Хладостойкость трубопроводов и резервуаров Севера после длительной эксплуатации (26.10.2009)

Автор: Большаков Александр Михайлович

БОЛЬШАКОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

ХЛАДОСТОЙКОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ

СЕВЕРА ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 01.02.06 – динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физико-технических проблем Севера им.В.П.Ларионова Сибирского отделения РАН и Учреждении Российской академии наук Институте машиноведения им.А.А.Благонравова РАН

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Матвиенко Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Морозов Евгений Михайлович

доктор технических наук, профессор

Разумовский Игорь Александрович

доктор технических наук, профессор

Казанцев Александр Георгиевич

Ведущая организация – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Якутский государственный университет им.М.К.Аммосова»

Защита состоится «17» декабря 2009 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д002.059.01 при Институте машиноведения им.А.А.Благонравова РАН по адресу:101990, г.Москва, Малый Харитоньевский пер., дом 4. E-mail: vmbzrv@bk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН по адресу: г.Москва, ул. Бардина, 4, тел. (499) 135-5516

Автореферат разослан «_____» ______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

В.М.Бозров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблема оценки надежности и ресурса металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур, на сегодняшний момент является наиболее актуальной задачей обеспечения техногенной безопасности сложных технических систем. Если в начале прошлого века задачей инженеров было решение задач прочности конструкций методами сопротивления материалов, а в 60-70 годах - решение задач обеспечения прочности, надежности и хладостойкости машин и конструкций, то сегодня задача стоит о комплексной оценке прочности, надежности, хладостойкости и безопасности сложных технических систем. Данные задачи, в первую очередь, ставит Федеральный закон «О промышленной безопасности», а также ускоряющиеся темпы промышленного роста и освоения природных ресурсов Северо-Востока России. Решение проблемы требуется рассматривать с нескольких позиций: усовершенствование методов диагностики и мониторинга; разработка новых методов расчета предельного состояния элементов конструкций; и экспериментальные исследования физико-механических свойств материалов. Проблемы безопасности функционирования сложных технических систем таких, как трубопроводный транспорт, энергетические установки, экскаваторы, драги и многих других, эксплуатируемых в условиях Севера, тесно связаны с задачами их диагностики, оценки и продления ресурсов. Для Крайнего Севера требуется учет ряда специфических факторов, что не позволяет в прямом виде применять методы, разрабатываемые для других регионов России и мира. Все эти факторы взаимосвязаны.

Понятия хладостойкость элементов конструкций и хладноломкость металлов практически появились в начале шестидесятых годов после успешного начала освоения космического пространства. В пятидесятые годы велись исследования поведения материалов в условиях вакуума и при температурах жидкого водорода и азота, которые в шестидесятые годы постепенно перешли в исследование порога хладноломкости сталей для производства элементов металлоконструкций массового производства, эксплуатирующихся в условиях экстремально низких климатических температурах. В семидесятые годы в результате этих исследований были созданы новые марки сталей - низколегированных, порог хладноломкости которых лежал ниже стандартизованной климатической температуры эксплуатации, особенно в условиях Крайнего Севера. Результаты этих исследований используются для предотвращения хрупких разрушений в условиях низких климатических температур с целью повышения безопасности эксплуатации опасных производственных объектов, к которым относятся большие механические системы, и (или) повышения эффективности техники в северном исполнении.

Вопросы повышения безопасности опасных промышленных объектов путем предотвращения хрупких разрушений их элементов с каждым годом становятся все более актуальными и острыми, особенно это относится к нефтегазопроводам и резервуарам, длительно эксплуатирующимся в условиях низких температур.

Анализ случаев разрушений трубопроводов и резервуаров показывает, что новые металлоконструкции всегда останавливают трещину (свищ), а старые рассыпаются на осколки. Можно предположить, что за время длительной эксплуатации в металле конструкций накапливается столько повреждений, что любое нарушение сплошности тела, например, трубы приводит к спонтанному разрушению осколочного характера. Отсюда вытекает общая постановка задачи исследований опасных производственных объектов типа газонефтепроводов большого диаметра после длительной эксплуатации – каким образом обнаруженные при проведении диагностики стареющих металлоконструкций дефекты ранжировать не только по геометрическим размерам и формам, но и по степени риска возникновения катастрофических аварий с учетом накопления повреждений в процессе эксплуатации. Очевидно, что к методикам поверочного расчета на прочность, таких как методики расчета по скорости коррозии металла; методики расчета трещиностойкости металла; методики расчета на усталость металла; методики расчета узлов оборудования, работающего в условиях ползучести, должны быть добавлены методики расчета хладостойкости по результатам диагностики металлоконструкций в зависимости от срока эксплуатации.

Решение проблем повышения надежности, прогнозирования несущей способности и остаточного ресурса машин и конструкций, при эксплуатации в условиях Крайнего Севера, затруднено влиянием низких климатических температур на изменение физико-механических свойств материалов. Анализ современного состояния исследований в данной области показывает, что существующие расчетные методы базируются, в основном, на неизменности свойств и сопротивляемости зарождению, развитию и распространению трещины и не в полной мере учитывают: влияние изменения структуры поврежденности на процессы пластического деформирования; влияние неоднородности напряженно-деформированного состояния на предельные характеристики упрочняющихся конструкционных сталей.

Повышение надежности и несущей способности металлоконструкций и сооружений, работающих при низких климатических температурах, требует решения фундаментальных задач, а именно: разработка феноменологических основ оценки хладостойкости от материала до конструкции по физически обоснованным параметрам; оценка предельных параметров в зависимости от структурной поврежденности; разработка методологических алгоритмов, оценки хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации. Комплексные исследования по оценке хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера ранее не проводились.

Цель диссертационной работы заключается в развитии научных основ анализа остаточного ресурса и в разработке методов и критериев оценки хладостойкости труб и сосудов при статических нагрузках после длительной эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью, требовалось решение следующих задач:

- путем проведения комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин разрушений магистральных трубопроводов и резервуаров Севера выявить и систематизировать основные факторы, влияющие на надежность и прочность после их длительной эксплуатации;

- изучить физико-механические свойства трубных сталей северного исполнения, создать базу данных и оценить характеристики сопротивления хрупкому разрушению материалов конструкций длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;

- провести экспериментальные исследования механических свойств и характеристик статической трещиностойкости на образцах моделированием потери пластичности в виде поврежденности и низких температур и обосновать предельное состояние при разрушении в результате потери пластичности;

- исследовать границы потери пластичности на образцах, провести корреляцию с методами неразрушающего контроля и сформулировать критерий хрупкого разрушения при потере пластичности;


загрузка...