CC BY
13УДК 622.691.4:628.517 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
МЕТАЛЛА ТРУБ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ ПОСЛЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
STUDY OF CHARACTERISTICS OF MECHANICAL PROPERTIES OF GAS-DISTRIBUTING STATION PIPES METAL AFTER LONG-TERM OPERATION
И. Ю. Быков, И. Н. Бирилло, П. А. Кузьбожев
I. Yu. Bykov, I. N. Birillo, P. A. Kuzbozhev
Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта
Ключевые слова: газораспределительная станция; механические свойства; продолжительная эксплуатация Key words: gas-distributing station; mechanical properties; long-term operation
При проведении капитального ремонта газораспределительной станции (ГРС) ООО «Газпром трансгаз Ухта» была заменена технологическая трубопроводная обвязка, из которой были отобраны фрагменты для изучения особенностей изменения свойств металла труб при длительной эксплуатации (37 лет). Для проведения сравнительной оценки был отобран металл из надземных трубопроводов высокого (2,8 МПа) и низкого (1,2 МПа) давлений. Фрагмент трубопровода низкого давления (фрагмент № 2) представлял собой отрезок коллектора с подводящими шлейфами на выходе из зала редуцирования ГРС. Фрагмент трубопровода высокого давления (фрагмент № 10) представлял собой отрезок трубопровода на прямолинейном надземном участке перед переходом в участок подземной прокладки на входе в пылеуловитель.
Цель механических испытаний — оценка влияния условий механического нагру-жения при эксплуатации технологических трубопроводов ГРС на изменение свойств металла труб. На трубопроводе высокого давления — давление выше, но режим его воздействия квазистатический, на трубопроводе низкого — давление ниже, но добавляется воздействие высокоскоростного потока газа после редуцирующего клапана-регулятора.
Из отобранных фрагментов металла труб были изготовлены образцы для проведения механических испытаний по ГОСТ 1497-84 [1]. Изготавливались образцы двух типов: образцы полной толщины трубы с сохранением фактического состояния внутренней и наружной поверхностей труб и образцы уменьшенной толщины. Изготовлялось фрезерованием по два образца уменьшенной толщины, которые располагались в пределах сечения толщины стенки трубы следующим образом:
• с сохранением наружной поверхности трубы (образцы № 3 и 6);
• с сохранением внутренней поверхности трубы (образцы № 5 и 8);
• посередине толщины стенки трубы (образцы № 4 и 7).
Образцы полной и уменьшенной толщины вырезались в продольном и в поперечном направлениях относительно продольной оси трубы. Было изготовлено и испытано 4 образца полной толщины и 12 образцов уменьшенной толщины, всего 16 образцов. Полученные результаты представлены в таблице и на рис. 1, 2. Сравнение результатов выполнено с данными технических условий на трубы [2] и справочными данными [3]. Для сравнительного анализа результатов испытаний использовались характеристики стали марки ст. 4. Согласно акту приемки в эксплуатацию технологические трубопроводы на входе и выходе ГРС монтировались из труб диаметром 426 мм, толщиной стенки 10 мм, марка стали труб — сталь ст. 4, что также подтверждается данными сертификатов на трубы.
Принципиальным моментом является преимущественно меньшие значения предела прочности для образцов, отобранных из трубопровода низкого давления, в сравнении с образцами, отобранными из трубопровода высокого давления. Данная тенденция свойственна 12 образцам из 16 испытанных.
Результаты определения характеристик механических свойств образцов металла
трубопроводной обвязки ГРС
Номер образца Местоположение по толщине стенки трубы / направление вырезки Характеристики механических свойств
^0,2, МПА Он, МПа Оразр, МПа б, % % Е, ТПа
2-1 Полной толщины, поперечное 278 504 709 18,2 32,7 0,196
2-2 Полной толщины, продольное 286 515 767 21,6 39,9 0,200
2-3 Снаружи, поперечное 372 534 707 17,5 28,5 0,182
2-4 Посередине, поперечное 327 526 770 26,2 37,2 0,194
2-5 Снаружи, поперечное 388 526 628 13,8 21,0 0,197
2-6 Снаружи, продольное 301 544 814 23,8 39,6 0,191
2-7 Посередине, продольное 338 524 806 27,5 45,8 0,200
2-8 Внутри, продольное 265 520 733 22,5 34,6 0,194
10-1 Полной толщины, поперечное 353 530 655 19,6 25,0 0,189
10-2 Полной толщины, продольное 358 534 1037 22,5 61,3 0,189
10-3 Снаружи, поперечное 312 494 623 12,5 31,0 0,191
10-4 Посередине, поперечное 346 560 707 22,5 35,5 0,174
10-5 Внутри, поперечное 350 547 781 21,2 36,0 0,175
10-6 Снаружи, продольное 339 511 775 20,0 47,1 0,167
10-7 Посередине, продольное 321 548 906 23,8 53,7 0,193
10-8 Внутри, продольное 328 536 932 26,2 56,0 0,189
Аналогично для условного предела текучести — 10 образцов из 16 испытанных. При этом у 4-х образцов значения условного предела текучести меньше требуемого осредненного сертификатного значения 313 МПа (рис. 1 а, образцы №№ 2-1, 2-3, 2-5 и 10-3). Это означает, что при воздействии квазистатического внутреннего давления газа в трубопроводе предел прочности со временем наработки закономерно и объяснимо возрастает. Чем большее статическое давление испытывает металл трубы, тем в большей степени возрастает предел прочности. При меньшем статическом давлении, сопровождающемся дополнительной нагрузкой в виде высокоскоростного потока газа, наблюдается некоторое уменьшение условного предела текучести в сравнении с условиями отсутствия динамической нагрузки.
Характеристики пластических свойств, контролируемые относительным удлинением после разрыва образцов, лишь в 4-х случаях из 16 не соответствуют нормативным требованиям. Характерно, что в трех случаях из четырех это несоответствие приходится на образцы, изготовленные из фрагмента трубопровода с меньшей величиной внутреннего рабочего давления (рис. 1 б, образцы №№ 2-1, 2-3, 2-5). Наблюдаемое изменение характеристик механических свойств происходит при воздействии дополнительной неучитываемой динамической нагрузки от высокоскоростного потока дросселируемого газа.
Анализ распределения модуля упругости первого рода показывает, что его зависимости с другими характеристиками механических свойств металла не прослеживаются. Общая тенденция соответствует увеличению модуля упругости с увеличением относительного удлинения после разрыва образцов и уменьшением их предела прочности. Однако данные закономерности характеризуются существенным разбросом данных и не являются функциональными.
Все три образца с недостаточными характеристиками пластических свойств вырезаны поперек продольной оси трубопровода. Это свидетельствует о том, что изменение свойств произошло при воздействии кольцевых напряжений, возникающих от внутреннего рабочего давления газа. Кольцевые напряжения определяют по формуле
акц = Р ^ кц 25
где Эвн — внутренний диаметр трубы (мм), 5 — номинальная толщина стенки трубы (мм); Р — рабочее давление газа (МПа).
ств, сто,:», МПа 600 -
ств, МПа сто,:, МПа Св = 492 МПа ств = 412 МПа
002 = 313 МПа
'ЛИН
00 2 = 245 МПа '
' М
2-1 10-1 2-22 10-22 2-3 10-3 2-4 10-4 2-5 10-5 2-6 10-6 2-7 10-7 2-8 10-8
Номер образца
5, Ф, %
2-1 10-1 2-2 10-2 2-3 10-3 2-4 10-4 2-5 10-5 2-6 10-6 2-7 10-7 2-8 10-8
Номер образца
а
б
Рис. 1. Характеристики механических свойств образцов металла труб из трубопроводной технологической обвязки ГРС: а — предел прочности и условный предел текучести, б— относительное удлинение и относительное сужение образцов после разрыва
Е,
0,21
0,2
0,19
0,18
0,17
0,16
0,15 2
Номер образца
ТПа
-1 10-1 2-2 10-2 2-3 10-3 2-4 10-4 2-5 10-5 2-6 10-6 2-7 10-7 2-8 10-8
Рис. 2. Модуль упругости первого рода образцов металла из трубопроводной технологической обвязки ГРС
Для трубопровода низкого давления с наружным диаметром Бн = 426 мм и толщиной стенки 8 = 10 мм внутренний диаметр составит Бвн = Бн - 28 = 406 мм, поэтому при рабочем давлении 1,2 МПа кольцевые напряжения составят
1,2 • 406 2-10
°кц = 8 = 24,4 (МПа).
°кц = '„„,= 96,1 (МПа).
бопровода низкого давления КЦ = 24,4 = 0,076, для трубопровода высокого давле-
Для трубопровода высокого давления с наружным диаметром Бн = 530 мм и толщиной стенки трубы 8 = 7,5 мм, Бвн = 515 мм, поэтому при рабочем давлении 2,8 МПа кольцевые напряжения составят
2,8 • 515 2 • 7,5
Итак, величина кольцевых напряжений, возникающих в металле трубопровода высокого давления (2,8 МПа), в 3,9 раза превышает величину кольцевых напряжений, возникающих в металле трубопровода низкого давления (1,2 МПа). При этом отношение величин внутреннего давления в трубопроводах равно 2,3.
а КЦ
Если воспользоваться относительной величиной напряжений —— (в долях от
ст0,2
экспериментально установленного среднего условного предела текучести), то для тру-
(КЦ = 24,4 (70,2 " 319 (кц 96,1
ния —— =- = 0,284, а их отношение составит величину, сопоставимую с рассчи-
(0,2 338
0,284 „„„
танной ранее - = 3,74.
0,076
Таким образом, несмотря на почти четырехкратное превышение величины кольцевых напряжений, возникающих в трубопроводе с более высоким внутренним рабочим давлением, металл трубопровода низкого давления после узла редуцирования претерпевает значительное ухудшение пластических свойств, которое может быть объяснено возникновением динамического характера нагружения (то есть кольцевые напряжения уже не носят квазистатический характер, а характеризуются наложением пульсирующей нагрузки от скоростного потока дросселируемого газа). При этом напряжения в металле труб будут возникать не от статической нагрузки, а от нагрузки с ассиметрич-ным циклом нагружения.
Прочие нагрузки, например, от изменения температуры воздуха, одинаковы для трубопроводов надземной прокладки и действуют в одинаковой степени на трубопровод высокого давления и на трубопровод низкого давления.
Практический интерес представляет сопоставление характеристик механических свойств металла трубы по сечению толщины стенки, что достигалось испытаниями соответственно расположенных по сечению образцов. Установлено, что наиболее существенное изменение свойств металла зафиксировано для образцов, отобранных с примыканием к наружной поверхности трубы (образцы №№ 2-3, 2-5, 10-3). Некоторое несоответствие по условному пределу текучести также наблюдается у образца, примыкающего к внутренней поверхности трубы (образец № 2-8).
Эти данные свидетельствуют о том, что напряженное состояние труб по толщине стенки неоднородно. Наиболее существенное изменение свойств металла происходит у наружной поверхности трубы, то есть в той части сечения, в которой кольцевые напряжения имеют максимальную величину. Однако с точки зрения общепринятой расчетной модели напряженно-деформированного состояния трубопроводов считается, что в тонкостенном цилиндре окружные напряжения распределены по толщине стенки трубы почти равномерно, а радиальные — малы по сравнению с осевыми и окружными в той же мере, в какой толщина стенки трубы мала по сравнению с ее радиусом, то есть упрощенно напряженное состояние стенки трубы считается плоским.
Основываясь на экспериментально полученные данные, можно рассматривать трубопровод как цилиндрическую оболочку, поперечное сечение которой по характеру действия энергии деформации можно разделить, как минимум, на две зоны. Приближенная к внутренней поверхности трубопровода статическая зона, в которой действует энергия статической деформации от внутреннего давления перекачиваемого газа, и приближенная к наружной поверхности трубопровода динамическая зона, в которой действует скрытая энергия деформации, возникающая от динамических процессов перекачки газа — скорости и пульсаций потока.
Зависимости параметров прочности от характеристик пластичности образцов не так очевидны. К функционально линейной зависимости с достаточно высоким коэффициентом детерминации R2 = 0,83 можно отнести лишь зависимость напряжения разрушения от относительного удлинения после разрыва образцов (рис. 3 а). оВ, о0,2, ор, МПа
900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 -
0 -1
ов, о0,2, ор, МПа
900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 -0 -
Рис. 3. Зависимости предела прочности, условного передела текучести и напряжения
разрушения от относительного удлинения после разрыва (а) и относительного сужения (б) образцов металла из фрагмента № 2 технологических трубопроводов ГРС
При изменении относительного удлинения после разрыва предел прочности остается почти неизменным, а условный предел текучести имеет тенденцию к уменьшению. Полная аналогия зависимостей прослеживается и для относительного сужения образцов (рис. 3 б).
• Таким образом, установлено, что металл трубопровода газораспределительной станции низкого давления (1,2 МПа) после 37 лет эксплуатации на участке за узлом редуцирования претерпевает значительное ухудшение пластических свойств по сравнению с металлом трубопровода с более высоким внутренним рабочим давлением (2,8 МПа). Это может быть вызвано возникновением динамического характера нагружения, при котором кольцевые напряжения не носят квазистатический характер, а характеризуются наложением пульсирующей нагрузки от скоростного потока дросселируемого газа.
• Исследованы зависимости параметров прочности от характеристик пластичности образцов металла трубопроводов ГРС, наиболее представительными из которых являются зависимости напряжения разрушения от относительного удлинения и сужения после разрыва образцов. При этом предел прочности при изменении характеристик пластичности металла остается почти неизменным, а условный предел текучести имеет тенденцию к уменьшению.
Список литературы
1. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. - М.: ФГУП «Стандартинформ». - 2005. -22 с.
2. ГОСТ 8731-74. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Технические требования. -М.: Издательство стандартов. - 1997. - 10 с.
3. Анучкин М. П., Горицкий В. Н., Мирошниченко Б. И. Трубы для магистральных трубопроводов. - М.: Недра, 1986. -231 с.
Cведения об авторах
Быков Игорь Юрьевич, д. т. н., профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности», Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта, тел. 8(8216)774492, е-mail: i-bykov@ugtu. net
Бирилло Игорь Николаевич, начальник лаборатории надежности объектов газотранспортной системы, филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ», г. Ухта, Россия, тел. 8(8216)752754, [email protected]. ru
Кузьбожев Павел Александрович, специалист группы интеллектуальной собственности, Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ», г. Ухта, тел. 8(8216)751577, е-mail: p. kuzbozhev@sng. vniigaz.gazprom. ru
Information about the authors
Bykov I. Yu., Doctor of Engineering, professor of the chair «Machines and equipment of oil and gas industry», Ukhta State Technical University, phone: 8(8216)774492,
e-mail: [email protected]
Birillo I. N., head of laboratory «Safety of gas transport system facilities», affiliate of LLC «GaspromVNIIGAS», phone: 8(8216)752754, e-mail: [email protected]. gazprom. ru
Kuzbozhev P. A., specialist of the group of intellectual property, affiliate of LLC «GaspromVNIIGAS», phone: 8(8216)751577, e-mail: [email protected]. gazprom. ru
