Воскресенье, 04.12.2016, 00:48
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту


Главная » Статьи » Техника. Технические науки

Трубы стальные обсадные и насосно-компрессорные для нефтяной и газовой промышленности. Методы испытаний резьбовых соединений. Часть 8

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16

B.2.2 Эквивалентная интенсивность напряжений по Мизесу (VME)

При нагружении осевой нагрузкой и давлением и при отсутствии изгиба напряжения VME всегда достигают пика на внутренней поверхности компонента. При дополнительном воздействии умеренного или сильного изгиба пик напряжений VME может находиться на наружной поверхности, что зависит от диаметра и толщины стенки компонента. В пункте B.5 описано определение сочетания давления, осевых и изгибающих усилий, выше которых пик напряжений VME выходит на наружную поверхность элемента соединения (тело трубы, соединение, ниппельный или раструбный элементы).

В зависимости от конструкции соединения как его работоспособность (несущая способность), так и его геометрические параметры (форма) могут существенно отличаться от работоспособности и формы тела трубы, т.е. цилиндра. В результате область испытательных нагрузок для соединения может быть как шире, так и уже такой области для тела трубы.

B.2.3 Область испытательных нагрузок для соединения

Область испытательных нагрузок для соединения представляет собой совокупность комбинаций нагрузок (осевых, от давления и от изгиба), при действии которых соединение сохраняет свою прочность и герметичность при циклическом нагружении. При нагрузках, выходящих за пределы этой области, соединение может быть повреждено, что приведет к потере прочности и (или) герметичности либо при последующем циклическом нагружении, либо при возрастании любого компонента нагрузки.

B.2.4 Предельные нагрузки и разрушающие нагрузки для соединения

Под предельными нагрузками понимаются нагрузки, при которых соединение теряет прочность и (или) герметичность. В зависимости от конкретных характеристик соединения предельная нагрузка может быть также разрушающей нагрузкой.

Предельные нагрузки для соединения могут также быть больше или меньше предельных нагрузок для тела трубы. Кроме того, соединение может быть более чувствительным к одному виду нагрузок и менее прочным в этом отношении, чем тело трубы, но обладать более высокой стойкостью к другому виду нагрузок, чем тело трубы. Эти факторы необходимо учитывать при выборе испытательных и предельных нагрузок для соединения.

B.2.5 Область испытательных нагрузок для колонны труб

Область испытательных нагрузок для колонны труб, состоящей из труб и их соединений, является минимальной комбинацией нагрузок (осевых, от давления и от изгиба), в пределах которой колонна выдерживает циклическое давление и сохраняет прочность и которая ограничивается предельным напряжением по Мизесу в теле трубы или в соединении. Область испытательных нагрузок для колонны труб ограничивается также стойкостью тела трубы двухосному смятию, определяемому по уравнениям по ИСО/ТО 10400 или API Bull 5C3 для квадрантов III и IV, в которых действует внешнее давление.

Предельные нагрузки для колонны труб представляют собой комбинацию нагрузок (осевых, от давления и от изгиба), которая приводит к потере прочности и (или) герметичности вследствие осевого или радиального разрыва или смятия тела трубы или соединения, например в колонне обсадных или насосно-компрессорных труб.

B.3 Эксплуатационные свойства и размеры, необходимые для расчета области испытательных нагрузок в пределах упругости

B.3.1 Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства и базовые уравнения для их определения для тела трубы и стандартных соединений, а также размеры стандартных соединений приведены в ИСО/ТО 10400 или API Bul 5C3 и в ИСО 10422 или API Spec 5B. Однако для нестандартных соединений полные эксплуатационные свойства и базовые уравнения для их определения в доступной литературе отсутствуют.

B.3.2 Площадь и размеры критических сечений

Площадь и размеры критических поперечных сечений, необходимые для расчета области испытательных нагрузок в пределах упругости в соответствии с приложением B, приведены в таблице B.1.

Таблица B.1

Площадь и размеры критических сечений

Компонент колонны труб или области испытательных нагрузок

Требуемые размеры (см. 7.3.1)

Обозначение

Значение для расчета <a>

Тело трубы

Наружный диаметр (номинальный или фактический)

Do

 

Толщина стенки

t

 

Внутренний диаметр (расчетный)

Di

 

Квадрант I:

растяжение и внутреннее давление

Площадь критического поперечного сечения для расчета на растяжение

Ap

 

Соответствующий диаметр, на который действует внутреннее давление

Do

 

Соответствующая толщина стенки, на которую действует внутреннее давление

t

 

Внутренний диаметр (расчетный)

Di

 

Квадрант II:

сжатие и внутреннее давление

Площадь критического поперечного сечения для расчета на сжатие

Ap

 

Соответствующий диаметр, на который действует внутреннее давление

Do

 

Соответствующая толщина стенки, на которую действует внутреннее давление

t

 

Внутренний диаметр (расчетный)

Di

 

Квадрант III:

сжатие и внешнее давление

Площадь критического поперечного сечения для расчета на сжатие

Ap

 

Соответствующий диаметр, на который действует внешнее давление

Do

 

Соответствующая толщина стенки, на которую действует внешнее давление

t

 

Внутренний диаметр (расчетный)

Di

 

Квадрант IV:

растяжение и внешнее давление

Площадь критического поперечного сечения для расчета на растяжение

Ap

 

Соответствующий диаметр, на который действует внешнее давление

Do

 

Соответствующая толщина стенки, на которую действует внешнее давление

t

 

Внутренний диаметр (расчетный)

Di

 

<a> Заполняет заказчик.

Примечание - В каждом квадранте может быть более одного критического сечения, особенно в соединениях с несущей способностью по осевой нагрузке и (или) нагрузке от давления меньшей, чем у тела трубы.

B.4 Требования

B.4.1 Общие положения

Перед проведением испытаний в соответствии с 4.1 необходимо определить геометрические параметры соединения, область испытательных нагрузок и эксплуатационные характеристики соединения.

B.4.2 Область испытательных нагрузок

Изготовитель нестандартного соединения, подлежащего испытанию, должен представить полную область испытательных нагрузок и предельные нагрузки для соединения при всех комбинациях давлений (т.е. внутреннего и внешнего давления) и осевых нагрузок на растяжение и сжатие. Кроме того, изготовитель должен представить поправки к области для учета изгиба.

Область испытательных нагрузок и предельные нагрузки могут быть представлены в форме:

a) уравнений для расчета соединения;

b) таблиц с цифровыми данными;

c) графиков с цифровыми значениями для точек пересечения и превышения.

Очень важно, чтобы комбинированная несущая способность, выраженная в области испытательных нагрузок, была достаточно точно определена вблизи тех точек, в которых повышенная чувствительность соединения меняется с чувствительности к давлению на чувствительность к осевой нагрузке и (или) к изгибу и наоборот. Расчетные уравнения, аналитические или эмпирические, должны полностью задавать область испытательных нагрузок для всех комбинаций давления и осевого усилия с учетом изгиба. Форма уравнения должна облегчать расчет давлений при заданной осевой нагрузке с учетом и без учета изгиба.

Так как конструкция соединений обсадных и насосно-компрессорных труб и соответствующие области испытательных нагрузок могут меняться в широких пределах, то невозможно регламентировать общие требования к минимальному числу значений в табличном формате. Если конструкции соединения свойственны изменения чувствительности к нагрузке, то обязательно нужно представить нагрузки, при которых происходят такие изменения.

Для задания области испытательных нагрузок и предельных нагрузок в пределах одного квадранта вполне достаточно около 10 комбинаций нагрузок от давления и осевого усилия при конкретных условиях изгиба.

Испытательные и предельные нагрузки могут быть также представлены графически в сопровождении численных значений для пересечений давлений и осевых усилий и всех несплошностей кривой нагрузок.

B.4.3 Альтернативное представление области испытательных нагрузок

Если отсутствует область испытательных нагрузок по B.4.1, то она может быть установлена по методике, описанной в B.5.

B.4.4 Предельные нагрузки

Определение предельных нагрузок до проведения испытаний на такие нагрузки не является требованием настоящего стандарта.

B.5 Расчет областей предельных нагрузок

B.5.1 Общие положения

При расчетах несущей способности тела трубы и критических сечений соединения по настоящему стандарту поставлена цель проводить испытания образцов при столь высокой нагрузке или комбинации нагрузок, насколько это практически безопасно. В связи с этим при расчете областей испытательных нагрузок и предельных нагрузок для каждого образца следует придерживаться приведенных далее указаний. Предел текучести, наружный диаметр и минимальная толщина стенки принимаются в соответствии с 7.3.1.

B.5.2 Область испытательных нагрузок для тела трубы

B.5.2.1 Общие положения

Область испытательных нагрузок VME представляет собой трехмерную фигуру. Чтобы облегчить построение соответствующих графиков VME, необходимо нормализовать тангенциальное напряжение (от внутреннего и внешнего давления) так, как будто соответствующее внешнее или внутреннее давление равно нулю. Другими словами, для любой комбинации внутреннего и внешнего давления необходимо рассчитать эквивалентное внутреннее и внешнее давление, которое вызывает такое же тангенциальное напряжение, как если бы соответствующее внешнее и внутреннее давление было равно нулю. В противном случае потребовалось бы бесконечное число графиков для каждого конкретного сочетания давлений. В результате вышесказанного в расчетном уравнении существует разрыв при координате осевого усилия, соответствующей нулевому давлению. Другими словами, в квадрантах I и II требуются составляющие уравнений VME ( и ), нежели в квадрантах III и IV. Подробнее об этом см. [2]. Уравнения для нормализации давления приведены в B.5.3.

B.5.2.2 Область испытательных нагрузок для одноосно нагруженной трубы

Расчет проводится по следующим уравнениям:

a) Предельное усилие осевого растяжения при однородном распределении осевых напряжений

 

Ap - площадь поперечного сечения тела трубы;

 

D - номинальный наружный диаметр трубы;

t - номинальная толщина стенки трубы;

 

Предельное внешнее давление может ограничиваться факторами неустойчивости, а не началом текучести внутренней поверхности. Поэтому предельное внешнее давление стойкости к смятию тела трубы при нулевом осевом растяжении необходимо рассчитывать по методике, описанной в пункте 1.1 ИСО/ТО 10400 или API Bul 5C3, с помощью уравнений для определения давления смятия.

 

Трубы нестандартных групп прочности могут обладать стойкостью к смятию более высокой, чем рассчитанная по методике, описанной в пункте 1.1 ИСО/ТО 10400 или API Bul 5C3. В данной процедуре могут быть использованы следующие значения:

e) Изгиб на выгнутой или вогнутой стороне внутренней поверхности

текучести при осевом растяжении внутренней поверхности трубы;

D - номинальный наружный диаметр, мм;

t - номинальная толщина стенки, мм.

Уравнение (B.5) не распространяется на изгиб, вызываемый поперечными нагрузками, например трехточечный изгиб.

Поскольку у труб из некоторых материалов, особенно холоднодеформированных труб из коррозионно-стойких сталей и сплавов (см. ИСО 13680), наблюдаются значительные колебания механических свойств по толщине стенки, прочность при изгибе может быть ограничена напряжениями на наружной или внутренней поверхности трубы или на выгнутой (растянутой) или вогнутой (сжатой) поверхности.

B.5.2.3 Область комбинированных испытательных нагрузок для тела трубы

Эту область рассчитывают с помощью теории энергии деформации Мизеса. В соответствии с этой теорией текучесть изотропного материала при комбинированном нагружении возникает под воздействием главных напряжений в соответствии со следующим выражением:

a) Эквивалентное напряжение по Мизесу

 

b) При отсутствии изгиба

 

При отсутствии изгиба пик напряжения VME при действии как внутреннего, так и внешнего давления всегда имеет место на внутренней поверхности. Поэтому при конкретном осевом усилии предельные внутреннее и внешнее давления могут быть рассчитаны следующим образом.

Главные напряжения определяют как

1) Тангенциальное напряжение от внутреннего давления pi на внутренней поверхности


Таким образом, при определенном значении Fa в условиях одноосной осевой нагрузки соответствующее максимальное внутреннее давление pi или наружное давление po при заданном пределе текучести может быть найдено как решение квадратного уравнения с использованием только действительных корней.

6) Для внутреннего давления получим

Для определения испытательных нагрузок заданный уровень напряжений  принимается равным 95% среднего фактического предела текучести материала, найденного путем испытаний при заданной температуре.

8) Максимальные нагрузки

Изучение области испытательных нагрузок для тела трубы по рисунку B.1 показывает, что в квадрантах I и III пиковые давления и осевые нагрузки имеют место вдоль областей в точках, определяемых как

При помощи приведенных ниже уравнений можно рассчитать четыре пары пиковых значений давления и осевого усилия.

i) Квадрант I

 

c) При наличии изгиба

 

При наличии изгиба, например при направленном бурении или вследствие винтового или синусоидального выпучивания, на осевые напряжения в трубе необходимо наложить растягивающие или сжимающие напряжения от изгиба на внутренней поверхности трубы

 значение внутреннего и внешнего давлений pi и po, которое может быть приложено для достижения заданного уровня  на внутренней поверхности тела трубы при определенной осевой нагрузке Fa и определенной степени изгиба Dleg.

Примечание - В зависимости от размера трубы, т.е. значений D и t, приложенного осевого усилия Fa, давления pi или po и степени изгиба Dleg пиковое напряжение VME может возникать также на наружной поверхности трубы.

 

e) Степень изгиба, которая может быть приложена к телу трубы, находящейся под действием давления и осевого усилия, выше которой максимальное напряжение VME возникнет на наружной поверхности тела трубы, может быть рассчитана путем решения следующих квадратных уравнений:

1) При действии внутреннего давления

 

Необходимо отметить, что могут использоваться только действительные числа, т.е. (B2 - 4AC) должно быть больше нуля или 4AC должно быть не больше B2. При решении относительно pi необходимо, чтобы po = 0, а при решении относительно po необходимо, чтобы pi = 0. Кроме того, как уже указывалось, в данном расчете нельзя использовать перепад давлений, т.е.

 

3) Степень изгиба, которая может быть допущена до того, как напряжение VME на наружной поверхности станет критическим, составляет

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16

Категория: Техника. Технические науки | Добавил: x5443 (04.10.2016)
Просмотров: 32 | Теги: трубы | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2016