Неразрушающий контроль. Нефтегазовая отрасль.

Анализ технологических факторов, определяющих напряженное состояние материала входных и выходных патрубков нефтеперекачивающего агрегата НМ-10000, с использованием прибора ИН-5101А.

В.А.Смирнов

Введение
     Напряженно-деформированное состояние (НДС) нефтепроводов, непосредственно приваренных к магистральному нефтеперекачивающему насосу (входные и выходные патрубки), напрямую влияет на долговечность и работоспособность нефтеперекачивающего агрегата в целом. Сезонные сдвиги грунтов, некачественная укладка коллектора, монтажные "натяги" концевых стыков нефтепроводов приводят к существенному росту действующих внутренних напряжений в материале нефтепровода и насосного агрегата. Вследствие этого, во время работы насоса возникают сильные вибрации из-за постоянных расцентровок, существенно сокращается межремонтный ресурс агрегата, повышается вероятность разрушения сварных стыков, может возникнуть серьёзная авария.
     В соответствие с РД 16.01-60.30.00-КТН-085-2-05*) основные и вспомогательные нефтепроводы нефтеперекачивающих станций (НПС) должны проходить периодический диагностический контроль для оценки текущего состояния и продления ресурса, в том числе, необходимо контролировать НДС нефтепроводов. Получение значений действующих механических напряжений возможно с помощью метода акустоупругости и прибора ИН-5101А его реализующего. На основании полученных значений напряжений возможно создание нормативов по оценке степени их опасности, также можно оценить какие технологические дефекты приводят к появлению недопустимых напряжений.
     В настоящей статье описывается случай, который наглядно показывает, как можно использовать прямые измерения напряжений, действующих в стенках входных и выходных патрубков магистрального нефтеперекачивающего агрегата (МНА), для оценки смещений сварного стыка, в месте приварки патрубков к нефтеперекачивающему насосу.

 

1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
     Нефтеперекачивающие насосы №№ 1, 2, 3, 4 НПС №2 «Нефтеюганск».
     Дата измерений: май 1997г.
     Измерения механических напряжений проводились в материале входных и выходных патрубков нефтеперекачивающих насосов №№ 1, 3 и 4, а также в концевых сечениях отрезанных патрубков (ненапряженные участки) на демонтированном насосе № 2 (рис.1).
     Измерялась продольная компонента напряжения σ1, связанная с изгибом патрубков.
     Измерения проводились с целью оценки возможностей прибора ИН-5101А для измерения механических напряжений в материале нефтепроводов, а также для оценки усилий, возникающих в патрубках в результате их монтажа и приварки к насосам и оценки значений смещения кромок сварного стыка патрубков и насоса.
     Измерения проводились в точках, показанных на рис. 2, в режиме «безнулевой акустической тензометрии» (БАТ), в качестве нулевых (соответствующих ненагруженному состоянию) параметров акустической анизотропии материала патрубков использовались параметры, полученные на патрубках насоса № 2.
     Для выходного патрубка агрегата №3, где зафиксированы максимальные напряжения, осуществлялся расчёт статической силы, приводящей к изгибу патрубка, и расчёт смещений кромок стыка выходного патрубка и насоса методом конечных элементов (основные размеры конструкции приведены на рис. 3).

 
Рис. 1. Расположение сечений измерения продольных механических напряжений в материале входных и выходных патрубков насосов №№ 1, 3 и 4 и насоса №2 (насос демонтирован).
 
Рис. 2. Точки измерения напряжений на входных и выходных патрубках.

Рис. 3. Конструктивная схема входного и выходного патрубков нефтеперекачивающего насоса (агрегат НМ-10000).

 

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
     Результаты измерений продольных напряжений приведены в таблице 1.
     Таблица 1. Измеренные продольные напряжения входных и выходных патрубков нефтеперекачивающих насосов НПС №2 «Нефтеюганск».
№№ насоса
Измеренные напряжения в точках контроля, МПа
Примечание
1
2
3
4
5
6
7
1 вх.
-60 50 20 30 -10 -10 -20  
1 вых.
10 10 40 -40 -30 20 20  
4 вх.
90 -10 -100 -10 -30 80 20  
4 вых.
10 -20 90 10 -60 -80 30  
3 вх.
-10 -10 30 40 -10 0 -30  
3 вых.
20 200 90 80 10 -120 -180   Максимальные
напряжения
2 вх.
-20 -30 10 0 0 20 10   Насос
демонтирован
     Максимальные значения продольных напряжений зафиксированы на выходном патрубке насоса №3 (около 0,5 σТ для стали марки 17Г1С, из которой изготовлены патрубки). Эпюра распределения напряжений для выходного патрубка насоса №3 показана на рис. 4. Из рассмотрения эпюры на рис.4 следует, что максимальное напряжение действует в плоскости близкой к горизонтальной.
     Для ненагруженного патрубка (насос № 2 – входной), где продольные напряжения σ1 ~ 0, погрешность оценки ненагруженного состояния не превышает ~ 7% от σТ для стали марки 17Г1С.
     Распределение продольных напряжений для наиболее нагруженных патрубков показано на рис. 5.

Рис. 4. Эпюра напряжений выходного патрубка насоса № 3 в полярных координатах (вид со стороны насоса), полученная по результатам измерения в режиме «безнулевой акустической тензометрии» относительно ненагруженного патрубка насоса № 2.

Рис.5. Распределение продольных напряжений в наиболее нагруженных патрубках.

     Для расчета статической силы, действующей на выходной патрубок насоса № 3, использована расчётная схема, показанная на рис. 6. Расчёт осуществлялся согласно рекомендациям [1].


Основные допущения, принятые при расчете величины действующей статической силы:
  1. Выходной трубопровод имеет жесткую заделку в плоскости крепления к насосу.
  2. Криволинейный выходной патрубок заменяется прямолинейной балкой постоянного (кольцевого) сечения (L= 3м - длина, D=1,0м - внешний диаметр сечения  =14мм - толщина стенки).
  3. При расчете учитывается только чистый изгиб.
  4. Влияние массы выходного трубопровода и присоединенной массы коллектора на величину действующей статической силы (Р) не учитывается.

     Расчётные формулы:
     
     где σ1 = 200 МПа ~ 20х103 т/м – измеренное максимальное напряжение;
     Ми = Р (L – 0,5) – изгибающий момент [тм];
     W - момент сопротивления изгибу [м3]. Для / Dср = 0,02 < 0,06 W= 0,76Dср2 = 0,76 (D-)2 [1].
     Отсюда

     
     Подставляя числовые значения в последнюю формулу, получим:

     Р ~ 83 т.

     Следует отметить, что проведенный расчет является ориентировочным, т.к. не учтены кривизна трубопровода и присоединенные массы.
     Расчёт смещения кромок стыка выходного патрубка и насоса осуществлялся методом конечных элементов в программе ANSYS, в качестве исходных данных использовались значения измеренных напряжений и геометрические параметры конструкции. Результаты расчёта приведены в табл. 2.
     Таблица 2. Усреднённые результаты расчёта смещения кромок стыка выходного патрубка и насоса нефтеперекачивающего агрегата №3

№№
Направление
смещения (ось)
Примечание
1 X 100
2 Y 70
3 Z 17

     Из полученных результатов следует, что усреднённое значение максимального смещения кромок стыка в горизонтальной плоскости (вдоль оси Х), соответствующее силе 83 т, составляет 100 мм. Это смещение является или следствием некачественного монтажа или возникло вследствие сезонных сдвигов грунта.

 

ВЫВОДЫ
  1. Проведенная работа показала, что прибор ИН-5101А обеспечивает измерение продольных напряжений в материале патрубков с погрешностью, не превышающей 7% от предела текучести материала патрубков.
  2. Максимальное измеренное напряжение имеет значение порядка 200 МПа (примерно 0,5 σТ для стали марки 17Г1С).
  3. Статическая сила, действующая со стороны коллектора на выходной патрубок насоса №3 составляет порядка 80 т.
  4. Максимальное смещение кромок стыка выходного патрубка и насоса наблюдается в горизонтальной плоскости и составляет порядка 100 мм.

 

Литература
  1. Прочность судов внутреннего плаванья. Справочник. Изд. “Транспорт”, М, 1978. Авт.: В.В.Давыдов, Н.В.Маттес, И.Н.Сиверцев, И.И.Трянин.