ПРОЧНОСТНЫЕ ГИДРОИСПЫТАНИЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБ С ЗАГЛУШКАМИ НА ЗАВОДЕ Шинкин В.Н.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»


Номер: 12-2
Год: 2015
Страницы: 251-258
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

сварные стальные трубы большого диаметра, гидроиспытания, модель упругопластической среды, магистральные трубопроводы, the welded steel large-diameter pipes, the hydraulic testing, the model of the elastoplastic deformation, the main pipelines

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Представлен аналитический метод расчета технологических параметров процессов гидроиспытания труб большого диаметра: критического давления в трубе и размеров пластической и упругой зон в стенке трубы при закритических давлениях. Результаты исследования могут быть использованы при производстве стальных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов.

Текст научной статьи

Гидроиспытания труб большого диаметра. Обязательным технологическим процессом производства труб большого диаметра является гидроиспытание труб на прочность [1-56]. При этом внешние наружные торцы трубы фиксируются гидрозаглушками (труба с «донышками») и внутрь трубы подается вода под большим давлением. Гидроиспытания проводят в упругой зоне деформации стенки трубы. Однако, при чрезмерном внутреннем давлении стенка трубы может испытывать пластическую деформации и даже разорваться. Разрыв труб также может произойти при наличии дефектов в стенке труб [2-4, 9, 17, 21, 29, 32]. Напряжения и деформации в стенке трубы при внутреннем давлении. Рассмотрим длинную толстостенную трубу под действием внутреннего давления pa (рис. 1), стенка которой находится в состоянии однородного растяжения. Рис. 1. Эпюры радиальных и тангенциальных нормальных напряжений в стенке трубы (а) и радиальные перемещения u внутри трубы (б) Пусть h, D, d = D - 2h, a = d/2, b = D/2 = a + h >> h - толщина стенки трубы, внешний и внутренний диаметры трубы, внутренний и внешний радиусы трубы. В цилиндрической системе координат (r, θ, z) уравнения равновесия трубы, граничные условия и решение задачи имеют вид [2-4] где σrr, σθθ и σrθ - радиальное, окружное (тангенциальное) и касательное напряжения. Для «бесконечно» длинной трубы (рис. 2, а) σz = 0 . Для длинной трубы с «донышками» (длина трубы l >> b) (рис. 2, б) Рис. 2. Бесконечно длинная труба (а) и труба с «донышками» (б) Компоненты тензора деформаций и обобщенный закон Гука имеют вид [2-4] где E - модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона, ur и uθ - радиальное и окружное перемещения точек стенки трубы. Для бесконечно длинной трубы (σz = 0) радиальное перемещение Для длинной трубы с «донышками» (длина трубы l >> b) Условия возникновения пластической деформации на внутренней поверхности трубы. По третьей теории прочности (теории наибольших касательных напряжений) внутренняя поверхность трубы будет находиться в пластическом состоянии, если где paкритич - критическое давление на внутренней поверхности трубы, где σт - предел текучести материала трубы. Критические давления для трубы диаметром D = 1420 мм с пределом текучести σт = 500 МПа приведены в таблице 1. Таблица 1 Критические давления трубы h, мм 12 16 20 24 28 32 36 paкритич, МПа 8,38 11,14 13,89 16,62 19,33 22,03 24,71 Для бесконечно длинной трубы (гидроиспытания трубы на трассе) по четвертой теории прочности (энергетической теории прочности) внутренняя поверхность трубы будет находиться в пластическом состоянии, если выполняется критерий Мизеса: где paIV,критич - критическое давление на внутренней поверхности «бесконечно» длинной трубы. Критические давления для трубы диаметром D = 1420 мм с пределом текучести σт = 500 МПа приведены в таблице 2. Таблица 2 Критические давления трубы h, мм 12 16 20 24 28 32 36 paIV,критич, МПа 8,45 11,26 14,08 16,89 19,70 22,51 25,31 Для трубы с донышками (гидроиспытания трубы на заводе) по четвертой теории прочности (энергетической теории прочности) внутренняя поверхность трубы будет находиться в пластическом состоянии, если выполняется критерий Мизеса: где paIV,критич - критическое давление на внутренней поверхности трубы с донышками. Критические давления для трубы диаметром D = 1420 мм с пределом текучести σт = 500 МПа приведены в таблице 3. Таблица 3 Критические давления трубы h, мм 12 16 20 24 28 32 36 paIV,критич, МПа 9,68 12,86 16,03 19,19 22,32 25,44 28,53 Из четвертой теории прочности следует важный вывод, что при гидроиспытаниях на заводе (труба с донышками) труба может выдержать большее внутреннее давление, чем при гидроипытаниях той же трубы на трассе (труба без донышек). Этот факт следует, учитывать при гидроиспытаниях магистральных трубопроводов. Предел пластического сопротивления трубы по теории Сен-Венана - Мизеса. Условие пластичности по третьей теории прочности (теории наибольших касательных напряжений) имеет вид sqq - srr = sт. Пусть труба находится в идеально пластическом состоянии (теория Сен-Венана - Мизеса, диаграмма Прандтля): Уравнение равновесия трубы в радиальном направлении, граничные условия и решение задачи имеют вид [2-4] где pт - предел пластического сопротивления трубы, нагруженной только внутренним давлением. При pa < pт наблюдается устойчивое упругопластическое равновесие трубы. При pa ≥ pт равновесие трубы становится неустойчивым. Предел пластического сопротивления для трубы диаметром D = 1420 мм с пределом текучести σт = 500 МПа приведен в таблице 4. Таблица 4 Пластическое сопротивление трубы h, мм 12 16 20 24 28 32 36 pт, МПа 8,52 11,40 14,29 17,19 20,12 23,06 26,02 (pт - paкритич)/pт, % 1,7 2,2 2,8 3,4 3,9 4,5 5,0 Из вышеприведенной таблицы видно, что предел пластического сопротивления трубы pт мало отличается от критического давления paкритич, при котором внутренняя поверхность трубы переходит в пластическое состояние (отличие составляет менее 2-6%). Рис. 3. Внутренняя пластическая и внешняя упругая зоны трубы Упругопластическое состояние стенки толстостенной трубы. Рассмотрим случай, когда внутреннее давление в трубе меньше предела пластического сопротивления трубы, но больше предела упругого сопротивления (рис. 3). В этом случае в поперечном сечении труба будет иметь две зоны: пластическую внутреннюю (a ≤ r ≤c, с = a + Δc, Δc << a) и упругую наружную (c < r ≤ b). Уравнение для границы между упругой и пластической зонами имеет вид [2-4] . Численно решив это нелинейное уравнение относительно с/b, найдем границу r = c между пластической и упругой зонами. Из вышеполученных результатов следует, что разрушение стенки трубы под действием внутреннего давления начинается на внутренней поверхности трубы и далее распространяется в сторону внешней ее поверхности. Критерий разрыва стенки трубы по теории пластического течения. По теории упругопластического течения деформацию элементов сплошной среды можно представить как сумму упругой деформации и пластической деформации. При этом упругая деформация подчиняется обобщенному закону Гука, а пластическая деформация подчиняется теории Сен-Венана-Мизеса [3]. В этом случае по третьей теории прочности разрушение внутренней поверхности трубы (значительное резкое уменьшение толщины стенки трубы и появление на внутренней поверхности трубы трещин, приводящих к разрыву трубы) начнется, когда максимальные касательные напряжения на ней достигнут предела прочности материала трубы σв (критерий разрыва трубы Шинкина): Давления разрыва для трубы диаметром D = 1420 мм с пределом текучести σв = 600 МПа приведены в таблице 5. Таблица 5 Давление разрыва трубы h, мм 12 16 20 24 28 32 36 pshразрыва, МПа 10,06 13,37 16,66 19,94 23,20 26,43 29,65 (pshразрыва- pт)/pshразрыва, % 15,2 14,7 14,3 13,8 13,3 12,8 12,2 Из вышеприведенной таблицы следует, что предел пластического сопротивления трубы дает заниженную оценку критического давления (на 12-15 %), при котором реально разрушается труба. Это объясняется тем фактом, что реально стенка трубы при внутреннем давлении pa = pт находиться не в идеально пластическом состоянии (диаграмма Прандтля, теория Сен-Венана - Мизеса), как предполагается при выводе предела пластического сопротивления трубы pт, а в упругопластическом состоянии. Поэтому при pa = pт упругие составляющие упругопластической деформации стенки трубы не дают ей разрушиться. Реальное разрушение трубы происходит при несколько больших внутренних давлениях трубы pa, когда максимальные касательные напряжения на внутренней поверхности трубы достигают предела прочности материала трубы σв.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.