Оценка надежности сварных соединений трубопроводов, содержащих дефекты в виде непроваров

УДК 539.42

А. М. Лепихин, Е. В. Москвичев

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ДЕФЕКТЫ В ВИДЕ НЕПРОВАРОВ1

Выполнена вероятностная оценка надежности сварных соединений трубопроводов, содержащих технологические дефекты в виде непроваров. Задача решена методом рандомизации с учетом случайной природы нагружения и дефектности.

Как показывает статистика, сварные соединения являются наиболее «слабым» элементом трубопроводных систем различного назначения. Это обусловлено высокой вероятностью наличия технологических дефектов сварки (пор, шлаковых включений, непроваров и др.). При определенных условиях указанные дефекты могут стать источниками образования трещин, последующее развитие которых способно приводить к разрушениям с тяжелыми экономическими и экологическими последствиями, а в ряде случаев с человеческими жертвами.

Для предотвращения разрушения проводятся интенсивные исследования особенностей механики деформирования и разрушения сварных соединений, которые, как правило, носят детерминированный характер, но для того чтобы учесть случайную природу нагружения и дефектности, необходимо проводить комплексную оценку с применением статистических, экспериментальных, расчетных и вероятностных методов. Такая оценка должна включать в себя формулировки законов распределения нагрузок и начальных дефектов, выбор критерия разрушения и последующий модельный расчет с рандомизацией исходных данных в рамках соответствующих законов распределения.

Для оценки надежности трубопроводов целесообразно рассматривать наиболее вероятную схему разрушения. В связи с этим был проведен анализ статистических данных, в результате которого было выявлено, что последовательность реализации аварий с технологическими дефектами сварки прослеживается следующим образом: в кольцевом сварном соединении около дефекта (непровар, крупные поры, подрез и т. д.) накапливаются повреждения, которые служат зародышем усталостной трещины. При достижении усталостной трещиной критических размеров начинается хрупкое или квазихрупкое распространение трещины по металлу кольцевого сварного соединения с последующим выходом в основной металл [1-4].

С учетом отмеченного выше, в работе выполнен вероятностный расчет на циклическую трещиностойкость кольцевого сварного соединения и определено число циклов нагружения до его разрушения с последующей оценкой надежности. В качестве объекта рассматривался трубопровод из стали 17Г1С диаметром Б = 1220 мм и толщиной стенки Н = 8 мм с рабочим давлением Р = 5,5 МПа.

Основным фактором, характеризующим условия нагружения, является внутреннее давление, максимальная амплитуда которого не превышает 1,0 МПа, а число циклов за уловный рабочий период составляет 2,0 • 104 В блоке схематизированного процесса нагружения около 80 % занимают амплитуды до 0,5 МПа, доля средних амплитуд

от 0,5 до 1,0 МПа составляет 16,9 %, и 3,0 % составляют амплитуды 1,2 МПа [3]. Для описания изменения амплитуд давления использовалось распределение Вейбулла [4].

Ер = 1 - ехр

где Р - давление; 0р =1,52, Ьр = 0,48 - параметры распределения.

Дефект сварного соединения в виде непровара, расположенный на внутренней стенке трубопровода и развивающийся под действием внутреннего давления, схематизировался поверхностной полуэллиптической поперечной трещиной [5]. Расчет коэффициента интенсивности напряжений (КИН) проводился по формуле

л

1 -

НИ

4ж

где Я - внутренний радиус трубы; а - отношение малой полуоси трещины к большой; I - глубина трещины; Оос - осевые напряжения; Н - толщина стенки трубы; N - параметр КИН, зависящий от размеров и геометрии трещины.

Глубина трещины принималась случайной величиной, распределенной по закону Вейбулла [6]

где I - глубина трещины; 0{ = 2,0, Рг = 2,0 - параметры распределения.

Моделирование величин Р и I производилось путем рандомизации посредством генератора равномерно распределенных случайных чисел в интервале [0,1]. Число событий в каждой случайной выборке было принято равным 1 000.

Для нахождения критического размера дефекта применялся критерий критического коэффициента интенсивности напряжений. Критический коэффициент интенсивности напряжений рассчитывался с учетом приведенной температуры хрупкости Тк, которая характеризует состояние материала после длительного срока эксплуатации и выражается формулой

Т = Тк0 + Щк0

где Тко - критическая температура хрупкости (КТХ) стали 17Г1С в исходном состоянии, Тко = -32 °С; АТЫ - сдвиг КТХ в результате коррозионных повреждений за некоторое нормированное время время т*; т - время эксплуа-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследования (код проекта 06-08-00477).

тации конструкции; m - показатель степени в эволюционном соотношении; AT - сдвиг КТХ, отражающий наличие упругой энергии сжатого газа; ATk - температурный запас на сдвиг КТХ вследствие старения металла, циклических повреждений, ATk = 30 °С; ATt - сдвиг КТХ при переходе от толщины испытанных образцов к толщине стенки трубопровода, ATt = 20 °С.

Обоснование области безопасных состояний достигалось введением коэффициента запаса по трещиностой-кости (безопасности), уменьшающего критическую характеристику [7].

Расчет циклической трещиностойкости проводился по уравнению Пэриса

%=сда;- <5>

где l - глубина трещины; N - число циклов нагружения; C, n - характеристики материала; AKI - размах коэффициента интенсивности напряжений.

Интегрирование уравнения (5) позволило получить ресурс соединения на стадии развития трещины. Статистическая интерпретация результатов расчета представлена на рис. 1. Как видно из гистограммы, распределение числа циклов N соответствует экспоненциальному закону распределения. Функция надежности по числу циклов R(N) (рис. 2) имеет вид

R (N ) = exp {-AN}, где l = 1,02 • 10-4 циклов-1.

оценки надежности сварных соединений трубопроводов на основе статистических расчетов циклической трещиностойкости с учетом случайной природы нагруженно-сти и дефектности.

Число циклов

Рис. 1. Гистограмма распределения ресурса кольцевого сварного соединения магистрального газопровода

Полученные результаты показывают, что вероятность разрушения трубопровода по прошествии 20 лет эксплуатации (от 1,5 • 104 до 6 • 104 циклов) достаточно высока, что подтверждается анализом статистики отказов. Таким образом, предлагаемый подход позволяет проводить

Рис. 2. Функция надежности кольцевого сварного соединения магистрального газопровода

Библиографический список

1. Мазур, И. И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов / И. И. Мазур, О. М. Иванцов, О. И. Молдаванов. М. : Недра, 1990. 264 с.

2. Безопасность трубопроводов при длительной эксплуатации / К. М. Гумеров, И. Ф. Гладких, Н. М. Черкасов и др. Челябинск : Изд-во ЦНТИ, 2003. 327 с.

3. Пермяков, В. Н. Предельные состояния, прочность и ресурс сосудов и трубопроводов при штатных и аварийных ситуациях : автореф. дис. ... докт. техн. наук /

В. Н. Пермяков. Красноярск, 2001. 56 с.

4. Махутов, Н. А. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов / Н. А. Махутов, В. Н. Пермяков. Новосибирск : Наука, 2005. 516 с.

5. Карзов, Г. П. Сварные сосуды высокого давления: Прочность и долговечность / Г. П. Карзов, В. П. Леонов, Б. Т. Тимофеев. Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. 287 с.

6. Вероятностный риск-анализ конструкций технических систем / А. М. Лепихин, Н. А. Махутов, В.В. Моск-вичев и др. Новосибирск : Наука, 2003. 174 с.

7. Матвиенко, Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения / Ю. Г. Матвиенко. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2006. 328 с.

A. M. Lepikhin, E. V. Moskvichev

RELIABILITY ESTIMATION OF WELD JOINTS OF PIPELINES WITH SPILL DEFECTS

It is covered a reliability estimation of weld joints of pipelines with spill defects taking into consideration random distribution of loads and initial technological defects.

Принята к печати в декабре 2006 г.