Исследование концентрации напряжений на участках с муфтами

При длительной эксплуатации магистральных трубопроводов приходится выполнять большой объём ремонтных работ по герметизации и усилению дефектных участков. При этом наиболее распространенным методом ремонта является установка муфты. Усиление достигается за счёт того, что часть напряжений от стенки трубы принимает на себя муфта. Герметизация обеспечивается кольцевыми угловыми швами на концах муфты. Однако в любом случае установка муфты приводит к неравномерному распределению напряжений, что неминуемо сопровождается появлением концентрации в некоторых локальных зонах. Поэтому для обеспечения безопасности трубопровода необходимо знать основные закономерности формирования полей напряжений при установке муфт. Такие закономерности остаются недостаточно исследованными, тем более, что муфты могут быть по-разному установлены и находиться в разных условиях. Одним из наиболее интересных, но наименее исследованных случаев является, когда под муфту попадает продукт под рабочим давлением. Причиной попадания продукта под муфту может быть продолжающееся развитие дефекта под муфтой под действием агрессивных компонент продукта перекачки. В качестве примеров рассмотрим случаи, показанные на рисунке 2.14.

На трубу размерами Æ720´10 мм установлена муфта толщиной 10 мм и длиной 720 мм. В первом случае (рис.2.14,а) муфта разгружающая, установлена плотно и под муфту не попадает продукт перекачки. Во втором случае (рис.2.14,б) муфта герметизирующая, приварена к трубе угловыми сварными швами на концах, и под муфту может проникать через дефект продукт под давлением. Рассмотрим два вида нагрузки: внутреннее давление и растяжение силой N, соответствующей осевому напряжению . Решение будем получать методом конечных элементов. На рисунках 2.15 - 2.17 приведены графики распределения продольных (s_z) и главных нормальных (s₁) напряжений по внешней и внутренней поверхности труб с муфтами.

Рисунок 2.14 – Схемы разгружающей (а) и герметизирующей (б) муфт

Рисунок 2.15 – Распределение продольных и главных нормальных напряжений на внешней и внутренней поверхности трубы с разгружающей муфтой при давлении в трубе 4 МПа.

Рисунок 2.16 – Распределение продольных и главных нормальных напряжений на внешней и внутренней поверхности трубы с разгружающей муфтой при осевой нагрузке, соответствующей напряжению 360 МПа.

Полученные результаты показывают, что на переходе “труба-муфта” во всех случаях появляется концентрация напряжений. Уровень концентрации зависит от вида нагрузок и может достигать значения 1,8. Это означает, что местные напряжения на переходе от муфты к основной трубе могут оказаться во столько же раз больше, чем номинальные напряжения. В области перехода “труба-муфта” во всех случаях появляются изгибные напряжения, из-за чего на внутренней и наружной поверхности стенки труб напряжения существенно отличаются. Это можно видеть и на рисунке 2.18, где изображены поля интенсивности напряжений s_экв в продольном сечении трубы с муфтой.

Рисунок 2.17 – Распределение продольных и главных нормальных напряжений на внешней и внутренней поверхности трубы с герметизирующей муфтой при давлении в трубе 7,0 МПа.

Таким образом, наложение “усиливающих” накладок, воротников, муфт приводит к сложному напряженному состоянию, которое необходимо учитывать при разработке и использовании ремонтных конструкций на высоконагруженных магистральных нефтегазопроводах. Иначе можем получить неприятности в виде неожиданных разрушений. В частности, одной из причин аварийных ситуаций, рассмотренных в параграфах 1.2 и 2.2, является концентрация напряжений на таких “усиливающих” элементах. Появление таких концентраторов снижает запасы прочности и надёжности, заложенные в проектах.

Рисунок 2.18 – Распределение эквивалентных напряжений на участке трубы с разгружающей и герметизирующей муфтой при осевой нагрузке, соответствующей 360 МПа.