ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ

реклама
На правах рукописи
ХАФИЗОВА Олеся Фралитовна
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ
НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ РЕМОНТА
ТРУБОПРОВОДОВ
Специальность 25.00.19 – Строительство и эксплуатация
нефтегазопроводов, баз и хранилищ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011
Работа выполнена в федеральном государственном
бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
профессионального
образования
Санкт-Петербургском
государственном горном университете
Научный руководитель:
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Болобов Виктор Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Мустафин Фаниль Мухаметович
кандидат технических наук
Василевич Александр Владимирович
Ведущая организация
транспорта энергоресурсов»
–
ГУП
«Институт
проблем
Защита состоится 23 июня 2011 г. в 11 ч на заседании
диссертационного совета Д 212.224.10 при Санкт-Петербургском
государственном горном университете по адресу: 199106, г.
Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Автореферат разослан 23 мая 2011 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д.т.н., доцент
А.К. НИКОЛАЕВ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований
Ремонт изношенных участков магистральных нефтегазопроводов в ряде случаев приводит к необходимости их замены на
новые участки из сталей, отличающихся по химическому составу и
механическим свойствам от основного материала трубопровода.
Получаемые при этом разнородные сварные соединения отличаются
повышенным уровнем остаточных напряжений и пониженной
сопротивляемостью к воздействию различных факторов, способствующих разрушению. Это приводит к снижению долговечности
нефтегазопроводов как одного из основных показателей их надёжности. Качество соединений разнородных сталей зависит от степени
различия их состава и механических свойств.
Для повышения остаточного ресурса нефтегазопроводов с
соединениями разнородных сталей , в настоящее время используют
послесварочную термическую обработку. Согласно нормативным
документам на проведение сварочно-монтажных работ на
промысловых и магистральных газопроводах, при сварке сталей,
отличающихся по пределу прочности более чем на 80 МПа,
необходимо проводить высокий отпуск, заключающийся в нагреве
сварного соединения до температуры 575 - 600оС, выдержке в
течение часа и последующем медленном охлаждении. Такой вид
термической обработки является сложным и энергоемким процессом, который трудно осуществлять в полевых условиях.
Известно, что альтернативным методом снятия остаточных
напряжений в сварных соединениях однородных сталей является
вибрационная обработка свариваемых элементов, проводимая в
процессе сварки. Большой вклад в изучение данного вопроса внесли
Г.В. Сутырин, В.А. Судник, В.А. Винокуров, М.Н. Могильнер,
А.М. Файрушин, Я.А. Колесников, А.Л. Карпов, Z. Zhu, L. Chen,
D. Rao, J. Xu, C. Ni, и другие. В работах В.Г. Полнова,
В.М. Сагалевича и других показано, что вибрационная обработка
при сварке однородных сталей наиболее эффективна при частотах,
близких к частоте собственных колебаний свариваемой конструкции.
3
В то же время, несмотря на свою простоту и значительный
положительный эффект, вибрационная обработка как метод повышения надежности сварных соединений нефтегазопроводов практически не используется. В литературных источниках отсутствуют
сведения о применении виброобработки при производстве сварных
соединений из разнородных сталей. Поэтому проведение
исследований по изучению влияния вибрации на качество
соединений разнородных сталей и внедрение вибрационной
обработки в технологию сварочно-монтажных работах на нефтегазопроводах является актуальной задачей.
Цель работы: повышение надежности эксплуатации нефтегазопроводов, имеющих соединения из разнородных сталей, путем
применения их вибрационной обработки в процессе ремонта.
Задачи исследований:
1. Разработать метод обеспечения равной прочности соединений участков трубопровода, находящегося в длительной эксплуатации, и врезаемых при его ремонте участков трубы из более прочной стали.
2. Установить частоты собственных колебаний подвешенных
на время сварочно-монтажных работ участков трубопроводов
различных диаметров для выбора оптимального значения частоты
вибрационной обработки соединения.
3. Определить влияние вибрационной обработки с частотой,
близкой к частоте собственных колебаний участков трубопроводов,
на надежность сварных соединений разнородных сталей.
4. Экспериментально изучить и сравнить влияние вибрационной и термической обработок на качество соединений
разнородных трубопроводных сталей.
5. Разработать технологию сварочно-монтажных работ на
нефтегазопроводах с применением вибрационной обработки.
Идея работы: долговечность и надёжность кольцевых
соединений нефтегазопроводов из разнородных сталей следует
обеспечивать за счет вибрационного воздействия в процессе сварки.
Научная новизна работы:
1. Установлена зависимость частот собственных колебаний
4
участков трубопроводов от их диаметров и длин, на основании
которой определены необходимые частоты (50 – 360 Гц) вибрационной обработки свариваемых участков магистральных нефтегазопроводов из разнородных сталей для повышения качества их
сварных соединений.
2. Установлено, что вибрационная обработка соединений
разнородных сталей, проведенная с частотой, близкой к частоте
собственных колебаний свариваемого участка трубопровода,
повышает его долговечность до 4-х раз и может служить заменой
термической обработке.
Защищаемые положения:
1. Для повышения надежности соединений магистральных
нефтегазопроводов вибрационную обработку в процессе сварки
следует вести с частотой, прямо пропорциональной диаметру
трубопровода, близкой к частоте собственных колебаний
свариваемого участка.
2. Применение вибрации с частотой 50…360 Гц в процессе
сварочно-монтажных работ на участках нефтегазопроводов из
разнородных сталей с диаметром от 720 мм до 1420 мм повышает до
4-х раз долговечность разнородных сварных соединений и способно
заменить послесварочную термическую обработку.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение
данных по сварочно-монтажным работам на нефтегазопроводах и
вибрационной обработке сварных соединений, стандартные методы
определения механических свойств, а также рентгеноструктурный,
электронно-микроскопический и рентгенофлуоресцентный методы
анализа. Обработка результатов экспериментов проводилась с
использованием метода регрессионного анализа.
Практическое значение работы:
 разработанная технология сварочно-монтажных работ с
применением вибрационной обработки на участках нефтегазопроводов из разнородных сталей, которая позволяет снизить
энергозатраты и исключить послесварочные операции;
5
 предложенный способ снятия остаточных напряжений в
сварных соединениях металлов (заявка на изобретение
№ 2009128814/02 (040086)), заключающийся в направленности
приложения вибрационного воздействия, обеспечивает повышение
качества соединений разнородных сталей нефтегазопроводов.
Обоснованность и достоверность научных положений,
выводов и рекомендаций подтверждена удовлетворительной
сходимостью результатов теоретических и экспериментальных
исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы
докладывались на III Международном форуме «Образование, наука,
производство» (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе
научно-технического
творчества
студентов
«Эврика-2006»
(Новочеркасск, 2006); XII Республиканском конкурсе научных работ
Республики Башкортостан - 2007 (Уфа, 2007); 61-й Студенческой
Научной Конференции «Нефть и газ-2007» (Москва, 2007); 8-й
Международной специализированной конференции «Нефтепереработка и нефтехимия» в рамках 7-го международного форума
«ТЭК России» (Санкт-Петербург, 2007); Международном форумконкурсе молодых учёных молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2008); Х Международной молодежной научно-технической конференции «Севергеоэкотех-2009» (Ухта, 2009); IV Международной учебно-научнопрактической конференции «Трубопроводный транспорт – 2008» (Уфа,
2007); международной научной конференции «60-й день горняка и
металлурга» (Фрайберг, Германия, 2009); Немецком Аэрокосмическом центре DLR (Штутгарт, Германия, 2011) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том
числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень журналов ВАК
Минобрнауки России, подана 1 заявка на изобретение.
Личный вклад соискателя состоит в создании экспериментального стенда, разработке методики, проведения экспериментальных исследований и обработке их результатов.
6
Реализация результатов работы
Разработанная технология сварочно-монтажных работ с
применением вибрационной обработки может быть использована
при ремонте нефтегазопроводов для исключения послесварочных
операций.
Научные и практические результаты работы используются в
учебном процессе СПГГУ при изучении дисциплины «Технология
металлов и трубопроводно-строительных материалов» студентами
специальности 130501.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из
введения, 4 глав и заключения общим объемом 111 страниц,
содержит 13 таблиц, 37 рисунков, а также список литературы из 145
наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована
ее актуальность, определены цель, идея, задачи, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.
Первая глава посвящена анализу специфики сварочномонтажных работ при ремонте нефтегазопроводов. Рассмотрены
применяемые виды сварки, а также сложности, возникающие при
замене аварийных участков трубопроводов в случае необходимости
сварки разнородных сталей. Получаемые при этом сварные соединения характеризуются повышенным уровнем остаточных напряжений и пониженной сопротивляемостью к инициаторам разрушения, что приводит к снижению долговечности свариваемого
участка трубопровода. Для повышения качества сварных соединений разнородных сталей в настоящее время проводят послесварочную термическую обработку. Согласно нормативным документам на проведение сварочно-монтажных работ на магистральных
газопроводах, при сварке сталей, отличающихся по пределу прочности более чем на 80 МПа, необходимо проводить послесварочный
высокий отпуск, заключающийся в нагреве сварного соединения до
температуры 575 - 600○С, выдержке в течение часа и последующем
медленном охлаждении. В связи с тем, что термическая обработка
является энергоемким процессом, трудно осуществимым в полевых
7
условиях, была поставлена задача замены используемой термической обработки сварных соединений из разнородных сталей на
более доступный и менее трудозатратный метод снижения остаточных напряжений с целью повышения долговечности свариваемых участков трубопроводов.
На основании анализа существующих методов снижения
остаточных напряжений в сварных соединениях делается вывод, что
наиболее эффективным из них является вибрационная обработка
свариваемых элементов из однородных сталей, проводимая в
процессе сварки. При этом ее следует осуществлять с частотой,
близкой к частоте собственных колебаний свариваемой конструкции. Сведений о вибрационной обработке соединений из
разнородных сталей в литературе не обнаружено, а сам метод
вибрационной обработки, несмотря на его простоту и значительный
положительный эффект, при проведении сварочно-монтажных работ
на нефтегазопроводах не используется.
Поэтому исследование влияния вибрационной обработки на
качество соединений из разнородных трубопроводных сталей, а
также ее внедрение в технологический процесс сварочномонтажных работах на нефтегазопроводах является актуальной
задачей.
Во второй главе представлен расчет частоты собственных
колебаний свариваемых участков трубопровода, близкой к которым
необходимо проводить вибрационную обработку сварного соединения. Расчет проведен для трубопроводов различных диаметров.
Удерживаемый на тросах участок трубопровода, в средней части
которого ведутся сварочно-монтажные работы, моделируется балкой длиной l, жестко защемленной с обоих концов, с поперечной
распределенной по некоторому закону нагрузкой q=q(x). Расчетная
схема представлена на рис.1.
Частоты собственных колебаний балки рассчитываются при
решении уравнения, выведенного для колонны бурильных труб, с
учетом граничных условий, определяемых формой закрепления концов участка трубопровода
y x, t   u x sin kt ,
8
(1)
где u(x) – неизвестная форма колебаний; k – неизвестная частота
собственных колебаний балки, рад/с.
Рис. 1 Расчетная схема для решения задачи о поперечных колебаниях участка
трубопровода: 1–концы магистрального трубопровода; 2–ввариваемый фрагмент
трубопровода; 3–сварные швы; 4–тросы для спуска и стыковки (прихватки)
ввариваемого фрагмента; 5–стропы; y(x)–прогиб в сечении x;
6 – изогнутая ось трубопровода; l–длина участка трубопровода между местами
закреплений на нем строп
В результате получается трансцендентное уравнение
cos 
где
 l4
k 2
EJ 
которое
1
,
ch
может
(2)
служить
для
отыскания
безразмерных чисел  , что наиболее просто осуществить
графически (рис. 2).
Из графика (рис. 2) следует, что в диапазоне от + 1 до - 1
функция 1 ch  асимптотически приближается к оси абсцисс ( ),
пересекая график косинусоиды (cos ) и образуя на пересечениях
искомые величины  :  1 ,  2 ,…, n , то есть образуется множественный спектр характеристических чисел, первое из которых
 1 = 4,73. Для определения других чисел можно использовать
приближенную формулу:
9
n 
2n  1
 , где n  1,2,3,...
2
(3)
1
2
1
0





2
2
2
2
2
-1
Рис. 2. Графическое решение уравнения (2): 1 – 1/ch ν; 2 – cos ν
Искомая частота собственных колебаний участка трубопровода при внешнем воздействии на него определится из
выражения:
fn 
 n2
2  l 2
EJ

.
(4)
Расчет производился для стальных труб диаметров,
используемых при прокладке отечественных магистральных
нефтегазопроводов (от 720 до 1420 мм). За длину l (5 и 10 м)
подвешенного участка принимали имеющие место в реальных условиях граничные расстояния между точками закрепления трубопровода тросами при его подъеме со дна траншеи на время
сварочно-монтажных работ на нефтегазопроводах. Значение модуля
упругости E при растяжении-сжатии трубопроводной стали считали
равным 200 ГПа. Осевые моменты инерции сечений труб
выбранных диаметров рассчитывали по формуле J  0,05 D 4 1   4 ,
где   d D – отношение внутреннего диаметра трубы к внешнему.
При расчете массы единицы длины трубопровода плотность стали ρ
принимали равной 7850 кг/м3.
Результаты расчета fn по формуле (4) при первом значении
характеристических чисел ( 1 ) и, соответственно, для первого

10

(основного) значения частот собственных колебаний подвешенного
участка трубопроводов представлены в рис. 3.
fn , Гц
400
l=5 м
300
200
100
l=10 м
0
800
900
1000 1100 1200 1300 1400
Dn, мм
Рис. 3. Зависимость частоты собственных колебаний fn
от номинального размера трубы Dn и длины участка l
С увеличением номинального диаметра трубы частота
собственных колебаний участка трубопровода fn, подвешенного на
время сварочно-монтажных работ, возрастает, принимая значения от
50 до 360 Гц для всех диаметров отечественных магистральных
трубопроводов. При этом изменение толщины стенки трубы (δ =
5….16 мм) на величине fn, практически, не сказывается. В то же
время изменение расстояния между точками закрепления тросов на
поднимаемом участке трубопровода (длины l) на значении частоты
собственных колебаний сказывается весьма существенно.
В третьей главе представлена схема экспериментального
стенда (рис. 4), изготовленного в СПГГУ (Санкт-Петербург) для
проведения сварки с вибрацией с частотой f, приближающейся к
частоте собственных колебаний fc системы, которую можно регулировать и устанавливать близкой к частоте собственных колебаний fn
свариваемых участков реальных нефтегазопроводов. Экспериментальные исследования влияния вибрационной обработки на усталостную выносливость, ударную вязкость при отрицательных
температурах, микроструктуру различных зон сварных соединений
и другие основные механические свойства сварных соединений
разнородных трубопроводных сталей проводились в Немецком
аэрокосмическом центре DLR (Штутгарт, Германия), СПбГПУ
11
(Санкт-Петербург) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг,
Германия).
Рис. 4 Схема экспериментального стенда по изучению влияния вибрационной
обработки различной частоты на качество сварных соединений из трубопроводных
сталей: 1–свариваемые листовые заготовки; 2–электрододержатель;
3–электродвигатель; 4 –дебаланс; 5–сменные стальные пластины; 6–выпрямитель
сварочный; 7–основание; 8–крышка сварочного стола; 9–преобразователь частоты;
10–датчик вибрации AMTest-2
Свариваемые листовые заготовки 1 из выбранных трубопроводных материалов жестко крепились к крышке стола 8 и
подвергались во время сварки вынужденным колебаниям относительно неподвижного массивного основания 7. К крышке стола
устанавливался асинхронный электрический двигатель переменного
тока 3, на валу которого находился дебаланс 4, который являлся
источником колебаний. Перемещением центра массы дебаланса
изменялась амплитуда а задаваемых колебаний (аmax=62 мкм).
Частота вынужденных колебаний f системы (свариваемых заготовок,
крышки стола и электродвигателя) совпадала с частотой ω вращения
вала двигателя, которая, в свою очередь, регулировалась с помощью
преобразователя частоты 9. Значение f регистрировалось датчиком
вибрации AMTest-2 10. Частота собственных колебаний fc системы
регулировалась изменением ее жесткости k, что достигалось
варьированием количества N пластин 5, соединяющих крышку стола
с основанием.
При количестве пластин, равным N=2, и частоте вращения
вала двигателя ω=3000 об/мин, частота вынужденных колебаний
12
системы была равной 50 Гц, близкой к частоте собственных
колебаний системы (fc = 8,3 Гц) и участка трубопровода диаметром
820 мм и длиной l=10 м (fn =53 Гц).
Объектом исследований являлись сварные соединения,
изготовленные из пластин (δ=8–10 мм) трубопроводных сталей: 20
и 16ГС, а также Ст3сп и 10Г2ФБ, различающихся по пределу прочности на 90 и 240 МПа, соответственно. Таким образом, моделировали сварные соединения, получаемые при замене изношенных
участков трубопроводов на новые из более прочных сталей. Для
сравнения соединения разнородных сталей изготавливались без
обработки, с послесварочной термической обработкой и с
вибрационной обработкой с частотами 50, 100, 160 Гц.
Сварка пластин осуществлялась встык методом ручной
электродуговой сварки в три прохода с использованием
электродов марок Э50А–ОГПЭ-01 и Э50А-УОНИИ-13/55. Полученные соединения разнородных сталей разрезали в поперечном
направлении относительно сварного шва на полосы, из которых
изготавливали образцы для соответствующих механических испытаний.
Для исследования влияния вибрационной обработки на
усталостную выносливость, как на параметр, определяющий долговечность и надежность как соединения, так всего участка трубопровода в целом, образцы со сварным швом после той или иной
обработки подвергали циклическим нагрузкам растяжения – сжатия,
что моделировало воздействие давления рабочей среды на стенки
трубопровода.
Максимальное напряжение, которое возникало в рабочей
зоне образцов при циклических нагрузках устанавливали исходя из
экспериментального определения предела прочности материала наименее прочной стали сварного соединения σmax = 0,4∙σв. Такое
напряжение заведомо превышало уровень допустимых напряжений
σдоп, которые могут возникать в стенках нефтегазопровода из
данного материала при перекачке продукта.
Как следует из результатов испытаний на усталостную
выносливость (табл. 1), вибрационная обработка сварных соеди-
13
нений, проведенная с частотой, близкой к частоте собственных
колебаний системы, до 4-х раз повышает число циклов нагружений,
которое может выдержать соединение до разрушения.
Таблица 1
Результаты испытаний образцов из сварных соединений сталей
Ст3сп - 10Г2ФБ на усталостную выносливость
Режим обработки
Без обработки
С термической обработкой
С вибрационной обработкой
Количество циклов до разрушения N
1
2
3
0,328096·106
0,257369·106
1,075·106
≥ 1·106
≥ 1·106
≥ 1·106
≥ (1÷7)·106
≥ 1·106
Вторым основным параметром, определяющим надежность
соединения, является ударная вязкость его различных зон. Для ее
определения образцы с V-образным надрезом, вырезанные из
различных зон соединения, подвергали испытаниям на ударный
изгиб при температуре минус 20°С. Такой уровень температур,
согласно нормативным документам, отвечает требованиям к
проведению испытаний трубопроводных сталей.
Зависимость ударной вязкости при температуре минус 20°C
различных зон сварного соединения разнородных сталей от вида
обработки и частоты виброобработки в процессе сварки иллюстрируют гистограммы, представленные на рис. 5, 6.
Как следует из рис. 5, 6 применение вибрационной
обработки повышает ударную вязкость как металла сварного шва,
так и зоны термического влияния обеих сталей. Причем наибольший
эффект (рост KCV металла сварного шва до 105 %) достигается при
частоте вибрационной обработки f=50 Гц, наиболее близкой к
частоте собственных колебаний системы (fс  22 Гц).
Кроме того проводились испытания для определения
прочностных свойств различных зон сварного соединения и их
микроструктуры. Результаты микроструктурного анализа сварного
шва показали, что применение виброобработки с частотами 50 и
100 Гц, близкими к частоте собственных колебаний системы,
способствует измельчению зерна.
14
KCV, Дж/см2
180
без в.о.
160
в.о. f=50 Гц
в.о. f=100 Гц
140
в.о. f=160 Гц
120
KCV, Дж/см2
140
без в.о.
120
в.о. f=50 Гц
т.о.
100
80
100
60
80
60
40
40
20
0
20
Ст3сп
ЗТВ1
СШ
ЗТВ2 10Г2ФБ
Сталь 20
Рис. 5 Зависимости ударной вязкости
КСV металла шва и зон термического
влияния ЗТВ1 и ЗТВ2 соединения
разнородных сталей Ст3сп-10Г2ФБ в
зависимости
от
вида
обработки:
вибрационной
обработки
(в.о.),
термической обработки (т.о.)
ЗТВ1
СШ
ЗТВ2
16ГС
Рис. 6 Зависимости ударной вязкости
КСV металла шва и зон термического
влияния ЗТВ1 и ЗТВ2 соединения
разнородных сталей Сталь20-16ГС от
частоты вибрационной обработки (в.о.) f
Испытания образцов на растяжение (рис. 7, 8) показали, что
применение виброобработки с частотой, близкой к частоте
собственных колебаний системы fс, приводит к увеличению
условного предела текучести (σ02) при неизменной величине предела
прочности (σВ) металла сварного шва.
, МПа
700
, МПа
700
Предел текучести, МПа
Предел прочности, МПа
600
600
500
500
400
400
300
300
без обработки с вибрационной с термической
обработкой
обработкой
Рис. 7 Прочностные характеристики
(σ0,2, σB) металла сварного шва соединений сталей Ст3сп-10Г2ФБ в зависимости от вида обработки
15
Предел текучести, МПа
Предел прочности, МПа
0
50
100
160
f, Гц
Рис. 8 Прочностные характеристики
(σ0,2, σB) металла сварного шва соединений сталей Сталь20-16ГС в зависимости от частоты виброобработки f
Результаты экспериментов показали, что применение виброобработки в процессе сварки положительно влияет на механические
свойства материалов в различных зонах сварного соединения
разнородных сталей, увеличивая их усталостную выносливость,
ударную вязкость и предел текучести. Причём наибольший эффект
достигается при частоте виброобработки, наиболее близкой к
частоте собственных колебаний системы, что можно объяснить
максимальной амплитудой, возникающей при этой частоте колебаний и, как следствие, максимальными напряжениями, возникающими в металле и снижающими уровень остаточных напряжений. Другой причиной улучшения механических свойств сварного шва является измельчение зёрен металла, образующихся в
процессе кристаллизации, под действием колебаний.
В четвертой главе разработана технология сварочномонтажных работ на нефтегазопроводах с применением вибрационной обработки и конструкция приспособления вибрационного
воздействия на кольцевое соединение трубопровода.
Схема расстановки оборудования при проведении сварочномонтажных работ с вибрационной обработкой представлена на
рис. 9.
Рис. 9 Схема расстановки оборудования при проведении сварочно-монтажных
работ при замене аварийного участка трубопровода с применением вибрационной
обработки: 1–отвал грунта; 2–свариваемые участки трубопровода; 3–трубоукладчики; 4–установка сварочная; 5–устройство для обработки торцов; 6–внешний
центратор; 7–хомут с вибрационным устройством; 8–датчик и регулятор частоты
16
В соответствии с разработанной технологией сварочномонтажных работ на нефтегазопроводах с применением вибрационной обработки, работы рекомендуется проводить в следующем
порядке:
 участок трубопровода, который подлежит ремонту, поднимается над дном траншеи;
 вблизи места сварки к трубопроводу крепится вибрационное
оборудование 7, необходимое для проведения виброобработки;
 исходя из диаметра трубы и длины участка l трубопровода,
висящего на тросах 2 и подготовленного к сварке, подбирается
частота собственных колебаний участка fn, производится стыковка с
магистральным трубопроводом и прихватывается временной
сваркой;
 вибровоздействие на участок с частотой, близкой к
расчетной (fn) осуществляется с использованием вибрационного
устройства 7, регулятора частоты вибрации и датчика частоты 8;
 сварка двух участков трубопроводов производится одновременно с вибрационной обработкой сварного соединения.
В качестве источника вибрации может быть использован
дебаланс асинхронного электрического двигателя переменного тока
с преобразователем частоты или стандартное электромагнитное
устройство. Схема конструкции вибрационного устройства и
способа его крепления к свариваемому участку трубопровода
показана на рис. 10.
Рис. 10 Схема конструкции приспособления сопутствующей виброобработки при
сварке соединений трубопроводов: 1 – ввариваемый участок трубы;
2 –электрододержатель с электродом; 3 – хомут; 4 - вибрационное устройство
17
Алгоритм проведения сварочно-монтажных работ на нефтегазопроводах с применением вибрационной обработки упрощен
вследствие исключения операции послесварочной термической
обработки (рис. 11).
Подготовительные
работы
Предварительный
подогрев и
просушка
Сварочно-монтажные
работы с вибрационной
обработкой
Контрольные
операции
Рис. 11 Алгоритм проведения сварочно-монтажных работ на нефтегазопроводах
В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Разработан метод вибрационной обработки для обеспечения
равной прочности соединений участков трубопровода, находящегося в длительной эксплуатации, и врезаемых при его ремонте
участков трубы из более прочной стали.
2. Определены частоты собственных колебаний свариваемых
участков трубопроводов исходя из длины участка и диаметра
трубопровода. Установлено, что толщина стенки трубопровода не
влияет на значение частоты собственных колебаний участка трубопровода.
3. Установлено, что вибрационная обработка сварных соединений из разнородных трубопроводных сталей Ст3сп-10Г2ФБ и 2016ГС, проведенная с частотой 50…200 Гц, близкой к частоте
собственных колебаний свариваемых участков трубопроводов,
повышает до 4-х раз долговечность и в 2 раза ударную вязкость
сварного соединения при температуре минус 20°С.
4. Экспериментально определено, что вибрационная обработка
при производстве соединений из разнородных трубопроводных
сталей, как метод повышения качества сварных соединений,
способна заменить послесварочную термическую обработку.
5. Разработана технология сварочно-монтажных работ на
магистральных трубопроводах, заключающаяся в применении
сопутствующей вибрационной обработки; предложена конструкция
18
приспособления для проведения вибрационной обработки соединения
трубопровода.
Основные
положения
и
научные
опубликованы в 19 работах, основные из них:
результаты
1. Хафизова О.Ф. К влиянию вибрационной обработки на
механические свойства разнородных сварных соединений /
О.Ф. Хафизова, В.И. Болобов, А.М. Файрушин, А.Ю. Кузькин //
Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011. – №1.
http://www.ogbus.ru/authors/Khafizova/Khafizova_1.pdf.
2. Хафизова О.Ф. Повышение качества сварных соединений из
разнородных трубопроводных сталей вибрационной обработкой
конструкций во время сварки // Записки Горного института. – СПб.:
СПГГИ (ТУ), 2011. – Т.189. – С. 191-194.
3. Хафизова О.Ф. Экспериментальная установка по изучению
влияния вибрационной обработки на механические свойства сварных соединений / О.Ф. Хафизова, В.И. Болобов // Записки Горного
института. – СПб.: СПГГИ (ТУ), 2011. – Т.189. – С. 195-197.
4. Хафизова О.Ф. К применению вибрационной обработки при
сварке элементов нефтегазопроводов из разнородных материалов /
О.Ф. Хафизова, В.И. Болобов, А.М. Файрушин, А.Ю. Кузькин // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций. –
СПб: СПбГУНиПТ, 2011: Сборник трудов. – С. 223-228.
5. Хафизова О.Ф. Повышение качества сварного шва вибрационной обработкой во время сварки // Севергеоэкотех – 2009:
материалы конференции. – Ухта, 2009. – Ч.IV. – C. 221-223.
6. Хафизова О.Ф. Повышение качества изготовления нефтехимических аппаратов и газонефтепроводов применением вибрационной обработки во время сварки // Записки Горного института. –
СПб: СПГГИ (ТУ), 2009. – Т.181. – С. 141-143.
7. Хафизова О.Ф. Исследование влияния направления приложения вибрационного воздействия в процессе сварки на уровень остаточных напряжений в стыковом сварном соединении /
О.Ф. Хафизова, А.М. Файрушин // Сварочное производство в
машиностроении: перспективы развития: Материалы конференции.
– Краматорск: ДГМА, 2009. – С. 64-66.
19
8. Khafizova O. Application of vibrating processing to improve
quality of welding joints of pipelines // Freiberger Forschungsforum
60. Berg- und Hüttenmännischer Tag 2009: Challenges and solutions in
Mineral Industry. – Freiberg: Technische Universität Bergakademie,
2009. – pp. 213-215.
9. Хафизова О.Ф. Применение новых технологий при сварке
уторных соединений вертикальных стальных резервуаров /
В.М. Куприянов, А.Л. Карпов, А.М. Файрушин, О.Ф. Хафизова //
Трубопроводный транспорт-2008: Материалы конференции. – Уфа:
ДизайнПолиграфСервис, 2008. – С. 171-173.
10. Хафизова О.Ф. Исследование влияния виброобработки в
процессе сварки на свойства сварных соединений при изготовлении
нефтехимических аппаратов и газонефтепроводов / О.Ф. Хафизова,
В.И. Болобов, А.М. Файрушин // Северные магистральные нефтепроводы: Материалы конференции. ОАО «Северные МН». – 2008. C. 32-33.
11. Хафизова О.Ф. Исследование влияния виброобработки в
процессе сварки на свойства сварных соединений из стали 09Г2С
при изготовлении нефтегазовых сооружений / О.Ф. Хафизова,
А.М. Файрушин, В.И. Болобов, А.Л. Карпов // Трубопроводный транспорт–2008: Материалы конференции. – Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2008. – С. 171-173.
Подано заявление о выдаче патента Российской Федерации на
изобретение «Способ снятия остаточных напряжений в сварных
соединениях металлов» № 2009128814/02(040086) от 27.07.2009 г.
20
Скачать