Новая сварная конструкция гасителя протяженных разрушений магистральных газопроводов

12.07.2018
В последние годы в нашей стране и за рубежом существенно снижена вероятность появления протяженных хрупких разрушений при эксплуатации магистральных газопроводов, что явилось результатом большой работы, выполненной советскими и зарубежными научно-исследовательскими институтами, проектными организациями и заводами. Важную роль здесь сыграло значительное повышение вязкости трубных сталей при одновременном росте их прочности. На качественно новый уровень поднялась технология выплавки и прокатки стали, усовершенствованы технологии изготовления труб и сооружения магистральных газопроводов. Полностью исключить или существенно снизить вероятность зарождения и распространения протяженных вязких разрушений в реальном газопроводе длиной в несколько тысяч километров не представляется возможным. Поэтому особенно актуальной становится проблема уменьшения протяженности вязких разрывов при строительстве газопроводов в труднопроходимых северных районах.

С ростом давления газа и диаметра труб значительно возрастает запас потенциальной энергии в газопроводе, и задача ограничения размеров разрушения усложняется. Ряд исследователей считают, что локализация вязких разрушений с заданной вероятностью может быть обеспечена путем дальнейшего повышения вязкости стали до значений, в 1,5-2 раза превышающих достигнутый ныне уровень. Между тем необходимо учитывать, что высокоскоростное деформирование материала стенки трубы в процессе ее разрушения затрудняет пластическую деформацию металла и исключает полную реализацию достигнутых достаточно дорогой ценой повышенных вязких свойств стали, определяемых на стандартных образцах. Ограничены и возможности сталеплавильного и листопрокатного производства при выпуске больших количеств экономически приемлемой стали с требуемым уровнем вязкости и прочности. В этих условиях наиболее целесообразным путем локализации протяженных вязких разрывов является строительство газопроводов из труб, исключающих хрупкие разрушения, с установкой в определенных местах специальных стопорных устройств-гасителей, гарантирующих остановку движущейся вязкой трещины в пределах их длины.

В настоящее время по гасителям имеется обширная патентная литература. Однако предлагаемые конструктивные решения не лишены существенных недостатков, что затрудняет их применение. В ИЭС им. Е.О. Патона выполнены работы по изысканию и разработке сварной конструкции гасителя с многослойной стенкой, пригодного для массового применения в действующих и вновь строящихся газопроводах. Ставилась задача создать гаситель, конструктивные особенности стенки которого обеспечивали бы остановку движущейся трещины в пределах его длины.

Рассмотрим тонкую растянутую пластинку, в которой под прямым углом к действующим усилиям движется вязкая трещина. Остановить такую трещину можно путем установки на пути ее движения барьеров в виде накладок или устройства разрыва сплошности. Накладки воспринимают упругую энергию, освобождающуюся при движении трещины, препятствуют раскрытию ее берегов и таким образом останавливают разрушение. В случае выхода трещины на разрыв сплошности скачкообразно исчезает напряженно-деформированное состояние, присущее ее вершине, и поскольку на противоположной границе этого барьера отсутствуют условия для зарождения новой трещины, разрушение остановится и в этом случае.

Распространение трещины в стенке газопровода, в отличие от растянутой пластинки, происходит под действием как освобождения упругой энергии стенки трубы, так и энергии истекающего газа. При этом последняя значительно превышает упругую энергию стенки и оказывает решающее воздействие на процесс распространения и остановки разрушения. Поэтому воспринять и погасить такую большую энергию применением специальных устройств весьма сложно. В данном случае более рационально остановить разрушение путем изменения продольной траектории движения трещины на геликоидальную.

Известно, что возможность остановки разрушения путем изменения направления распространения трещины зависит от соотношения скоростей продольного продвижения трещины и радиального перемещения ее берегов непосредственно за вершиной. Изменить это соотношение можно с помощью барьеров, устанавливаемых на пути распространения трещины. Эти барьеры должны резко уменьшать продольную скорость трещины, чем будут созданы условия для интенсивного раскрытия ее берегов и изменения траектории движения трещины на геликоидальную. Именно такими барьерами являются бандаж (накладка) и разрыв сплошности, но механизм остановки ими разрушения несколько иной, чем в растянутой пластинке.

Наиболее простым конструктивным решением создания разрыва сплошности в стенке является прорезь. Однако в ряде конструкций (например, в газопроводах) по условиям эксплуатации не допускается прорезь во всю толщину стенки. Разработка в ИЭС им. Е.О. Патона многослойных труб для магистральных газопроводов, отход от традиционного представления о стенке трубы как монолитной конструкции позволили предложить новый тип барьера в виде многослойного пакета, часть слоев которого имеет сквозные прорези, расположенные под углом к вероятному пути распространения трещины.

Теоретический анализ такой конструкции показывает, что наличие прорезей даже в части слоев стенки может обеспечить необходимые условия для остановки трещины во всех ее слоях. Прорезь в этом случае играет двойную роль: останавливает трещину в слое, в котором она выполнена, и обеспечивает создание «бандажа» для выше- и нижележащих слоев, не имеющих прорезей, в виде неразрушенного участка стенки за прорезью. Остановка трещины бандажом рассмотрена в работе.

В ИЭС были проведены сравнительные испытания различных типов барьеров для проверки их эффективности в сопоставимых условиях. Лабораторные испытания проводились на образцах типа Робертсона. Несмотря на то, что при испытаниях подобных образцов потенциальная энергия в системе образец-машина на единицу ширины образца существенно меньше, в реальном газопроводе, ее значение все же превышает уровень, необходимый для разрушения образца. Поэтому такие испытания правомерны на этапе сравнительной оценки отдельных типов барьеров. В дальнейшем наиболее перспективные из них подлежали проверке в натурных условиях.

Образцы сечением 400x18 мм изготавливали из стали марки 09Г2С и в процессе испытания растягивали на термостенде до напряжений с = 0,7от, что примерно соответствовало величине расчетных напряжений в стенке магистральных газопроводов. Упругая энергия системы термостенд-образец составляла 85 Дж на 1 см ширины образца. Охлаждение осуществляли с таким, расчетом, чтобы в момент инициирования трещины температура образцов в зоне барьера была -20 °С. В таблице приведены схемы испытанных образцов, типы барьеров и результаты испытаний. Испытывались по пять образцов для каждого типа барьера. На образцах создавался барьер (перпендикулярно к предполагаемой траектории движения трещины), инициировалась трещина и проверялась способность барьера останавливать ее.

На образцах типа 1 барьер был в виде сварного шва. Шов наносился с двух сторон. Вдоль шва появлялась зона остаточных напряжений. Инициируемая трещина распространялась поперек шва и в процессе движения пересекала весь сварной шов и образец. Зона напряжений сжатия, образовавшаяся в процессе сварки, оказалась недостаточным барьером для остановки движущейся трещины.

В образцах типа 2 было выполнено местное уменьшение толщины образца с 18 до 3 мм. При испытании трещина вышла на барьер, пересекла ослабление, а затем и весь образец. Местное ослабление сечения образца принятых размеров не остановило разрушение.

На образцы типа 3 с двух сторон приваривались накладки сечением 30x10 мм. Сварные швы располагались по концам накладок, вне зоны распространения инициируемой в образце трещины. Испытание образцов подтвердило эффективность такого барьера. Трещина распространялась до накладок и останавливалась. Полное разрушение образцов не происходило. Отметим, что в случае нанесения шва по всей длине накладок трещина разрушала весь испытываемый образец.

На образцах типа 4 создавался барьер в виде ряда сквозных отверстий на пути возможного распространения трещины. Предполагалось, что с выходом на отверстие зарождение трещины в дальнейшем не произойдет. Проведенные испытания подтвердили это. Наглядными являются образцы, где трещина раздваивалась. Одна ветвь ее миновала отверстия и разрушила весь образец. Вторая ветвь вышла на отверстие и остановилась.

В образцах типа 5 вместо круглого отверстия выполняли прорезь, перпендикулярную траектории трещины. Принцип остановки разрушения тот же, что и в образцах типа 4. Испытания показали высокую надежность такого барьера и подтвердили отсутствие зарождения новой трещины на противоположной, гладкой боковой поверхности прорези при температуре образца -20 и -60 °С.

Образцы типа 6 состояли из четырех слоев стали при суммарной толщине пакета 16,4 мм (4x4,1 мм). В двух внутренних слоях выполнялись прорези. В одном случае они были совмещены в одном сечении, а в другом — разнесены. При испытаниях барьеры этого типа останавливали трещину во всех образцах при температуре -20 °С.

Барьер из многослойного пакета с прорезями в части слоев по принципу действия суммирует эффект остановки трещины образцами типов 3 и 5. Сначала останавливается разрушение в слоях с прорезями. Трещина выходит на сквозную прорезь. Зарождение ее на противоположной гладкой поверхности прорези не происходит, что подтверждено испытанием образцов типа 5. Неразрушившиеся участки слоев, находящиеся за прорезями, с момента остановки трещины на прорезях начинают выполнять роль накладки (бандажа) по отношению к слоям без прорезей. Поэтому в последних, как и в образцах типа 3, трещина останавливается. Так в два этапа происходит остановка разрушения во всех слоях барьера в виде многослойной стенки, в части слоев которой имеются прорези.

Для дополнительной проверки эффективности нового барьера в более жестких условиях испытывались многослойные образцы типа DWTT. Образцы типов 7 и 8 состояли из четырех слоев общей толщиной 16,4 мм (4x4,1 мм). Во внутренних слоях образца типа 7 на расстоянии 20 мм от нижней грани выполнялись сквозные прорези шириной 3 мм. Температура испытания составляла 0...-60 °С. Одновременно испытывалась партия таких же образцов, но без прорезей во внутренних слоях (тип 8).

Испытания многослойных образцов типа DWTT подтвердили большую надежность предлагаемого многослойного барьера. Образцы с прорезями не разрушались полностью как при вязком характере разрушения (при температуре от 0 до -30 °С), так и при полностью хрупком разрушении (от -40 до -60 °С). Аналогичные образцы (тип 8) без прорезей разрушались по всему сечению над надрезом независимо от характера разрушения.

Результаты испытания барьера с прорезями в отдельных слоях показали, что такой барьер надежно реализует принятые теоретические предпосылки: с выходом трещины на свободную поверхность границы прорези исчезает вершина трещины с присущими ей особенностями напряженного и деформированного состояния, останавливается разрушение в слоях с прорезями, а последующая работа неразрушенных (за прорезью) участков как бандажей по отношению к слоям, не имеющим прорези, приводит к остановке трещины и в слоях без прорезей.

Многослойный барьер может найти применение в различных отраслях народного хозяйства: газовой промышленности (магистральные газопроводы), судостроении и т. д.

Реализация многослойного барьера в трубопроводах удачно сочетается с конструкцией и технологией изготовления многослойных труб для магистральных газопроводов. Такие трубы состоят из определенного числа обечаек с многослойными и монолитными стенками, соединенных между собой кольцевыми сварными швами. Многослойные обечайки изготавливают путем навивки на цанговый барабан мерного отрезка полосы-заготовки. Очевидно, что если на мерном отрезке полосы разметить периметры витков будущей обечайки и по всей длине нескольких промежуточных витков нанести барьер в виде прорези определенной формы, а затем изготовить из этой полосы многослойную обечайку, то стенка такой обечайки по всему периметру будет представлять барьер типа 6 (таблица). Полученная таким образом обечайка является надежным гасителем протяженных вязких разрушений в магистральных газопроводах. Отметим, что гаситель такой конструкции при испытаниях останавливал и хрупкую трещину при температуре -47 °С.

Длина предлагаемой обечайки-гасителя, применительно к ныне принятой конструкции многослойной трубы, составляет 1650 мм. Целостность ее внутреннего слоя обеспечивает герметичность трубы, а сплошность наружного — предотвращает межслойную коррозию.

Расположение прорезей и количество прорезаемых слоев выбираются из условий обеспечения статической равнопрочности обечайки-гасителя с применяемыми трубами при нагружении их внутренним давлением, а также создания дополнительных конструктивных факторов, содействующих изменению продольного направления распространения движущейся трещины на геликоидальное.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что обечайка-гаситель со стенкой из четырех слоев будет удовлетворять необходимым требованиям, если прорези выполнить так, как показано на рис. 1. Прорези располагаются в промежуточных слоях по двум винтовым линиям и разнесены относительно друг друга в плане.

При комплексных натурных испытаниях обечаек-гасителей на полигоне и в условиях трассы гаситель с толщиной стенки 16,4 мм (4x4,1 мм) вваривали в плеть длиной 170 м из труб диаметром 1420 мм. Температура стенки гасителя при испытании была -15 °С, а давление воздуха — 7,5 МПа. Инициированная трещина вошла в гаситель и остановилась в пределах его длины.

Анализируя общий вид разрушенной обечайки-гасителя (рис. 2), можно сделать вывод о том, что с выходом трещины на барьер в виде прорезей резко уменьшилась продольная скорость ее продвижения, в результате чего произошло интенсивное раскрытие берегов и изменение продольного направления распространения трещины на геликоидальное. При раскрытии берегов целые слои стенки разрушались срезом вдоль кромок бандажа, состоящего из неразрушенных (за прорезью) слоев. Расположение кромки по винтовой линии способствовало остановке разрушения в пределах длины гасителя. Элементы гасителя оторвались от неразрушенной части трубы по всему периметру, и разрушение остановилось. Так в испытанной обечайке-гасителе реализовались все принятые теоретические предпосылки. Способность обечайки-гасителя останавливать движущуюся вязкую трещину была дополнительно подтверждена при четырех ее натурных пневматических испытаниях. Требуемая статическая прочность обечайки-гасителя доказана неоднократными гидравлическими испытаниями до разрушения натурных образцов, которые были вварены в трубы различной длины.

Проведенные исследования и испытания, а также организация промышленного производства обечаек-гасителей для магистральных газопроводов позволят надежно защитить от разрушений линейную арматуру, труднодоступные для ремонта участки, значительно снизить сроки и стоимость ремонта газопроводов и не прибегать к повышению нормативного значения ударной вязкости стали с целью уменьшения длины разрушения в газопроводе.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: