормативный срок службы может составить 1,5104 циклов.
При оценке остаточного ресурса сосудов и аппаратов предложено ис пользовать функции распределения амплитуд полуциклов давления, позво ляющих более полно описывать реальную картину нагружения объекта.
2. Исследовано изменение механических свойств металла сосудов и аппа ратов длительное время эксплуатирующихся на газоперерабатывающих пред приятиях. Установлено, что наиболее существенному снижению подвергается, повышающая склонность металла к хрупкому разрушению, ударная вязкость, а твердость, пластические и прочностные показатели изменяются в пределах 5 12%.
При оценке остаточного ресурса сосудов и аппаратов целесообразно ис пользование характеристик механических свойств с учетом поправочных ко эффициентов, отражающих фактическое состояние металла после длительной эксплуатации.
3. Используя модели упругого и упругопластического деформируемого тела, методом конечных элементов, получены зависимости напряжений и де формаций в зонах деформационного дефекта для различных геометрических параметров.
4. Разработана система построения, определения и использования базо вых расчетных характеристик состояния и свойств. Предложена методика рас чета прочности и остаточного ресурса сосудов и аппаратов, отработавших нор мативный срок службы, учитывающая изменения механических свойств метал ла под воздействием рабочей среды, фактический режим нагружения внутрен ним давлением и напряженно-деформированное состояние при возникновении локальных деформационных дефектов (недопустимых по действующей норма тивно-технической документации).
5. В рамках данной диссертационной работы разработаны новые устрой ства для более точного определения геометрических размеров и формы локаль ных деформационных дефектов;
для испытания оболочечных конструкций, преимущественно поврежденных.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ 1. Пермяков В.Н. Оценка технического состояния товарных парков хра нения углеводородов / В.Н. Пермяков, В.Л. Мартынович, П.В. Пермяков, С.Г.
Орлов // Нефть и газ. Известия высших учебных заведений. – 2004. – №6. – С.
81-86.
2. Пермяков В.Н. Получение исходных расчетных характеристик для обоснования остаточного ресурса объектов энергетики и нефтехимии / В.Н.
Пермяков, В.Л. Мартынович // Перспективные материалы, технологии конст рукции: Материалы 5-й Всероссийской научно-технической конф. 27-29 мая 1999г. – Красноярск, 1999. – С. 450-451.
3. Пермяков В.Н. О чрезвычайных ситуациях в нефтегазохимической промышленности Тюменской области / В.Н. Пермяков, В.Л. Мартынович, П.В.
Пермяков, С.Г. Орлов // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы Междуна родной научно-технической конф., 12-13 ноября 2003г. – Тюмень, 2003. – Т.2.– С. 164.
4. Пермяков В.Н. Ресурс сосудов и трубопроводов с локальными дефор мационными дефектами / В.Н. Пермяков, В.Л. Мартынович, П.В. Пермяков, С.Г. Орлов // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы Международной науч но-технической конф., 12-13 ноября 2003г. – Тюмень, 2003. – Т.1.– С. 154.
5. Пермяков В.Н. Предотвращение тяжелых аварий и катастроф на трубо проводном транспорте / В.Н. Пермяков, П.В. Пермяков, С.Г. Орлов, В.Л. Мар тынович // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы Международной научно технической конф., 12-13 ноября 2003г. – Тюмень, 2003. – Т.1.– С. 155.
6. Пермяков В.Н. Оценка рисков систем трубопроводного транспорта / В.Н. Пермяков, П.В. Пермяков, С.Г. Орлов, В.Л. Мартынович // VII Всероссий ская научная конференция с участием иностранных ученых «Современные ме тоды математического моделирования природных и антропогенных катаст роф», III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»: Тез. докл., 13-17 октября 2003г. – Красноярск, 2003. – Т.2. – С. 210 211.
7. Пермяков В.Н. Анализ нагруженности объектов газопереработки / В.Н.
Пермяков, В.Л. Мартынович, С.Г. Орлов, П.В. Пермяков // VII Всероссийская научная конференция с участием иностранных ученых «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф», III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы защиты населе ния и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного ха рактера»: Тез. докл., 13-17 октября 2003г. – Красноярск, 2003. – Т.2. – С. 211 214.
8. Пермяков В.Н. Исследование материала трубопроводов в локальных зонах повреждений / В.Н. Пермяков, С.Г. Орлов, В.Л. Мартынович, П.В. Пер мяков // VII Всероссийская научная конференция с участием иностранных уче ных «Современные методы математического моделирования природных и ан тропогенных катастроф», III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций при родного и техногенного характера»: Тез. докл., 13-17 октября 2003г. – Красно ярск, 2003. – Т.2. – С. 214-215.
9. Пермяков В.Н. Оценка запроектного состояния парков хранения угле водородов / В.Н. Пермяков, В.Л. Мартынович, С.Г. Орлов, П.В. Пермяков // VII Всероссийская научная конференция с участием иностранных ученых «Совре менные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф», III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и тех ногенного характера»: Тез. докл., 13-17 октября 2003г. – Красноярск, 2003. – Т.2. – С. 215-216.
10. Пермяков В.Н. Повышение промышленной безопасности нефтегазо химических предприятий / В.Н. Пермяков, В.Л. Мартынович, С.Г. Орлов, П.В.
Пермяков // 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна»: Тез. докл., 25-27 фев раля 2004г. – Тюмень, 2004. – С. 84.
11. Пермяков В.Н. Безопасность эксплуатации нефтепроводов с локаль ными деформационными дефектами / В.Н. Пермяков, В.Л. Мартынович, С.Г.
Орлов, П.В. Пермяков // 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна»: Тез. докл., 25-27 февраля 2004г. – Тюмень, 2004. – С. 85.
12. Мартынович В.Л. Расчетные характеристики состояния и свойств ма териала для обоснования остаточного ресурса объектов газопереработки // 4-я региональная научно-практическая конференция «Новые технологии – нефтега зовому региону»: Тез. докл., 25-30 апреля 2005г. – Тюмень, 2005. – С. 38.
13. Пат. №37203, МПК 7 G01В 5/28. Устройство для определения формы и размеров деформационного дефекта на заглубленном трубопроводе / Пермя ков В.Н., Мартынович В.Л., Пермяков П.В., Орлов С.Г. // Изобретения и полез ные модели. – 2004. – №10.
14. Пат. №39397, МПК 7 G01В 5/20. Устройство для определения радиуса и центрального угла полусферической вмятины на трубопроводе / Пермяков В.Н., Мартынович В.Л., Пермяков П.В. // Изобретения и полезные модели. – 2004. – №21.
15. Пат. №2242739, МПК 7 G01N 3/12. Способ испытания оболочек и устройство для его осуществления / Пермяков В.Н., Теплоухов О.Ю., Пермяков П.В., Орлов С.Г., Мартынович В.Л. // Изобретения и полезные модели. – 2004. – №35.
16. Пат. №2253839, МПК 7 G01С 15/06. Устройство и способ определе ния положения оси заглубленного трубопровода / Пермяков В.Н., Мартынович В.Л., Пермяков П.В., Орлов С.Г. // Изобретения и полезные модели. – 2005. – №16.
Подписано к печати Заказ Бумага тип № Формат 6084 1/ Тираж 100 Уч. -изд. л. 1, Издательство Тюменского государственного нефтегазового университета 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.