image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 1-2 2017

Разработка и эксплуатация месторождений

01.1-2.2017 10:00 Исследование пределов выносливости сварных соединений и конструктивных элементов морских нефтегазовых сооружений
В статье рассматриваются вопросы, связанные с обеспечением безопасности эксплуатации морских нефтегазовых сооружений. Одной из важнейших задач, решение которой позволит добиться высокого уровня надежной и безопасной эксплуатации нефтегазовых сооружений на шельфе, является точность оценки ресурса их конструктивных элементов и сварных соединений. Оценка ресурса напрямую связана с таким понятием, как усталостная долговечность. Хорошо известно, что морские нефтегазовые сооружения подвергаются различным нагрузкам и воздействиям, приводящим к возникновению в этих сооружениях переменных напряжений, вызывающих усталостные повреждения. Оценить степень опасности таких повреждений невозможно без знания характера диаграммы усталостного разрушения. Ключевым параметром диаграмм усталости являются пределы выносливости, т. е. такие значения амплитуд переменных напряжений, при которых сварные соединения или конструктивные элементы не получают усталостных повреждений. Особенно остро проблема нахождения пределов выносливости и оценки критичности усталостных повреждений возникает при расчете ресурса отремонтированных сварных соединений. Автором были проведены эксперименты по изучению усталостной долговечности восстановленных сварных соединений. На основании результатов экспериментов установлено, что предел выносливости таких соединений в два раза ниже предела выносливости новых сварных соединений, только введенных в эксплуатацию. В статье также исследовались пределы выносливости основных конструктивных элементов, выполненных из сталей 09Г2С и ВСт3Сп5. По итогам исследований вычислены уравнения диаграмм усталости конструктивных элементов в условиях морских месторождений и установлено, что для элементов из стали 09Г2С предел выносливости равен 55 МПа (точки перелома диаграммы усталости 8,8.106), а для элементов из стали ВСт3Сп5 – 51 МПа (точка перелома диаграммы усталости 5,3.106).
Ключевые слова: усталость, напряжения, предел выносливости, морские нефтегазовые сооружения, сварные соединения, конструктивные элементы.
Ссылка для цитирования: Староконь И.В. Исследование пределов выносливости сварных соединений и конструктивных элементов морских нефтегазовых сооружений // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 1–2. С. 88–91.
Открыть PDF


Одной из важнейших задач при эксплуатации морских месторождений нефти и газа является обеспечение их надежной и безопасной работы. Российская Федерация обладает значительными ресурсами нефти и газа, залежи которых расположены на дне морских акваторий.
В последние годы РФ получила доступ к морским нефтегазовым месторождениям на Черном море, добыча на которых ведется с использованием морских нефтегазовых сооружений (МНГС). Многие из этих сооружений эксплуатируются с 80-х гг. ХХ в. и получили значительные усталостные повреждения, которые могут существенно повлиять на уровень безопасности эксплуатации МНГС [1]. Исследованием усталостных процессов, протекающих на МНГС, занимались многие отечественные и зарубежные ученые [1, 3] и научно-производственные организации [6].

Особенно остро проблема оценки усталостных повреждений возникает при расчете ресурса восстановленных сварных соединений (СС). Как известно, СС МНГС по результатам проведения комплексной диагностики подвергаются ремонту. До настоящего времени не было установлено, будет ли их ресурс таким же, как у нового соединения, или же будет отличаться. Поэтому автором были проведены эксперименты по изучению усталостной долговечности восстановленных сварных соединений. Разработаны экспериментальные установки (рис. 1), на которых производились первичное и повторные испытания до появления трещины в экспериментальном образце (рис. 2).

Image_005.jpg

Рис. 1. Экспериментальная установка по исследованию усталостной долговечности «К»-соединений МНГС

Fig. 1. Experimental seting for investigation of the fatigue durability of «K» connections of offshore oil and gas constructions

Для расчета ресурса таких соединений необходимо построить диаграмму их усталостного разрушения, определив на ней так называемый предел выносливости, т. е. такой уровень амплитуд напряжений, при котором исследуемое сварное соединение не получает усталостных повреждений. Отметим, что полученный в ходе экспериментов (ЭПВ) и фактический (ФПВ) пределы выносливости будут отличаться [2, 4, 5].
Для определения их соотношений разработаны различные теории, которые учитывают шероховатость поверхности реального сварного соединения по сравнению с гладким образцом (шероховатость в пределах 0,16–0,32 мкм), фактические геометрические размеры сварных соединений по сравнению с лабораторными образцами, концентрацию напряжений, обусловленных видом сварного соединения и возможными дефектами, остаточными напряжениями в шве и околошовной зоне, зависимость от коэффициента асимметрии цикла, возможность наличия участков металла с разными механическими свойствами, размерами поперечных сечений и т. д. [2, 5].

Очевидно, что для большего соответствия экспериментального образца реальному объекту должны быть использованы не только геометрически подобные образцы с похожими условиями нагружения, но и материалы, обладающие подобными механическими характеристиками. Поэтому при проведении эксперимента были использованы сварочные материалы, обеспечивающие подобные значения предела прочности, марки Е4303-Р для «Т»-соединения и Е4903-Р для «К»-соединения (описания этих соединений приведены в [6]) по ISO 2560-2009, обеспечивающих предел прочности сварного соединения на уровне 490 МПа. Анализ материалов проекта показал, что при строительстве МНГС для сварки элементов, выполненных из сталей ВСт3Сп5, применялись электроды марки Э42А, марки УОНИ-13/55. Предел прочности сварных соединений, выполненных по ГОСТ 9467-75, составляет 420 МПа. Для соблюдения подобия эксперимента в качестве модели колонны использовались трубы из материала по стандарту DIN 2393-1994 RSt37-2, а при моделировании поясной трубы использовались трубы из стали марки 9MnSi5.

Image_006.jpg

Рис. 2. Трещина в экспериментальном образце
Fig. 2. A crack in the experimental sample

По мнению некоторых авторов [5], различия ЭПВ и ФПВ могут быть обусловлены влиянием на процесс разрушения суммарной упругой энергии, накопленной в нагружаемой системе. Как показывают экспериментальные данные, с увеличением размера образца растет скорость распространения трещины в результате большего запаса упругой энергии у образцов большего размера. Однако, по мнению ряда известных авторов [2, 5], в некоторый момент времени зависимость усталостных характеристик от размеров образца и фактического размера сварного соединения исчезает, т. е. существует некая граница, после перехода которой различия усталостных характеристик испытуемых образцов и фактических сварных соединений исчезают. Так, в [5] утверждается, что при площади поперечного сечения исследуемых образцов более 4 тыс. мм2 коэффициент масштабирования должен быть принят равным 0,6. Современные энергетические теории позволяют скорректировать это значение коэффициента масштабирования, применительно к сварным соединениям опорного блока МСП можно использовать коэффициент 0,58. С учетом шероховатости поверхности и масштабного фактора (отношений размеров экспериментального образца к реальным объектам) предел выносливости ФПВ при изгибе рассчитывается по формуле [5]: 

1_1_10.png                       (1)

 

где σ-1 – предел выносливости; σв – временное сопротивление разрыву.

Помимо этого на соотношение ЭПВ и ФПВ влияют остаточные напряжения и асимметрия циклов напряжений.
В зависимости от размера свариваемых элементов остаточные напряжения могут создавать линейное, плоское или объемное напряженное состояния. Как это показано в работах [2, 5], в элементах толщиной менее 30 мм, имеющих значительную длину, остаточные напряжения от сварки создают плоское напряженное состояние. При воздействии внешних нагрузок на сварной шов возникают пластические деформации и происходит удлинение волокон, получивших во время сварки пластические деформации сжатия. Вследствие этого после разгрузки, если по линии действия и знаку начальные остаточные напряжения совпадают с напряжениями от внешней нагрузки, при линейном напряженном состоянии уменьшается величина напряжений, полученных при максимальном воздействии от внешней нагрузки в месте действия начальных остаточных напряжений. При плоском напряженном состоянии главные остаточные напряжения совпадают по знаку и линии действия с главными напряжениями от внешних нагрузок.

Асимметрия цикла нагружения с учетом остаточных напряжений учитывается при помощи значения коэффициента асимметрии циклов  по формуле [5]:

 

1_1.png,  (2)

 

где σ1 ост, σ2 ост, σ3 ост – главные остаточные напряжения; σ1 max, σ2 max, σ3 max – максимальные главные напряжения цикла; 

σ1 min, σ2 min, σ3 min – минимальные главные напряжения цикла.

Дальнейшая методика расчета ФПВ с учетом вышеописанных факторов приведена в работе [5]. На основании выполненных автором экспериментов установлено, что экспериментальный предел выносливости равен 46 МПа. По методике Н.А. Клыкова [5] сопоставления экспериментального результата с реальным сварным соединением и с учетом корректирующих поправок, учитывающих влияние остаточных напряжений, шероховатости, асимметрии циклов напряжений и др., вычислен ФПВ восстановленного таврового сварного соединения «Т»-типа (таврового сварного соединения [6]), равный 12,61 МПа.
Количество циклов до разрушения при такой амплитуде напряжений равно приблизительно 3•106. Отметим, что при анализе напряженного состояния CC типа «Т» были установлены коэффициенты асимметрии некоторых циклов. Для цикла с коэффициентом асимметрии R ≈ –0,3 предел выносливости, вычисленный на основе уравнения Гудмана, будет равен 11,7 МПа, а при коэффициенте асимметрии R = 0 предел выносливости достигнет 24 МПа.

С помощью той же методики исследована усталостная долговечность «К»-соединения (рис. 1). На основе результатов экспериментальных исследований вычислен предел выносливости, равный 44 МПа. С учетом корректирующих поправок по методике Н.А. Клыкова ФПВ для восстановленного «К»-соединения получим равным 13,6 МПа, а количество циклов до разрушения, как и в предыдущем случае, будет равно приблизительно 3•106. Отметим, что для новых сварных соединений морских нефтегазовых сооружений предел выносливости равен 26 МПа [6].

Несколько иной подход используется для определения ФПВ основных конструктивных элементов МНГС, выполненных из стальных труб [2]. При определении ФПВ стальных конструкций на практике хорошо зарекомендовала себя методика, приведенная в работе [2] и учитывающая такие факторы, как концентрация напряжений, масштабный фактор, шероховатость поверхности и технологическое упрочнение. Согласно этой методике коэффициент К КЭ МСП, определяющий соотношение экспериментального и реального пределов выносливости, рассчитывается по формуле[2]:

1_1_1.png,                         (3)

где Кσ – эффективный коэффициент концентрации напряжений; К – масштабный фактор; КF – коэффициент, учитывающий влияние шероховатости; КV – фактор технологического упрочнения. Величина Кσ зависит от чувствительности материала к концентрации напряжений, и для используемой при строительстве стали 09Г2С, согласно справочным данным, эта величина будет равна 1,5. Величину Кможно определить различными способами, в том числе, опираясь на результаты [5], можно приближенно приравнять ее к 0,6. Значение коэффициента КF определяется по эмпирическим зависимостям и в условиях морского месторождения для стали марки 09Г2С равно 0,38. Значения KV для сталей принимаются в зависимости от вида упрочняющих обработок. Автором были проведены исследования, в результате которых установлено, что предел выносливости для конструктивных элементов опорного блока, выполненных из стали 09Г2С (раскосы и горизонтальные элементы), в условиях морского месторождения составляет 55 МПа. Для элементов, выполненных из стали ВСт3Сп5 (колонны), фактический предел выносливости в условиях морского месторождения составляет 51 МПа.

Автором исследовано напряженное состояние морских нефтегазовых сооружений, расположенных на шельфе Черного моря, и получены значения статических напряжений и амплитуды переменных для элементов КЭ МСП из стали 09Г2С (таблица). Исследовался опорный блок морской стационарной платформы, установленный на глубине 30 м и состоящий из четырех секций, верхняя из которых расположена на высоте 10 м над уровнем моря. Для определения статических напряжений расчеты проводились в условиях отсутствия ветроволновой нагрузки, а для определения максимальных амплитуд переменных напряжений – при высоте волны 13,9 м и скорости ветра 49 м/c.

В результате расчетов установлено, что для раскосов и горизонтальных элементов максимальная амплитуда напряжений будет равна 233 МПа, а для колонн – 205 МПа. Для определения количества циклов до разрушения, так называемой точки перелома кривой усталости автором были рассчитаны следующие уравнения:

  • для элементов из стали 09Г2С при пределе выносливости 55 МПа: 

NG = 1,12035.107 – 43362σ-1 КЭ МСП       (4); 

  • для элементов из стали ВСт3Сп5 при пределе выносливости 51 МПа: 

NG = 5,78788.106 – 18939σ-1 КЭ МСП       (5),

где для формул (4) и (5) NG – значение точки перелома кривой усталости;
σ -1 КЭ МСП – значение предела выносливости конструктивного элемента МСП при его эксплуатации в условиях морского месторождения.

В результате последующих вычислений установлено, что для элементов из стали 09Г2С при пределе выносливости 55 МПа значение точки перелома кривой усталости будет равно 8,8•106, а для элементов из стали ВСт3Сп5 при пределе выносливости 51 МПа значение точки перелома кривой усталости составит 5,3.106. 

Таким образом, были получены значения пределов выносливости, которые являются ключевыми параметрами для построения усталостных диаграмм сталей и восстановленных сварных соединений морских нефтегазовых сооружений.


Значения напряжений в элементах морских нефтегазовых сооружений
Stress values in the elements of the offshore oil and gas constructions

Вид и значения напряженного состояния

The type and the value of the stress status

Горизонтальные пояса

Horizontal zones

Раскосы

Braces

Колонны

Columns

Глубина расположения исследуемых элементов, м

The depth of the researching elements, m

30

20

10

–10

30

20

10

–10

30

20

10

–10

Значения статических напряжений, МПа

The values of the static stresses, MPa

6

7

32

17

77

50

104

112

45

43

18

32

Значения амплитуд переменных напряжений, МПа

The values of the amplitudes of the variable stresses, MPa

65

68

60

233

132

148

163

232

205

199

97

165



← Назад к списку


im - научные статьи.