Мета і задачі дослідження - розробка наукових основ визначення напруженого стану і прогнозування залишкової міцності та довговічності труб і зварних з'єднань з тріщиноподібними дефектами на базі розвитку існуючих і створення нових методів оцінки їх роботоздатності. Для досягнення поставленої в роботі мети необхідно розв'язати такі наукові задачі, спрямовані на вирішення важливої проблеми - забезпечення безаварійного функціонування трубопровідного транспорту: > побудувати критеріальні співвідношення для визначення циклічної міцності ділянок трубопроводів з тріщинами та оцінки їх залишкового ресурсу з урахуванням випадковості навантаження в експлуатаційних умовах та дії двовісного двочастотного навантаження; > дослідити закономірності впливу концентраторів напружень на період зародження і докритичного розвитку корозійно-механічної тріщини на поверхнях трубопроводів тривалої експлуатації; > встановити залежності впливу на залишковий ресурс трубопроводу зародження та розвитку блістерів в умовах дії вологого сірководню з використанням запропонованої моделі кінетики їх поширення; > визначити вплив геометричних параметрів тріщиноподібного дефекту на залишковий ресурс балкового переходу газопроводу за вітрового навантаження на основі розробленої моделі розрахунку періоду зародження і докритичного росту втомних тріщин; > оцінити вплив геометрії тріщиноподібних дефектів та їх розміщення на коефіцієнти запасу міцності конкретних ділянок трубопроводів з тріщинами у зварних з'єднаннях з урахуванням змінних вздовж труби і за її товщиною залишкових напружень на основі розробленої методики; > встановити значення усереднених на поверхні тріщини колових залишкових напружень і їх вплив на критичну кількість циклів навантаження труби внутрішнім тиском для прогнозування залишкового ресурсу зварних з'єднань трубопроводів з дефектами на основі запропонованих методик. ЗМІСТ стор Перелік умовних позначень та скорочень 8 Вступ 11 РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ МЕТОДІВ СУЧАСНОГО ДІАГНОСТУВАННЯ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ, ЗАЛИШКОВОЇ МІЦНОСТІ ТА ДОВГОВІЧНОСТІ МАГІСТРАЛЬНИХ НАФТОГАЗОПРОВОДІВ З ДЕФЕКТАМИ ТА ОСНОВНІ ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ 20 1.1. Умови експлуатації і пошкодженості магістральних трубопроводів 20 1.1.1. Умови експлуатації і пошкодженості газопроводів 20 1.1.2. Умови експлуатації і пошкодженості магістральних нафтопроводів 32 1.2. Деякі основні положення теорії тріщин 36 1.3. Деякі основні положення механіки втомного руйнування матеріалів 46 1.4. Методи оцінки технічного стану магістральних нафтогазопроводів 60 1.4.1. Руйнівні і неруйнівні методи 60 1.4.2. Теоретико-експериментальні методи визначення залишкових напружень 62 1.5. Основні задачі та напрямки досліджень 63 РОЗДІЛ 2. ВИЗНАЧЕННЯ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ БІЛЯ ДЕФЕКТІВ В ТРУБАХ І РОЗРОБЛЕННЯ КРИТЕРІЇВ ОЦІНКИ ЇХ ЦИКЛІЧНОЇ МІЦНОСТІ ПРИ СИЛОВОМУ НАВАНТАЖЕННІ 65 2.1. Методи визначення напруженого стану і критерії залишкової міцності труб з тріщинами 65 2.1.1. Метод граничної інтерполяції в задачах теорії тріщин 65 2.1.2 Концентратори напружень в стінках труб магістральних трубопроводів 69 2.1.3. Критерій гранично-рівноважного стану тонкостінних елементів конструкцій з тріщинами за двохвісного розтягу 75 2.1.4. Оцінка коефіцієнтів інтенсивності напружень біля тріщин навколо порожнин 78 2.1.5. Визначення деформаційних параметрів біля півкільцевої мікротріщини навколо мікроямки в пружно-пластичному півпросторі 84 2.1.6. Визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень біля системи поверхневих тріщин 87 2.2. Методи оцінки циклічної міцності і залишкового ресурсу труб при силовому навантаженні 95 2.2.1. Метод еквівалентних площ для знаходження періоду докритичного росту втомних тріщин в трьохвимірному тілі 95 2.2.2. Визначення періоду зародження втомних тріщин біля сплюснутих концентраторів напружень 96 2.2.3. Критерій циклічної міцності тонкостінних елементів конструкцій з тріщинами 102 2.2.4. Циклічна міцність труб з тріщинами 110 Висновки до розділу 2 113 РОЗДІЛ 3. РОЗРАХУНКОВІ МОДЕЛІ ДЛЯ ОЦІНКИ ВПЛИВУ КОРОЗІЙНО- АГРЕСИВНИХ І ВОДЕНЬВМІСНИХ СЕРЕДОВИЩ НА ЗАЛИШКОВУ ДОВГОВІЧНІСТЬ ТРУБ З ТРІЩИНАМИ 115 3.1. Деякі положення теорії електрохімічної корозії металів 115 3.2. Розрахункова модель для визначення періоду докритичного росту корозійно-механічних тріщин в металевих пластинах 125 3.3. Воднева деградація металевих матеріалів і її вплив на залишкову довговічність труб 134 3.4. Розрахункова модель для визначення кінетики поширення водневих блістерів в нафтогазопроводах 139 Висновки до розділу 3 149 РОЗДІЛ 4. МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ ТРУБ МАГІСТРАЛЬНИХ НАФТОГАЗОПРОВОДІВ З ДЕФЕКТАМИ З УРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОГО НАВАНТАЖЕННЯ 151 4.1. Дія фізико-хімічних факторів на труби магістральних газопроводів в реальних умовах експлуатації 151 4.2. Визначення залишкового ресурсу балкового переходу газопроводу поверхневим дефектом при вітровому навантаженні 153 4.3. Визначення періоду росту корозійно-механічної тріщини з зовнішньої поверхні труби газопроводу через її стінку до розгерметизації 165 4.4. Визначення кінетики сірководневого розтріскування в стінках труб газопроводів 172 4.5. Розрахунок залишкового ресурсу труби газопроводу з врахуванням випадковості навантаження в реальних умовах експлуатації 179 4.6. Оцінка залишкового ресурсу труб магістральних нафтопроводів 185 4.6.1. Особливості навантаження труб нафтопроводів при їх експлуатації 185 4.6.2. Розрахункові моделі для визначення навантаження стінки труби нафтопроводу і її залишкового ресурсу 191 4.6.3. Оцінка залишкового ресурсу труби нафтопроводу і характеристик циклічної тріщиностійкості її матеріалу 195 4.6.4. Оцінка впливу параметрів перепомповування нафти в нафтопроводі на зміну його залишкового ресурсу 203 Висновки до розділу 4 206 РОЗДІЛ 5. ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ НАПРУЖЕНЬ У ЗВАРНИХ З'ЄДНАННЯХ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ 208 5.1. Обґрунтування умов достовірного застосування математичної моделі теорії оболонок для розрахунку залишкових напружень в зоні зварних з'єднань магістральних трубопроводів (МТ) 210 5.1.1. Аналіз рівня і розподілу тривісних залишкових напружень в зонах кільцевих зварних з'єднань МТ методом скінченних елементів 210 5.2. Математична модель теоретико-експериментального методу визначення залишкових напружень в зонах багатошарових кільцевих зварних швів МТ 221 5.2.1. Основне рівняння уточненої теорії оболонок з локалізованими осесиметричними залишковими несумісними деформаціями 221 5.2.2. Побудова розв'язків основного рівняння уточненої теорії оболонок для заданих множин несумісних залишкових деформацій і формул для обчислення напружень і переміщень 225 5.2.3 Основне рівняння і їх розв'язки в рамках класичної теорії оболонок з локалізованими залишковими деформаціями 233 5.3. Обернена задача відтворення рівня і розподілу залишкових напружень в зонах кільцевих зварних з'єднань труб з використанням експериментальної інформації, отриманої неруйнівними методами 238 5.4. Оцінка впливу градієнтів та ширини зон локалізації несумісних залишкових деформацій на рівень і розподіл залишкових напружень в зонах кільцевих зварних швів трубопроводів 243 Висновки до розділу 5 252 РОЗДІЛ 6. ТЕОРЕТИКО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ БАГАТОШАРОВИХ КІЛЬЦЕВИХ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ ДІЛЯНОК ТРУБОПРОВОДІВ 254 6.1. Оцінка точності визначення напруженого стану трубопроводів 254 6.2. Дослідно-вимірювальний комплекс оцінки точності визначення напруженого стану трубопроводів 256 6.2.1. Визначення напруженого стану в металі котушок дослідного резервуару за допомогою електричних тензометрів 262 6.2.2. Визначення залишкових напружень в зоні кільцевих швів резервуара і дослідних котушок 266 6.3. Практичні заходи щодо підвищення надійності трубопроводів тривалої експлуатації 275 Висновки до розділу 6 276 РОЗДІЛ 7. ДІАГНОСТУВАННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ В ЗОНАХ КІЛЬЦЕВИХ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ МАГІСТРАЛЬНИХ ТРУБОПРОВОДІВ ТА ОЦІНКА ЇХ ВПЛИВУ НА СТАТИЧНУ МІЦНІСТЬ І ДОВГОВІЧНІСТЬ ДІЛЯНОК ТРУБОПРОВОДІВ З ДЕФЕКТАМИ В ТАКИХ ЗОНАХ 278 7.1. Критеріальні співвідношення оцінки статичної міцності ділянок магістральних трубопроводів з дефектами типу тріщин в зонах зварних швів 278 7.2. Оцінка впливу залишкових напружень на міцність ділянок трубопроводів зі зварними з'єднаннями з осьовими поверхневими тріщинами в зоні зварного шва 284 7.2.1. Ділянка трубопроводу з зовнішньою осьовою поверхневою тріщиною у зварному шві 284 7.2.2. Ділянка трубопроводу з внутрішньою осьовою тріщиною у зварному з'єднанні 290 7.3. Вплив залишкових напружень на міцність ділянки трубопроводу з кільцевою поверхневою тріщиною у зварному шві 293 7.4. Оцінка впливу залишкових напружень на довговічність ділянок труби з тріщиною у зварному шві 299 7.5. Розрахункова модель для визначення раціональних експлуатаційних параметрів роботи нафтопроводу з метою підвищення залишкового ресурсу зварних з'єднань 305 Висновки до розділу 7 310 ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ 312 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 315 ДОДАТКИ 360