1. Antecedentes teóricos de equipos de control de flujo a alta presión y Manifoldes de líneas de flujo
En ciencia y tecnología, para muchos problemas de mecánica y física, las personas ya han obtenido las ecuaciones básicas que deben seguir, ya sean ecuaciones diferenciales ordinarias o ecuaciones en derivadas parciales, junto con las correspondientes condiciones de solución definida. Sin embargo, las soluciones exactas mediante métodos analíticos solo pueden obtenerse para un pequeño número de problemas cuyas ecuaciones son relativamente simples y cuyas geometrías son bastante regulares. Para la mayoría de los problemas, debido a que algunas características de las ecuaciones son no lineales o porque la geometría de la región solución es relativamente compleja, no se pueden obtener respuestas analíticas. Normalmente hay dos formas de resolver estos problemas. Uno es introducir supuestos simplificadores y simplificar las ecuaciones y los límites geométricos en una forma manejable, obteniendo la solución bajo condiciones simplificadas. Este método solo es factible en casos limitados, porque una simplificación excesiva puede llevar a grandes errores o incluso a respuestas erróneas. Por ello, durante muchos años la gente ha buscado y desarrollado otro camino de solución: los métodos numéricos. Especialmente en los últimos treinta años y más, con el rápido desarrollo y la amplia aplicación de los ordenadores, el análisis numérico se ha convertido en una herramienta fundamental para resolver problemas científicos y técnicos.
La aparición del método de elementos finitos supuso un gran avance en el análisis numérico para la investigación. Su idea básica es discretizar una región de solución continua en un número finito de elementos conectados entre sí de una determinada manera. Dado que los elementos pueden combinarse en diferentes formas de conexión y los propios elementos pueden tener distintas formas, se pueden modelar dominios de solución complejos. Otra característica importante del método de elementos finitos es que las funciones aproximadas asumidas dentro de cada elemento se usan por tramos para representar la función de campo desconocida en todo el dominio de la solución. La función aproximada en un elemento suele expresarse mediante los valores de la función de campo desconocida, o sus derivadas, en los nodos elementales y por funciones de interpolación. De este modo, en el análisis por elementos finitos de un problema, los valores de la función de campo desconocida o sus derivadas en cada nodo se convierten en nuevas incógnitas, convirtiendo un problema continuo de grado de libertad infinito en un problema discreto de grado de libertad finito. Una vez resueltas estas incógnitas, se pueden usar funciones de interpolación para calcular valores aproximados de la función de campo en cada elemento, obteniendo la solución aproximada en todo el dominio. A medida que aumenta el número de elementos, es decir, a medida que disminuye el tamaño del elemento, o a medida que aumentan los grados de libertad y la precisión de interpolación, la aproximación mejora continuamente. Si los elementos cumplen los requisitos de convergencia, la solución aproximada acabará convergiendo a la solución exacta.
La mecánica de la fractura se ha desarrollado hasta la actualidad y, relativamente hablando, la parte lineal-elástica es más madura. Su teoría es sencilla, su base sólida y se ha aplicado en ciertos campos de la ingeniería. Los criterios principales incluyen el criterio de Griffith, es decir, el criterio de la tasa de liberación de energía, y el criterio de Irwin, es decir, el criterio del factor de intensidad de esfuerzo K. Las principales teorías de la mecánica de fractura elástico-plástica son la teoría COD, desplazamiento por apertura de grieta, propuesta en 1960, y la teoría de la integral en J propuesta en 1968. Estas dos teorías forman el cuerpo de la mecánica de fractura elástico-plástica y pueden utilizarse para analizar todo el proceso de inicio, propagación e inestabilidad de la grieta. Como verdadera disciplina, la mecánica de la fractura se ha desarrollado extremadamente rápido. Partiendo de la introducción del concepto de factor de intensidad de esfuerzo por G. R. Irwin en 1957, tiene una historia de menos de 50 años en este relato. Es una de las ramas más activas de la mecánica de sólidos y ha tenido una gran influencia en campos de la ingeniería como la física de metales, la metalurgia, la ciencia de materiales, la aviación, la maquinaria, la construcción y la ingeniería sísmica. Ha demostrado una gran vitalidad y se ha utilizado ampliamente para resolver problemas prácticos de ingeniería. Existen muchas aplicaciones exitosas de la mecánica de fractura tanto en el país como en el extranjero. Algunos países y departamentos incluso han formulado criterios de diseño y estándares de aceptación basados en la mecánica de fracturas. Por ejemplo, el bombardero estadounidense B-1 fue diseñado utilizando la mecánica de fractura. La evaluación de tolerancia a defectos de los soportes de la plataforma de producción en el Reino Unido, el yacimiento petrolífero del Mar del Norte y el gasoducto en Alaska son también aplicaciones típicas de ingeniería de la mecánica de fracturas. La aplicación de la mecánica de fractura a vasos de presión, especialmente a los nucleares, es relativamente más madura.
El análisis de predicción de daños de los Manifoldes de Flujo toma primero como base el análisis elástico-plástico. El método de análisis elástico-plástico utilizado es el método de elementos finitos. Dado que la geometría de las variedades de flujo es compleja y no se puede encontrar una solución analítica lista, solo se pueden obtener soluciones numéricas. A partir de la solución numérica, se realiza el análisis de predicción de daños según la teoría correspondiente de mecánica de fractura.
2. Importancia y valor de aplicación en ingeniería de equipos de control de flujo a alta presión y Manifoldes de línea de flujo
Los Manifoldes de línea de flujo también se denominan el conjunto de equipos de control de flujo de alta presión. Los Manifoldes de línea de flujo se utilizan ampliamente en oleoductos petroquímicos y de gas natural. Debido a que soportan una presión de impacto muy alta y cargas alternas internas, el desgaste del grosor de las paredes es considerable. A medida que aumentan los años de servicio, se produce fractura por fatiga en los Manifoldes de línea de flujo. En la producción petroquímica y operaciones similares, los oleoductos y Manifoldes son responsables del transporte de diversos materiales. Una vez ocurrido un accidente, la producción normal de la instalación puede verse en peligro, y pueden producirse accidentes graves como incendios, intoxicaciones y explosiones. Por ello, la investigación sobre la predicción de daños y la evaluación de vida útil de los Manifoldes de línea de flujo es de gran preocupación en ingeniería. Este artículo estudia el tema en profundidad, comenzando por el análisis de resistencia, y sobre esta base realiza análisis de fracturas de evento único, análisis de vida útil por fractura por fatiga y análisis de vida útil por crecimiento de grietas en Manifoldes de línea de flujo. Los principios y resultados de esta investigación también pueden extenderse al análisis de predicción de daños de materiales y piezas como tubos, revestimientos, tubos de perforación y collares de perforación en campos petrolíferos e industrias petroquímicas.
Los Manifoldes de línea de flujo que se utilizan actualmente en camiones de bomba de nitrógeno líquido, camiones de fracturación, camiones de arena y camiones de fracturación acidificante de la Downhole Fracturing Company de la Oficina de Exploración Petrolera de Liaohe suelen tener presiones de trabajo superiores a 40 MPa y una presión de diseño de 100 MPa. Según el Código de Construcción y Aceptación de Ingeniería de Oleoductos Industriales, GBJ235-82, los oleoductos industriales se dividen por presión de diseño en cuatro niveles, de bajo a alto. Cuando la presión interna p es superior a 10 MPa, se considera una tubería de alta presión, y los Manifoldes de flujo son el cuarto nivel. Debido a que los Manifoldes de línea de flujo de la empresa de fracturación en el fondo tienen un ciclo de servicio largo y a menudo están sometidos a cargas alternas, el grosor de la pared está muy desgastado y las grietas por fatiga pueden aparecer fácilmente en áreas con concentración de esfuerzo. Para garantizar una producción segura y proporcionar una base científica para el uso correcto de los Manifoldes de Flujo, aquí se aplican específicamente los resultados de la investigación y se han obtenido resultados satisfactorios.
3. Estado de investigación nacional e internacional de equipos de control de flujo a alta presión y Manifoldes de líneas de flujo
Actualmente, académicos nacionales y internacionales han realizado numerosos estudios sobre daños, fallos y métodos de evaluación para Manifoldes y oleoductos de flujo de flujo. Sin embargo, las cargas de presión que normalmente se estudian están por debajo de 40 MPa, y muy pocos estudios involucran cargas de presión de 50 MPa a 100 MPa. Según los resultados de investigación publicados, el análisis de tensiones utilizando el método de elementos finitos se ha limitado al rango de deformación elástica. En el análisis de fracturas de tuberías, la mayoría de los estudios aplican criterios de fractura lineal-elástica y no consideran la influencia de la zona plástica de la punta de la grieta. La investigación extranjera sobre tuberías a presión se centra principalmente en la corrosión, fracturas de tuberías y problemas de seguridad tras su fallo. Para fracturas por corrosión de gas natural y oleoductos, se formuló el ANSI/ASME B31G en 1985. En 1997, el Dr. David Batte y el Dr. Bin Fu, del British Gas Ducts Research Centre, publicaron artículos y desarrollaron este criterio, proponiendo un método más preciso para la evaluación de grietas en oleoductos corroídos, basado principalmente en criterios de fallo y análisis numérico. A principios de los años 80, se llevó a cabo una extensa investigación internacional sobre tecnología de evaluación de defectos en tubemotos. Algunos países industrializados formularon normas especiales de aceptación y especificaciones de evaluación de defectos para defectos en oleoductos. A finales de los años 80, se organizó un programa internacional de investigación sobre integridad de oleoductos que involucró a nueve países y regiones. La investigación nacional actual se centra principalmente en la evaluación de defectos en vasos de presión, y la mayoría de la investigación, análisis y trabajo experimental se centra en la evaluación de la iniciación de grietas. Sin embargo, el análisis de seguridad estructural debe considerar todo el proceso de inicio de grietas, fractura e inestabilidad. Por tanto, el análisis de resistencia y la predicción de fatiga-vida útil para los Manifoldes de flujo, especialmente aquellos con cargas de presión superiores a 40 MPa, siguen existiendo una diferencia.
4. Contenido de investigación sobre equipos de control de flujo a alta presión y Manifoldes de líneas de flujo
Los Manifoldes de línea de flujo se utilizan para transportar medios y asegurar que el medio fluya suavemente a lo largo de la ruta diseñada. Los equipos comunes de control de flujo a alta presión incluyen conjuntos de tuberías rectas de alta presión, Unión giratoria y conexiones en T. Estos equipos de control de flujo a alta presión se ensamblan orgánicamente en Manifoldes de flujo para que el medio transportado alcance la ubicación requerida según los requisitos de diseño.
El material doméstico de los conjuntos de tuberías rectas, tuberías de Unión giratoria y en T en los Manifoldes de flujo es de 30 Cr. El material importado es equivalente a las forjadas de acero SA372-V-3B en la norma ASME de EE. UU. No se dispone de datos detallados sobre la composición química, las propiedades mecánicas y los parámetros de fractura de estos materiales. En esta investigación, la composición química, las propiedades mecánicas y los parámetros de fractura deben ser probados y medidos, confiados al Centro de Pruebas de Vibración y Resistencia y al Laboratorio de Mecánica de Materiales de la Universidad Tecnológica de Dalian.
El contenido específico de la investigación es el siguiente:
Análisis de resistencia de conjuntos de tuberías rectas en equipos de control de flujo de alta presión: según las especificaciones, las piezas de alta presión se dividen en 3 pulgadas y 2 pulgadas. y 1,5 pulgadas. Tallas. Se seleccionan tres piezas representativas de alta presión de los tres tipos para el análisis de resistencia bajo casos de carga interna de presión de 50 MPa, 70 MPa y 100 MPa.
Análisis de resistencia de Unión giratoria en equipos de control de flujo de alta presión: también se seleccionan piezas representativas de alta presión entre 3 pulgadas y 2 pulgadas. y 1,5 pulgadas. especificaciones para análisis de resistencia bajo casos de carga de presión interna de 50 MPa, 70 MPa y 100 MPa.
Análisis de resistencia por elementos finitos de conexiones en T en equipos de control de flujo de alta presión: se seleccionan uno importado y otro nacional para el análisis de resistencia en casos de carga interna de presión de 50 MPa, 70 MPa y 100 MPa.
Análisis de resistencia por elementos finitos en extremos rectos en equipos de control de caudal de alta presión: el análisis de resistencia se realiza bajo casos de carga interna de presión de 50 MPa, 70 MPa y 100 MPa. Dado que la fractura ha ocurrido al final, se requiere un análisis teórico de la causa de la fractura.
Utilizando criterios de mecánica de fractura lineal-elástica, se realiza un análisis de fallo de fractura de evento único para conjuntos rectos de tubería, extremos rectos, Unión giratoria y conexiones en T en equipos de control de flujo de alta presión.
Utilizando la teoría de fatiga de bajo ciclo, se realiza análisis de fractura por fatiga para conjuntos de tuberías rectas, extremos rectos, Unión giratoria y conexiones en T en equipos de control de flujo de alta presión.
Utilizando la fórmula de Paris y la fórmula lineal de daño acumulado de Miner, se realiza un análisis de vida útil del crecimiento de grietas para conjuntos rectos de tuberías, extremos rectos, Unión giratoria y conexiones en T en equipos de control de flujo de alta presión.
