Метою дисертаційної роботи є визначення залишкових напружень в кільцевих зварних з'єднаннях різнотовщинних труб МТ розрахунково-експериментальним методом з урахуванням двовимірного розподілу технологічних пластичних деформацій біля шва і оцінка їх впливу на статичну міцність магістральних трубопроводів з тріщиноподібними дефектами в зоні зварного шва. Вказана мета досягається шляхом реалізації таких задач: - для відтворення рівня і розподілу залишкових напружень в зонах кільцевих зварних з'єднань різнотовщинних труб МТ з використанням експериментальної інформації, отриманої неруйнівними методами, розробити розрахункову модель напруженого стану таких з'єднань; - дослідити вплив ширини зон термопластичних деформацій та їх зміни за товщиною і довжиною різнотовщинних труб біля зварного шва на рівень і розподіл залишкових напружень у трубопроводі; - створити устаткування для експериментального визначення і аналізу характеристик напруженого стану в зоні кільцевих зварних з'єднань різнотовщинних труб МТ неруйнівними методами; - на основі розрахункових співвідношень і експериментальних даних, отриманих електромагнітним методом та методом спекл- інтерферометрії обчислити залишкові напруження в зоні кільцевого зварного шва різнотовщинних труб МТ; - оцінити вплив залишкових напружень на статичну міцність ділянок магістральних трубопроводів з дефектами типу тріщин в зоні зварного з'єднання різнотовщинних труб. Об'єкт дослідження. Зварні кільцеві з'єднання різнотовщинних труб магістральних трубопроводів. ЗМІСТ ВСТУП 6 РОЗДІЛ 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД ТА ВИБІР НАПРЯМКІВ ДОСЛІДЖЕНЬ 13 1.1. Проблеми працездатності магістральних трубопроводів тривалої експлуатації 13 1.2. Проблеми оцінки міцності магістральних трубопроводів тривалої експлуатації 16 1.3. Методи визначення залишкових напружень 19 1.3.1. Розрахункові методи визначення залишкових напружень 19 1.3.2. Експериментальні методи 24 1.3.3. Розрахунково-експериментальні методи 28 1.4. Особливості різнотовщинних стикових зварних з'єднань магістральних трубопроводів. 32 1.5. Основні задачі та напрямки досліджень 35 РОЗДІЛ 2.РОЗРАХУЬЖОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ В ЗОНІ КІЛЬЦЕВИХ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ РІЗНОТОВЩИННИХ ТРУБ, ЗВАРЕНИХ БЕЗ СПЕЦІАЛЬНОЇ РОЗРОБКИ ТОВСТІШОЇ СТІНКИ 37 2.1. Розрахункова модель методу 37 2.1.1. Основні співвідношення і визначальні диференціальні рівняння, що описують напружено-деформований стан різнотовщинних труб, зумовлений осесиметричними залишковими деформаціями. 38 2.1.2. Апроксимація розподілу власних залишкових деформацій в зоні кільцевого зварного з'єднання різнотовщинних труб і побудова розв'язку прямої задачі 42 2.1.3. Обернена задача теорії різнотовщинних оболонок з залишковими технологічними деформаціями і напруженнями 54 2.2. Особливості, характерні для деяких неруйнівних методів, що застосовуються для визначення напруженого стану 59 2.3. Оцінка впливу ширини зони локалізації несумісних залишкових деформацій і їх градієнтів по довжині і товщині труб на рівень і розподіл залишкових напружень 62 2.3.1. Вплив ширини зони несумісних деформацій на рівень максимальних напружень біля зварного шва різнотовщинних труб 63 2.3.2. Розподіл залишкових напружень в зоні зварного з'єднання різнотовщинних труб при різних градієнтах залишкових деформацій вздовж труб за їх товщиною 68 Висновки до розділу 2 76 РОЗДІЛ 3. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ В РІЗНОТОВЩИННИХ ТРУБАХ, ЗВАРЕНИХ КІЛЬЦЕВИМ ШВОМ З РОЗРОБЛЕННЯМ СКОСОМ ТОВСТІШОЇ СТІНКИ 78 3.1. Побудова розрахункової моделі зварного з'єднання з розробленням скосом товстішої стінки 78 3.2. Числовий аналіз впливу рівня кута скосу оброблення товстої стінки та ширини зони і градієнтів термопластичних деформацій на розподіл залишкових напружень 86 3.2.1. Вплив ширини зони залишкових термопластичних деформацій на рівень максимальних напружень біля зварного шва 86 3.2.2. Розподіл залишкових напружень в зоні зварного з'єднання різнотовщинних труб при різних градієнтах залишкових деформацій вздовж труб за їх товщиною 89 Висновки до розділу 3 97 РОЗДІЛ 4. РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ В ЗВАРНОМУ З'ЄДНАННІ РІЗНОТОВЩИННИХ ТРУБ 99 4.1. Напруження в трубах різнотовщинного зварного з'єднання від внутрішнього тиску 99 4.2. Експериментальне визначення напруженого стану зварних стиків різнотовщинних труб 104 4.2.1. Устаткування для моделювання НДС в зоні зварних різнотовщинних з'єднань 104 4.2.2. Методика визначення залишкових напружень в зоні зварних з'єднань з використанням електронної спекл-інтерферометрії 107 4.2.3. Визначення залишкових напружень в зоні різнотовщинних зварних з'єднань труб за допомогою спекл-інтерферометричного комплексу 110 4.2.4. Визначення усереднених характеристик залишкових напружень в зоні різнотовщинних зварних з'єднань труб електромагнітним методом 116 4.2.5. Розв'язання оберненої задачі і обчислення залишкових напружень у різнотовщинному кільцевому зварному з'єднанні трубопроводу 121 Висновки до розділу 4 124 РОЗДІЛ 5. ОЦІНКА ВПЛИВУ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ НА СТАТИЧНУ МІЦНІСТЬ ЗВАРНОГО З'ЄДНАННЯ ТРУБ З ДЕФЕКТАМИ ТИПУ ТРІЩИН 125 5.1. Схематизація поверхневих дефектів суцільності матеріалу труби 125 5.2. Розрахунок на статичну міцність трубопроводу з дефектами в зоні зварного з'єднання різнотовщинних труб 128 5.2.1. Напруження в трубопроводах від зовнішнього навантаження і розрахункові характеристики матеріалу 128 5.2.2. Критерій статичної міцності трубопроводу з дефектом типу тріщин 131 5.3. Розрахунок коефіцієнтів інтенсивності напружень і напружень aref в трубі з внутрішньою півеліптичною поверхневою тріщиною 135 5.3.1. Розрахунок коефіцієнтів інтенсивності напружень 135 5.3.2. Розрахунок напружень aref 139 5.4. Розрахунок коефіцієнтів запасу міцності і оцінка впливу на їх величину залишкових напружень в різнотовщинному зварному з'єднанні з поверхневою тріщиною в стінці тоншої труби 140 Висновки до розділу 5 142 ВИСНОВКИ 143 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 146 ДОДАТКИ 168