Для определения ресурса безопасной эксплуатации длительно эксплуатируемых нефтепроводов необходимо оценить их напряженно-деформированное состояние (НДС), для чего нужно проанализировать концентрацию напряжений в сварных соединениях и особенности распределения механических характеристик металла по зонам сварных соединений этих нефтепроводов.
Расчетные формулы для определения коэффициентов концентрации напряжений сварных соединений не учитывают всего многообразия и сложности геометрических форм и размеров сварных соединений, поэтому для определения коэффициентов концентрации напряжений таких сварных соединений использовался метод конечных элементов.
С использованием метода конечных элементов проведена оценка НДС сварных соединений длительно эксплуатируемого нефтепровода, выполненных газопрессовой сваркой (срок эксплуатации нефтепровода – 52 года, марка стали – Ст4сп) по упругой и упругопластической моделям. В работе использован вычислительный комплекс программ ANSYS. При формировании сетки конечных элементов в качестве базового конечного элемента приняты конечные элементы первого порядка – трехузловые и четырехузловые элементы, показанные на рисунке 1.
На рисунке 2 показаны исходные конечно-элементные модели сварного соединения нефтепровода в условном изображении, используемые в качестве расчетной схемы.
Сетка конечных элементов адаптировалась к четырем типам геометрических форм сварных соединений, выполненных газопрессовой сваркой, представленных на рисунке 3. Очертания сварных соединений выбраны на основе анализа данных диагностического обследования действующего нефтепровода внутритрубными снарядами, детального обследования нефтепровода методами неразрушающего контроля и исследованием катушек, вырезанных при капитальном ремонте. Для исследования выбраны сварные соединения с дефектами в виде усиления и грата (тип 1 и 2), а также сварное соединение с радиальными смещениями кромок и поворотом плоскости сплавления (тип 3) и с радиальными смещениями кромок и острыми углами, образовавшимися при выдавливании металла зоны влияния (тип 4).
Общее уравнение для расчета НДС сварных соединений по упругой модели:
где ε, εр, εт – соответственно общие, пластические и термические деформации;
[D] – матрица упругих характеристик материала, элементы которой определены через константы материала Е, ν.
По упругой модели расчеты НДС металла сварных соединений выполнены отдельно на действие внутреннего давления и на действие суммарных продольных напряжений при следующих граничных условиях:
- сложность геометрической формы, неравномерность кольцевого сечения;
- не учитывается давление грунта, т.к. известно, что на таких глубинах оно намного меньше внутреннего давления и напряжений в стенке трубы;
- трубопровод защемлен грунтом в продольном направлении;
- на внутренней поверхности трубы учитывается внутреннее давление и перепад температур;
- по боковым границам конечно-элементной модели:
- для расчета НДС от действия внутреннего давления принимается закрепление системой стержней;
- для расчета НДС от действия суммарных продольных напряжений принимается условие совместности деформаций и задается величина суммарных продольных напряжений от действия внутреннего давления и температурного перепада.
Для расчетов приняты рабочее давление, равное 6,4 МПа, и температурный перепад Δt = +10 ºС.
Анализ результатов расчетов по упругой модели от действия внутреннего давления показывает, что в газопрессовых сварных соединениях типа 2 значение коэффициента концентрации главных напряжений и интенсивностей напряжений не превышает 3. Значительные неравномерности распределения изгибных и касательных напряжений даже при общем меньшем уровне их значений могут привести к снижению надежности газопрессовых соединений, особенно на криволинейных участках нефтепровода и на выходе из насосных станций.
В результате анализа НДС сварных соединений по упругой модели от действия суммарных продольных напряжений получены распределения изополос главных напряжений и интенсивностей напряжений для сварных соединений 1, 2, 3, 4 типов, приведенные на рис. 4.
По упругой модели от действия суммарных продольных напряжений рассчитаны максимальные значения главных напряжений и интенсивностей напряжений в местах наибольшей концентрации напряжений в металле сварных соединений и коэффициенты концентрации напряжений, приведенные в таблице 1.
Из анализа результатов видно, что для сварных соединений с дефектами в виде усиления и грата (тип 1 и 2) при отсутствии радиальных и угловых смещений свариваемых кромок труб значения коэффициентов концентрации интенсивности напряжений равны 2,98–2,99 на закругленных участках сварного стыка. Для сварного соединения с радиальными смещениями кромок и поворотом плоскости сплавления (тип 3) коэффициент концентрации напряжений равен 4,5, а для сварного соединения с радиальными смещениями кромок и острыми углами, образовавшимися при выдавливании металла зоны влияния (тип 4), значение коэффициента концентрации напряжений достигает 9,2.
Более подробный анализ результатов оценки концентрации напряжений в сварных соединениях, выполненных газопрессовой сваркой, по упругой модели приведен в работе [2]. Следует отметить, что в целом, учитывая сложность форм газопрессовых сварных соединений, упругая модель не учитывает различия в механических характеристиках зон сварных соединений.
Исследования, выполненные авторами, показали, что сварные соединения труб нефтепроводов характеризуются значительными геометрическими отклонениями формы и неравномерностью распределения механических характеристик по зонам сварных соединений. Так, например, в сварных соединениях, выполненных газопрессовой сваркой, предел прочности и предел текучести металла зоны сварки отличаются от предела прочности и текучести основного металла на 19–26 %, в сварных соединениях, выполненных электродуговой сваркой, – на 2–6 %. Для сварных стыков, выполненных газопрессовой и электроконтактной сваркой, в 60 % случаев характерно отклонение поверхности сплавления от вертикали при осаживании нагретых концов труб. Величина угла поворота поверхности сплавления зависит от радиальных и угловых смещений нагретых кромок при центровке и осаживании, при этом происходит вытеснение размягченного металла с образованием грата, неровностей и подрезов. Различие в механических характеристиках основного металла и металла зоны сварки газопрессовых и электроконтактных стыков с учетом большой асимметрии их форм и наклона поверхности сплавления требуют уточнения границ зон с различными механическими характеристиками сварных соединений, и анализ НДС сварных соединений необходимо проводить с учетом выявленных неравномерностей.
Оценка НДС сварных соединений по нелинейной упругопластической модели осуществлялась методом касательной жесткости Ньютона – Рафсона. Общее уравнение для расчета НДС по нелинейной упругопластической модели
где [D] – матрица упругости материала, определяемая по характеристикам материала Е, n, G и зависящая от уровня деформаций (включая пластические).
Для расчета НДС сварных соединений по нелинейной упругопластической модели зона сварного соединения разбивалась на участки со значениями твердости и других механических характеристик металла одного уровня. Каждый такой участок является конечным элементом – твердым телом с характеристиками пластичности, прочности и деформируемости. Основой для определения границ участков являются данные измерений микротвердости основных типов сварных соединений, выполненных газопрессовой сваркой.
Определение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 алмазной пирамидой с углом при вершине 136º и нагрузкой 100 г. Диаграммы распределения микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения типа 1 представлены на рис. 5
По результатам исследований микротвердости установлено:
- микротвердость металла зоны сплавления газопрессового сварного стыка на 4 % ниже микротвердости металла зоны влияния и на 3 % выше значения микротвердости основного металла;
- распределение микротвердости по зонам газопрессового сварного соединения носит неравномерный характер. Максимальное значение микротвердости выявлено на расстоянии 6–7 мм от зоны сплавления и выше значения микротвердости основного металла на 7 %.
Для газопрессовых сварных стыков типа 3 и 4 использовались значения микротвердости, замеренные по направлению, перпендикулярному линии сплавления стыков. Каждый участок со значениями твердости одного уровня является конечным элементом – твердым телом с характеристиками пластичности, прочности и деформируемости, характеризующими значениями твердости. Для сварных стыков типа 3 и 4 со значительными радиальными смещениями, формирование которых проходило с наклоном поверхности сплавления и большим деформированием металла, максимальное значение твердости смещено в сторону наибольшего деформирования металла и превышает значение твердости основного металла на 30–36 %. В результате расчетов получены твердотельная модель нелинейных упругопластичных элементов, распределения по участкам сварного стыка типа 3 изополос главных напряжений σ1, изополос полных упругопластических деформаций растяжения εΣ pl и осевых упругопластических деформаций удлинения εхpl. Выявлено направление развития зон сдвиговых деформаций 
под действием касательных напряжений τхy для образца типа 3.
На рис. 6 приведена твердотельная модель нелинейных упругопластических конечных элементов для сварного соединения типа 3.
В результате расчетов по нелинейной упругопластической модели получены распределения изополос главных напряжений (рис. 7а), изополос полных упругопластических деформаций растяжения (рис. 7б) по зонам сварного соединения типа 3
Для сварного соединения типа 3 установлено распределение интенсивности упругопластических деформаций растяжения и контуры пластической зоны в области конструктивного концентратора, сформированного поверхностью трубы и наклоненной к ней под острым углом выступающей части торцевой плоскостью присоединяемой трубы вследствие ее радиального смещения. Для сварного соединения типа 3 установлено распределение касательных напряжений по зонам сварного соединения (рис. 8) и определено направление развития зон сдвиговых деформаций под действием касательных напряжений. Выявлено, что происходит эволюция формы зоны пластических деформаций по мере роста растягивающих номинальных напряжений в стенке трубы σн, и развитие области происходит в направлении действия максимальных касательных напряжений
Определен коэффициент концентрации напряжений при упругопластических деформациях Кσ по интерполяционной формуле Нейбера для сварного соединения типа 3, использованный для расчета напряжений при определении ресурса безопасной эксплуатации действующего нефтепровода [1].
Литература
1. Шарнина Г.С., Рафиков С.К. Определение ресурса нефтепроводов на основе анализа режима нагружения и принципа линейного накопления повреждений. – Деловой журнал Neftegaz. RU, 2021, № 12 (120). – С. 56–59.
2. Шарнина Г.С. Обеспечение безопасной эксплуатации и долговечности длительно эксплуатируемых нефте- и нефтепродуктопроводов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Уфа, 2003. – 152 с.
