Повышение производительности и эффективности технологии процесса проектирования и расчета опорных частей МНГС с использованием программного комплекса Ansys

Содержание Глава 1. Классификация морских нефтегазовых сооружений и анализ действительных условий работы МНГС

1.1 Анализ отечественной и зарубежной нормативной документации по безопасности эксплуатации морских нефтегазовых сооружений (МНГС)

1.2 Классификация морских нефтегазовых сооружений

1.3 Анализ действительных условий работы морских нефтегазовых сооружений Глава 2. Формы трещин и причины их образования на морских нефтегазовых сооружениях

2.1 Формы трещин морских нефтегазовых сооружений

2.2 Причины трещинообразования

2.3 Систематизация воздействий на МНГС, приводящих к образованию усталостных трещин Глава 3. Определение напряженного состояния, вызванного стационарными и переменными температурными полями воздействующими на МНГС Глава 4. Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта. Повышение производительности и эффективности технологии процесса проектирования и расчета опорных частей МНГС с использованием программного комплекса ANSYS

4.1 Обоснование необходимости усовершенствования процесса проектирования

4.2 Цель инвестиционного проекта

4.3 Сущность модернизации и обоснование технико-экономической целесообразности

4.4 Методология расчета эффективности инвестиционного проекта. Основные положения методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов

4.5 Расчет эффективности инвестиционного проекта Список использованных источников

Глава 1. Классификация морских нефтегазовых сооружений и анализ действительных условий работы МНГС

1.1 Анализ отечественной и зарубежной нормативной документации по безопасности эксплуатации морских нефтегазовых сооружений (МНГС) Морские нефтегазовые сооружения относятся к числу опасных производственных объектов. Эти сооружения эксплуатируются в неблагоприятных условиях окружающей среды. Высокий уровень коррозионной активности морской воды, значительные уровни температурных и вибрационных воздействий и нагрузок (гидродинамических, ветровых, ледовых и др.) на конструктивные элементы МНГС — все это создает предпосылки для возникновения и развития различных аварийных ситуаций. Проблемы, связанные с обеспечением безопасности МНГС, в различных нормативных документах, характеризуются определением «риск». В большинстве случаев под «риском» понимается вредное воздействие на персонал МНГС того или иного фактора при возникновении аварийной ситуации. Однако вопросам предотвращения наступления риска путем своевременного выявления опасного предельного состояния конструктивного элемента МНГС, адекватной оценки усталостных характеристик стали с учетом всех видов воздействийвсем этим вопросам, как это будет показано ниже, не уделяется достаточного внимания.

В этом параграфе анализируются материалы научных исследований в области изучения причин возникновения аварий и их последствия [1−6], государственные нормативные документы по обеспечению безопасности МНГС [7,8]и внутрикорпоративные нормы и правила безопасности отечественных и зарубежных компаний, занимающихся освоением морских месторождений [9,10]. Среди научных работ [1−6] особый интерес представляют работа А. М. Семенова и работа С. П. Земцова. В исследованиях этих авторов анализируются крупнейшие катастрофы на морских нефтегазовых месторождениях и причины приведшие к этому, предлагаются математические методы и модели оценки рисков, изложены рекомендации и предложения по обеспечению безопасности и снижению рисков на МНГС. Общими же задачами для этих работ [4,6] является рассмотрение риска как вредного воздействия на человеческий персонал в случае возникновения аварийных ситуаций. Предложения же по предотвращению возникновения аварийных ситуаций исключительно технической направленности, как, например, выявление усталостных трещин, в проанализированных работах [1−6] отсутствуют.

Отечественная нормативная база имеет в своей основе малый опыт работ по освоению морских месторождений. Одним из основополагающих нормативных документов является. В пункте 4.8 этих правил содержится положение о необходимости проведения экспертизы МНГС, находящихся в эксплуатации более 20 лет. В пункте 4.8.2 содержатся сведения о минимально допустимой потере толщины металла конструктивными элементами МНГС (не более 15% для опор и 10% пролетных строений). Также в пункте 4.9 говорится о разрушении защитного антикоррозионного покрытия, но не даны предельные состояния этих повреждений и их классификация. В дальнейшем, базируясь на основе правил разработан нормативный документ. В этом документе в пункте 3.11 предусмотрено обследование опорной части ледостойких платформ в целях определения воздействий льда на нее. Однако, этого недостаточно для полноценного анализа усталостных поврежедний МНГС.

В отраслевом стандарте [9], разработанным для МНГС на нефтегазовых месторождениях Черного и Азовского морей, приведен порядок проведения оценки технического состояния морской платформы, периодичность проведения обследования, перечислены основные дефекты, влияющие на надежность эксплуатации МНГС. Однако не даны рекомендации по «предельным состояниям» дефектов, что ставит вопрос о том, какие дефекты являются допустимыми, а какие могут привести к аварийной ситуации. В последние годы в РФ реализовывались проекты «Сахалин-1,2». Анализ материалов проекта показал, что риск оценивался как наступление события, которое может оказать опасное воздействие на персонал, работающий на платформе.

Рассмотрим зарубежную нормативную базу. В документе [1], разработанном сообществом ASMEАмериканское сообщество инженеров-механиков, изложены основные принципы проведения измерения и контроля различных металлоконструкций, однако этот документ носит общий характер, что не позволяет эффективно использовать его при нормировании параметров безопасности МНГС. В стандарте ASME приводятся общие методики для обоснования и оценки вероятности наступления риска и ориентированы в основном на электротехнические сооружения. Этим обществом разработаны стандарты неразрушающего контроля, приведенные, например в[3], которые можно расценивать как метод снижения рисков за счет своевременного обнаружения дефектов в металлоконструкциях. Следует также отметить хороший уровень проработки стандартов ASME в области проектирования морских газопроводов [4,5], в которых дается оценка некоторых рисков (контроль внешней и внутренней коррозии, контроль напряжений и др). К недостаткам стандартов ASME следует отнести, в ряде случаев, их общую направленность и отсутствие анализа усталостных повреждений МНГС.

Сообществом BSI разработана группа стандартов, относящихся к освоению морских нефтегазовых месторождений [6−11]. В стандартах BSIБританское сообщество инженеров содержатся основные методы и принципы проектирования морских платформ и трубопроводов, проектирование систем катодной защиты и т. д. Также разработаны стандарты для различных методов дефектоскопии, что позволяет снизить риск возникновения аварийной ситуации за счет своевременного выявления дефектов. Большой интерес представляет стандарт BSI [11], а также разработанный ЦNORM — Австрийский институт стандартизациистандарт. Оба этих нормативных документа разработаны на основе документа. Документы [11−13] практически идентичны в своих подходах к оценке риска МНГС и имеют незначительные отличия. Эти стандарты описывают некоторые основные методы по идентификации и оценке риска на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации морских нефтегазовых сооружений. В этих стандартах учитывается риск достижения предельных состояний за счет превышения сейсмических, волновых, ветровых и др. видов нагрузок, характерных для морских нефтегазовых сооружений. Описано коррозионное воздействие и его влияние на усталостные повреждения металлоконструкций МНГС при наличии и отсутствии систем электрохимзащиты. Это реализовано при помощи кривых S-N, которые представляют собой зависимости числа циклов нагрузок от численной величины максимально допустимого напряжения для различных условий (например, скорости свободной коррозии элементов МНГС и скорости их коррозии при наличии катодной защиты, наличии концетраторов напряжений и др.) и элементов.

В норвежском стандарте стандарт DNV — Норвежское общество DET NORSKE VERITAS содержится раздел оценки технического состояния существующих платформ, положения которого во многом совпадают с положениями [11−13]. Особый интерес вызывает документ [15], в котором авторы пытаются во многом обобщить положения документов [11−14]. В этом документе рассматриваются различные по типу соединения (трубные, листовые и т. д.), для каждого из которых построены кривых S-N для условий свободной коррозии и действий систем катодной защиты.

Проведенный анализ документов [1−10] показал:

1. Существующие отечественные нормы в основном рассматривают риск с точки зрения оценки опасности для человеческого персонала в случае возникновения аварийной ситуации;

2. При оценке усталости металлоконструкций МНГС учтены не все факторы, влияющие на этот процесс. Рассмотрена усталость за счет совместного действия коррозии и нагрузок, однако, влияние температурных и вибрационных воздействий не учитывается.

Можно сказать, что в настоящее время для морских нефтегазовых сооружений не разработано научно-обоснованной методики оценки и развития усталостных трещин, учитывающей все влияющие на это явление факторы.

1.2 Классификация морских нефтегазовых сооружений Морские нефтегазовые сооружения это такие сооружения, которые осуществляют процессы добычи, транспортировки, хранения и обработки нефти и газа с месторождений, расположенных на акваториях морей и связанных с ними водоёмов. Кроме сооружений, расположенных непосредственно в морской акватории, к условно морским относятся нефтегазовые сооружения на прибрежных территориях, объединённые технологическими процессами в общий нефтегазовый комплекс.

Порт — место на берегу моря или реки, устроенное для стоянки кораблей и судов, имеющее комплекс специальных сооружений для их обслуживания: причалы, вокзалы, краны, склады, терминалы, вспомогательный транспорт и т. д. В порту может быть несколько причалов, оборудованных для причаливания судов, посадки и высадки пассажиров, погрузки и выгрузки грузов, заправки топливом и др. работ. Кроме того, порты используют для строительства нефтегазовых сооружений, проведения их испытаний по правилам морского регистра. Крупные отечественные порты Новороссийск, Мурманск, Находка, Санкт — Петербург.

Подводный трубопровод — трубопровод, укладываемый ниже поверхности воды при пересечении рек, водохранилищ, озёр, морских акваторий. Морской подводный трубопровод предназначен для транспортировки нефти и газа от платформ к сооружениям, на которых осуществляется сбор и длительное хранение или накопление перекачиваемого продукта.

Подводные МНГС — это сооружения, базирующиеся под поверхностью моря и в автономном режиме осуществляющие технологические операции и процессы.

Морские стационарные платформы (МСП) предназначены для размещения на них комплекса оборудования, необходимого при бурении разведочных и эксплуатационных скважин, а также для первичной обработки добываемого продукта. Они подразделяются на МСП для незамерзающих морей (размещаются в акваториях незамерзающих морей, либо лёд имеет очень малую толщину и не опасен для конструкций); МСП для замерзающих морей (размещаются в акваториях замерзающих морей и способны выдерживать значительные ледовые нагрузки).

Острова, ограждающие сооружения — вспомогательные гидротехнические сооружения стационарного типа, ограждающие часть акватории и или разделяющие её на отдельные участки.

Эстакады, выносные причалы — сооружения, предназначенные для швартовки нефтеналивных танкеров.

Плавучие платформы и суда сооружения, позволяющие вести все работы на нефтегазовых месторождениях без опирания на дно.

Платформы на плаву при транспортировке — сооружения стационарного типа, но при транспортировке переходящие в плавучий режим.

Плавучие платформы в постоянном режиме — сооружения, находящиеся в плавучем состоянии непосредственно на всех этапах своей работы.

Самоподъёмные плавучие платформы — сооружения, способные самостоятельно изменять свое вертикальное положение в пространстве.

Суда с буровым оборудованием — сооружения, способные производить буровые работы и или осуществлять добычу ресурсов, находящихся под дном моря, например, нефти, газа, серы или соли.

1.3 Анализ действительных условий работы морских нефтегазовых сооружений В настоящем параграфе будут проанализированы нагрузки, действующие на МНГС. О воздействиях на морские нефтегазовые сооружения будет более подробно сказано во второй главе этой работы. Следует отметить принципиальную разницу между понятиями нагрузки и воздействия. Под нагрузкой воспринимают определенную силу, действие которой распределено на какой-либо площади исследуемого элемента МНГС (например, ледовая, ветровая и др.). Под воздействием понимается некоторое обобщенное действие, оказываемое на МНГС (коррозионное, вибрационное, температурное). В этом параграфе сосредоточимся на исследовании нагрузок, действующих на МНГС. Нагрузки подразделяются на постоянные и временные.

Постоянные нагрузки действуют на сооружения в течение всего времени их эксплуатации. К этим нагрузкам относятся: вес сооружения с постоянным балластом, включая здания и устройства различного назначения; вес и активное боковое давление грунта засыпки (например, в искусственных островах с обделкой берегов и т. п.); гидростатическое давление.

Временные длительные нагрузки складываются из веса складируемых грузов и временных технологических устройств; нагрузки от различного рода грузоподъемных и транспортных машин, технологического оборудования; активное давление грунта от временных нагрузок; гидростатическое напорное давление при временных изменениях уровня по какой-либо причине; давления жидких и сыпучих сред на конструкции.

Кратковременные нагрузки включают волновое давление, нагрузки от льда, течений, снега, ветров, ошвартованных судов, вертолетов, некоторые нагрузки, возникающие в процессе буровых работ.

Особые нагрузки в первую очередь обусловливаются катастрофическими явлениями в природе, аварийными ситуациями и включают: нагрузки при сейсмических явлениях и волнах цунами; нагрузки при катастрофических штормах, ветрах, массовом торошении льда, деформациях оснований с коренным изменением структуры грунтов (размывы, просадки, сдвиги, выпады) и др.

Морские нефтегазовые сооружения рассчитываются на основные и особые сочетания нагрузок и воздействий.

Рассмотрим наиболее распространенные виды нагрузок.

а) Ветровая нагрузка Ветровую нагрузку следует рассматривать как одну из генеральных сил, действующих на МНГС. Величина ее непостоянна и изменяется в зависимости от скорости ветра, его направления и распределения по площади МНГС. Ветровая нагрузка создаёт два основных вида воздействия на МНГС: горизонтальное и наклоняющее. Рассмотрим горизонтальное воздействие.

Рис. 1.1. Горизонтальная ветровая нагрузка При проектировании в расчетах на устойчивость вводят обобщенное значение реальной ветровой нагрузки, которая представляет собой сумму эпюр ветровой нагрузки, распределенная по площади, и называющейся «силой» ветрового воздействия.

Рис. 1.2. Значения коэффициента в зависимости от формы сооружения Горизонтальная составляющая силы для МНГС определяется как:

— коэффициент лобового сопротивления; - скорость ветра; - расчетная плотность воздуха, определяемая по формуле:

— атмосферное давление в месте нахождения объекта; - температура воздуха; - площадь парусности объекта, т. е. площадь той части объекта, которая подвергается воздействию ветра. Под подразумевается проекция всех поверхностей объекта на вертикальную плоскость. Суммарное силовое воздействие на МНГС определяется как сумма силовых воздействий ветра на отдельные части, определенных с учётом их формы. Учёт формы обтекаемого ветром объекта или отдельного элемента МНГС осуществляется назначением соответствующего коэффициента лобового сопротивления, который определяется опытным путём и находится в диапазоне от. Некоторые значения приведены на рис. 1.2. Например, для буровой вышки из трубчатых конструкций; для цилиндрической опорной колонны.

Рис. 1.3. Ветровой наклоняющий момент

Рис. 1.4. Гидростатическая нагрузка Рассмотрим второй вид ветровой нагрузки — наклон, характеристикой которого является ветровой наклоняющий момент определяемый следующим образом:

где: — плечо приложения равнодействующей нагрузки относительно линии поверхности воды. Определение данных о скоростях ветра, принимаемых при определении .

Под расчетной скоростью ветра понимается средней величины скорость на высоте 10 м над поверхностью моря за 10 мин. времени действия ветра. Эпюра распространения скорости ветра по высоте рассчитывается по формуле:

где — скорость ветра на высоте

В реальных условиях воздействие ветра осуществляется с разных сторон, в направлении. Объект МНГС будет испытывать переменное (в зависимости от направления ветра) силовое воздействие. При этом даже при постоянной скорости ветрабудет изменяться величина в зависимости от направления вектора скорости. При расчетах ветрового воздействия на МНГС необходимо учитывать динамическую составляющую ветровой нагрузки при пульсации скорости, а также подъёмную силу при продувке ветром горизонтальных и слегка наклонённых поверхностей. Эти расчёты выполняются после определения положения поверхностей и их размеров.

б) Гидростатическая нагрузка Гидростатическое давление возникает в результате действия воды на погруженный в нее конструктивный элемент МНГС и действует по нормали к рассматриваемой площадке в любой точке объёма жидкости. Величина давления Р в любой точке не зависит от угла наклона площадки, в которой эта точка находится (рис. 1.4).

Давление на точку С (центр тяжести площадки) вычисляется по формуле:

— удельный вес жидкости; - расстояние от поверхности воды до точки С.

Давление на всю площадку будет вычисляться по формуле:

Где — давление на точку С, являющуюся центром тяжести площадки, -площадь поверхности площадки.

в) Гидродинамическая нагрузка Гидродинамической называется такая нагрузка, которая возникает в результате силового воздействия движущейся воды на любое помещённое в нее тело и характеризуется условной сосредоточенной силой Р. Сила гидродинамического давления потока имеет две составляющие: силу лобового сопротивления (горизонтально направленная) и подъёмную составляющую (вертикальная составляющая). Значения силы зависят от формы тела обтекания, шероховатости его поверхности, величины скорости, вязкости жидкости и некоторых других значений. Для объектов МНГС встречаются прямоугольные, цилиндрические, решетчатые формы обтекаемых поверхностей. Существенное влияние на величину и форму эпюр давления воды оказывает и положение тела относительно поверхности воды: тело плавает, тело в воде, продольная ось вертикальна, горизонтальна или наклонена под углом к поверхности воды. В общем виде силы гидродинамического давления потока определяются по формулам: горизонтальная составляющая («лобовое сопротивление»).

или

— коэффициент лобового сопротивления поверхности, подвергающейся давлению потока, движущегося со скоростью ;-ускорение свободного падения; - плотность жидкости. Вертикальная составляющая (подъёмная сила)

или

— коэффициент подъемной силы; - объемный вес воды. Эта сила появляется если тело находится на дне или вблизи дна. Коэффициент, а находится в пределах 0,3−0,5 от значений. Эти коэффициенты определяются на моделях или опытным путём с использованием данных, полученных при испытаниях аналогичных проектируемому объекту. При определении сил гидродинамического воздействия на МНГС морских течений следует учитывать следующие виды течений: приливно-отливные, стоковые, ветровые, градиентные.

г) Ледовые нагрузки Ледовой нагрузкой называется такая нагрузка, которая возникает от действия переменного или статического ледового поля. Различают нагрузки от айсбергов, ледяных полей, торосов, стамух. Ледовая нагрузка имеет две основных составляющих: вертикальную и горизонтальную. Под вертикальной понимается нагрузка от льда, образовавшегося на плоскостях (горизонтальных, наклонных и вертикальных) плавающего или стоящего на грунте объекта, но с выступающими над поверхностью воды частями сооружениями Вертикальная нагрузка определяется весом льда, приходящегося на 1 площади, подверженной обледенению. Опыт показывает, что наибольшей величины ледовая нагрузка достигает при расположении поверхностей на высотах менее 10 м, а на высотах более 30 м ледовая нагрузка не учитывается. Горизонтальное давление льда величина является величиной сложно определимой и зависит от множества факторов: прочности льда, его толщины и динамичности; температуры льда, оказывающей наибольшее влияние на прочность льда; размеров сооружения, формы фронтальной поверхности (рис. 1.5.), на которую надвигается лёд.

Рис. 1.5. Вертикальная и наклонная фронтальная поверхность.

Волновые нагрузки Волновые нагрузки обычно являются определяющими для гидросооружений на открытых незащищенных и незамерзающих акваториях. Волны обладают огромной разрушительной силой. Волныэто порождённые ветром чередующиеся валы воды (холмы) и впадины на свободной поверхности моря.

Волны делятся на бегущие и стоячие волны.

Бегущие — перемещаются в направлении ветра, обусловившего их появления;

Под стоячими понимаются воны, характеризуемые возникновением и исчезновением валов и впадин в одном и том же месте, т. е. без поступательного движения. Форма и размеры волн зависят от длины разгона волны, характеристик водоёма (глубина и пр.).В морской практике различают четыре зоны водоёма по глубине воды.

Рис. 1.6. Схемы деления моря по зонам глубины воды Основными параметрами, характеризующими волны: лдлина волны, hвысота волны.

При изучении волновых процессов целесообразно выделить четыре морских зоны. Первая зона — глубоководная, влияние дна на волновой процесс отсутствует H0,5л; Вторая зона — мелководная, влияющая на волновой процесс, H0,5л? — глубина, на которой начинается разрушение волн; Третья зона — прибойная, в пределах которой начинается и завершается разрушение волн, — H?; Чётвёртая зона — приурезная, в которой полностью разрушенные волны набегают (накатывают) на берег или откос сооружения.

Равнодействующая волнового давления на единицу длины (волны) цилиндрической опоры определяется по формуле:

где: D-диаметр цилиндра; R — сила волнового давления на единицу длины (высоты) плоской стенки. Значенияи приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Зависимость отношения высоты волны к ее длине и коэффициентов

Выводы:

1. Существующие отечественные нормы в основном рассматривают риск с точки зрения оценки опасности для человеческого персонала в случае возникновения аварийной ситуации.

2. Недостаточно внимания уделяется вопросам предотвращения аварийных ситуаций путем своевременной оценки ресурса МНГС.

3. При оценке усталости металлоконструкций МНГС учтены не все факторы, влияющие на этот процесс. Рассмотрена усталость за счет совместного действия коррозии и волновой нагрузки, однако, влияние температурных и вибрационных воздействий, а также других нагрузок не учитывается.

Глава 2. Формы трещин и причины их образования на морских нефтегазовых сооружениях

2.1 Формы трещин морских нефтегазовых сооружений Применение в конструкциях МНГС большого сортамента сталей, в том числе повышенного сопротивления динамическим и статическим нагрузкам и воздействиям, приводит к необходимости введения при их проектировании усталостного критерия. При применении подобных сталей, имеющих увеличенный предел текучести, их характеристики имеют некоторые отличия от металла сварных швов. В свою очередь это приводит к тому, что при увеличении уровня напряженности создаются дополнительные условия для возникновения усталостных трещин. Усталостные трещины, образующиеся на различных участках МНГС, представляют собой достаточно серьезную опасность и могут при определенных условиях привести к разрушению МНГС. Ситуация особо усугубляется при недостаточной вязкости материала или в условиях низких температур, которые могут привести к хрупкому разрушению. Кроме того, усталостные трещины могут нарушить герметичность конструкции МНГС. Устранение образующих трещин сопряженно с внеплановыми простоями, что сказывается на экономической рентабельности сооружений. Важность учета требований обеспечения усталостной долговечности признана всеми ведущими организациями в мире, занимающимися освоением морских нефтегазовых месторождений. Определимся с понятиями усталость и усталостная трещина. Усталость металла — процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием переменных напряжений, вызванных различными нагрузками и воздействиями (температурными, коррозионными, вибрационными и др.), приводящими к изменению свойств и образованию трещин. Трещина, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает внезапное разрушение конструктивных элементов МНГС. Процесс трещинообразования (см. параграф 2.2) следует рассматривать с учетом влияние различных дефектов в конструктивных элементах МНГС и приводящих к возникновению и развитию трещин. Процесс образования трещин целесообразно разбить на три этапа, для которых причины и условия образования трещин абсолютно различны:

1.Образование трещин либо дефектов, приводящих к их возникновению на стадии производства конструктивных элементов МНГС. Этот этап будем рассматривать отдельно, т.к. причины образования трещин на данном этапе в корне отличаются от причин трещинообразования на этапах строительства и эксплуатации. Кроме того, трещины или дефекты, способствующие их образованию, будучи введенными в эксплуатацию, получают дальнейшее развитие в условиях циклически меняющихся нагрузок и воздействий и перерождаются в усталостные трещины.

2. Строительство МНГС.

3. Эксплуатация МНГС.

Выделим основные виды трещин: продольные, поперечные, радиальные, трещины от остаточных напряжений, раздельные, разветвленные.

Продольные трещины основного металла, возникающие на этапе изготовления Этот тип трещин наиболее часто наблюдается на наружной и внутренней поверхностях стальной трубы и располагающиеся в продольном направлении или по спирали. Трубная заготовка проходит до получения готовой трубы через ряд различных прокатных станов в различных их комбинациях и определенной последовательности (прошивной, стан поперечно-винтовой прокатки, автоматический стан продольной прокатки, обкатной стан, редукционный стан, калибровочный стан), что значительно повышает вероятность образования различных дефектов. В зависимости от вида и величины встречающихся дефектов стальные трубы с дефектами могут быть отбракованы уже на отдельных этапах изготовления. Однако нередко дефектная трубная заготовка может пройти все этапы процесса изготовления и введена в эксплуатацию на конструкциях МНГС.

Рис. 2.1. Разрыв трубы после прохождения поперечно-винтового стана Рис. 2.2. Образование трещин после прохождения прошивного стана Рис. 2.3. Продольная трещина образовавшаяся после прохождения обкатного стана Рис. 2.4. Продольные трещины, образовавшиеся после прохождения редукционного стана На стадии изготовления при поперечно-винтовой прокатке к образованию продольных трещин (рис. 2.1−2.4) приводят следующие дефекты:

1) Дефекты сталеплавильного и прокатного производства [сотовые (подкорковые) пузыри, грубые неметаллические включения, негомогенность структуры и свойств, риски, образующиеся при прокатке, закаты и др.], связанные с несоблюдением технологии плавки, разливки и прокатки.

2) Слишком высокий или слишком низкий нагрев в методических печах, печах с шагающими балками или вращающимся подом, неравномерное распределение температуры по сечению заготовки.

3) Слишком большой зазор между валками — прокатываемая заготовка «растягивается» в зазоре между валками, из-за чего стенка трубной заготовки может разорваться.

4) Неправильная установка оправки.

5) Слишком большая скорость вращения валков. При дальнейшей обработке трубной заготовки на оправке имеющиеся микродефекты (например, с микротрещинами, раковинами) могут значительно увеличиться в размерах. К этому приводит неправильный выбор калибра, низкая температура трубной заготовки, неравномерное распределение температуры по сечению трубной заготовки и др.

При последующей обработке на обкатном стане могут получить развитие дефекты, образовавшиеся на наружной поверхности стальной трубы при прокатке на прошивном или автоматическом стане (например, раковины на внешней поверхности, закаты, царапины, риски и т. д.), могут стать зародышами трещин и разрывов при прокатке на обкатном стане. Причинами этого является неправильная настройка обкатного стана, некорректное расстояние между направляющими линейками в обкатном стане, слишком сильное подстуживание стальных труб. При дальнейшей обработке на редукционном трубопрокатном стане может происходить дальнейшая деформация стальных труб. К этому приводит: слишком высокая температура стальной трубы, пережог металла, значительная разнотолщинность отдельных участков трубы, некорректное регулирование скорости вращения валков (слишком большое натяжение и вследствие этого большие растягивающие напряжения).

Поперечные трещины (рис. 2.5−2.8) представляют собой нарушения сплошности металла, начинающиеся от поверхности трубы и проходящие перпендикулярно или наклонно к ее оси в глубь металла. Поперечные трещины могут распространяться на всю толщину стенки. Такие несплошности в металле по различным причинам могут встречаться как в отдельных местах, так и по всей трубе.

Причинами возникновения таких трещин на этапе изготовления являются использование трубных заготовок с пережогом, дефекты сталеплавильного производства, повышенное содержание вредных примесей, таких как мышьяк и олово, слишком высокое содержание в стали алюминия и азота, чрезмерно высокая температура нагрева заготовки в методических печах. Помимо этого вызывающими их причинами могут быть недостаточная деформируемость исходных трубных заготовок, наличие шлифованных участков; участков с различной твердостью; неправильная термическая обработка; поверхностное обезуглероживание; локальное науглероживание; слишком большое уменьшение поперечного сечения при холодной деформации; неправильный выбор режима волочения.

Рис. 2.5. Поперечные трещины, вызванные обезуглероживанием стали Рис. 2.6. Поперечные трещины, вызванные искаженной симметрией поперечного сечения

Рис. 2.7. Поперечные трещины, вызванные неверным режимом прокатки

Рис. 2.8. Поперечные, вызванные отслоениями стали Рис. 2.9. Трещины, вызванные остаточными напряжениями Рис. 2.10. Трещины, вызванные остаточными напряжениями

Трещины от остаточных напряжений (рис. 2.9 и рис. 2.10) обычно располагаются на внешней поверхности трубы, на ограниченных участках или по всей ее длине, в продольном или поперечном направлении. Эти трещины возникают в результате резкого охлаждения температуры конца прокатки труб из сталей с высоким содержанием углерода, а также из легированных сталей.

В процессе строительства МНГС образуются трещины в сварных швах, которые могут получить свое развитие в период последующей эксплуатации. Схемы этих трещин приведены в таблице 2.1. Все виды трещин также следует подразделить на: образующиеся в основном металле и в сварных соединений. Следует отметить, что трещина, образующаяся в металле сварного шва, при определенных условиях, может перейти в основной металл конструктивного элемента МНГС и наоборот.

Таблица 2.1. Трещины в сварных соединениях

Как уже отмечалось ранее, трещина, образующаяся в металле сварного шва, при определенных условиях, может перейти в основной металл конструктивного элемента МНГС и наоборот. Рассмотрим основные виды распространения усталостных трещин:

Рост усталостной трещины от вершины сварного шва в основной металл (рис. 2.11). Анализ статистики эксплуатации МНГС показал, что наиболее часто происходит усталостное растрескивание от вершины сварного шва в основной металл. Усталостные трещины начинается из небольших дефектов на вершине шва и постепенно развиваются с увеличением напряжения в зависимости от формы надреза.

Рост усталостной трещины от корня сварного шва через угловой сварной шов (рис. 2.12). Усталостное растрескивание от корня угловых сварных швов с ростом трещины через шов может привести к существенным последствиям. При проектировании по возможности использование угловых швов на участках чрезвычайно ответственных с точки зрения эксплуатации стараются избегать.

Рост усталостной трещины от корня шва в сечение под сварным швом (рис. 2.13). Как показали экспериментальные исследования, проведенные компанией DNV, рост усталостной трещины от корня сварного шва в сечение под сварным швом может происходить в течении всего времени эксплуатации МНГС. Экспериментально подтверждено, что количество циклов до полного разрушения образца сопоставимы с усталостным растрескивании от вершины шва.

Рост усталостной трещины из-за неровности поверхности или надреза в основном металле (рис. 2.14). Усталостное растрескивание в основном металле происходит в результате значительного циклического напряжения, возникающего в результате нагрузок и воздействий, описанных в первой главе. При этом усталостные трещины начинаются от даже незначительных дефектов поверхности.

Рис. 2.11. Рост усталостной трещины от вершины сварного шва в основной металл Рис. 2.12. Рост усталостной трещины от корня сварного шва через угловой сварной шов Рис. 2.13. Рост усталостной трещины от корня сварного шва в сечение под сварным швом Рис. 2.14. Рост усталостной трещины из-за неровности поверхности или надреза в основном металле

2.2 Причины трещинообразования МНГС находятся под действием циклически меняющихся нагрузок и воздействий, что вызывает циклические изменения напряжений и создает условия для образования усталостных трещин. Даже если номинальные напряжения в сечениях конструктивных элементов МНГС намного ниже предела упругости, локальные напряжения из-за наличия концентраций напряжений на включениях или механических повреждениях могут быть выше предела текучести.

В настоящее время разработано несколько теорий образований усталостных трещин, которые могут быть применимы к описанию роста усталостных трещин МНГС. Одна из них, это модель Вуда, изображенная на рис. 2.15. В течение той части цикла, когда нагрузка возрастает (например, при сильной волновой нагрузке), на наиболее удачно расположенной плоскости происходит сдвиг.

На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении происходит на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг по первой плоскости затруднен механическим упрочнением и окислением только что образованной свободной поверхности. В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях непрерывно продолжающегося пластического течения вдавливание может перерасти в трещину (рис. 2.15). Если в процессе циклического нагружения напряжения являются растягивающими, то эффект усиливается, поскольку возникающие при возрастании нагрузки пластические деформации во время разгрузки могут явиться причиной остаточных сжимающих напряжений.

Пример образования трещины в циклическом процессе нагружения представлен на рис. 2.16.

Рис. 2.15. Модель зарождения усталостной трещины Вуда Рис. 2.16. Зарождение усталостной трещины по Сиджву: a — вдавливание и выдавливание; б — трещина, образовавшаяся за счет сдвига

Несколько другое представление о развитии усталостных трещин дает дислокационная модель, которая разделяет процесс разрушения сталей на два основных этапа — зарождения трещины и её распространения.

Развитие трещин при ударно-циклическом нагружении связано с образованием у препятствий дислокационных скоплений и их последующем «сминанием». Процессы, происходящие при вязком или хрупком разрушении, согласно представлениям с дислокационной природой пластического течения, протекают в следующей последовательности:

1) перемещение дислокаций по наиболее благоприятно ориентированным плоскостям скольжения;

2) торможение и накопление («выстраивание») дислокаций перед препятствием (крупными частицами второй фазы, границами зерен, сидячими дислокациями и др.);

3) сминание «выстроенных» дислокаций и образование зародышевой трещины — поры («полостной дислокации» по Котреллу);

4) рост трещин до критических размеров и разрушение.

Вокруг трещины в процессе её зарождения и развития возникает переменное поле напряжений, которое может инициировать работу рядом расположенных источников дислокаций, что приводит к частичной релаксации напряжений, «гашению» скорости роста трещины и пластическому течению в других, ранее не затронутых участках. Усталостная микротрещина при определенных условиях перерастает в хрупкую. Развитие трещин может происходить с помощью межзеренного разрушения, чашечного, транскристаллитного скола и т. д. [104], т. е. структура сталей оказывает влияние на кинетику роста трещин.

Стали имеют неоднородную структуру, что определяет характер разрушения конструктивных элементов МНГС на дислокационном и микроскопическом уровне. В сталях, используемых на МНГС, пластическая деформация по микроскопически малым объёмам протекает неоднородно. Движения дислокаций в кристаллах определяется способностью их к преодолению барьеров различной природы [85]: геометрических барьеров (некогерентных частиц выделений, пластинок выделившейся фазы, микроскопических включений и пор и т. д.);

Точечных препятствий, область взаимодействия которых с дислокацией соответствует межатомному расстоянию; «полевых» барьеров (пиков, холмов и хребтов в рельефе внутренних напряжений вдоль поверхности, по которой движется дислокация). Внешняя нагрузка, за счет гетерогенности строения реальных тел на уровне надатомных размеров, распределяется неравномерно по связям и возникают местные перенапряжения. В связи с понижением энергии активации межатомных связей в этих местах наиболее интенсивно идут процессы термофлуктуационного разрыва напряженных связей и формируются очаги разрушения, которые при дальнейшем развитии приводят к распаду тела. Неметаллические включения (НВ), микроскопические поры, межфазные и межзеренные границы, двойники являются концентраторами напряжений и увеличивают неоднородность напряженно-деформированного состояния в микроскопически малых объёмах металла. В металлах и сплавах промышленной поставки разрушение происходит по интеркристаллитному механизму из-за преимущественного скопления на границах зерен дефектов и примесей [85,91]. Значительное влияние в развитии хрупкого разрушения оказывают НВ [91], которые являются очагом зарождения трещин, причём слабым местом является промежуток между включением и матрицей основного металла. Величина напряжений возле включений и разрушение по межфазной границе определяется пластичностью матрицы, местом расположения, формой и величиной включений. Наибольшую опасность представляют плёночные и облачные НВ (корунд, хромиты, сульфиды), расположенные по границам кристаллитов. В работе показано, что такое же влияние, как НВ, в зарождении трещин оказывают карбидные частицы, а неравномерное их распределение резко снижает стойкость стали. Не менее важным показателем качества металла является физическая плотность, включающая не только наличие НВ, а также дефектов кристаллического происхождения (пустот, микропористости и т. п.) Усталостная трещина, однажды образовавшись, будет постоянно расти за счет обратного сдвига. Несколько этапов роста усталостной трещины показаны на рис 17. В поле растягивающих напряжений острая трещина вызывает образование больших концентраций напряжений при ее вершине, где очень легко может произойти сдвиг. В материале перед трещиной (этапы 1 и 2 на рис. 2.17) по одной из подходящих плоскостей скольжения в направлении наибольшего касательного напряжения может произойти сдвиг.

Рис. 2.17. Одна из возможных моделей роста усталостной трещины Рис. 2.18. Бороздки усталости на поверхности Благодаря этому сдвигу трещина расширяется, одновременно увеличиваясь по длине. Теперь может произойти сдвиг в другой плоскости (этап 3). Механическое упрочнение и увеличивающееся напряжение окончательно ослабляют другие параллельные плоскости сдвига, что делает вершину трещины тупой (этап 4). На возрастающей части цикла трещина продвигается на величину Дa.

Пластическая деформация возникает как правило в небольшом объеме, расположенном в области упругих деформаций. При разгрузке область упругих деформаций будет сжиматься, а ставшая слишком большой область пластических деформаций не будет более соответствовать своему окружению. Для того чтобы это соответствие не было нарушено, во время разгрузки участка цикла нагружения на область пластических деформаций со стороны упругой области действуют сжимающие напряжения. Эти сжимающие напряжения вновь будут превышать предел текучести, по крайней мере, в вершине трещины. Следовательно, здесь имеет место обратная пластическая деформация, которая приведет к сближению краев трещины и восстановлению остроты ее вершины (этап 5).Циклическое расширение и сжатие трещины (этапы 1—5 и 6—7) приводят к образованию типичного рисунка, причем каждый новый цикл добавляет новую бороздку. Эти бороздки на поверхности разрушения видны в электронный микроскопих называют бороздками усталости (рис. 2.18−2.22).

Рис. 2.19. Бороздки усталости Рис. 2.20. Слабо развитые бороздки в высокопрочной малоуглеродистой стали Рис. 2.21. Поверхность усталостной трещины, проходящая через кристаллические зерна в высокопрочной малоуглеродистой стали Рис. 2.22. Большая, разрушенная сколом частица на поверхности усталостной трещины

Процесс трещинообразования невозможно рассматривать без учета влияния различных дефектов, описание которых будет дано ниже. Подобные дефекты, сами являясь концетраторами напряжений, могут быть очагом зарождения усталостной трещины либо существенно увеличивать скорость ее роста. Для адекватного учета изменений прочностных характеристик металла, вызванных дефектами, вводят коэффициент запаса прочности, ограничивающие расчетные напряжения по отношению к номинальному пределу текучести. Если дефект материала имеет определенную ориентацию и размеры, а локально напряженное состояние в котором он находится имеет высокий уровень, то такой дефект может вызвать быстро развивающуюся трещину. Действительные условия работы МНГС приводят к тому, что даже незначительный дефект может достаточно быстро развиваться и перерастать в усталостную трещину. Зависимость инициирования трещины от дефекта регулируется функцией от размера дефекта и напряженным состоянием около него. Эта связь может быть изменена такими факторами, как вязкость материала, температура и скорость деформации, но в любом случае разрушающее напряжение зависит от прежде всего от размера дефекта. Инициация трещины от дефекта может возникнуть при номинальных напряжениях, значительно меньших предела текучести металла и может быть пластическим со значительной пластической деформацией в вершине трещины или хрупкой с малой пластической деформацией. Важным фактором, определяющим тип разрушения (хрупкое или пластичное) является температура, о чем будет сказано ниже. Хрупкое инициирование имеет более низкий уровень вязкости, чем пластическое, т. е. при росте дефекта возникают более низкие разрушающие напряжения. Механизм инициации трещины от дефекта заключается в циклически изменяющихся уровнях напряжения, возникающих в объеме материала МНГС.

Рассмотрим дефекты, возникающие на стадии изготовления.

Вмятины (отпечатки) подразделяются на два вида:

Наружные (рис. 2.23) — локальные углубления на наружной поверхности трубы. Образуются в результате дефектов на поверхности валков стана поперечно-винтовой прокатки труб или на поверхности калибра стана продольной прокатки труб на оправке; прилипших частиц металла, углубления (места выработки) на поверхности валков на заключительных этапах прокатки. Внутренние (рис. 2.24) — локальные углубления на внутренней поверхности трубы. Дефекты типа наружных вмятин могут также образоваться при передаче труб от рольганга к лоткам или на холодильник. Внутренние — представляют собой налипшие частицы металла, закат стружки и другие дефекты на поверхности оправки.

Риски или царапины (рис. 2.25), образующиеся при прокатке, на наружной или внутренней поверхности трубы, и вытянутые как правило, в продольном направлении. Возникают в результате наличия задиров в направляющих калибровочного, редукционного или редукционно-растяжного трубопрокатных станов; слишком низкой температурой трубной заготовки при прокатке труб «в оправке».

Канавки (рис. 2.26) на наружной или внутренней поверхности представляют собой углубления в виде спирали с небольшим наклоном, которые могут наблюдаться на поверхности трубы (обкатной стан). Причинами возникновения являются налипание металла на поверхности направляющих, излишне высокая температура нагрева заготовки, большая шероховатость направляющих линеек.

Язвины от окалинынеглубокие, локально ограниченные углубления на наружной поверхности трубы, которые чаще всего заполнены окалиной. Причинами возникновения являются сильно окисленные ролики проходной печи, часть окалины которой переходит на наружную поверхность и закатывается при прокатке на калибровочных, редукционных и других прокатных станах.

Закат (рис. 2.27) -смещения или завороты металла в виде отслоений, проходящие по поверхности трубы, как правило, вдоль ее длины. Причинами возникновения являются: дефекты сталеплавильного производства: сотовые подкорковые пузыри; неметаллические включения; плохое состояние поверхности исходной заготовки; сильно развитые «швы прокатки» (лампасы) на трубных заготовках, которые приводят при дальнейшей прокатке к закатам.

Раковины (рис. 2.28) — напластование материала в форме небольших или крупных образований, которые при последующей горячей деформации отделяются в виде напусков. Из-за скручивания материала при поперечно-винтовой прокатке раковины располагаются по спирали на поверхности трубы. Могут наблюдаться на наружной и внутренней поверхностях трубы. Возникают из-за различных дефектов сталеплавильного производства; плохой поверхности исходных заготовок; негомогенность по сечению исходных заготовок Межкристаллитная коррозия (рис. 2.29) — селективная распространяющаяся по границам зерен коррозия сталей. В агрессивных, коррозионных средах активизируется разъедание обедненных хромом зон вдоль границ зерен (за счет преимущественного выделения карбидов в этих объемах), в то время как необедненные хромом объемы остаются пассивными. Процесс коррозии проходит вдоль границ зерен, что приводит к образованию глубоких трещин и межзеренному разрушению.

Рис. 2.23. Наружные вмятины Рис. 2.24. Вмятины на внутренней поверхности Рис. 2.25. Риски на внутренней поверхности Рис. 2.26. Канавки или царапины Рис. 2.27. Закат Рис. 2.28. Раковины Рис. 2.29. Межкристалитная коррозия Очагами преждевременного разрушения сварных соединений конструктивных элементов МНГС являются имеющиеся в них дефекты, число которых остается высоким. По данным МВТУ им. Н. Э. Баумана, в настоящее время 25% сварных соединений на опасных производственных объектах эксплуатируемых в РФ, содержат дефекты, превышающие требования допустимых норм. Вместе с тем, остаточно часто происходят случаи усталостного разрушения, очагами которых становились небольшие дефекты, соответствующие требованиям. Это можно объяснить тем, что недостаточно корректно оцениваются все факторы, играющие роль в снижении сопротивлению усталостному разрушению. Понижение циклической долговечности сварных соединений с дефектами ранее связывали с уменьшением площади поперечного сечения шва. В качестве подтверждения приводились данные о сопротивлении усталости пористых соединений и сварных стыков с непроварами. Так, например, наличие пористости до 0,5% снижало предел выносливости на 52 МПа, при 2% предел выносливости сокращался до 130Мпа, а в случае пористости до 8% предел выносливости сокращался до 110Мпа. Дальнейшее развитие по установлению допустимости дефектов сварных соединений связано с установлением коэффициентов концентрации напряжений, зависящих от формы сварного соединения и параметров исследуемого дефекта.

В свою очередь, это говорит о том, что в случае превосходящих значений концентрации напряжений (ККН), зависящих от формы над ККН, зависящих от характеристик дефекта, несущая способность МНГС будет напрямую зависеть от формы сварного соединения. В обратном случае, сопротивление усталостному разрушению будет зависеть от характеристик дефекта и должна оцениваться по экспериментальным данным. При этом все дефекты следует разделять на две группы: плоские и объемные. Такое разделение обусловлено различием методов теоретического и экспериментального решения задач распределения напряжений в зонах технологических отклонений. К плоским относятся дефекты, выходящие на поверхность сварного соединения или имеющие большую протяженность. К объемным причислены все дискретные дефекты, а именно единичные поры, отдельные короткие цепочки, местные несплавления. Более подробно описание дефектов сварных соединений МНГС приведено в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Дефекты сварных соединений морских нефтегазовых сооружений