Обзор исследований расслоений металла в стенках труб магистральных трубопроводов показывает, что для расслоений, находящихся внутри стенок труб, недостаточно полно рассмотрено влияние форм расслоений и расстояний от их границ до внутренней и наружной поверхности стенок труб, а также недостаточно изучено влияние типа расслоения, места его расположения и величины внутреннего давления на концентрацию напряжений вблизи расслоений. Расслоения металла с выходом на внутреннюю и наружную поверхность стенки трубы не рассматривались. Таким образом, анализ подходов к оценке напряженного состояния труб с расслоениями металла при строительстве, эксплуатации и ремонте трубопроводов в нефтегазовом комплексе позволяет сделать вывод о том, что недостаточно проработаны вопросы влияния расположения, формы, размеров и мест выхода расслоений на концентрацию напряжений вблизи расслоений, что не позволяет эксплуатирующим организациям выработать четкую позицию относительно данного вида дефекта. Для выявления типов расслоений, создающих наибольшую концентрацию напряжений, выполнен расчет максимальных и средних напряжений в сечениях трубопровода с расслоениями, имеющими выход на внутреннюю и наружную поверхность стенки трубы, без выхода на поверхность, и максимальных напряжений на внутренней поверхности стенки трубы на бездефектном участке при различных значениях внутреннего рабочего давления. Для проверки обеспечения запаса прочности выполнено сравнение расчетного сопротивления металла стенки трубы по пределу текучести с максимальными значениями напряжений в зонах концентрации напряжений в местах выхода расслоений на внутреннюю и наружную поверхности стенки трубы при различных значениях внутреннего рабочего давления для различных категорий трубопроводов и их участков.
Для исследования выбран трубопровод со следующими характеристиками: диаметр 325 мм, толщина стенки 9 мм, длина труб 11,5 м, марка стали – Ст4, класс прочности – К42. Механические характеристики стали: временное сопротивление разрыву – 412 МПа; предел текучести – 245 МПа; относительное удлинение – 21 %. Рабочее давление в трубопроводе: первое значение – 3,4 МПа, соответствующее текущему режиму работы трубопровода, второе значение – 5,4 МПа, соответствующее проектному давлению, третье значение – 8,1 МПа, соответствующее испытательному давлению . Имеется дефект типа «расслоение металла», длина дефекта в продольном направлении – 11,5 м, расстояние от дефекта до внутренней стенки трубы а = 4,45 мм.
Авторами данной работы разработаны три модели дефекта типа «расслоение металла»:
1. Расслоение металла без выхода на поверхность (внутри стенки трубы).
2. Расслоение металла с выходом на внутреннюю поверхность трубы.
3. Расслоение металла с выходом на наружную поверхность трубы.
Пример модели расслоения металла с выходом на наружную поверхность трубы показан на рисунке 1.
Цель расчета: определить максимальные и средние значения напряжений на бездефектном участке трубопровода и на участках с расслоениями металла без выхода на поверхность (внутри стенки трубы), с выходом на внутреннюю поверхность трубы и с выходом на наружную поверхность трубы; сравнить их для выявления типов расслоений металла, создающих наибольшую концентрацию напряжений. Принята следующая схема нагружения: отрезок трубы защемлен с двух концов опорами, на него действует внутреннее давление, вызывающее в стенке трубы кольцевые, продольные и радиальные напряжения. Так как поперечные и продольные перемещения отсутствуют, продольные напряжения равны 30 % от кольцевых, а радиальные напряжения оказывают минимальное воздействие и их можно не учитывать, то рассчитывались только кольцевые напряжения. Поскольку длина дефекта принимается равной длине трубы, решается плоская задача, поэтому длина дефекта в продольном направлении не учитывается при обосновании значений напряжений, рассчитываемых аналитическим методом. Однако когда длина дефекта в продольном направлении соизмерима с толщиной стенки трубы (короткий дефект), задача решается в трехмерной постановке.
Для проверки адекватности построенной модели выполнены расчеты максимальных и средних значений кольцевых напряжений на бездефектном участке трубопровода аналитическим методом с использованием классической формулы для кольцевых напряжений и в программном комплексе ANSYS при трех значениях внутреннего рабочего давления. Чтобы определить максимальное и среднее значения напряжений на внутренней стенке трубопровода, на ней выбраны 36 точек: по 12 точек на внутренней стенке в начале, в середине и конце трубы, и для них рассчитаны напряжения. Установлено, что максимальное напряжение на смоделированном участке трубопровода находится на концах трубы, так как труба защемлена с двух сторон. Это вызывает жесткое защемление, и такие участки создают повышенное напряжение на концах защемления (рисунок 2).
Результаты расчетов максимальных напряжений на бездефектном участке трубопровода аналитическим методом и в программном комплексе ANSYS при различных значениях внутреннего давления представлены в таблице 1.
Из полученных данных видно, что модель участка трубопровода без дефекта, построенная в программном комплексе ANSYS, является адекватной.
Выполнено моделирование в программном комплексе ANSYS участка трубопровода с тремя рассматриваемыми типами дефекта в виде расслоения металла. Каждая модель разбивалась на конечные элементы сеткой классического вида «гексаэдр», размеры сетки конечных элементов в области дефекта были уменьшены, края дефекта были скруглены для минимизации сингулярности напряжений. Задавались граничные условия по схеме нагружения, и моделировался режим работы участка трубопровода при внутреннем давлении, равном 3,4, 5,4 и 8,1 МПа. Пример результата моделирования в программном комплексе ANSYS участка трубопровода с дефектом типа «расслоение металла» без выхода на поверхность (внутри стенки трубы) при внутреннем давлении, равном 3,4 МПа, представлен на рисунке 3.
В таблице 2 представлены результаты расчета напряжений на внутренней поверхности стенки трубы на участке без дефекта и с дефектом типа «расслоение
Установлено, что для участка трубопровода с дефектом типа «расслоение металла» без выхода на поверхность максимальные значения напряжений при разных значениях давления на 5,78–7,32 % превышают максимальные значения напряжений бездефектного участка трубопровода, средние значения напряжений – на 5,23–5,55 %.
Аналогичные расчеты проведены для участка трубопровода, имеющего дефект в виде расслоения металла с выходом на внутреннюю поверхность трубы и с выходом на наружную поверхность трубы.
Результаты расчета представлены в таблицах 3 и 4.
Установлено, что для участка трубопровода с дефектом типа «расслоение металла» с выходом на внутреннюю поверхность трубы максимальные значения напряжений при разных значениях давления на 5,4–6,43 % превышают максимальные значения напряжений бездефектного участка трубопровода, средние значения напряжений – на 4,49–5,66 %.
Установлено, что для участка трубопровода с дефектом типа «расслоение металла» с выходом на наружную поверхность трубы максимальные значения напряжений при разных значениях давления на 5,32–6,37 % превышают максимальные значения напряжений бездефектного участка трубопровода, а средние значения напряжений – на 4,76–5,82 %.
На расслоениях металла с выходом на внутреннюю поверхность стенки трубы концентрация напряжений создается в определенных точках А и Б (рисунок 4), результаты расчета максимальных напряжений в этих точках при внутреннем давлении, равном 3,4, 5,4 и 8,1 МПа, приведены в таблице 5.
При давлении 3,4 МПа максимальные напряжения в точках А и Б в месте выхода расслоения на внутреннюю поверхность трубы соответственно на 23,7–31,4 % превышают напряжения в стенке трубы без расслоения, что очень существенно.
Расчеты, согласно [1], показывают, что для данной стали расчетные сопротивления для участков разных категорий составляют:
- по пределу прочности – от 159,48 МПа до 239,23 МПа;
- по пределу текучести – от 133,64 МПа до 200,46 МПа.
Из сравнения расчетных сопротивлений с вычисленными ранее действующими напряжениями на расслоениях металла можно сделать вывод, что напряжения с учетом их концентрации в местах выхода расслоений на внутреннюю поверхность не превышают расчетные сопротивления стали данного трубопровода при рабочем давлении 3,4 МПа.
При давлении 5,4 МПа максимальные напряжения в точках А и Б в месте выхода расслоения на внутреннюю поверхность трубопровода превышают максимальные напряжения на бездефектном участке соответственно на 22,88–31,99 %, при давлении 8,1 МПа – соответственно на 24,76–34,66 %.
Чтобы оценить опасность напряжений в этих точках, проведем их сравнение с расчетными сопротивлениями по пределу текучести согласно [1] для разных категорий трубопроводов. Результаты сравнения приведены в таблице 6.
Прочность по расчетному сопротивлению по пределу текучести в точках А и Б выхода расслоения на внутреннюю поверхность для давлений 3,4 и 5,4 МПа обеспечивается, но не обеспечивается для давления 8,1 МПа, за исключением участков III и IV категории, где запас прочности имеется [2].
На расслоениях с выходом на наружную поверхность трубы концентрация напряжений образуется в точке С (рисунок 5), максимальные значения напряжений в этой точке при давлении 3,4, 5,4 и 8,1 МПа для разных категорий трубопроводов представлены в таблице 7.
Выводы
1. Расслоения металла стенки трубы магистрального трубопровода без выхода на поверхность увеличивают максимальные напряжения от внутреннего давления на 5,78–7,32 % по сравнению со стенкой без расслоения металла.
2. Расслоения металла с выходом на внутреннюю поверхность стенки трубы увеличивают напряжения в зоне, прилегающей к точке выхода расслоения металла на поверхность, на 22,88–24,76 % вблизи внутренней поверхности и на 31,4–34,66 % вблизи средней окружности сечения стенки. Для данного конкретного трубопровода запас прочности при максимальном рабочем давлении на участках категории I, II и В с выходом расслоений на поверхность не обеспечивается.
Литература
1. СП 36.13330.2012 Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*. – М.: Госстрой, 2013. – 97 с.
2. Рафиков С.К., Шарнина Г.С., Аскаров Р.Г. Оценка прочности стенок труб магистральных трубопроводов с расслоениями металла. – Нефтяное хозяйство, № 3, 2023. – С. 95–99.
