Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой
Сварочная наплавка является одним из наиболее рациональных методов ремонта магистральных трубопроводов без вывода из эксплуатации, особенно, в случае необходимости устранения типичных дефектов локальной коррозионной потери металла. При этом использование сварки на трубопроводе, находящемся под высок...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112951 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой / Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2015. — № 1 (739). — С. 22-27. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112951 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И. 2017-01-30T16:38:43Z 2017-01-30T16:38:43Z 2015 Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой / Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2015. — № 1 (739). — С. 22-27. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112951 621.791:658.588 Сварочная наплавка является одним из наиболее рациональных методов ремонта магистральных трубопроводов без вывода из эксплуатации, особенно, в случае необходимости устранения типичных дефектов локальной коррозионной потери металла. При этом использование сварки на трубопроводе, находящемся под высоким внутренним давлением, предполагает тщательную оптимизацию технологических параметров данного процесса с позиции безопасности и эффективности ремонтно-восстановительных работ, в том числе, на основе результатов моделирования кинетики физико-механических процессов при этом. В рамках настоящей работы разработан комплекс средств математического моделирования процесса многопроходной сварочной наплавки дефектов утонения элементов магистральных трубопроводов с целью прогнозирования их технологической прочности и остаточного ресурса после ремонта. Для этого реализован комплексный подход численного анализа кинетики температур, напряженно-деформированного состояния и процессов вязкого разрушения материала трубопровода. Предложен численный критерий, позволяющий с небольшой консервативностью прогнозировать формирование состояния конструкции, близкого к предельному, а также гарантировать необходимую несущую способность трубопровода после устранения обнаруженного дефекта несплошности. На примере многопроходной сварочной наплавки недопустимого дефекта утонения стенки магистрального трубопровода исследованы характерные особенности влияния основных технологических параметров на технологическую прочность конструкции и ее остаточный ресурс. Welding surfacing is one of the most rational methods of repairing the main pipelines without taking them out of service, particularly in the case of the need to eliminate typical defects of local metal loss through corrosion. Here welding application on a pipeline, which is at high internal pressure, envisages a thorough optimization of technological parameters of this process in terms of safety and effectiveness of repair-and-renewal operations, in particular, on the base of the results of modeling the occurring physico-mechanical processes kinetics. In this study a package of tools was developed for mathematical modeling of the process of multipass welding surfacing of thinning defects of the main pipeline elements to predict their technological strength and post-repair residual life. For this purpose an integrated approach of numerical analysis of the kinetics of temperatures, stress-strain state and processes of tough fracture of pipeline material has been implemented. A numerical criterion has been proposed, which allows, with a slight conservatism, prediction of formation of structure state, close to the limiting one, as well as guaranteeing the required load-carrying capacity of the pipeline, after repair of the detected defect of discontinuity type. The case of multipass surfacing repair of an inadmissible defect of the main pipeline wall thinning was used to study the characteristic peculiarities of the influence of the main technological parameters on the structure technological strength and its residual life. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой Evaluation of operability of the main pipeline with local wall thinning at repair by arc surfacing Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой |
| spellingShingle |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И. Научно-технический раздел |
| title_short |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой |
| title_full |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой |
| title_fullStr |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой |
| title_full_unstemmed |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой |
| title_sort |
оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой |
| author |
Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И. |
| author_facet |
Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Evaluation of operability of the main pipeline with local wall thinning at repair by arc surfacing |
| description |
Сварочная наплавка является одним из наиболее рациональных методов ремонта магистральных трубопроводов без вывода из эксплуатации, особенно, в случае необходимости устранения типичных дефектов локальной коррозионной потери металла. При этом использование сварки на трубопроводе, находящемся под высоким внутренним давлением, предполагает тщательную оптимизацию технологических параметров данного процесса с позиции безопасности и эффективности ремонтно-восстановительных работ, в том числе, на основе результатов моделирования кинетики физико-механических процессов при этом. В рамках настоящей работы разработан комплекс средств математического моделирования процесса многопроходной сварочной наплавки дефектов утонения элементов магистральных трубопроводов с целью прогнозирования их технологической прочности и остаточного ресурса после ремонта. Для этого реализован комплексный подход численного анализа кинетики температур, напряженно-деформированного состояния и процессов вязкого разрушения материала трубопровода. Предложен численный критерий, позволяющий с небольшой консервативностью прогнозировать формирование состояния конструкции, близкого к предельному, а также гарантировать необходимую несущую способность трубопровода после устранения обнаруженного дефекта несплошности. На примере многопроходной сварочной наплавки недопустимого дефекта утонения стенки магистрального трубопровода исследованы характерные особенности влияния основных технологических параметров на технологическую прочность конструкции и ее остаточный ресурс.
Welding surfacing is one of the most rational methods of repairing the main pipelines without taking them out of service, particularly in the case of the need to eliminate typical defects of local metal loss through corrosion. Here welding application on a pipeline, which is at high internal pressure, envisages a thorough optimization of technological parameters of this process in terms of safety and effectiveness of repair-and-renewal operations, in particular, on the base of the results of modeling the occurring physico-mechanical processes kinetics. In this study a package of tools was developed for mathematical modeling of the process of multipass welding surfacing of thinning defects of the main pipeline elements to predict their technological strength and post-repair residual life. For this purpose an integrated approach of numerical analysis of the kinetics of temperatures, stress-strain state and processes of tough fracture of pipeline material has been implemented. A numerical criterion has been proposed, which allows, with a slight conservatism, prediction of formation of structure state, close to the limiting one, as well as guaranteeing the required load-carrying capacity of the pipeline, after repair of the detected defect of discontinuity type. The case of multipass surfacing repair of an inadmissible defect of the main pipeline wall thinning was used to study the characteristic peculiarities of the influence of the main technological parameters on the structure technological strength and its residual life.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112951 |
| citation_txt |
Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой / Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак // Автоматическая сварка. — 2015. — № 1 (739). — С. 22-27. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT velikoivanenkoea ocenkarabotosposobnostimagistralʹnogotruboprovodaslokalʹnymutoneniemstenkipriremontedugovoinaplavkoi AT rozynkagf ocenkarabotosposobnostimagistralʹnogotruboprovodaslokalʹnymutoneniemstenkipriremontedugovoinaplavkoi AT mileninas ocenkarabotosposobnostimagistralʹnogotruboprovodaslokalʹnymutoneniemstenkipriremontedugovoinaplavkoi AT pivtorakni ocenkarabotosposobnostimagistralʹnogotruboprovodaslokalʹnymutoneniemstenkipriremontedugovoinaplavkoi AT velikoivanenkoea evaluationofoperabilityofthemainpipelinewithlocalwallthinningatrepairbyarcsurfacing AT rozynkagf evaluationofoperabilityofthemainpipelinewithlocalwallthinningatrepairbyarcsurfacing AT mileninas evaluationofoperabilityofthemainpipelinewithlocalwallthinningatrepairbyarcsurfacing AT pivtorakni evaluationofoperabilityofthemainpipelinewithlocalwallthinningatrepairbyarcsurfacing |
| first_indexed |
2025-11-24T11:44:21Z |
| last_indexed |
2025-11-24T11:44:21Z |
| _version_ |
1850845614877704192 |
| fulltext |
22 1/2015
УДК 621.791:658.588
ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ
МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА
С ЛОКАЛЬНЫМ УТОНЕНИЕМ СТЕНКИ
ПРИ РЕМОНТЕ ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ
Е.А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО, Г.Ф. РОЗЫНКА, А.С. МИЛЕНИН, Н.И. ПИВТОРАК
ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Сварочная наплавка является одним из наиболее рациональных методов ремонта магистральных трубопроводов без
вывода из эксплуатации, особенно, в случае необходимости устранения типичных дефектов локальной коррозионной
потери металла. При этом использование сварки на трубопроводе, находящемся под высоким внутренним давлением,
предполагает тщательную оптимизацию технологических параметров данного процесса с позиции безопасности и
эффективности ремонтно-восстановительных работ, в том числе, на основе результатов моделирования кинетики фи-
зико-механических процессов при этом. В рамках настоящей работы разработан комплекс средств математического
моделирования процесса многопроходной сварочной наплавки дефектов утонения элементов магистральных трубо-
проводов с целью прогнозирования их технологической прочности и остаточного ресурса после ремонта. Для этого
реализован комплексный подход численного анализа кинетики температур, напряженно-деформированного состояния
и процессов вязкого разрушения материала трубопровода. Предложен численный критерий, позволяющий с небольшой
консервативностью прогнозировать формирование состояния конструкции, близкого к предельному, а также гарантиро-
вать необходимую несущую способность трубопровода после устранения обнаруженного дефекта несплошности. На
примере многопроходной сварочной наплавки недопустимого дефекта утонения стенки магистрального трубопровода
исследованы характерные особенности влияния основных технологических параметров на технологическую прочность
конструкции и ее остаточный ресурс. Библиогр. 17, табл. 1, рис. 6.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая наплавка, магистральный трубопровод, дефект, локальное утонение стенки, ремонт
под давлением, безопасность ремонтно-восстановительных работ, пластическая неустойчивость, вязкое разрушение
Поддержание работоспособности магистраль-
ных трубопроводов (МТ) связано с комплексом
мероприятий по неразрушающему контролю их
фактического состояния, оценкой остаточного ре-
сурса с учетом обнаруженной эксплуатационной
поврежденности, а также ремонтно-восстанови-
тельными работами на участках с недопустимо
низкой статической прочностью. Распространен-
ными дефектами МТ являются внешние поверх-
ностные локальные потери металла коррозионной
природы, вызванные действием агрессивных сред
в области нарушения целостности изоляционного
покрытия. Ввиду существенной протяженности
магистральных трубопроводных систем устране-
ние таких дефектов путем капитального ремонта
является трудоемким и требует длительных про-
стоев в работе МТ. Одним из технологических
приемов, позволяющих с минимальным сниже-
нием объемов прокачки продукта устранить обна-
руженные при технической диагностике дефекты,
является ремонт сваркой под давлением, в частно-
сти, сварочная наплавка [1, 2]. Использование ло-
кального сварочного нагрева при этом предпола-
гает временное ослабление стенки трубопровода,
что делает актуальным вопрос технологической
прочности конструкции при наплавке с позиции
гарантирования необходимого уровня безопасно-
сти ремонта.
Данной проблеме посвящен ряд зарубежных и
отечественных исследований [3–5 и др.], в кото-
рых вопросы технологической прочности при ре-
монтной сварке трубопроводов без вывода из экс-
плуатации принято подразделять на два условных
класса: оценка развития структурных превраще-
ний, механических напряжений и диффузионных
процессов в металле конструкции с позиции ми-
нимизации риска появления сварочных дефектов
(прежде всего, холодных трещин); анализ кинети-
ки поля температур и деформаций с целью опре-
деления консервативных режимов локального
сварочного нагрева, позволяющих избежать про-
жогов и избыточного деформирования в области
ремонта.
Влияние сварочного процесса на склонность
стали конструкции к холодному растрескиванию
достаточно изучено, и апробированным способом
гарантирования отсутствия таких дефектов в об-
ласти наплавки является предварительный подо-
грев до 100...150 °С, что нашло свое отражение
в актуальных стандартах и нормах [6, 7]. Вто-
© Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак, 2015
231/2015
рой класс задач является более сложным, так как
включает многомерный анализ взаимосвязанных
процессов кинетики полей температур, напряже-
ний, деформаций при сварке, а также прогнозиро-
вание возможного зарождения и развития микро-
и макроразрушения конструкционного элемента.
В настоящее время можно выделить два основных
критерия оптимизации технологических параме-
тров при наплавке дефектов на действующих МТ.
1. Критерий Баттеля [8]
.max .
o
êð
720 980 C,in inT T< = ÷
(1)
где Tin.max — максимальная температура на вну-
тренней поверхности трубопровода в процессе
наплавки; Tin.кр — критическая температура, зави-
сящая от типа используемого электрода.
2. Критерий, основанный на модели 46345 [9]:
1 ,
êð
ììdr dr< (2)
где dr — максимальное радиальное деформиро-
вание стенки в области нагрева в результате дей-
ствия внутреннего давления; drкр — критическое
значение деформации.
Также существует ряд альтернативных крите-
риев, в частности, предложенный ранее специ-
алистами ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины
подход, заключающийся в прослеживании разви-
тия изотермической поверхности Тдеф = 1000 °С
и оценке допустимости такой области как дефек-
та утонения [5], аналогично модели CRC/CSIRO
[10]. Все перечисленные методики позволяют реа-
лизовать простые в практическом применении, но
максимально консервативные инженерные крите-
рии, не учитывающие ряд важных аспектов сва-
рочной наплавки, например, внутреннее давление
и геометрия трубопровода для условия (1), сте-
пень проплавления и температурные зависимо-
сти механических свойств конкретной стали для
(2). Это связано, в том числе, с проблемой выбора
критериальных параметров (Tin.кр, drкр, Тдеф), ко-
торые не являются характеристиками сопротив-
ляемости материала конструкции разрушению и
требуют либо экспериментального уточнения для
каждого конкретного случая эксплуатационной
поврежденности, либо существенной консерва-
тивности для достаточно широкой применимости.
В рамках настоящей работы, с целью даль-
нейшего развития методических основ анализа
безопасности и эффективности многопроходной
сварочной наплавки на действующих МТ, разра-
ботан комплекс моделей кинетики характерных
для этой технологии взаимосвязанных физико-ме-
ханических процессов, а также предложены со-
ответствующие критерии сохранения целостно-
сти конструкции. На примере многопроходной
наплавки внешнего дефекта утонения стенки МТ,
находящегося под внутренним давлением, проана-
лизированы особенности состояния трубопрово-
да, которые определяют как его технологическую
прочность в процессе ремонтной сварки, так и ра-
ботоспособность при последующей эксплуатации.
В основу численного анализа была положена
расчетная кинетика температурного поля, опреде-
ляемая решением уравнения теплопроводности с
зависящими от температуры теплофизическими
характеристиками материала [11]. Последующим
прослеживанием упруго-пластических деформа-
ций в рамках конечно-элементного решения кра-
евой задачи нестационарной термопластичности
вычислялась кинетика напряженно-деформиро-
ванного состояния конструкции [12]. На каждом
шаге прослеживания связь между компонентами
тензоров напряжений σij и деформаций εij опреде-
лялась обобщенным законом Гука и ассоцииро-
ванным законом пластического течения исходя из
следующих соотношений:
( )
( )
( ) ( )
3
1 ,2
ij ij ij m
ij m m
ij ij m m
K f
KG
∗ ∗
∆ε = ψ s − d s +
+d s + ∆ε + ∆ −
− s − d s + s
(3)
где *(1 2 ) / ;K E= − ν ( )/ (2 1 );G E= + ν E — модуль
Юнга; ν — коэффициент Пуассона; δij — символ
Кронекера; Ψ — функция состояния материала,
определяемая итерированием для удовлетворения
условия пластического течения; f — объемная кон-
центрация микронесплошности, зарождающейся
в процессе разрушения материала; 3m iis = s —
мембранное напряжение, i, j = {r, β, z} согласно
рис. 1; здесь по повторяющимся символам произ-
водится суммирование.
В основе оптимизации технологических па-
раметров ремонта лежит способность дефектно-
го участка МТ воспринять комплексную нагруз-
ку от внутреннего гидростатического давления
Рr на момент проведения ремонтно-восстанови-
тельных работ наряду с временными сварочны-
ми напряжениями в области наплавки. Поэтому
важным является выбор рациональных критери-
Рис. 1. Схема участка трубопровода с локальным утонением
стенки (в цилиндрической системе координат)
24 1/2015
ев, гарантирующих целостность стенки трубо-
провода для рассматриваемого случая. Так как
нарушение сплошности материала при свароч-
ной наплавке локального утонения стенки трубо-
провода имеет место при высоких температурах в
отсутствие острых геометрических концентрато-
ров, то превалирующим механизмом разрушения
является вязкое разрушение, которое заключает-
ся в зарождении и развитии микропор материала
при интенсивном пластическом деформировании
[13]. Это, в конечном итоге, приводит к формиро-
ванию макродефектов и нарушению целостности
конструкции. Как показано авторами в [14], изме-
нение несущего нетто-сечения материала при до-
стижении им предельных нагрузок необходимо
дополнительно учитывать при формулировке за-
дачи нестационарной термопластичности для кор-
ректной оценки предельного состояния конструк-
ции. Одним из признанных подходов является
использование поверхности текучести материала,
учитывающей равномерно распределенную нес-
плошность в рамках модели Гурсона–Твергаарда–
Нидлмана [15]:
( )2
3 1 2
1 ,2
3
1 2 cosh ,2
1 , ,2
ò
ò
åñëè
åñëè
i s
m
i s
G
q f q f q
G
Ψ = s < s = s ×
s
× + − s
Ψ > s = s
(4)
где q1 = 1,5, q2 = 1, q3 = 1,5 — константы;
2i ij ijs = s s — интенсивность напряжений.
Таким образом, критерием сохранения це-
лостности стенки трубопровода при сварочной
наплавке является отсутствие пластической неу-
стойчивости пористого материала, что математи-
чески выражается условием:
( ) ( )
1 ,2 1,5 , 1 2 3
f
i
G T f
∗ε − κ
Ψ < +
s κ ⋅ −
(5)
где κ* — параметр Одквиста, отнесенный к пре-
дыдущему шагу прослеживания упругопластиче-
ских деформаций; εf — предельная деформация
металла, зависящая от жесткости напряженного
состояния согласно [12].
Кроме того, значительное развитие пористости
материала по вязкому механизму вызывает суще-
ственное увеличение истинных напряжений в ме-
талле конструкции и, как результат, его разруше-
ние. Поэтому с целью формулировки корректного
и удобного для численного анализа критерия со-
хранения целостности МТ может быть добавлено
дополнительное к (5) условие:
( )2
3 1 2
3
2 cosh 0.2
ò
mq f q f q
s
− → s
(6)
Модели зарождения и развития пор вплоть до
разрушения в трубопроводных элементах с геоме-
трическими аномалиями приведены, в частности,
в [14].
Важным фактором эффективности рассматри-
ваемой методики ремонта, который не учитывает-
ся в критериях ее оптимизации (1) и (2), являет-
ся остаточное послесварочное деформированное
состояние конструкции. В процессе локального
нагрева под действием внутреннего давления об-
ласть дефекта получает избыточное радиальное
перемещение drres. Фактически обнаруженный
дефект локального утонения стенки трубы после
наплавки под давлением преобразуется в дефект
формы, допустимость которого определяется рас-
четом трубопровода на статическую прочность.
При этом положение дефекта формы совпадает
с наплавочными валиками, что повышает требо-
вания к качеству выполнения сварочных работ
и к последующему неразрушающему контролю
с точки зрения гарантии отсутствия сварочных
дефектов.
Допустимость дефекта формы определяется,
в частности, отечественным стандартом [16], со-
гласно требованиям которого коэффициент запа-
са прочности трубы с дефектом n не должен быть
меньше допустимого значения k [17]:
10,9
,í
k k
n k m≥ =
(7)
где k1, kн — коэффициенты запаса по материалу
и назначению, соответственно; m — коэффициент
условий работы трубопровода.
Таким образом, комплексным численным кри-
терием оптимизации технологических параметров
сварочной наплавки является одновременное вы-
полнение условий (5)–(7). Предложенные ком-
Рис. 2. Сравнение расчетных значений остаточных радиаль-
ных деформаций стенки трубопровода после наплавки с экс-
периментальными данными [11]
251/2015
плексные модели были верифицированы на ос-
нове данных по напряженно-деформированному
состоянию модельных трубопроводных образцов
(диаметр D = 219 мм, толщина стенки t = 3,2 мм,
материал — сталь API 5L) при различных значе-
ниях внутреннего давления (Pr = 1,03…8,47 МПа)
при наплавке на них окружных валиков [9]. Срав-
нение результатов расчетов с экспериментальны-
ми данными приведено на рис. 2. Следует также
отметить, что согласно разработанной методи-
ке оценки предельного состояния трубопровода
при наплавке, пластическая неустойчивость для
рассмотренного случая имеет место при давле-
нии около 8,6 МПа. Изучение микроструктуры
экспериментального образца, наплавленного при
давлении 8,47 МПа, показало зарождение нес-
плошностей материала в области максимального
деформирования, что соответствует наступлению
его предельного состояния. Из вышесказанного
можно сделать вывод, что результаты численных
исследований в рамках предложенной методики
численного анализа с удовлетворительной точно-
стью описывают поведение трубопроводных эле-
ментов при сварочной наплавке.
Характерные особенности предельного состо-
яния и эффективность данного подхода, в част-
ности, его консервативность в сравнении с кри-
териями (1) и (2), были исследованы на примере
сварочной наплавки дефекта утонения длиной
2s = 140 мм и глубиной a = 10 мм на внешней
поверхности трубопровода диаметром D = 1420
мм с толщиной стенки t = 20 мм из стали 17Г1С
(σт = 490 МПа, σв = 560 МПа) с максимальным
эксплуатационным давлением Р = 7,4 МПа. Изо-
лированный дефект локального утонения стенки
МТ рассматривался как полуэллиптическая по-
верхностная геометрическая аномалия, наплав-
ка которой производилась в два слоя по схеме,
приведенной на рис. 3. Предполагалось, что уча-
сток трубопровода с обнаруженным дефектом
предварительно подогревался до температуры
Тпр во избежание появления холодных трещин.
Соответственно, параметрами ремонта являют-
ся сварочный ток I, внутреннее давление в тру-
бопроводе при наплавке Рr, а также время между
наплавкой каждого из валиков, обеспечивающее
поддержание максимальной температуры металла
не ниже требуемой Тmin ≥ Тпр.
Для иллюстрации соотношения консерватив-
ности критериев (1) и (2) с численным критери-
ем (5)–(7) на рис. 4 приведен результат расчета
зависимости между величиной максимального
радиального деформирования стенки трубопро-
вода dr в области сварочного нагрева и макси-
мальной температурой внутренней поверхности
для наплавки одного валика (в центре дефекта)
при параметрах ремонта, рекомендованных су-
ществующими стандартами: I = 80 A, Рr = 4 МПа,
Тпр = 100 °С. Как видно из данной зависимости,
максимальная податливость стенки внутреннему
давлению (drmax = 1,17 мм) наблюдается не при
максимальных температурах нагрева металла тру-
бы или ее внутренней поверхности, а при опре-
деленном распространении тепла на периферию
области наплавки. Поэтому контроль степени де-
формирования стенки во время сварки согласно
(2) не является рациональным, т.к. процесс осты-
вания области нагрева является сложно контроли-
руемым после завершения наплавки конкретного
валика. Кроме того, баланс между повышающей-
ся прочностью остывающего металла и растущи-
ми напряжениями в области локального изгиба
стенки трубы, определяющий предельное состо-
яние трубопровода, сложно прогнозировать без
соответствующего многомерного анализа термо-
механических процессов. Это подтверждает раци-
ональность предложенного подхода оценки пре-
дельного состояния с точки зрения минимизации
ее консервативности. Кроме того, наплавка вали-
ка по центру достаточно глубокого дефекта вы-
зывает локальный перегрев, избыточное дефор-
мирование стенки и невыполнение критерия (2),
тогда как критерии (1) и (5)–(7) подтверждают
целостность трубы при таких параметрах ремон-
Рис. 4. Зависимость избыточного радиального перемещения
внешней стенки трубопровода dr от максимальной темпера-
туры на внутренней поверхности Tin.max при наплавке валика
на дефект утонения. Серым отмечена область недопустимых
состояний согласно критериям (1) и (2): 1 — начало наплав-
ки дефекта; 2 — окончание действия источника нагрева; 3 —
полное остывание области ремонта
Рис. 3. Схема наплавки дефекта утонения на внешней по-
верхности трубопровода
26 1/2015
та, из чего можно сделать вывод об их меньшей
консервативности.
Изменение напряженно-деформированного
состояния в процессе многопроходной наплавки
имеет сложный характер, определяемый как раз-
личным расположением валиков относительно
дефекта утонения, так и изменением профиля по-
врежденной части трубопровода по мере кристал-
лизации наплавленного металла (рис. 5). Это, в
свою очередь, определяет существенно нелиней-
ные зависимости между параметрами сварочной
наплавки с позиции обеспечения безопасности ре-
монта и работоспособности трубопровода после
устранения дефекта утонения. В качестве приме-
ра в таблице приведены результаты оценки допу-
стимости некоторых режимов наплавки указанно-
го выше дефекта МТ. Допустимость остаточного
деформированного состояния согласно [16] осно-
вывается на распределении остаточного радиаль-
ного перемещения drres, полученного в результате
математического моделирования путем числен-
ного прослеживания состояния конструкции. В
частности, конкретное значение максимального
радиального выпучивания drmax определяется сте-
пенью развития пластических деформаций метал-
ла трубопровода при совместном воздействии сва-
рочного нагрева и внутреннего давления: область
наплавляемого дефекта становится более подат-
ливой к внешнему силовому воздействию, что ин-
тенсифицирует локальное накопление необрати-
мых пластических деформаций.
Более полно такие данные могут быть пред-
ставлены в виде двумерных диаграмм, в частно-
сти, в координатах «ремонтное давление – свароч-
ный ток», пример которых для рассматриваемого
случая (свойства и геометрия трубопровода, сте-
пень и характер поврежденности) приведен на
рис. 6. Из этих данных можно сделать вывод о
том, что при существенном тепловложении пре-
валирующим механизмом, ограничивающим
применение сварочной наплавки, является риск
пластической неустойчивости, тогда как при от-
носительно небольших мощностях локального
нагрева и высоких давлениях опасным являет-
ся избыточное остаточное деформирование кон-
струкции. Кривые на приведенных диаграммах
представляют собой границу, разделяющую об-
ласти допустимого и недопустимого состояний
трубопровода при многопроходной сварочной на-
плавке дефекта и последующей эксплуатации: об-
ласть параметров, расположенная ниже кривых 1,
соответствует выполнению критерия (7), тогда как
Рис. 5. Распределение остаточных окружных напряжений в области дефекта утонения стенки трубопровода после его устра-
нения методом многопроходной сварочной наплавки
Влияние некоторых технологических параметров на-
плавки на предельное и остаточное состояния трубопро-
вода
Pr, МПа I, А Tmin, °С Вывод о допустимости
4,0 100 300 Наплавка допустима
4,0 100 500 -»-
7,5 150 500
Дефект формы, образовавшийся в
результате наплавки, умеренный
согласно [16], 1,593 = n < k = 1,617
7,5 170 500 Пластическая неустойчивость Ψ~1
Рис. 6. I-P-диаграмма применимости режимов многопроходной наплавки с учетом допустимости остаточного дефекта формы
1 и критериев пластической неустойчивости 2: а — Тпр = 100 °С; б — 300; в — 500
271/2015
область под кривой 2 соответствует параметрам,
гарантирующим выполнение критериев (5), (6),
согласно результатам комплекса численных расче-
тов кинетики состояния МТ при наплавке.
Следует также отметить, что при практическом
использовании инженерные рекомендации по сва-
рочной наплавке, согласно изложенным методи-
кам численного анализа, должны дополнительно
учитывать коэффициенты запаса по отдельным
видам входных данных, что может количествен-
но изменить оценку допустимости технологиче-
ских параметров, исходя из фактического состо-
яния конкретного участка МТ с обнаруженной
поврежденностью.
Выводы
1. На основе современных моделей напряжен-
но-деформированного и предельного состояний
трубопроводных элементов при комплексном си-
ловом и термическом воздействии разработаны
математические модели кинетики физико-механи-
ческих процессов при многопроходной сварочной
наплавке обнаруженного дефекта локального уто-
нения стенки трубопровода. Предложен комплекс-
ный численный критерий целостности МТ при
наплавке, учитывающий как технологическую
прочность трубопровода, так и его работоспособ-
ность после проведения ремонтно-восстанови-
тельных работ.
2. Показана меньшая консервативность раз-
работанных численных критериев целостности
элемента трубопровода с внешним дефектом ло-
кальной потери металла в сравнении с существу-
ющими подходами: критерием Баттеля и моделью
46345. Снижение консервативности численной
оценки в рамках предложенной методологии ос-
новано на дополнительном учете процессов вяз-
кого разрушения, которые определяют формиро-
вание предельного состояния трубопровода при
совместном воздействии внутреннего давления и
локального сварочного нагрева при наплавке.
3. На примере многопроходной сварочной на-
плавки недопустимого дефекта утонения стенки
МТ исследованы характерные особенности вли-
яния основных технологических параметров на
технологическую прочность конструкции. В част-
ности, показано, что при существенном тепловло-
жении превалирующим механизмом, ограничива-
ющим применение сварочной наплавки, является
риск пластической неустойчивости, тогда как при
относительно небольших мощностях локально-
го нагрева и высоких давлениях опасным явля-
ется избыточное остаточное деформирование
конструкции.
1. Amend B., Bruce W.A. Welding on in-service pipelines:
dispelling popular myths and misconceptions // Welding
Assoc. J. – 2013. – № 2. – Р. 30–39.
2. LaMorte C.R., Boring M., Porter N. Advanced welding
repair and remediation methods for in-service pipelines.
Final Report. Columbus: EWI, 2007. – 283 p.
3. Sabapathy P.N., Wahab M.A., Painter M.J. The prediction
of burn-through during in-service welding of gas pipelines
// Int. J. Press. Vess. Piping. – 2000. – № 11. – P. 669–677.
4. Махненко В.И, Миленин А.С. К вопросу ремонта сухо-
путных магистральных трубопроводов без вывода их из
эксплуатации // Сб. докл. науч.-техн. семинара «Обеспе-
чение эксплуатационной надежности систем трубопро-
водного транспорта», 10–11 июня 2009 г., Киев, Украи-
на. – Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, 2009.
– С. 12–18.
5. Математическое моделирование язвенных дефектов на
действующих нефте- и газопроводах и разработка чис-
ленного метода оценки допустимых режимов дуговой
заварки таких дефектов / В.И. Махненко, В.С. Бут, Е.А.
Великоиваненко и др. // Автомат. сварка. – 2001. – № 11.
– С. 3–10.
6. ВБН В.3.1-00013471-07:2007. Магістральні нафтопрово-
ди. Методи ремонту дефектних ділянок. – К.: Міністер-
ство палива та енергетики України, 2007. – 112 с.
7. СТО Газпром 2-2.2-136–2007. Инструкция по техноло-
гиям сварки при строительстве и ремонте промысловых
и магистральных газопроводов. Ч. 2. – M.: ВНИИГАЗ,
2007. – 389 с.
8. Kiefner J.F., Bruce W. A., Stephens D.R. Pipeline repair
manual. – Houston: Technical Toolboxes, Inc., 1994. – 167 p.
9. Boring M.A., Zhang W., Bruce W.A. Improved burn-through
prediction model for in-service welding application // Proc.
of IPC2008 7th Intern. рipeline сonf., Sept. 29–Oct. 3,
2008, Calgary, Alberta, Canada. – New York: American
Society of Mechanical Engineers, 2008, 3. – P. 249–259.
10. Painter M., Sabapathy P. In-service welding on gas pipelines
// Program Report. – Clayton: CSIRO Manufacturing Science
& Techonology, 2000. – 38 p.
11. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинети-
ки сварочных напряжений и деформаций. – Киев: Наук.
думка, 1976. – 320 с.
12. Махненко В.И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных
соединений и узлов современных конструкций. – Киев:
Наук. думка, 2006. – 618 с.
13. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-меха-
ническое моделирование процессов разрушения. – СПб.:
Политехника, 1993. – 391 с.
14. Моделирование процессов зарождения и развития пор
вязкого разрушения в сварных конструкциях / Е.А. Вели-
коиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин и др. // Автомат.
сварка. – 2013. – № 9. – С. 26–31.
15. Tvergaard V. Material failure by void growth to coalescence
// Adv. in Appl. Mech. – 1990. – № 27. – Р. 83–151.
16. ДСТУ-Н Б В.2.3-21:2008 Настанова. Визначення залиш-
кової міцності магістральних трубопроводів з дефекта-
ми. – К.: Мінрегіонбуд України, 2008. – 91 с.
17. СНиП 2.05.06-858 Магистральные трубопроводы. Стро-
ительные нормы и правила. – М.: ВНИИСТ Миннефте-
газстроя, 1997. – 146 с.
Поступила в редакцию 03.07.2014
|