Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера
Экспериментально исследованы поля остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков магистрального газопровода диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 мм после длительной эксплуатации в условиях Севера. Показано, что в кольцевых сварных соединениях магистрального газопровода после 40 лет эксплуатации с...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102050 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера / Н.И. Голиков, В.В. Дмитриев // Автоматическая сварка. — 2012. — № 12 (716). — С. 17-20. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102050 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1020502016-06-11T03:01:54Z Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера Голиков, Н.И. Дмитриев, В.В. Научно-технический раздел Экспериментально исследованы поля остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков магистрального газопровода диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 мм после длительной эксплуатации в условиях Севера. Показано, что в кольцевых сварных соединениях магистрального газопровода после 40 лет эксплуатации сохраняется высокий уровень растягивающих остаточных сварочных напряжений. В местах образования гофра остаточные сварочные напряжения могут достигать до 87 % предела текучести основного металла. Их необходимо учитывать при расчетах остаточного ресурса сварных магистральных трубопроводов. Fields of residual welding stresses in circumferential butt joints of the main pipelines of 520 mm diameter with 7 mm wall thickness after long-term service under the North conditions were experimentally studied. It is shown that a high level of tensile residual welding stresses is preserved in circumferential welded joints of the main gas pipelines after 40 years of service. In sites of corrugation formation the residual welding stresses may reach 87 % of base metal yield point. Residual stresses should be taken into account at calculations of residual life of circumferential welded joints on the main pipelines. 2012 Article Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера / Н.И. Голиков, В.В. Дмитриев // Автоматическая сварка. — 2012. — № 12 (716). — С. 17-20. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102050 622.691.4.053 (571.56-17) ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Голиков, Н.И. Дмитриев, В.В. Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера Автоматическая сварка |
| description |
Экспериментально исследованы поля остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков магистрального газопровода диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 мм после длительной эксплуатации в условиях Севера. Показано,
что в кольцевых сварных соединениях магистрального газопровода после 40 лет эксплуатации сохраняется высокий
уровень растягивающих остаточных сварочных напряжений. В местах образования гофра остаточные сварочные
напряжения могут достигать до 87 % предела текучести основного металла. Их необходимо учитывать при расчетах
остаточного ресурса сварных магистральных трубопроводов. |
| format |
Article |
| author |
Голиков, Н.И. Дмитриев, В.В. |
| author_facet |
Голиков, Н.И. Дмитриев, В.В. |
| author_sort |
Голиков, Н.И. |
| title |
Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера |
| title_short |
Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера |
| title_full |
Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера |
| title_fullStr |
Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера |
| title_full_unstemmed |
Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера |
| title_sort |
остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях севера |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102050 |
| citation_txt |
Остаточные напряжения кольцевых стыков магистрального газопровода при длительной эксплуатации в условиях Севера / Н.И. Голиков, В.В. Дмитриев // Автоматическая сварка. — 2012. — № 12 (716). — С. 17-20. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT golikovni ostatočnyenaprâženiâkolʹcevyhstykovmagistralʹnogogazoprovodapridlitelʹnojékspluataciivusloviâhsevera AT dmitrievvv ostatočnyenaprâženiâkolʹcevyhstykovmagistralʹnogogazoprovodapridlitelʹnojékspluataciivusloviâhsevera |
| first_indexed |
2025-07-07T11:45:41Z |
| last_indexed |
2025-07-07T11:45:41Z |
| _version_ |
1836988489585917952 |
| fulltext |
УДК 622.691.4.053 (571.56-17)
ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ
МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Н. И. ГОЛИКОВ, канд. техн. наук, В. В. ДМИТРИЕВ, инж.
(Ин-т физ.-техн. проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН, г. Якутск, РФ)
Экспериментально исследованы поля остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков магистрального газоп-
ровода диаметром 530 мм и толщиной стенки 7 мм после длительной эксплуатации в условиях Севера. Показано,
что в кольцевых сварных соединениях магистрального газопровода после 40 лет эксплуатации сохраняется высокий
уровень растягивающих остаточных сварочных напряжений. В местах образования гофра остаточные сварочные
напряжения могут достигать до 87 % предела текучести основного металла. Их необходимо учитывать при расчетах
остаточного ресурса сварных магистральных трубопроводов.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварные магистральные газопроводы,
кольцевые стыки, зона термического влияния, остаточные рас-
тягивающие сварочные напряжения, гофр, ресурс
Срок эксплуатации некоторых участков действу-
ющих магистральных газопроводов Кысыл–Сыр–
Мастах–Бэргэ–Якутск, которые вводились в экс-
плуатацию в 1967–1988 гг., достигает 40 лет. Сбор
и обработка статистических данных по отказам
магистрального газопровода ведутся с момента
ввода в эксплуатацию. Анализ наиболее харак-
терных причин отказов газопровода выявил, что
более 50 % отказов приходится на сварные коль-
цевые швы с образованием сквозной трещины-
свища. Изучение причин образования свищей по-
казало, что основными очагами разрушений
служат дефекты сварки корневого шва (непрова-
ры, поры, шлаки), являющиеся концентраторами
напряжений [1].
Известно, что в процессе сварки монтажных
стыков трубопроводов формируется напряженно-
деформированное состояние, обусловленное по-
лем остаточных сварочных напряжений (ОСН).
Одной из особенностей сварки кольцевых швов
цилиндрических оболочек является появление
«проседания» шва, т. е. радиальных перемещений,
приводящих к сужению диаметра трубы на учас-
тке сварного соединения. Вследствие этого про-
исходит понижение кольцевых ОСН (σθ), а при
некотором сочетании режимов сварки, свойств
металла и параметров жесткости оболочки σθ в
шве могут быть даже близкими к нулю. Осевые
напряжения σz с внутренней стороны оболочки
из-за изгиба оказываются растягивающими, а на
поверхности металла с наружной стороны — сжи-
мающими [2, 3]. Уровень растягивающих ОСН
с внутренней стороны стенки оболочки может
достигать предела текучести основного металла
[4]. В работе [5] измерены кольцевые остаточные
деформации сварного стыка трубы из аустенитной
стали 10Х18Н10Т с помощью тензорезисторов
(база 10 мм). По полученным данным в зоне
25…30 мм от центра шва на внутренней и на-
ружной поверхностях трубы обнаружены растя-
гивающие остаточные сварочные деформации.
Таким образом, растягивающие ОСН кольцевых
стыков труб являются одним из факторов, зна-
чительно влияющим на возникновение сквозных
хрупких трещин в швах.
Известно, что при значительных упругоплас-
тических деформациях происходит практически
полная релаксация ОСН. В связи с этим в области
квазистатического разрушения ОСН не влияют на
циклическую прочность сварного соединения.
При нагрузках соответствующих областей мало-
цикловой усталости релаксация ОСН обычно про-
исходит достаточно интенсивно в течение нес-
кольких первых циклов [6]. В то же время прак-
тически отсутствуют сведения относительно ис-
следований релаксации ОСН при длительной эк-
сплуатации конструкций. В ходе эксплуатации
вследствие резкого температурного перепада,
структурных изменений и упругопластического
деформирования изменяются поля распределения
ОСН сварных соединений стыков труб. В связи
с этим были проведены исследования ОСН коль-
цевых стыков магистрального газопровода диа-
метром 530 мм, толщиной стенки 7 мм, эксплуа-
тировавшегося около 40 лет.
Измерения ОСН в приповерхностных слоях
трубы с внутренней и наружной сторон проводили
с помощью переносного рентгеновского опреде-
лителя напряжений.© Н. И. Голиков, В. В. Дмитриев, 2012
12/2012 17
Первая катушка фрагмента трубы с кольцевым
стыком была вырезана из участка магистрального
газопровода Бэргэ–Якутск из-за образования в ней
гофра в процессе эксплуатации. Механические ха-
рактеристики основного металла трубы следу-
ющие: σв = 501 МПа; σт = 383 МПа; δ = 24,9%.
По результатам механических испытаний и спек-
трального анализа металл трубы соответствует
низколегированной стали марки 09Г2С.
Режимы сварки магистрального газопровода
даны в монографии академика В. П. Ларионова
[7]. Сварку выполняли в три слоя с применением
сварочной проволоки Св-10Г2 (диаметр 2 мм) под
флюсом АН-348А, прокаленным при температуре
250…300 °С в течение 1,5 ч, при следующих ре-
жимах: Iсв = 440…500 А, Uсв = 38…42 В, vсв =
= 32…35 м/ч. Это обеспечивало уровень погон-
ной энергии в пределах 1600…1900 кДж/м, яв-
ляющийся оптимальным для получения сварного
соединения с требуемой хладостойкостью. Уси-
ление шва составляло 2…3 мм с плавным пере-
ходом к основному металлу, ширина шва —
18…20 мм.
В процессе эксплуатации газопровода на рас-
стоянии 80 мм от сварного соединения образо-
вался гофр длиной 520 мм и высотой 7 мм. Из-
мерения ОСН проводили на участке гофра, а так-
же на недеформированном участке с противопо-
ложной стороны трубы. По результатам измере-
ний с наружной стороны трубы было установлено
(рис. 1, а), что на расстоянии 30 мм от центра
шва наблюдаются значительные растягивающие
напряжения, достигающие в кольцевом направ-
лении 300 МПа, а в осевом (на расстоянии 40 мм)
— до 200 МПа. Вблизи гофра характер изменения
напряжений следующий: имеются значительные
сжимающие напряжения в кольцевом и осевом
направлениях, достигающие 150…200 МПа. На
внутренней поверхности стенки трубы в около-
шовной зоне наблюдается высокий уровень рас-
тягивающих ОСН в осевом направлении, дости-
гающих 350 МПа. В точках вблизи гофра имеют
место сжимающие напряжения в кольцевом нап-
равлении (до 150 МПа) и незначительные нап-
ряжения — в осевом.
Таким образом, вследствие появления гофра
на участке термического влияния сварного шва
во внутренних и наружных приповерхностных
слоях наблюдаются значительные растягивающие
напряжения.
На участке с противоположной стороны на на-
ружной поверхности трубы наблюдается (рис. 1,
б) высокий уровень растягивающих и сжимающих
напряжений в осевом направлении, максимально
достигающих 250 МПа. На внутренней поверх-
ности трубы уровень ОСН на расстоянии 15 мм
составляет 230 МПа.
Вторая катушка была вырезана из участка ма-
гистрального газопровода, где произошла авария.
Она представляет собой раскрытие металла вдоль
трубопровода с наружной стороны с многочис-
ленными ветвлениями трещины на месте монтаж-
Рис. 1. Распределение остаточных сварочных напряжений кольцевого стыка первой катушки газопровода диаметром 530 мм
со стороны гофра (а) и недеформированного участка (б): 1 — осевые; 2 — кольцевые напряжения
18 12/2012
ного кольцевого шва (рис. 2). После аварии были
собраны фрагменты разрушения общей протяжен-
ностью 2160 мм. Кольцевой шов разорван попе-
рек на четыре отдельных участка: 1010, 235, 315,
127 мм соответственно. Общая длина шва по пе-
риметру составляет 1687 мм. Разрушение носило
взрывной характер без возгорания. Распростра-
нение трещин происходило по механизму отрыва
на местах остановки трещины, переходящим в ме-
ханизм сдвига с пластическими составляющими.
Исследование поверхности излома разрушения
труб показало, что очаг разрушения расположен
с внутренней стороны трубы, перпендикулярно
кольцевому шву в зоне термического влияния на
месте соединения основного металла и сварного
шва и имеет достаточную протяженность и дол-
говременность роста трещины. Поверхность из-
лома разрушения свидетельствует о длительном
развитии трещины.
Трещина имела остановку при переходе к ос-
новному металлу, о чем свидетельствует переход-
ная зона. Затем трещина начала продвижение в
глубь основного материала, где наблюдались ра-
диальные рубцы, исходящие от этой зоны и пе-
решедшие впоследствии в магистральную трещи-
ну, которая имела шевронный узор. Трещина
более длительно и равномерно развивалась в нап-
равлении, перпендикулярном основному металлу,
под действием максимальных растягивающих
напряжений, которые характеризуются усталост-
ными бороздками. Она остановилась непосредс-
твенно в сварном шве, что свидетельствует о дос-
таточной сопротивляемости металла сварного шва
распространению трещины по сравнению с ос-
новным металлом.
Вследствие того, что очаг разрушения распо-
ложен с внутренней стороны трубы перпендику-
лярно кольцевому шву, в зоне термического вли-
яния были исследованы ОСН внутренних припо-
верхностных слоев трубы. Разрушению подвер-
галась верхняя часть газопровода, поэтому из ос-
тавшегося в траншее участка с кольцевым швом
была вырезана проба размером 600×700 мм. По
результатам измерений уровень кольцевых ОСН
на расстоянии 15 мм от центра шва достигает
210 МПа, что составляет 65 % предела текучести.
После химического анализа стали трубы выяс-
нилось, что использовали стали двух разных
марок 09Г2С (труба 2) и 17Г1С (труба 1). Как
видно из рис. 3, распределение ОСН относительно
центра шва несимметрично. Несимметричность
распределения ОСН объясняется различным хи-
мическим составом труб.
Таким образом, проведенные исследования
позволяют установить, что в кольцевых сварных
соединениях магистрального газопровода диамет-
ром 530 мм после его 40-летней эксплуатации
сохраняется высокий уровень растягивающих
ОСН. В местах образования гофра ОСН могут
достигать 87 % предела текучести основного ме-
талла. Максимальный уровень кольцевых напря-
жений в пробе, вырезанной из участка магист-
рального газопровода, где произошла авария, дос-
тигает 65 % предела текучести. Следовательно,
при расчетах остаточного ресурса кольцевых
сварных соединений магистральных трубопрово-
дов необходимо учитывать ОСН, а степень их
влияния на усталостную прочность зависит от ма-
териала трубы.
Работа выполнена в рамках проекта фундамен-
тальных исследований, проводимых СО РАН сов-
местно с УрО РАН в 2012–2014 гг., проект № 27.
1. Эксплуатация магистральных газопроводов в условиях
Севера / А. В. Лыглаев, А. И. Левин, И. А. Корнев и др. //
Газ. пром-сть. — 2001. — № 8. — С. 37–39.
2. Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория сварочных де-
формаций и напряжений. — М.: Машиностроение, 1984.
— 284 с.
3. Махненко В. И. Расчетные методы исследования кинети-
ки сварочных напряжений и деформаций. — Киев: Наук.
думка, 1976. — 320 с.
4. Аммосов А. П., Голиков Н. И. Диагностика сварных сое-
динений действующих магистральных трубопроводов
надземной прокладки, эксплуатируемых в условиях Се-
вера // Контроль. Диагностика. — 1999. — № 9. —
С. 13–17.
5. Остаточные сварочные напряжения в зоне кольцевых
сварных стыков трубопроводов из аустенитной стали /
Рис. 2. Общий вид разрушения магистрального газопровода
Бэргэ–Якутск
Рис. 3. Распределение ОСН в кольцевом стыке второй катуш-
ки газопровода диаметром 530 мм: 1 — кольцевые; 2 —
осевые напряжения
12/2012 19
В. И. Махненко, Е. А. Великоиваненко, В. М. Шекера и
др. // Автомат. сварка. — 1998. — № 11. — С. 32–39.
6. Игнатьева В. С., Кулахметьев Р. Р., Ларионов В. В. Вли-
яние остаточных напряжений на развитие усталостной
трещины в области сварного стыкового шва // Там же. —
1985. — № 1. — С. 1–4.
7. Ларионов В. П. Электродуговая сварка конструкций в
северном исполнении. — Новосибирск: Наука, 1986. —
256 с.
Fields of residual welding stresses in circumferential butt joints of the main pipelines of 520 mm diameter with 7 mm
wall thickness after long-term service under the North conditions were experimentally studied. It is shown that a high
level of tensile residual welding stresses is preserved in circumferential welded joints of the main gas pipelines after 40
years of service. In sites of corrugation formation the residual welding stresses may reach 87 % of base metal yield
point. Residual stresses should be taken into account at calculations of residual life of circumferential welded joints on
the main pipelines.
Поступила в редакцию 27.10.2012
РАЗРАБОТАНО В ИЭС
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ
ОПЛАВЛЕНИЕМ ТРУБОПРОВОДОВ
В ИЭС разработаны технологии и оборудование для стыковой сварки непрерывным оплавлением
трубопроводов диаметром от 57 до 1420 мм. С применением этих технологий сварено более
70 тыс. км газо- и нефтепроводов, в том числе в условиях Крайнего Севера России, пустынь Ирака
и Туркмении. Технологии контактной стыковой сварки имеют следующие преимущества:
• высокое и стабильное качество сварных соединений, соответствующее требованиям меж-
дународных стандартов;
• высокая производительность — 6… 12 стыков в час;
• сварка выполняется без вспомогательных материалов;
• для торцов труб не требуется специальная разделка под сварку;
• процесс сварки полностью автоматизирован, что обеспечивает стабильное воспроизве-
дение заданных режимов;
• компьютеризированная система контроля режима сварки обеспечивает высокую досто-
верность оценки качества соединений.
20 12/2012
|