Прочности трубопровода

Рис, 12.18. Влияние Sn и AI на предел прочности титановых спла-

В настоящее время прочность сплавов группы а + Р достигла 150 кгс/мм2; ! длительная теплостойкость сплавов группы а повышена до 600°С. ! В ближайшие годы вероятно повышение прочности титановых сплавов j до 200 кгс/мм2. " -'

Фиг. i. ьллчалк олива на предел прочности титановых сплавов с алюминием (по данным Финлея, Д/каффи, Парсела и Дюрстейна I?]).

Абсолютные значения прочности титановых сплавов для листов в интервале 20—400° С приведены на фиг. 10, а сплавов для штамповок в интервале 20—500° С —на фиг. 11.

В книге изложены основные закономерности изменения циклической и коррозионной прочности титановых сплавов в зависимости от химического состава, структуры и окружающей среды. Детально рассмотрен процесс коррозионного растрескивания сплавов на основе титана и физическая природа этого явления в различных агрессивных средах. Анализ малоцикловой долговечности проведен на основе исследования процесса микронеоднородности протекания пластической деформации в упруго-пластической области нагружения. Многоцикловая усталость рассмотрена с использованием статистических методов анализа. Особое внимание уделено влиянию различных охрупчивающих факторов, состояния поверхности и коррозионных сред на циклическую долговечность, а также методам повышения циклической прочности.

Другой механизм, при котором возможно коррозионное растрескивание, заключается в образовании и развитии разрушения только за счет механических факторов. При этом предполагается [57], что коррозионная среда содержит ионы или компоненты, которые могут или диффундировать в металл, образуя хрупкую фазу (например, гидрид) в вершине трещины, или сегрегировать в районы, непосредст.венно прилегающие к трещине, способствуя зарождению новой трещины. В качестве специфического элемента обычно рассматривают водород, скорость диффузии которого может быть сопоставима со скоростью развития трещины. При этом многие исследователи [ 58 и др.] указывают на возможность образования гидридов, обладающих низкой пластичностью и вязкостью и затрудняющих пластическую деформацию металла перед вершиной трещины. По мнению В. А. Маричева и И. Л. Розенфельда [59, с. 5—9], следует учитывать эти возможности понижения когезивной прочности титановых сплавов под действием достаточно высокой концентрации водорода в твердом растворе.

Повышение прочности титановых сплавов не только не увеличивает, но в ряде случаев и уменьшает величину интенсивности напряжений, соответствующую малой скорости развития разрушения (1 мм/цикл). Особенно низкой сопротивляемостью развитию разрушения обладают /3-сплавы в термически упрочненном состоянии.

Общий уровень усталостной прочности титановых сплавов. Большой интерес представляет сравнение уровня усталостной прочнбсти титана и его сплавов с их прочностью на разрыв. Для стали обычно предел выносливости о_1 на гладких образцах при симметричном нагружении

Для получения достоверных сведений по усталостной прочности титановых сплавов конкретной структуры необходима количественная оценка разброса результатов циклических испытаний. При этом предел выносливости определяют с заданной вероятностью неразрушения, т.е. оценивают его надежность/Уже первые статистические обработки результатов усталостных испытаний титановых сплавов показали высокие значения коэффициента вариации условного предела выносливости [96— 98]. Учитывая большой разброс, наиболее правильно для анализа усталостных свойств титановых сплавов применять методы математической статистики и теории вероятности. Для этого строят полные вероятностные диаграммы, например по системе, предложенной Институтом машиностроения АН СССР [ 99, 100]. Эта система основана ра разделении процесса усталостного разрушения на две стадии: до появления макротрещины и развитие трещины до разделения образца на части. При анализе предела выносливости гладких образцов это разделение не имеет принципиального значения, так как долговечность до появления трещины Nt и общая долговечность до разрушение.образца Л/р близки. Часто для построения полных вероятностных диаграмм усталости за основу берут наиболее простой метод, предложенный В. Вейбуллом [101; 102, с. 58— 64]. Для построения полной вероятностной кривой необходимо испытать достаточно большие партии образцов (30—70 шт.) на нескольких уровнях амплитуды напряжений, которые должны быть выше предела выносливости (см., например, рис. 92). На каждом из этих уровней по гистограмме определяют вероятность разрушения при данной амплитуде напряжений. Далее строят кривую Веллера по средним значениям долговечности. По гистограммам строят кривые равной вероятности в тех же координатах (аа — Ig/V). Затем строят семейство кривых, определяющих не только зависимость долговечности от амплитуды-напряжений, но и вероятности разрушения от заданных амплитуды напряжений и долговечности. Далее, принимая математическую форму распределения вероятности, на данном уровне напряжений можно строить кривые зависимости либо от амплитуды напряжений при заданной базе испытаний /V,

Из изложенного следует, что уровень циклической прочности титановых сплавов, определенный на надрезанных образцах, выше, чем алюминиевых сплавов соответствующей прочности, и находится на уровне прочных сталей. Меньший разброс данных свидетельствует о том, что испытания надрезанных образцов из титановых сплавов более надежны и показательны, видимо из-за однотипности технологии получения надреза (точение) и малого влияния вследствие этого состояния поверх-

Сильно влияет на распространение трещины изменение микроструктуры сплава, связанное с выделением а-фазы. Высокие критические значения коэффициентов интенсивности напряжений получены при горячей пластической деформации в (а +13)области и уровне прочности сплава овъ ^1200 МПа. По мнению В.С.Ивановой, оптимальным уровнем прочности титановых сплавов в условиях многоциклового нагружения следует считать 1100-1200 МПа [26, с. 23-28; 110; 117, с. 435-441].

Основные положения расчета на прочность труб магистральных нефтепроводов. Будем рассматривать вопрос расчета на прочность трубопроводов только от воздействия внутреннего давления в трубах. Именно так рассчитываются на прочность подземные трубопроводы, не подвергающиеся дополнительным внешним силовым воздействиям. Такой расчет прочности трубопровода осуществляется по критерию предельного состояния при статическом нагруже-нии труб внутренним давлением до разрыва [206].

Из анализа приведенных данных следует, что трубопровод в процессе эксплуатации подвергается переменной нагрузке низкой частоты. Количество пусков и остановок (количество циклов), определяющее долговечность трубопроводов, составляет порядка 4-Ю3—1,4-10* за срок службы трубопровода (20 лет). Поэтому при рассмотрении вопросов прочности трубопровода следует исходить из того, что он подвергается не статической нагрузке, а повторно-статической малоцикловой нагрузке.

Рис. 5.104. График усталостной прочности трубопровода со сплющенным (овальным) сечением

Повышение напора при прямом ударе в трубопроводе гидростанции, где максимальная скорость •»„ бывает пррядка 5 — 7 м,'сек, а скорость распространения ударной волны порядка 700 — 1000 м/сек, может достигать очень значительной и опасной для прочности трубопровода и турбины величины. Например, при ^ = 5 м/сек и «=1000 м/сек

максимальную величину — 21,6%, а для сечения х~217,5 м эта максимальная величина равна — 41,2%. В особенности опасным для прочности трубопровода является понижение давления ниже атмосферного, поэтому, как правило, величина понижения давления должна быть проверена для таких сечений трубопровода, которые сравнительно близко расположены к регулирующему органу, но находятся под небольшим статическим давлением.

Всякое изменение развиваемой гидротурбинной мощности, вызванное колебанием полезной нагрузки, сопровождается изменением расхода воды через регулирующий орган. Поэтому во время перехода турбины с одного режима работы на другой в напорном трубопроводе возникают колебания напора, вызванные явлением гидравлического удара. Эти колебания можно всегда сделать очень малыми, если выбрать достаточно большое время процесса регулирования. Но согласно уравнению (76), чем длительнее расхождение между Ыд и А^, тем больше соответствующая избыточная или недостающая работа, а следовательно, тем больше будет отклоняться в процессе регулирования угловая скорость турбины от ее начального нормального значения ш0. Значительное колебание оборотов турбины не может быть допущено, так как оно отрицательно отзывается на обслуживаемых производственных процессах. С другой стороны, уменьшение времени переходного режима вызывает увеличение колебания напора, которое может достигнуть недопустимой с точки зрения прочности трубопровода и турбины величины. Для турбин низконапорных, у которых удельный вес Е/,г/ камеры рабочего колеса и всасывающей трубы в общей величине ЪЬъ велик (достигая 50 — 60%), предельная величина гидравлического удара определяется допустимым понижением давления в горле всасывающей трубы, которое, во избежание разрыва столба воды, не должно близко подходить к абсолютному нулю. Поэтому на практике всегда приходится подбирать такое время процесса регулирования, которое было бы приемлемо и с точки зрения колебания угловой скорости (оборотов) турбины и с точки зрения колебания напора. Решение этого вопроса и составляет предмет расчета гарантий регулирования.

Трубы изготовляют по сортаменту, исходя из определенного значения наружного диаметра du = dB + 2s, где dB — внутренний диаметр; s —толщина стенки, определяемая расчетом прочности трубопровода.

— прочности трубопровода 200

В ряде случаев на трубопровод, работающий под внутренним избыточным давлением, действуют внешние силы (сила веса, осевые силы, крутящие и изгибающие моменты). В этих случаях необходимо производить проверку прочности трубопровода от воздействия на него внешних нагрузок.

Определить номинальное испытательное давление и коэффициент запаса прочности трубопровода пи, обеспечиваемого кратковременными гидравлическими испытаниями. Трубопровод за нормативный срок службы испытывает не более 500 циклов нагружения ([N] = 500). Коэффициент запаса прочности по пределу прочности пт = 2,5. По формуле (1.12) находим [п„] для низколегированной стали ф = 0,2; N.0 - 225; у = 0,91; т, - 0,215): [пи] = 1,68.

5.3 Если течь через трещину /кр вызывает реактивную силу, приводящую к увеличению общих мембранных или общих из-гибных напряжений не более, чем на 5%, то доказательство прочности трубопровода при наличии в нем течи не производится.