Обоснование ресурса безопасной эксплуатации магистральных нефтепроводов с учетом переменных рабочих режимов
Authors: Николай Андреевич Махутов , Дмитрий Александрович Неганов , Зорин Николай Евгеньевич Зоринa Михаил Матвеевич Гаденинb Зорин Николай Евгеньевич Зоринa Михаил Матвеевич Гаденинb , Михаил Матвеевич Гаденин 
Published: December 2024

В статье проанализированы основные подходы к определению срока службы элементов конструкций опасных производственных объектов и особенности их применения для объектов магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов. Изложена методология применения описанных подходов к расчетному обоснованию проектного ресурса и при определении остаточного ресурса в процессе эксплуатации с учетом переменных режимов эксплуатации. В рамках описанной методологии определены возможные варианты типов нагружения с точки зрения последующего расчета ресурса: одночастотное нестационарное нагружение с переменными сопоставимыми по величине и частоте размахами нагрузки, двухчастотное нагружение, когда отношение размахов и частот нагружения больше, чем в предыдущем случае. Также показаны особенности изменения напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений. В условиях нестационарного нагружения показатель упрочнения, определяемый по диаграмме статического деформирования, будет зависеть от степени упрочнения материала (отношения предела прочности к пределу пластичности), числа полуциклов нагружения и уровня концентрации напряжений. В целом напряженно-деформированное состояние для зон концентрации напряжений в случае возникновения пластических деформаций оказывается нестационарными сложным, зависящим от отношения σт/σв, числа полуциклов k и уровня концентрации напряжений ασ. Возникающие напряжения и деформации будут влиять и на расчетные схемы, выбираемые для анализа ресурса при циклическом напряжении. Если в опасных сечениях несущих элементов возникают только упругие напряжения, то ресурс устанавливается классической кривой многоцикловой усталости по амплитудам локальных напряжений для любого вида циклических критериев предельного состояния (образование трещины или полное разрушение конструкции). Для случаев циклического упругопластического деформирования приведено единое расчетное выражение для мало-много-гигацикловой усталости при симметричном цикле, полученное по данным кривых малоцикловой усталости при жестком и мягком режимах нагружения. При асимметричном цикле нагружения вводятся поправки, снижающие разрушающие амплитуды деформаций.

The article analyzes the main approaches to determining the service life of structural elements of hazardous production facilities and specifics of their application for the facilities of main pipeline transport of oil and oil products. The methodology of applying the described approaches to justifying calculations of design life and determining the residual life during operation taking into account variable operation modes is described. In the framework of the described methodology, possible variants of loading types from the viewpoint of subsequent calculation of the service life are defined: single-frequency non-stationary loading with variable load ranges comparable in magnitude and frequency, double-frequency loading when the ratio of ranges and frequencies of loading is greater than in the previous case. The specific features of changes in the stress-strain state in stress concentration zones are also described. Under unsteady loading conditions, the hardening index determined from the static deformation diagram will depend on the degree of hardening of the material (the ratio of the strength-to-plasticity limit), the number of half-cycles of loading and the level of stress concentration. In general, the stress-strain state for stress concentration zones in the case of emerging plastic deformations appears to be non-stationary and complex, depending on the σт/σв ratio of the number of half cycles k and stress concentration level ασ. The resulting stresses and deformations will also influence the design schemes selected for cyclic stress life analysis. If only elastic stresses occur in unsafe sections of load-bearing elements, the service life is established by the classical multi-cycle fatigue curve based on the amplitudes of local stresses for any type of cyclic limit state criteria (crack formation or complete destruction of the structure). For cases of cyclic elastic-plastic deformation, a unified calculation expression for low-multi-giga-cycle fatigue under a symmetrical cycle, obtained from the data of low-cycle fatigue curves under hard and soft modes of loading, is given. For asymmetric loading cycles, corrections are introduced to reduce the destructive amplitudes of deformations. In accordance with the methodology, the change over time of different modes of operational loading should be taken into account through the relation to the values of design allowable damage. As an example of the application of the developed methodology, a shell with an strengthened opening is considered (ασ = 3).