CC BY
20
На деривативной термогравиметрической кривой DTG (рис. 2) можно выделить пять участков, соответствующих различным водным фракциям, каждая из которых соответствует определенному интервалу влагосодержа-ния и отличается значениями энергии связи влаги с продуктом.
Определим значение влагосодержания материала в точке А:
= Ш-бЗ = кг/кг.
А 300 -168 Определим значение влагосодержания материала в
точке В:
168 - 96 UB =......- 0,545 кг/кг.
300-168
Определим значение влагосодержания материала в
точке С:
= 168-138 = 0,227 кг/кг.
с 300-168 Определим значение влагосодержания материала в точке D:
тт 168 -160,1 ААСО
ип =-- - 0,058 кг/кг.
° 300-168
Первый участок, который наблюдается при снижении влагосодержания до 1,225 кг/кг, характеризуется удалением в основном свободной влаги. Второй участок соответствует влагосодержанию в казеине от 1,225 кг/кг до 0,545 кг/кг. Третий участок соответствует влагосодержанию от 0,545 кг/кг до 0,227 кг/кг. Четвертый участок соответствует влагосодержанию от 0,227 кг/кг до 0,058 кг/кг. Началу пятого участка соответствует влагосодержание 0,058 кг/кг, которое в большей степени характеризуется мономолекулярно - связанной влагой в казеине.
Значение влагосодержания 0,058 кг/кг близко к значению мономолекулярного слоя обезжиренного сухого
молока (0,03 кг/кг), которое рассчитано М. Керилом по методу БЭТ [2, с. 55].
Опыт использования установок для термического анализа в лабораториях показал, что дериватограф в настоящее время является наиболее совершенным прибором.
Преимущества использования дериватографиче-ского способа заключаются в том, что условия эксперимента приближены к реальным процессам сушки, при этом обезвоживание материала в печи дериватографа позволяет во много раз сократить длительность эксперимента, а также повысить точность и надежность измерений.
Список литературы:
1. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов: -М.: Пищевая промышленность, 1973. - 528 с.
2. Гинзбург А.С. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 280 с.
3. Патент 2204822 (Российская Федерация), МКИ G 01 N 24/00 Способ определения количества моно-молекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги / И.Т. Кретов, В.М. Арапов, С.В. Шахов- Заявл. 15.08.2001, № 2001123030/28, опубл. в Б.И., 2003 № 14.
4. Патент 2312328 (Российская Федерация), МКИ G 01 N 25/56 Способ определения количества водных фракций, отличающихся энергией связи влаги с веществом / В.М. Арапов, С.В. Шахов, М.В. Арапов, С.В. Бутурлин - Заявл. 20.01.2006, № 2006100224/13, опубл. в Б.И., 2007 № 34.
5. Патент 2230267 (Российская Федерация), МКИ F 26 B 3/00 Способ определения допустимых температурных режимов сушки диперсных продуктов / В.М. Арапов, С.В. Шахов, М.В. Арапов, И.С. Моисеева, Н.А. Янпольская - Заявл. 22.01.2003, № 2002101788/06, опубл. в Б.И., 2004 № 16.
КРИТЕРИЙ РАЗРУШЕНИЯ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ПРИ НЕСПЛАВЛЕНИИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Шинкин Владимир Николаевич
доктор физ.-мат. наук, профессор Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»,
г. Москва
THE CRITERION OF THE MAJOR-DIAMETER TUBES' DESTRUCTION UNDER THE WELD FA ULTY FUSION Vladimir N. Shinkin, Doctor of Science, professor of the National Research Technological University «MISiS», Moscow
АННОТАЦИЯ
Предложен математический критерий определения критического внутритрубного давления, при котором происходит упругопластическое разрушение стенки трубы при несплавлении сварного шва. Результаты исследования могут быть использованы при диагностике причин разрушения стальных труб большого диаметра магистральных газонефтепроводов. ABSTRACT
For the elasto-plastic destruction of the tube wall under the weldfaulty fusion, the mathematical criteria for the definition of the critical in-tube pressure is obtained. The results of the investigation are important for the diagnostics of the failure's causes of the steel major-diameter tubes for the main gas-and-oil pipelines.
Ключевые слова: стальные сварные трубы большого диаметра, критическое давление разрыва трубы, модель нелинейной упругопластической сплошной среды.
Keywords: steel welded major-diameter tubes, critical pressure of pipe fracture, the nonlinear elasto-plastic model of continuum.
Основные причины аварий магистральных трубопроводов. Крупнейшими по протяженности эксплуатируемых нефтепроводов зарубежными странами являются США (85 тыс. км), страны Западной Европы (35,3 тыс. км) и страны ОПЕК (около 20 тыс. км).
Среднее число инцидентов и аварий, приходящихся на 1000 км, составило в России за 1999-2009 гг. 0,06 отказов в год. На западноевропейских магистральных трубопроводах среднее число отказов за 1991-2006 гг. составило 0,32 отказа в год, на североамериканских - до 0,48. В США в 1,5 раза больше отказов из-за внешних воздействий. В Европе три наиболее важные причины возникновения аварийных ситуаций и утечек - внешние воздействия на трубопроводы (36%), коррозия (29%) и механические повреждения (24%). Однако на отечественных нефтепроводах почти в два раза больше, чем в США и Европе, отказов из-за заводских дефектов и брака строительно-монтажных работ. Поэтому необходимо тщательно изучать причины известных случаев отказа трубопроводов из-за производственного брака.
Производство труб большого диаметра. Магистральные газонефтепроводы строят из труб большого диаметра, которые в свою очередь производят на металлургических заводах из широкого толстого стального листа. Листовой прокат обязательно правят в листоправиль-ных многороликовых машинах для устранения дефектов
поверхности листа [1-5]. Для обеспечения высоких требований к эксплуатации магистральных трубопроводов в практике трубного производства утвердился процесс формовки трубной заготовки из стального листа по схеме JCOE, разработанный немецкой фирмой SMS Meer [1, 2, 6-20].
Дефект образования гофра продольной кромки стального листа на кромкогибочном прессе SMS Meer изучался в работах [1, 2, 6, 8, 11-15], вредное влияние остаточных напряжений в стенке стального листа после тру-боформовочного пресса SMS Meer на процесс экспандирования трубы - в [1, 2, 18], дефект «точка перегиба» при изгибе стального листа на трубоформовочном прессе SMS Meer - в [1, 2, 19], дефект несплавления сварного продольного шва при сборке трубы - в [1, 2, 21], дефект стального листа раскатной пригар с риской - в [1, 2, 22].
Прочностной анализ разрушения труб при несплавлении сварного шва. Пусть D, h и А - внешний диаметр трубы, толщина стенки трубы (h << D) и глубина несплавления сварного соединения на внутренней поверхности трубы (А < h). Пусть ф и s - угол и длина нижней фаски трубы (рис. 1).
Рисунок 1. Схема дефекта несплавления сварного шва трубы: 1 - стенка трубы, 2 - внешний сварной шов, 3 - фаска кромки трубы до сварки, 4 - внутренний сварной шов, 5 - дефект несплавления металла сварного шва с основным металлом трубы, 6 - дефект наплыва сварного шва на внутреннею поверхность трубы
Под действием внутреннего давления р при гидроиспытаниях металл трубы в зоне несплавления заводского сварного шва испытывает сложное сопротивление: окружное растяжение, радиальное сжатие, изгиб относительно продольной линии сварного шва, а также концентрацию напряжений. По теории упругопластического течения и критерию прочности Треска-Сен-Венана (теории наибольших касательных напряжений) внутренняя стенка труб начинает разрушаться в точке А (корне внутреннего сварного шва), когда максимальные касательные напряжения в точке А достигают половины предела прочности св. Разрушение сварного шва происходит при достижении в трубе критического давления (критерий Шинкинаразрыва трубы при несплавлении сварного шва):
критич _
Psh -
а
/
D + 2А
+
3DA
+
3hA
л
+1
v 2(h -A) 2(h -A)2 (h -A)2 j
где д = const > 1 - безразмерный коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в зоне несплавления сварного шва.
Первое слагаемое в знаменателе связано с окружным растяжением стенки трубы, а второе и третье слагаемые -с изгибающим моментом стенки трубы в зоне несплавления.
Рисунок 2. Вид сбоку разрыва трубы при гидроиспытаниях: 1 - место начала разрыва трубы, 2 - продольный сварной шов, 3 - кольцевой (монтажный) сварной шов, 4 - наружная изоляция трубы
Пример разрушения трубы. На рис. 2 показано разрушение прямошовной двухшовной трубы класса прочности К60, диаметра 1220 мм и с толщиной стенки 19 мм после гидравлических испытаний на трассе магистрального нефтепровода при достижении величины испытательного давления 109,8 кгс/см2. Длина разрушения
продольного заводского шва составила 1770 мм. У разорванной трубы был обнаружен заводской дефект несплавления основного металла трубы и металла продольного сварного шва, начинавшийся от корня внутреннего сварного шва и простиравшийся на 4-5 мм в глубь сварного соединения (рис. 3).
Рисунок 3. Дефекты сварного соединения в области разрыва трубы: 1 - дефект несплавления основного металла трубы и внутреннего продольного сварного шва, 2 - глубина зоны несплавления, 3 - дефект наплыва металла внутреннего сварного шва на поверхность трубы, 4 - наружная изоляция трубы
Прочностной анализ критических давлений разрушенной трубы. Для разорванной трубы D = 1220 мм, h = 19 мм, А = 4-5 мм, св(трубы) < 527 Н/мм2, Св(шва) < 673 Н/мм2. Применяя критерий разрыва трубы при несплавлении сварного шва, получаем, что при глубине несплавления продольного сварного шва А = 3,2 мм и минимальном значении д =1 для основного металла трубы рлкритич = 8,142 МПа = 82,993 кгс/см2, а для металла сварного продольного шва рлкри-
тич = 10,397 МПа = 105,985 кгс/см2. Результаты вычислений показывают, что разрушение трубы при гидроиспытаниях на трассе началось несколько раньше, чем испытательное давление в нефтепроводе достигло значения 109,8 кгс/см2.
Список литературы:
I. Шинкин В.Н. Механика сплошных сред для металлургов. М: Изд. Дом МИСиС, 2014. 628 с.
3. Шинкин В.Н. Сопротивление материалов для металлургов. М: Изд. Дом МИСиС, 2013. 655 с.
4. Шинкин В.Н., Федотов О.В. Расчет технологических параметров правки горячекатаной рулонной полосы на пятироликовой машине линии Fagor Arrasate // Производство проката. 2013. № 9. С. 43-48.
5. Шинкин В.Н., Барыков А.М. Расчет технологических параметров холодной правки стального листа на девятироликовой машине SMS Siemag металлургического комплекса стан 5000 // Производство проката. 2014. № 5. С. 7-15.
6. Шинкин В.Н. Расчет технологических параметров правки стального листа на одиннадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2014. № 8. С. 26-34.
7. Шинкин В.Н. Гофр продольной кромки листа при его формовке на кромкогибочном прессе // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2009. Вып. 6. С. 171-174.
8. Шинкин В.Н., Уандыкова С.К. Гибка стальной листовой заготовки на кромкогибочном прессе при производстве труб большого диаметра // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова. 2009. № 16. С. 110-112.
9. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Формовка листовой заготовки в кромкогибочном прессе и условие возникновение гофра при производстве труб магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 4. С. 14-22.
10. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Упругопластическое изменение металла на кромкогибочном прессе при формовке труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 6. С. 53-56.
II. Shinkin V.N., Kolikov A.P. Elastoplastic shaping of metal in an edge-ending press in the manufacture of
large-diameter pipe // Steel in Translation. 2011. Vol. 41. No. 6. P. 528-531.
12. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Модель пластического формоизменения кромок листовой заготовки при производстве труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 45-49.
13. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процесса пластического формоизменения листовой заготовки для производства труб большого диаметра // Обработка металлов давлением. 2011. № 3(28). С. 7-11.
14. Шинкин В.Н. Математическое моделирование процессов производства труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (62). Вып. 4. С. 69-74.
15. Шинкин В.Н., Коликов А.П., Барыков А.М. Технологические расчеты процессов производства труб большого диаметра по технологии SMS Meer // Металлург. 2011. № 11. С. 77-81.
16. Shinkin V.N., Kolikov A.P. Engineering calculations for processes involved in the production of large-diameter pipes by the SMS Meer technology // Metallurgist. 2012. Vol. 55. Nos. 11-12. P. 833-840.
17. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процесса формовки заготовки для труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 1. С. 54-58.
18. Shinkin V.N., Kolikov A.P. Simulation of the shaping of blanks for large-diameter pipe // Steel in Translation.
2011. Vol. 41. No. 1. P. 61-66.
19. Шинкин В.Н., Коликов А.П., Мокроусов В.И. Расчет максимальных напряжений в стенке трубы при экспандировании с учетом остаточных напряжений заготовки после трубоформовочного пресса SMS Meer // Производство проката. 2012. № 7. С. 25-29.
20. Шинкин В.Н. Критерий перегиба в обратную сторону свободной части листовой заготовки на тру-боформовочном прессе SMS Meer при производстве труб большого диаметра // Производство проката. 2012. № 9. С. 21-26.
21. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процессов экспандирования и гидроиспытания труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 10. С. 12-19.
22. Шинкин В.Н., Барыков А.М., Коликов А.П., Мок-роусов В.И. Критерий разрушения труб большого диаметра при несплавлении сварного соединения и внутреннем давлении // Производство проката.
2012. № 2. С. 14-16.
23. Шинкин В.Н., Мокроусов В.И. Критерий разрыва труб газонефтепроводов при дефекте раскатной пригар с риской // Производство проката. 2012. № 12. С. 19-24.
