CC BY
50
УДК 621.979
ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ ВЫСОКОНАПОРНЫХ ТРУБ В.П. Смоленцев, В.А. Нилов, Ю.А. Цеханов
В статье приведена оценка предельных геометрических размеров при испытании высоконапорных труб, применяемых в оборудовании и оснастке для электрохимической размерной обработки, в протяжных станках, испытательных установках, при бурении нефтяных и газовых скважин
Ключевые слова: испытания, трубы, высокое давление, параметры
Все трубы, предназначенные для работы под давлением, проходят приемочный контроль у изготовителя, в том числе путем выборочных испытаний при давлении, превышающем на 50100% эксплуатационное. Если такие трубы используются в наклонных нефтяных и газовых скважинах, то вводится коэффициент запаса прочности, учитывающий радиальные
составляющие сил, действующих от массы грунта, перемещения почвы при изменении температурных условий (особенно в зоне вечной мерзлоты); нагрузки от сооружений и техники, собственный вес трубы в скважине. Подобные изделия должны гарантировать работоспособность магистралей при установленных условиях эксплуатации. Однако на качество напорных труб и магистралей могут оказывать влияние различные внешние воздействия, вызывающие нарушения прочности (погрешности при изготовлении, повреждения при транспортировке, хранении, монтаже, ошибки технологического плана и др.).
Согласно [1] в технических условиях на поставку труб могут допускаться незначительные местные дефекты с глубиной, при которой сохраняется минимальная необходимая толщина стенки трубы.
В [1] приведены типовые нарушения, возникающие в процессе изготовления труб. Часть таких факторов снижает прочность и надежность изделий при работе под давлением, что требуется выявить при испытаниях.
Испытания труб проводятся на специальных установках, часть которых обеспечивает давление до 130МПа. Предельные давления, которые может выдержать труба или магистраль, назначаются из условий эксплуатации. В установках они ограничивают предел повышения давления в процессе испытаний.
С возрастанием давления происходит расширение сечения и укорачивание труб, которое может составлять по [2] до 10 мм.
Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 234-81-45
Нилов Владимир Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 271-52-68
Цеханов Юрий Александрович - ВГАСУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 246-19-77 160
При подаче давления внутрь трубы или магистрали возникают радиальные напряжения
о; [2].
2 2 / \ 2 2 „ _ РТ - Р2г2 - (А - Р2 )Т1 Т2 (1)
г 2 2 /2 2\ л2 5 (1)
Т2 _ Г (Г _ Г )Р
где: СГг - радиальное напряжение; ръ р2 -внутреннее и наружное давление; т1, г2 - внутренний и наружный радиус трубы; р - координата рассматриваемой точки (текущий радиус).
Для высоконапорных труб и магистралей величина р2 несоизмеримо меньше р1, поэтому принимают р2=0.
Величина г2 = г1+ ґ, где ґ - толщина стенки трубы.
Тогда можно установить [2] предельное давление (Рпред), которое допустимо внутри трубы. Из формулы (1)
л (2г1 +ґ )р2
,ш V[(V + 2^ + г)-рр]• (>
Принимают Рпред в качестве ограничения при испытаниях.
Значительно удобнее контролировать предельное давление, допустимое при испытаниях, с учетом индивидуальных характеристик труб, в частности разностенности, постоянства
прочностных характеристик материалов и др.
По [2] из классических уравнений сопромата можно установить изменение радиуса (Ат) трубы под действием давления рі.
Ат _\~т, Рт2 _ Р2(г1 +ґ )2 р+
Е (т + ґ)2 - т? И (3)
22 1+1 (Р1- Р2)т1 (т1 +ґ) Е [ (т1 +ґ)2 - т12 ]р
где ¡1 - коэффициент Пуассона; Е - модуль продольной упругости.
Если принять в качестве граничных условий изменение радиуса в пределах упругих деформаций
материала и учесть, что р2=0, р_ т1 , то предельный радиус трубы может составлять
г +
РГ t (2г1 +1)
1+m Рігі2(гі +t)2 t(2r +t) гі
(4)
E
После некоторых преобразований
1 Рігі2
г
Гі +-
E t(2г1 +1) [(1 - т)гі + (1 + т)(гі +t )2 ~
(5)
]
Аналогичным методом можно рассчитать изменение длины (укорачивание) труб под действием внутреннего давления. Т акие
зависимости приведены в [2]. В процессе испытания длинных труб могут использоваться местные зажимы, поэтому в расчетах следует учитывать расстояние между опорами испытуемых изделий. В [2] показано, что трубы длиной 12 м при испытании давлением 70МПа могут уменьшаться по длине до 9 мм, что может быть измерено доступными средствами. При этом изменение диаметра составило около 0,9 мм, что также позволяет контролировать предельные давления и проектировать магистрали с допустимым рабочим давлением.
Из (2) через предел текучести материала (Тг
можно установить требуемую величину (¿шп) трубы или стенки магистрали с учетом запаса прочности П (П = 1,3 — 6)
t„;„ =-
■2s 2s t - st 2
—-г1 + 2 г1(— г1-2Рі — -2Рі n in n
(6)
2( + А)
п
Если полученное расчетное значение толщины стенки не отвечает стандартам, то целесообразно увеличить толщину до ближайшего нормализованного значения или изменить длину магистралей между опорами.
Выводы
1. Предложенные зависимости позволяют прогнозировать предельные параметры, допустимые при испытаниях труб и магистралей высокого давления, что снижает опасность появления нештатной ситуации и разрыва магистралей, представляющих большую опасность для испытателей.
2. Показана возможность предварительного подбора для магистралей и скважин труб со стандартной толщиной стенки, что резко сокращает трудоемкость и обеспечивает безопасность в процессе испытания высоконапорных труб.
Литература
1. Шелякин А.И. Система управления качеством для труб гидросистем высокого давления // Нетрадиционные методы обработки: Межвуз. сб. научн. тр., Вып. 6, Воронеж:ВГТУ, 2003-С.43-49.
2. Часовских А.И. Изменение радиальных и осевых размеров труб при испытаниях при высоком давлении / А.И. Часовских и др. // Нетрадиционные технологии машиностроения и приборостроения: Межвуз. сб. научн. тр., Вып. 5, Воронеж:ВГУ, 2002-С.67-71.
Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
EVALUATION OF MAXIMUM SIZES DURING HIGT-PRESSURE PIPE TESTING V.P. Smolencev, V.A. Nilov, JuA. Cehanov
The article covers evaluation of maximum geometrical sizes during high-pressure pipe testing. Such pipes can be applied in equipment for dimensional electrochemical machining in broaching machines, test stations and during oil- and gaswell drilling
Key words: testing, pipes, high-pressure, characteristics
г
