Влияние механической неоднородности сварных соединений на эксплуатационные характеристики магистральных трубопроводов
|
Введение 3
1 Анализ исходных данных по теме работы 6
1.1 Особенности влияния структуры сварных соединений на эксплуатационные характеристики трубопроводов 6
1.2 Анализ напряженно-деформированного состояния механически неоднородного металла соединения 9
1.3 Анализ влияния на прочность металла тонких пластичных прослоек 16
1.4 Анализ влияния на циклическую прочность механически неоднородного сварного соединения мягких прослоек 17
2 Методика исследования 23
2.1 Общий принцип расчета сварных металлоконструкций 23
2.2 Создание дефектов типа трещина и непровар 40
2.3 Имитация прослоек в сварном соединении 45
3 Результаты исследования по методу конечных элементов 49
3.1 Исследование дефектов типа трещина и непровар 49
3.2 Исследование мягких прослоек 51
3.3 Исследование жестких прослоек 56
4 Рекомендации по результатам исследований напряженно-деформированного состояния сварных соединений 59
4.1 Современный уровень развития технологий контроля 59
Заключение 65
Список используемой литературы и используемых источников 67
1 Анализ исходных данных по теме работы 6
1.1 Особенности влияния структуры сварных соединений на эксплуатационные характеристики трубопроводов 6
1.2 Анализ напряженно-деформированного состояния механически неоднородного металла соединения 9
1.3 Анализ влияния на прочность металла тонких пластичных прослоек 16
1.4 Анализ влияния на циклическую прочность механически неоднородного сварного соединения мягких прослоек 17
2 Методика исследования 23
2.1 Общий принцип расчета сварных металлоконструкций 23
2.2 Создание дефектов типа трещина и непровар 40
2.3 Имитация прослоек в сварном соединении 45
3 Результаты исследования по методу конечных элементов 49
3.1 Исследование дефектов типа трещина и непровар 49
3.2 Исследование мягких прослоек 51
3.3 Исследование жестких прослоек 56
4 Рекомендации по результатам исследований напряженно-деформированного состояния сварных соединений 59
4.1 Современный уровень развития технологий контроля 59
Заключение 65
Список используемой литературы и используемых источников 67
Для оценки работоспособности сварных соединений могут применяться самые разнообразные методы и приемы. Например испытания выполненных образцов сварных соединений. При проведении таковых следует руководствоваться ГОСТ 6996-66. Данный документ предусматривает испытания сварных соединений на растяжение, при этом получают такие характеристики как предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение. Отражены также в данном документе требования к проведению испытаний на ударный изгиб, на сопротивляемость старению, также отражены требования к исследованию твердости различных участков сварного соединения [3]. ГОСТ 9.905-82 предусматривает оценку сопротивления воздействия агрессивной внешней среды.
Все указанные ГОСТ предусматривают изготовление подлежащих исследованиям образцов и последующие их исследования. Данные исследования характеризуются расходом материалов, электричества для получения сварных соединений, также к расходам следует отнести затраты на содержание управленческого аппарата, которые учитываются через коэффициент заводских, цеховых расходов.
Следует помнить, что в настоящее время все чаще применяются технологии компьютерного моделирования. В частности метод расчета по конечным элементам. Принцип его заключается в том, что исследуемый объект разбивается на т.н. конечные элементы, затем к нему прикладывается требуемое воздействие и после выполнения требуемых расчетов выполняется анализ объекта [37].
Компьютерные технологии анализа физических объектов требуют построения геометрической модели исследуемого тела. Данная процедура осуществляется в модуле CAD, затем результаты исследуемой геометрической модели импортируются в модуль САЕ [38]. Там объект разбивается на конечные элементы, назначаются свойства объекта, и производится анализ по методу конечных элементов.
Исследования объектов с применением компьютерных технологий позволяют экономить материальные ресурсы. Исключив из технологического цикла подготовки образцов изготовление, механическую обработку и непосредственно сами испытания можно сэкономить время. Кроме того, к достоинствам компьютерных технологий следует отнести возможность проведения исследований на критических режимах, при которых физический образец разрушится и понадобится создание нового образца [4].
На основании вышеизложенного следует сформулировать цель магистерской диссертации следующим образом: экономия материальных и временных ресурсов при исследовании механической неоднородности сварных соединений.
Чтобы достичь поставленной цели, в работе были решены следующие задачи:
• выбор средств компьютерного моделирования;
• разработка методики выполнения исследований механической неоднородности;
• проведение исследований механической неоднородности;
• обработка результатов исследований и оценка их результатов;
• на основании анализа полученной при проведении исследований информации сформулировать необходимые рекомендации и довести их до сведения предприятий и организаций выполняющих сварку магистральных трубопроводов.
Поставленные задачи определили структуру магистерской диссертации, которая состоит из введения, четырех глав, заключения.
Предмет и объект исследования определяется тематикой работы, ее целью и задачами.
Предмет исследования - компьютерные технологии исследования моделей сварных соединений.
Объект исследования — модели сварных соединений с неоднородностью сварного соединения.
Теоретической, методологической и информационной базой исследования послужили:
• государственные и отраслевые стандарты, нормативная база применяемая на предприятиях, занимающихся бурением скважин;
• опубликованные работы российских и зарубежных ученых и инженеров в области сварки, наплавки и контроля;
• сведения по проблеме исследования, полученные из глобальных компьютерных сетей.
«В ходе исследования использовались специальные и общенаучные методы исследования. В качестве специальных при написании работы применялись аналитические и логические методы. Выполнялся анализ литературных источников по теме исследования, анализ полученных при экспериментальных исследованиях результаты. Методы логики применялись для получения выводов из результатов экспериментальных исследований. В качестве общенаучных методов при написании работы применялись методы наблюдения за объектом во время проведения экспериментальных исследований» [6].
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что исследованы неоднородности сварных соединений и их влияние на величину напряжений в сварном соединении.
Практическая значимость исследования заключается в том, что рекомендации сформулированные по результатам выполнения работы направлены на конкретное внедрение в практику строительства магистральных трубопроводов применительно к условиям предприятия “Ульяновскнефть”.
Все указанные ГОСТ предусматривают изготовление подлежащих исследованиям образцов и последующие их исследования. Данные исследования характеризуются расходом материалов, электричества для получения сварных соединений, также к расходам следует отнести затраты на содержание управленческого аппарата, которые учитываются через коэффициент заводских, цеховых расходов.
Следует помнить, что в настоящее время все чаще применяются технологии компьютерного моделирования. В частности метод расчета по конечным элементам. Принцип его заключается в том, что исследуемый объект разбивается на т.н. конечные элементы, затем к нему прикладывается требуемое воздействие и после выполнения требуемых расчетов выполняется анализ объекта [37].
Компьютерные технологии анализа физических объектов требуют построения геометрической модели исследуемого тела. Данная процедура осуществляется в модуле CAD, затем результаты исследуемой геометрической модели импортируются в модуль САЕ [38]. Там объект разбивается на конечные элементы, назначаются свойства объекта, и производится анализ по методу конечных элементов.
Исследования объектов с применением компьютерных технологий позволяют экономить материальные ресурсы. Исключив из технологического цикла подготовки образцов изготовление, механическую обработку и непосредственно сами испытания можно сэкономить время. Кроме того, к достоинствам компьютерных технологий следует отнести возможность проведения исследований на критических режимах, при которых физический образец разрушится и понадобится создание нового образца [4].
На основании вышеизложенного следует сформулировать цель магистерской диссертации следующим образом: экономия материальных и временных ресурсов при исследовании механической неоднородности сварных соединений.
Чтобы достичь поставленной цели, в работе были решены следующие задачи:
• выбор средств компьютерного моделирования;
• разработка методики выполнения исследований механической неоднородности;
• проведение исследований механической неоднородности;
• обработка результатов исследований и оценка их результатов;
• на основании анализа полученной при проведении исследований информации сформулировать необходимые рекомендации и довести их до сведения предприятий и организаций выполняющих сварку магистральных трубопроводов.
Поставленные задачи определили структуру магистерской диссертации, которая состоит из введения, четырех глав, заключения.
Предмет и объект исследования определяется тематикой работы, ее целью и задачами.
Предмет исследования - компьютерные технологии исследования моделей сварных соединений.
Объект исследования — модели сварных соединений с неоднородностью сварного соединения.
Теоретической, методологической и информационной базой исследования послужили:
• государственные и отраслевые стандарты, нормативная база применяемая на предприятиях, занимающихся бурением скважин;
• опубликованные работы российских и зарубежных ученых и инженеров в области сварки, наплавки и контроля;
• сведения по проблеме исследования, полученные из глобальных компьютерных сетей.
«В ходе исследования использовались специальные и общенаучные методы исследования. В качестве специальных при написании работы применялись аналитические и логические методы. Выполнялся анализ литературных источников по теме исследования, анализ полученных при экспериментальных исследованиях результаты. Методы логики применялись для получения выводов из результатов экспериментальных исследований. В качестве общенаучных методов при написании работы применялись методы наблюдения за объектом во время проведения экспериментальных исследований» [6].
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что исследованы неоднородности сварных соединений и их влияние на величину напряжений в сварном соединении.
Практическая значимость исследования заключается в том, что рекомендации сформулированные по результатам выполнения работы направлены на конкретное внедрение в практику строительства магистральных трубопроводов применительно к условиям предприятия “Ульяновскнефть”.
В соответствии с проведенными компьютерными исследованиями можно сделать вывод, что выполняя регулирование размеров механических неоднородностей можно оценивать соответственно реальным условиям эксплуатации сварные соединения компьютерными методами. В настоящее время расчет сварного соединения выполняется исходя из условия, если выполнен контроль физическими методами, и соединение выполнено с применением автоматических методов сварки, то обеспечивается равнопрочность наплавленного металла и основного. Однако используя технологические приемы можно создать пластичные прослойки которые будут повышать работоспособность сварного соединения путем создания в них сложного напряженного состояния. При этом происходит перераспределение напряженного состояния сварного соединения.
В общем случае под оптимизацией понимается комплекс мероприятий, направленных на достижение экстремального уровня некоторого обобщенного показателя качества [40]. Под мероприятиями при этом понимаются математические приемы поиска экстремальных значений. Что касается обобщённых показателей, то из технических показателей такими являются характеристики надежности, а из нетехнических - экономическая эффективность, непосредственно связанная со стоимостью материала и технологическими затратами.
Регулируя геометрические параметры сварного стыкового соединения трубопровода и степень механической неоднородности данного соединения, можно выполнить сварное соединение, в котором шов будет являться мягкой прослойкой» наличие которой не только не снизит прочность самого соединения» но, как показывают экспериментальные исследования, повысит его несущую способность за счет образования пластических деформаций и перераспределения поля напряжений.
Анализ сварных соединений выполненных с наличием дефектов показывает, что напряжения для дефектов типа непровар или трещина возрастают в 2-3 раза. Что является доказательством того, что коэффициент концентрации в дефектах достигает 2-3.
Анализ сварных соединений с мягкой прослойкой показывает, что прилегающая область основного металла работает в условиях сжатия.
Вместе с тем зона сплавления характеризуется высоким уровнем напряжений.
Таки образом выполненные результаты компьютерного моделирования подтвердили теорию расчета сварных соединений и их можно применять на практике.
Для применения на практике следует усовершенствованные методы контроля сварных соединений посредством ультразвуковых методик подключить к блоку трехмерного моделирования, на основе получаемых трехмерных моделей дефектов сварного соединения выполнять проверку качества шва методом FEM.
В общем случае под оптимизацией понимается комплекс мероприятий, направленных на достижение экстремального уровня некоторого обобщенного показателя качества [40]. Под мероприятиями при этом понимаются математические приемы поиска экстремальных значений. Что касается обобщённых показателей, то из технических показателей такими являются характеристики надежности, а из нетехнических - экономическая эффективность, непосредственно связанная со стоимостью материала и технологическими затратами.
Регулируя геометрические параметры сварного стыкового соединения трубопровода и степень механической неоднородности данного соединения, можно выполнить сварное соединение, в котором шов будет являться мягкой прослойкой» наличие которой не только не снизит прочность самого соединения» но, как показывают экспериментальные исследования, повысит его несущую способность за счет образования пластических деформаций и перераспределения поля напряжений.
Анализ сварных соединений выполненных с наличием дефектов показывает, что напряжения для дефектов типа непровар или трещина возрастают в 2-3 раза. Что является доказательством того, что коэффициент концентрации в дефектах достигает 2-3.
Анализ сварных соединений с мягкой прослойкой показывает, что прилегающая область основного металла работает в условиях сжатия.
Вместе с тем зона сплавления характеризуется высоким уровнем напряжений.
Таки образом выполненные результаты компьютерного моделирования подтвердили теорию расчета сварных соединений и их можно применять на практике.
Для применения на практике следует усовершенствованные методы контроля сварных соединений посредством ультразвуковых методик подключить к блоку трехмерного моделирования, на основе получаемых трехмерных моделей дефектов сварного соединения выполнять проверку качества шва методом FEM.
