CC BY
38
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
УДК 622.691 33
О возможности применения сварных тройников на объектах ОАО «Газпром»
О.П. Васильев
заместитель генерального директора по развитию1 o.vasilyev@inpipe.info
Ю.М.Свердлик
начальник отдела прочности и надежности объектов МГ, заместитель начальника центра прочности, надежности и диагностики, эксперт промышленной безопасности в области нефтяной и газовой промышленности2 sverdlik@ggc.nnov.ru
А.В. Устюжанин
главный специалист отдела прочности и
надежности2
ustav@ggc.nnov.ru
1ООО «ИТРиС», Москва, Россия
2ОАО «Гипрогазцентр», Нижний Новгород, Россия
Рассматривается обоснование возможности применения сварных тройников при строительстве объектов ОАО «Газпром». Критерием возможности применения является удовлетворение критериям статической и циклической прочности предлагаемых тройников.
Материалы и методы
Программный комплекс TRIFLEX, реализующий конечно-элементный расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) пространственных трубопроводных систем.
Программный комплекс ANSYS, реализующий конечно-элементный расчет НДС производных конструкций.
Ключевые слова
статическая прочность, циклическая прочность, сварной тройник, штампосварной тройник, ANSYS
В настоящее время в проектных институтах ОАО «Газпром» распространена практика применения штампосварных тройников при проектировании компрессорных станций. Преимущества такого выбора понятны и связаны, в первую очередь, с обеспечением прочности тройника в составе обвязки компрессорного цеха: штампосварной тройник не имеет явных концентраторов в месте действия наибольшего изгибающего момента.
В соответствии с планом мероприятий по недопущению проектными институтами необоснованного увеличения стоимости реализуемых проектов, разработанного в соответствии с п. 3,1 протокола оперативного совещания под руководством Заместителя Председателя Правления ОАО «Газпром» В.А. Маркелова от 03.12.2013 № 03-143 на проектные институты возложена ответственность за необоснованное удорожание строительства объектов. В связи с этим необхо-одимо провести мероприятия по снижению стоимости оборудования, используемого при строительстве компрессорных цехов.
С этой целью представляется целесообразным использование сварных тройников вместо штампосварных тройников. Сварные тройники имеют ряд преимуществ перед штампосварными тройниками:
• в процессе изготовления исходные материалы (трубы или цилиндрические заготовки) не подвергаются температурным воздействиям выше точек превращения. Это имеет
место при осуществлении операции термоулучшения при изготовлении штампосварных равнопроходных тройников, а в силу того, что данная операция индивидуальна для каждого типоразмера штампованного тройника, его марки стали (плавки) и имеет низкую повторяемость в серии, то она имеет множество «узких» мест, взаимовлияющих на качество конечной продукции;
• технологичность, т.к. при изготовлении сварных тройников не требуется специальная оснастка и нет того большого количества спецпроцессов (технологических переделов) с
присутствием человеческого фактора (что имеется при изготовлении штампосварных тройников);
• все выше перечисленные факторы прямым и непосредственным образом влияют на сроки и стоимость изготовления ТС и, как следствие, сроки и себестоимость значительно ниже,
чем у штампосварных.
Недостатками, связанными с применением сварных тройников, могут являться:
• сварной стык магистрали с ответвлением;
• наличие геометрического концентратора.
Негативное влияние сварного шва можно минимизировать при существующем уровне технического оснащения — производить вырезку отверстий с микронной точностью с применением станков с ЧПУ, осуществление сварки механизированным либо автоматизированным способом передовыми сварочными материалами с контролем качества сварного соединения ультразвуковым и рентгенографическим методами на современном оборудовании. Всё это позволяет свести вероятность наличия потенциального дефекта сварного шва к нулю.
Окончательный вывод о возможности применения сварных тройников на объектах ОАО «Газпром» можно сделать на основании оценки несущей способности предлагаемых тройников. Приведем обоснование возможности применения сварных тройников ТС 1020(22К60)x720(18К60)-9,8-0,6-ХЛ и ТС 1420(32К60)x1020(22К60)-9,8-0,6-ХЛ на компрессорных станциях ОАО «Газпром» с рабочим давлением до 9,8 МПа. В таб. 1 приведены сравнительные характеристики сварных и штампосварных тройников указанных выше типоразмеров и выполненных из стали класса прочности К60.
Возможность применения предлагаемых тройников будет подтверждена в случае, если:
• трубопроводная обвязка компрессорного цеха, включая предлагаемые тройники, будет удовлетворять условиям статической прочности в соответствии с [1];
• трубопроводная обвязка компрессорного цеха, включая предлагаемые тройники, будет удовлетворять условиям циклической прочности.
Рис. 1 — Опасные сечения тройника
Обозначение Толщина Толщина
тройника1 магистрали, мм ответвления, мм
ТС 1020(22К60)x720(18К60)-9,8-0,6-ХЛ 40 30
ТШС 1020(22К60)х720(18К60)-9,8-0,6-УХЛ 30 22
ТС 1420(32К60)x1020(22К60)-9,8-0,6-ХЛ 62 40
ТШС 1420(32К60)х1020(22К60)-9,8-0,6-УХЛ 45 30
ТС 1420(32К60)x1020(22К60)-9,8-0,6-ХЛ 62 40
ТШС 1420(32К60)х1020(22К60)-9,8-0,6-УХЛ 45 30
Таб. 1 — Характеристики тройников
Рассматривались сварные тройники производства ЗАО «Завод Сибгазстройдеталь» по ТУ 1468-018-00153821-200 6, штампосварные тройники производства ОАО «Трубодеталь» по ГазТУ 102/488/1-05.
2Программный комплекс TRIFLEX реализует конечно-элементный расчет НДС пространственных трубопроводных систем.
Анализ будет произведен на примере отдельного компрессорного цеха. Рассматривается цех с блочно-модульной компоновкой, имеющий в своем составе 5 технологических модулей. Давление газа после компримирования не выше 9,8 МПа. Проведение статического расчета трубопроводной системы КЦ на нагрузки, возникающие при эксплуатации и гидроиспытаниях с определением действующих нагрузок на тройники ТС 1020(22К60)х720(18К60)-9,8-0,6-ХЛ и ТС 1420(32К60)х1020(22К60)-9,8-0,6-ХЛ. Расчет трубопроводной системы компрессорной станции, построенной в программном комплексе ТпПех2, проводится в балочной постановке.
Проведение расчета НДС тройников по полученным на первом этапе нагрузкам производится в программном комплексе ДЧБУБ3. Тройник моделируется объемными конечными элементами. По результатам расчета НДС тройника проводится оценка циклической прочности тройника согласно методикам [2] и [3].
В качестве критерия прочности тройников принималось непревышение максимального среднего по сечению тройника эквивалентного напряжения (магистрали или ответвления) значения предела текучести материала тройника. Определение средних по сечению максимальных эквивалентных напряжений в тройниках производилось по результатам численного моделирования для трёх наиболее опасных сечений (рис. 1).
Методика оценки циклической прочности тройников основана на положениях [2], [3].
При отсутствии подробных сведений о режимах изменения давления на компрессорной станции используют типизированный режим нагружения, отражающий среднестатистические данные по переменному нагру-жению трубопроводов компрессорной станции. Типизированный режим нагружения для трубопроводов компрессорной станции состоит из 32 отнулевых циклов. Эквивалентные напряжения в стенке трубы, возникающие после 32 отнулевых циклов типизированного режима нагружения, приводят к поврежденности, равной поврежденности при эксплуатационном режиме нагружения за год эксплуатации.
Эквивалентное напряжение отнулевого цикла вычисляется по формуле:
где:
йн — наружный диаметр трубопровода компрессорной станции, мм; 5 — толщина стенки трубы, мм; ц — коэффициент (ц = 0,3 для подземных тройников и ц = 0,5 для надземных тройников); ту — усталостная характеристика трубных сталей
(ту=3);
Ч — количество отнулевых циклов втипизирован-ном режиме переменного нагружения трубопровода, равное 32;
оэк1 — максимальное значение эквивалентных напряжений по критерию Мизеса по результатам расчета НДС тройника.
Поскольку локальные эквивалентные упругие напряжения в ряде случаев могут превышать предел пропорциональности материала, необходимо выполнить пересчет данных напряжений в локальные эквивалентные условно упругие (с учетом пластического деформирования) напряжения:
— показатель упрочнения;
1(2
"о.: 1'
■ к> 3 Б+ <Ш)1-1
— предел пропорциональности.
Скорректированное относительное сужение ф рассчитывается по формуле:
V = 15+0,5у(
где:
фг — относительное сужение материала (принимается равным 40%).
Амплитудное значение циклической нагрузки для рассматриваемого вида циклического нагружения составляет:
Кг) =
Допускаемое значение числа циклов при заданной амплитуде циклической нагрузки
равно минимальному значению из 2-х, определяемых по уравнениям:
г.- 1П- 100 1.<т„г) - [ —-—— .'';.. + -
МИМ)"1, |±1,)
п„(1 + -
| - г )..
где:
Е — модуль упругости, МПа; о — предел выносливости на базе 106, МПа; ов — предел прочности, МПа; г* — коэффициент асимметрии цикла условно упругих напряжений,
г — коэффициент асимметрии цикла напряжений, т — характеристика материала, по — коэффициент запаса по напряжениям, пм — коэффициент запаса по долговечности.
Здесь ф5 = 0,8 — коэффициент снижения циклической прочности сварного шва, выполненного ручной электродуговой сваркой без термообработки, принимаемый в соответствии с [3].
При отсутствии экспериментальных данных по усталостным параметрам допускается пересчет по статическим характеристикам трубных сталей по формулам: т = 0,5 °-1 = к-1 °в
где к_1 = 0,4.
Если (0р)>00 2 и (оаР )<о02 то г* определяется по формуле
* ~ )
г --
0(1.2
Если (оаР)>о02, то г* принимают равным г* = -1.
Коэффициент асимметрии цикла напряжений
г = 0.
Значения коэффициентов запаса по напряжениям и долговечности, на основании [2], [3] следующие по = 2, пм = 10.
Срок службы тройника Ттр связан с допускаемым числом циклов следующей зависимостью:
Ттр=амо/ч,
где Ч0 — количество отнулевых циклов в типизированном режиме переменного нагружения трубопровода, равное 32.
Для каждого тройника на основании значений максимальных эквивалентных напряжений по критерию Мизеса, полученных
Рис. 2 — Эквивалентные напряжения в тройнике ТС 1020(22К60)x720(18К60)-9,8-0,6-ХЛ при эксплуатации
Рис. 3 — Эквивалентные напряжения в тройнике ТС 1420(32К60)x1020(22К60)-9,8-0,6-ХЛ при эксплуатации
программный комплекс ДИБУБ реализует конечно-элементный расчет НДС производных конструкций.
при расчете НДС тройников, определяется максимально допустимое количество циклов и срок службы тройников.
Ниже приведены распределения полей эквивалентных напряжений при эксплуатации КС в наиболее нагруженном тройнике ТС 1020 (22К60) х 720 (18К60)-9,8-0,6-ХЛ (рис. 2) и в наиболее нагруженном тройнике ТС 1420(32К60)х1020(22К60)-9,8-0,6-ХЛ (рис. 3).
Итоги
Локальные эквивалентные напряжения в тройниках ТС 1020 (22К60)х720 (18К60)-9,8-0,6-ХЛ не превышают 426 МПа, при этом средние эквивалентные напряжения в опасных сечениях не превышают 237 МПа, что составляет 53,7% от напряжений, допускаемых по [1]. Для указанного тройника допускаемые число эквивалентных циклов нагружения составляет 2896, что соответствуют сроку службы тройника — 90 лет.
Локальные эквивалентные напряжения в тройниках ТС 1420 (32К60)х1020 (22К60)-9,8-0,6-ХЛ не превышают 465 МПа, при этом
средние эквивалентные напряжения в опасных сечениях не превышают 245 МПа, что составляет 55,6% от напряжений, допускаемых по [1]. Для указанного тройника допускаемые число эквивалентных циклов нагружения составляет 2850, что соответствуют сроку службы тройника — 89 лет.
Таким образом основные технологические трубопроводы, а также тройники ТС 1020 (22К60)х720 (18К60)-9,8-0,6-ХЛ и ТС 1420 (32К60)х1020 (22К60)-9,8-0,6-ХЛ в составе обвязки рассматриваемой КС условиям статической прочности удовлетворяют. Уровень эквивалентных напряжений в сварных тройниках при эксплуатационном режиме и в режиме гидроиспытаний не превышает 62% максимально допустимых по [1]. Срок службы сварных тройников составляет не менее 82 лет. Данный срок превышает расчетный срок безопасной эксплуатации технологических трубопроводов типовых компрессорных станций — 40 лет.
Выводы
Таким образом, тройники ТС 1020 (22К60)
х720 (18К60)-9,8-0,6-ХЛ, ТС 1420 (32К60) х1020 (22К60)-9,8-0,6-ХЛ могут быть применены вместо тройников ТШС 1020 (22К60)х720 (18К60)-9,8-0,6-УХЛ, 1420 (32К60)х1020 (22К60)-9,8-0,6-УХЛ в составе трубопроводной обвязки рассматриваемой компрессорной станции, а также на других компрессорных станциях ОАО «Газпром» при обосновании достаточной прочности.
Список используемой литературы
1. Строительные нормы и правила Российской Федерации. СНИП 2.05.06-85*. Магистральные газопроводы.
2. Стандарт организации. СТО Газпром 2-2.3-453-2010. Методика оценки ресурса тройников. Введ. 15.09.2010. М.: ОАО «Газпром», 2010. 114 с.
3. Правила и нормы в атомной энергетике Госатомэнергонадзора СССР. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
ENGLISH
GAS INDUSTRY
Possibility of using welded tees at OJSC "Gazprom"
UDC 622.691
Authors:
Oleg P. Vasil'ev — deputy general director for development1; o.vasilvev@inpipe.info
Yuriy M. Sverdlik — head of the strength and reliability of trunk pipelines objects, deputy head of the center of strength, reliability and diagnostics, Industrial safety expert in the oil and gas industry2; sverdlik@ggc.nnov.ru Aleksey V. Ustyuzhanin — chief specialist of the strength and reliability2; ustav@ggc.nnov.ru
1ITRiS LLC, Moscow, Russian Federation
2Giprogaztsentr OJSC, Nizhny Novgorod, Russian Federation
Abstract
The explanation of the possibility of using welded tees during construction of JSC "Gazprom". The possibility of applying the criterion is to satisfy the criteria of static and cyclic strength of the proposed tees.
Materials and methods
Software package TRIFLEX implements finite element calculation of the stress-strain state (SSS) spatial piping systems. ANSYS software system implements a finite element calculation of VAT derivatives structures.
Results
Local equivalent stresses in tees TC 1020 (22K60) x720 (18K60)-9,8-0,6-CL does not exceed 426 MPa, while the average equivalent stress in the dangerous sections do not exceed
237 MPa, which is 53.7% of the strains permitted by [1]. Tee for the specified allowable number of load cycles is equivalent to 2896, which correspond to the lifetime of the tee — 90 years. Local equivalent stresses in tees TC 1420 (32K60) x1020 (22K60)-9,8-0,6-CL does not exceed 465MPa, while the average equivalent stress in the dangerous sections do not exceed 245MPa, which is 55.6% of the strains allowed in [1]. Tee for the specified allowable number of load cycles is equivalent to 2850, which correspond to the lifetime of the tee — 89 years. Thus the basic technological pipelines, as well as tees TC 1020 (22K60) x720 (18K60)-9,8-0,6-CL and TC 1420 (32K60) x1020 (22K60)-9,8-0,6-CL as part of COP considered binding conditions satisfy the static strength. Level equivalent stresses in welded tees at operational mode and hydraulic
testing does not exceed 62% of the maximum allowable in [1]. The service life of welded T-joints is not less than 82 years. This period exceeds the expected life safe operation of process piping typical compressor stations — 40 years.
Conclusions
Thus, T-TC 1020 (22K60) x720 (18K60) -9,8-0,6-CL, TC 1420 (32K60) x1020 (22K60) -9,8-0,6-CL can be used instead of tees TSHS 1020 (22K60) h720 (18K60) -9,8-0,6-UHL, 1420 (32K60) h1020 (22K60) -9,8-0,6-UHL as part of the piping under consideration compressor station, as well as other compressor stations OJSC "Gazprom" in the justification of sufficient strength.
Keywords
static strength, fatigue strength, welded tee, stamped tee, ANSYS
References resursa troynikov [Standard organization]. Gosatomenergonadzora SSSR [Rules
1. Stroitel'nye normy ipravila Rossiyskoy STO Gazprom 2-2.3-453-2010. Methods of and regulations in nuclear power
Federatsii [Building regulations of the Russian assessing the resource tees. Permission. Gosatomenergonadzor USSR].
Federation]. SNIP 2.05.06-85*. Trunk gas 15.09.2010. Moscow: OJSC "Gazprom", 2010, PNAE G 7-002-86. Norms based on the
pipelines. 114 p. strength of the equipment and pipelines of
2. Standartorganizatsii. Metodika otsenki 3. Pravila i normy vatomnoy energetike nuclear power plants.
