Совершенствование методики оценки циклической долговечности сварных соединений технологических трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Шарафутдинов, Рустем Афгатович

• Шарафутдинов, Рустем Афгатович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шарафутдинов, Рустем Афгатович

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Классификация технологических трубопроводов

1.2 Конструктивные элементы технологических трубопроводов

1.2.1 Узлы и детали трубопроводов

1.2.2 Трубопроводная арматура

1.3 Виды соединений трубопроводов

1.4 Электрическая дуговая сварка

1.4.1 Ручная дуговая сварка

1.4.2 Автоматическая сварка под слоем флюса

1.4.3 Электрошлаковая сварка

1.4.4 Сварка неплавящимся электродом

1.4.5 Сварка плавящимся электродом

1.5 Механическая неоднородность сварных соединений

1.6 Особенности усталостного разрушения

1.7 Теории усталостного разрушения

1.8 Примеры усталостного разрушения сварных соединений технологических трубопроводов

1.9. Методы расчета циклической долговечности сварных соединений

1.9.1 Методы, основанные на понятии концентрация напряжений

1.9.2 Методы, основанные на группировке сварных соединений по категориям

1.9.3 Методика расчета усталостной прочности и долговечности сварных соединений, предложенная В.А. Винокуровым

1.9.4 Методика расчета циклической долговечности, предложенная Н.А. Махутовым

2 Описание объекта исследования

3 Описание метода исследования

3.1 Построение трехмерной модели объекта исследования

3.2 Применение метода конечных элементов для решения инженерных задач

3.3 Расчет напряженно-деформированного состояния объекта исследования в программном комплексе АТ^УБ

3.4 Расчет напряженно-деформированного состояния объекта исследования с учетом циклических нагрузок, возникающих от вибрации компрессора

4 Оценка влияния геометрии трубопроводной обвязки на циклическую долговечность сварного соединения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методики оценки циклической долговечности сварных соединений технологических трубопроводов»

Актуальность работы. В-настоящее время на объектах нефтеперерабатывающей- промышленности одним из основных видов оборудования являются машины роторного типа, надежная работа которых обеспечивает непрерывность технологического процесса. Известно, что роторные машины эксплуатируются в условиях воздействия вибрации, основной причиной которой является неуравновешенность масс конструктивных элементов ротора. В свою очередь вибрация передается на сопряженные с роторным* оборудованием технологические трубопроводы.

Известно, что под действием динамических нагрузок, напряженное состояние конструкции меняется циклически, что в конечном итоге приводит к развитию усталостных трещин. Проблеме усталостного-разрушения посвящены исследования C.B. Серенсена, B.C. Ивановой, В.П. Когаева, А.П. Русенкова,

A.A. Шанявского, В.А. Татаринцева, В.Ф. Терентьева и т.д. Как показывает практика эксплуатации- трубопроводных систем, чаще всего усталостному разрушению подвержены сварные соединения из-за своих специфических особенностей, таких как механическая и структурная неоднородность, влияние термического воздействия сварки на свойства основного металла, возможность образования при сварке технологических дефектов и т.д.

Вопросам прогнозирования усталостной прочности сварных соединений уделяется большое внимание, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли H.A. Махутов, В:И. Махненко,

B.А. Винокуров, Г.А. Николаев, В.П. Леонов, А.В= Ильин, Д.Д. Харрисон, П.Д. Хагсен и др.

Определение циклической долговечности сварных соединений технологических трубопроводов, сопряженных с роторным оборудованием, возможно с учетом новых подходов к оценке усталостной прочности и долговечности, основанных на изучении локального напряженного состояния в зоне возможного разрушения. Это позволит на стадии проектирования трубопровода выявить области с максимальной вероятностью усталостного разрушения и внести в систему необходимые конструктивные изменения.

Цель работы: оценка долговечности сварных соединений технологических трубопроводов с учетом циклических нагрузок, возникающих от вибрации сопряженного роторного оборудования»

Задачи>исследования:

1) анализ статистических данных по усталостному разрушению сварных соединений трубопроводов с 2002'по 2008 гг. на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности России;

2) сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводной обвязки поршневого компрессора под действием статических нагрузок и под действием динамических нагрузок в.виде циклических перемещений, возникающих от вибрации компрессора;

3) построение расчетной, кривой усталости и оценка долговечности наиболее нагруженного сварного соединения трубопроводной обвязки компрессора;

4) оценка долговечности сварного соединения при различных геометрических размерах трубопроводной обвязки компрессора;

5) разработка методики, позволяющей5 прогнозировать долговечность сварных соединений трубопроводной обвязки роторного оборудования.

Научная новизна. Обнаружено, что совместное воздействие напряжений, находящихся в упругой области, и низкочастотных колебаний на частоте 6,25 Гц, приводит к возникновению трещины в сварном соединении, находящемся в области максимальных перемещений технологического трубопровода, сопряженного с роторным оборудованием.

Определен коэффициент (рс = 0,85, учитывающий снижение циклической долговечности сварного соединения конструктивных элементов из стали 20, полученного полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа.

Практическая ценность работы. Разработанная методика оценки циклической долговечности сварных соединений технологических трубопроводов, сопряженных с роторным оборудованием принята к внедрению и используется в ООО «НОРТЭКС», а также в учебном процессе ГОУ ВПО УГНТУ при чтении лекций по дисциплине «Проектные и конструкторские работы при реконструкциях» направления 150400 «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались: на 59-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2008 г.); 7-ой научно-технической конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности- и долговечности конструкций и методы их решения» (г. Санкт - Петербург, 2008 г.); конференции «Инновации, проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий в машиностроении РБ» (г. Уфа, 2009 г.); Международной учебно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (г. Уфа, 2009 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (г. Салават, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2010» (г. Москва, 2010 г.); 7-ой Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2010 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 105 наименований, 3 приложения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Шарафутдинов, Рустем Афгатович

Основные выводы

1. Установлено, что основным повреждающим фактором, приводящим к преждевременному разрушению сварных соединений технологических трубопроводов, сопряженных с роторным оборудованием, является вибрация, частота которой равна частоте вращения ротора. При этом значение* амплитуды вибрации находится-в пределах допускаемых нормативной документацией.

2. Показано, что при'учете-перемещений трубопровода, возникающих от вибрации роторного оборудования, характер распределения эквивалентных напряжений аналогичен распределению напряжений от действия статических нагрузок. Кроме того, значение амплитуды напряжений не зависит от геометрии трубопроводной обвязки. Для объекта исследований - поршневого компрессора - амплитуда напряжений в сварном соединении, находящемся в области максимальных перемещений трубопроводной- обвязки, возникающих от действия1 вибрации, составляет 24,8 МПа.

3. Определено, что долговечность сварного соединения отличается от долговечности основного металла конструктивных элементов технологического трубопровода, находящегося под действием циклических нагрузок. Учитывая данный факт, для оценки долговечности трубопровода при проектных расчетах предложен коэффициент срс = 0,85, учитывающий снижение циклической долговечности сварных соединений конструктивных элементов из малоуглеродистой стали, полученных полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа.

4. Показана возможность увеличения долговечности сварных соединений трубопроводной обвязки, эксплуатирующейся под действием вибрации от сопряженного роторного оборудования, за счет подбора геометрических размеров конструктивных элементов. Так, для исследуемой трубопроводной обвязки поршневого компрессора за счет изменения геометрических размеров прямых участков, находящихся в области воздействия вибрации, показана возможность увеличения долговечности сварного соединения в месте врезки осевого штуцера в буферную емкость нагнетания в 7 раз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шарафутдинов, Рустем Афгатович, 2010 год

1. Тавастшерна Р.И., Бесман А.И. и др. Технологические трубопроводы промышленных предприятий. -М.: Стройиздат, 1991. 655 с.

2. Тавастшерна Р.И. Изготовление и монтаж технологических трубопроводов. М.: Стройиздат, 1980. - 299 с.

3. ГОСТ 12.1.005 — 88 «Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

4. ГОСТ 12.1.007 — 76 «Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».

5. ГОСТ 12.1.004 91 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования».

6. Уильям Ф. Маршал. Разработка плана эффективного ремонта трубопроводов // Нефтегазовые технологии, 1997. № 2. - С. 29 - 33.

7. Греб A.B. Повышение надежности трубопроводных коммуникаций технологических установок: Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук,- Уфа: УГНТУ, 1999.-132 с.

8. ПБ 10-573-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды».

9. ПУГ-69 «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов».

10. ПБ 03-517-02 «Общие правила промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов».

11. ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожа-роопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств».

12. ПБ 03-585-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов».

13. РД 38.13.004-86 «Эксплуатация и ремонт технологических трубопролводов под давлением до 10,0 МПа (100 кгс/см )».

14. Фарамазов С. А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. М.: Химия, 1978. - 352 с.

15. Персион A.A., Гарус К.А. Монтаж трубопроводов. Справочник рабочего. К.: Будивельник, 1987. - 207с.

16. ГОСТ 52760-2007 «Арматура трубопроводная. Требования к маркировке и отличительной окраске».

17. ГОСТ 6357-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба трубная цилиндрическая».

18. ГОСТ 6211-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба трубная коническая».

19. ГОСТ 16037-80 «Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

20. Кальнер В.Д. Цементация и нитроцементация стали. М.: Машиностроение, 1973. - 40 с.

21. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М.: Машиностроение, 1989. - 336 с.

22. Мазель А.Г. Развитие сварки в газовой и нефтяной промышленности в» послевоенный период // Сварочное производство, 1996. №4. - С. 29-33.

23. Теория сварочных процессов / Под ред. Фролова В.В.- М.: Высшая школа, 1988.-559 с.

24. Петров Г.Л., Туманов A.C. Теория сварочных процессов.- М.: Высшая школа, 1967. 507 с.

25. Малыш В. М., Сорока М. М. Электрическая сварка. Киев: Техника, 1986.- 111 с.

26. Фоминых В.П., Яковлев А.П. Ручная дуговая сварка. Изд. 7-е, испр. и доп. Учебник для СПТУ. М.: Высшая школа, 1986. - 288 с.

27. Чернышов Г.Г., Мордынский В. Б. Справочник молодого электросварщика по ручной сварке. М.: Машиностроение, 1987. - 66 с.

28. ГОСТ 9087-81 «Флюсы сварочные плавленые».

29. Белинский С.М., Гарбуль А.Ф., Гусаковский В.Г. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие. Л.:Энергоатомиздат, 1986. - 656 с.

30. Стеренбоген Ю.А. Электрошлаковая сварка М.:Машгиз, 1959. - 44 с.

31. Юхин H.A. Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в защитных газах. М: СОУЭЛО, 2007. - 50 с.

32. Юхин H.A. Механизированная дуговая сварка плавящимся электродом в защитных газах. М: СОУЭЛО, 2008. - 74 с.

33. СА-03-003-07 «Расчеты на прочность и вибрацию стальных технологических трубопроводов».

34. Шоршоров М.Х., Абрамов В.В., Алехин В.П. О природе задержки роста прочности соединения при сварке давлением с нагревом разнородных материалов с резко различной сопротивляемостью пластической деформации // Фи-ХОМ, 1990. № 1. - С. 96-104.

35. Госвами Г.Л., Дилип К. Сварка фиттингов для реакторов на тяжелой воде, работающих под давлением. Лазер как альтернатива // ФиХОМ, 1990. -№>3.-С. 106-112.

36. Алексеев Ю.Л., Смирнова Г.М. Образование сварного соединения стали и титана взрывом // ФиХОМ, 1996. №1. - С. 97-100.

37. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. М.: Высшая школа, 1969. —256 с.

38. Стеклов О.И., Лапшин Л.Н. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. — М.: Машиностроение, 1990. 384 с.

39. Иващенко Г.А., Новикова Д.П. Структурная и механическая неоднородность ЗТВ и ударная прочность сварных соединений конструкционных сталей // Автоматическая сварка, 1988. №12. - С. 5-8.

40. Батаев A.A., Тушинский Л.И., Батаев А.И. и др. Свойства сталей с ге-терофазной структурой // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1998.-С. 56-61.

41. Dorling D.V., Loyer A., Rüssel A:N. et al. Gas metal arc welding used on-mainline 80 ksi pipeline in Ganada // Welding journal, 1992. ,- P. 55-61.

42. Denys R.M. The implications of local brittle zones // Welding design and fabrication, 1989. P. 42-45.

43. Denys R.M. Part 2 Implications of local brittle zones // Welding: design and fabrication, 1990. - P. 64-65.

44. Бакши O.A. Механическая неоднородность сварных соединений: Дисс. докт. техн. наук. Челябинск, 1967. - 324 с.

45. Бакши O.A. Деформационная способность (пластичность); сварных стыковых: соединений и пути ее регулирования // Вопросы .сварочного производства: Сб. науч. тр. ЧИП№63. Челябинск, 1968. G. 5-24.

46. Зайнуллин P.C., Халимов A.F. Работоспособность механически; неоднородных сварных соединений: Учебное пособие. Уфа: УНИ, 1989. - 55 с.

47. Терентьев В.Ф. Усталостная'прочность металлов и сплавов. М.: Ин-термет Инжиниринг, 2002. - 287 с.

48. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков A.1I. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и-долговечность. М.: Машиностроение, 1985. -224 с. • ■

49. Труфяков В.И., Дворецкий В.И., Михеев П.П. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. Киев: Hayкова думка, 1990. - 225 с.

50. Афанасьев H.H. Статистическая теория усталостной прочности материалов. Киев: Изд-во АН УССР, 1953. - 105 с.

51. Когаев В. П., Серенсен С. В. Статистическая методика оценки влияния: концентрации напряжений на сопротивление усталости // Завод, лаб.- 1962, № 1.-С. 79-87. '

52. СеренсенС. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая-способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. -488 с.

53. Weibull W. Basic aspects of fatigue // Proc. of Colloquium on Fatigue, Stockholm 1955.-Berlin: Springer-Verlag, 1956.- P: 153-162.

54. Иванова B.C. Структурно-энергетическая теория усталости металлов //Циклическая-прочность металлов; М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 11-23.

55. Иванова В.С, Терентьев В; Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия. 1975.- 455 с. .

56. Иванова В.С, Терентьев В. Ф: Усталость и хрупкость металлических материалов. М.: Наука, 1968.- 215 с.

57. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиз-дат, 1963. - 272 с. . - , •

58. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом, усталости. М.: Машиностроение,; 1969:-504 с. .

59. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов; Киев: Наук, думка, 1971.-267 с. ' . л

60. Трощенко; В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев: Наук, думка, 1981. - 343 с.

61. Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов: — Киев: Наук, думка, 1971.-267 с.

62. Трощенко В. Т., Хамаза JT А., Цыбанев Г. В. Методы ускоренного определения пределов выносливости металлов на основе деформационных и энергетических критериев. Киев: Наук, думка, 1979: - 105 с.

63. Трощенко. В. Т., Шотт Г. А. Методика прогнозирования долговечности индивидуальных образцов в условиях многоступенчатого нагружения // Иробл. прочности. 1979. - № 6. - С. 3 - 5.

64. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, №3; 2002.

65. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, № 6, 2003.

66. Информационный бюллетень Госгортехнадзора.России, № 6, 2004.

67. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, № 6, 2005.

68. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, № 6, 2006.

69. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, № 6, 2007.

70. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, № 6, 2008.

71. Информационный бюллетень Госгортехнадзора России, № 6, 2009.

72. Miller KJ., O'Donnel WJ. The fatigue limit and its elimination // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 1999. Vol. 22, N 7. P. 545-558.

73. Пархоменко A.A. Метод оценки долговечности сварных соединений с угловыми швами по критериям локального напряженного состояния: Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2009. - 152 с.

74. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. Киев: Наук, думка, 1973.-213 с.

75. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. АН УССР. Ин-т электросварки им. Е.О. Патона; Под ред. В.И. Труфякова. Киев: Наук, думка, 1990. - 256 с.

76. Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование: Учеб. для вузов / Под ред. Г.А. Николаева. М.: Высш. шк. 1990. -446 с.

77. Навроцкий Д.И. Расчет сварных соединений с учетом концентрации напряжений. JL: Машиностроение, 1968. - 170 с.

78. СНиП II23-81 «Стальные конструкции».

79. Винокуров В.А., Куркин'С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. / Под ред. Б.Е. Патона- М.: Машиностроение, 1996. 576 с.

80. Винокуров В.А., Аладинский В.В., Дубровский В.А. Концентрация напряжений в соединениях с лобовыми швами и ее учет в расчетах на выносливость // Автоматическая сварка. 1987. №7. - С. 18-23.

81. Черногоров A.JI. Обоснование требований к качеству сварных соединений с позиции влияния их геометрии на работоспособность несущих системсельскохозяйственных машин: Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук-Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1990. 208 с.

82. Панкратьев С.А. Оценка ресурса прочности трубопроводных систем, подверженных вынужденным колебаниям на резонансной частоте: Дисс. на соиск. уч. степени^ канд. техн. наук. Уфа: УГНТУ, 2009. - 107 с.

83. Березин И .Я., Чернявский О.Ф. Сопротивление материалов. Усталостное разрушение металлов и расчеты на прочность и долговечность при переменных напряжениях: Учебное пособие. Под общей редакцией О.Ф. Чернявского. Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003. - 76 с.

84. Шанявский A.A. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. Уфа: Монография, 2003. - 803 с.

85. Wei R.P. Environmental considerations for fatigue cracking"// Proc. of. Intern. Conf. of Fatigue in the Very High Cycle Regime, 2-4 July, 2001. Vienna, Austria, 2001 1 Eds. S. Stanzl-Tschegg and H. Mayer. P. 255-266.

86. Калашников С.А. Влияние условий эксплуатации на усталостную прочность оболочковых конструкций из стали 09Г2С: Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Уфа: УГНТУ, 1998. - 125 с.

87. ОСТ 36-146-88 «Опоры стальных технологических трубопроводов на Рудо 10 МПа»

88. Антипин Д.Я. Прогнозирование усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций-пассажирских вагонов с учетом их нагруже-ненности при движении: Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук.- Брянск: БГТУ, 2005.- 160 с.

89. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер: с англ. -М.: Мир, 1986. 318 с.

90. Зубченко A.C., Колосков M.M., Каширский Ю.В. и др. Марочник сталей и сплавов. 2 изд., доп. и исп. М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

91. РТМ 38.001-94 «Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов».

92. Шарафутдинов P.А. Анализ вибрации трубопроводов при проектировании / Шарафутдинов Р.А., Закирничная М.М. // 59-я научно-техническаяIконференция студентов, аспирантов и молодых ученых: сборник тезисов и докладов Уфа: УГНТУ, 2008. - С. 168 - 169/

93. Закирничная М.М., Шарафутдинов Р.А. Влияние вибрации на напряженно-деформированное состояние технологических трубопроводов // Научно-технический журнал «Управление качеством в нефтегазовом комплексе», 2010. №2. - С. 34 - 36.