1. Теоретическая основа компонентов управления потоком высокого давления и манифольдов высокого давления
В науке и технике для многих задач механики и физики люди уже получили базовые уравнения, которым следует следовать — либо обычные дифференциальные уравнения, либо уравнения в частных производных, вместе с соответствующими определёнными условиями решения. Однако точные решения аналитическими методами можно получить только для небольшого числа задач, уравнения которых относительно просты, а геометрия — довольно регулярная. Для большинства задач, поскольку некоторые признаки уравнений нелинейны или геометрия области решения относительно сложна, аналитические ответы получить невозможно. Обычно существует два способа решения этих проблем. Один из них — ввести упрощающие предположения и упростить уравнения и геометрические границы до управляемой формы, получая решение при упрощённых условиях. Этот метод возможен только в ограниченных случаях, поскольку чрезмерное упрощение может привести к большим ошибкам или даже неправильным ответам. Поэтому на протяжении многих лет люди искали и разрабатывали другой путь решения: численные методы. Особенно за последние более тридцати лет, с быстрым развитием и широким применением компьютеров, численный анализ стал важным инструментом для решения научных и технических задач.
Появление метода конечных элементов стало значительным прорывом в численном анализе для исследований. Её основная идея — дискретизировать непрерывную область решения на конечное число элементов, соединённых друг с другом определённым образом. Поскольку элементы могут комбинироваться в разных формах связей, а сами элементы могут иметь разные формы, можно моделировать области сложных решений. Ещё одной важной особенностью метода конечных элементов является то, что приближённые функции, предполагаемые внутри каждого элемента, используются кусочно для представления неизвестной функции поля по всей области решения. Приближённая функция в элементе обычно выражается значениями неизвестной функции поля или её производных в узлах элементов и интерполяционными функциями. Таким образом, в конечном анализе задачи значения неизвестной функции поля или её производных в каждом узле становятся новыми неизвестными, превращая непрерывную задачу с бесконечной степенью свободы в дискретную задачу конечной степени свободы. После решения этих неизвестных функции интерполяции можно использовать для вычисления приближённых значений функции поля в каждом элементе, получая приближённое решение по всей области. По мере увеличения числа элементов, а именно по мере уменьшения размера элементов или увеличения степеней свободы элементов и точности интерполяции, приближение постоянно улучшается. Если элементы удовлетворяют требованиям сходимости, приближённое решение в конечном итоге сходится к точному решению.
Механика разрушения развилась до настоящего времени, и относительно говоря, линейно-упругая часть стала более зрелой. Её теория проста, основа прочна, и она применялась в некоторых инженерных областях. Основные критерии включают критерий Гриффита, а именно критерий скорости высвобождения энергии, и критерий Ирвина, а именно критерий коэффициента интенсивности напряжений K. Основные теории механики упруго-пластического разрушения — это теория COD (смещение открытия трещины), предложенная в 1960 году, и теория J-интеграла, предложенная в 1968 году. Эти две теории составляют основу механики упруго-пластического разрушения и могут использоваться для анализа всего процесса инициации, распространения и нестабильности трещины. Как настоящая дисциплина, механика разрушения развивалась чрезвычайно быстро. Начиная с введения Г. Р. Ирвином концепции фактора интенсивности напряжения в 1957 году, история этого рассказа составляет менее 50 лет. Это одна из самых активных отраслей механики твёрдых тел, оказавшая значительное влияние на инженерные области, такие как физика металлов, металлургия, материаловедение, авиация, машиностроение, строительство и землетрясения. Он проявил высокую жизнеспособность и широко использовался для решения практических инженерных задач. Существует множество успешных применений механики разрушения как внутри страны, так и за рубежом. Некоторые страны и департаменты даже разработали критерии проектирования и стандарты принятия на основе механики разрушения. Например, американский бомбардировщик B-1 был спроектирован с использованием механики разрушения. Оценка дефектной устойчивости опор производственных платформ в нефтяном месторождении Северного моря Великобритании и газопроводе на Аляске также являются типичными инженерными применениями механики разрушения. Применение механики разрушения к сосудам под давлением, особенно к ядерным, относительно более зрелым.
Анализ прогнозирования повреждений многообразия Flowline сначала использует анализ упругого пластического анализа в качестве основы. Используемый метод упруго-пластичного анализа является методом конечных элементов. Поскольку геометрия многообразий линии потока сложна и готового аналитического решения найти невозможно, можно получить только численные решения. На основе численного решения анализ прогнозирования повреждений затем проводится согласно соответствующей теории механики разрушения.
2. Инженерное значение и практическая ценность компонентов управления потоком высокого давления и манифольдов высокого давления
Потоковые Манифольды также называют сборкой компонентов управления потоком высокого давления. Потоковые Манифольды широко применяются в нефтехимических и газопроводах. Поскольку они выдерживают очень высокое ударное давление и чередующиеся внутренние нагрузки, толщина стенки имеет значительный износ. По мере увеличения срока службы в многообразиях Flowline происходит разрушение из-за усталости. В нефтехимическом производстве и аналогичных операциях трубопроводы и Манифольды отвечают за транспортировку различных материалов. После аварии нормальное производство установки может оказаться под угрозой, и могут произойти серьёзные аварии, такие как пожар, отравление и взрывы. Поэтому исследования по прогнозированию повреждений и оценке срока службы многообразия Flowline вызывают большое значение в инженерии. В данной статье этот вопрос подробно изучается, начиная с анализа прочности, и на этой основе проводится анализ разовых событий разрушения, анализ срока службы усталостного разрушения и анализ срока службы роста трещин в многообразиях Flowline. Принципы и результаты этого исследования также можно распространить на анализ прогнозирования повреждений материалов и деталей, таких как трубы, обсадные трубы, бурильные трубы и воротники буровых труб в нефтяных месторождениях и нефтехимической промышленности.
Манифольды Flowline, используемые в настоящее время на грузовиках с жидким азотом, гидроразрывом, песчаных и окисляющих-гидроразрывных грузовиках компании Downhole Fracturing Company Ляохэ Petroleum Exploration Bureau, обычно имеют рабочее давление выше 40 МПа и проектное давление 100 МПа. Согласно Кодексу о строительстве и принятии промышленного трубопроводного инжиниринга, GBJ235-82, промышленные трубопроводы делятся по проектному давлению на четыре уровня — от низкого до высокого. Когда внутреннее давление p превышает 10 МПа, это считается трубопроводом высокого давления, а Манифольды потока — четвёртым уровнем. Поскольку Манифольды Flowline компании по гидроразрыву имеют длительный цикл эксплуатации и часто подвергаются чередующимся нагрузкам, толщина стенок сильно изнашивается, и в зонах концентрации напряжений легко появляются трещины. Для обеспечения безопасного производства и предоставления научной основы для правильного использования многообразий Flowline результаты исследований применяются именно здесь, и получены удовлетворительные результаты.
3. Обзор исследований компонентов управления потоком высокого давления и манифольдов высокого давления
В настоящее время учёные как внутри страны, так и за рубежом провели множество исследований по методам повреждений, разрушений и оценки Манифольдов и трубопроводов. Однако обычно изучаемые нагрузки давления ниже 40 МПа, и очень немногие исследования включают давление от 50 МПа до 100 МПа. Согласно опубликованным исследованиям, анализ напряжений с использованием метода конечных элементов ограничен диапазоном упругих деформаций. В анализе трещин в трубопроводах большинство исследований применяют критерии линейно-упругого разрушения и не учитывают влияние пластической зоны с кончиком трещины. Зарубежные исследования в области трубопроводов с давлением в основном сосредоточены на коррозии, разрушении трубопроводов и проблемах безопасности после их отказа. Для коррозионного разрушения газопроводов и нефтепроводов в 1985 году был разработан ANSI/ASME B31G. В 1997 году доктор Дэвид Батте и доктор Бин Фу из Британского центра исследований газопроводов опубликовали статьи и далее развили этот критерий, предложив более точный метод оценки трещин корродированных трубопроводов, основанный главным образом на критериях отказа и численном анализе. В начале 1980-х годов были проведены обширные международные исследования технологий оценки безопасности дефектов трубопроводов. Некоторые промышленные страны разработали специальные стандарты приема и спецификации оценки дефектов для дефектов трубопроводов. В конце 1980-х годов была организована международная программа исследований целостности трубопроводов, включающая девять стран и регионов. Современные отечественные исследования в основном сосредоточены на оценке дефектов сосудов под давлением, а большинство исследований, анализа и экспериментальных работ сосредоточены на оценке инициации трещин. Однако анализ структурной безопасности должен учитывать весь процесс инициации трещины, разрушения и неустойчивости. Таким образом, анализ прочности и прогнозирование срока службы усталости для многообразия с линиями потока, особенно с нагрузками выше 40 МПа, остаются пробелами.
4. Объекты и задачи исследования компонентов управления потоком высокого давления и манифольдов высокого давления
Манифольды высокого давления направляют рабочую среду по заданной схеме. К распространённым компонентам управления потоком высокого давления относятся прямые трубные секции, шарнирные соединения и тройники. Из этих компонентов собирают манифольды, обеспечивающие подачу среды к предусмотренным проектом точкам.
Бытовой материал для сборок прямых труб, Шарнирное колено и тройных труб в Манифольдах Flowline составляет 30Cr. Импортируемый материал эквивалентен стальным ковкам SA372-V-3B по стандарту ASME США. Подробные данные о химическом составе, механических свойствах и параметрах разрушения этих материалов отсутствуют. В ходе этого исследования необходимо проверить и измерить химический состав, механические свойства и параметры разрушения, которые передаются Центру испытаний вибраций и прочности и Лаборатории механики материалов Даляньского технологического университета.
Конкретное содержание исследований следующее:
Анализ прочности узлов прямых труб в оборудовании управления высоким давлением: согласно спецификациям, детали высокого давления делятся на 3 дюйма, 2 дюйма. и 1,5 дюйма. размеров. Для анализа прочности при внутренней нагрузке 50 МПа, 70 МПа и 100 МПа выбираются представительные детали высокого давления из трёх типов.
Анализ прочности Шарнирное колено в оборудовании управления высоким давлением: также выбираются представительные детали высокого давления с размером 3 дюйма 2 дюйма. и 1,5 дюйма. спецификации для анализа прочности при внутренних нагрузочных нагрузках 50 МПа, 70 МПа и 100 МПа.
Конечный элементный анализ крепкости тройных фитингов в оборудовании управления высоким давлением: для анализа прочности выбираются импортные и отечественные типы при внутренних нагрузках 50 МПа, 70 МПа и 100 МПа.
Конечный элементный анализ прочности концов прямых труб в оборудовании управления потоком высокого давления: анализ прочности проводится при внутренних нагрузках 50 МПа, 70 МПа и 100 МПа. Поскольку перелом произошёл в конце, требуется теоретический анализ причины перелома.
Используя критерии линейно-эластичной механики разрушения, анализ разрушения по одному событию проводится для узлов прямых труб, концов прямых труб, фитингов Шарнирное колено и тройников в оборудовании управления потоком высокого давления.
Используя теорию низкоцикловой усталости, анализ разрушения усталости проводится для узлов прямых труб, концов прямых труб, Шарнирное колено и тройных фитингов в оборудовании управления потоком высокого давления.
Используя формулу Парижа и линейную формулу кумулятивного повреждения Майнера, анализ срока службы роста трещин проводится для узлов прямых труб, концов прямых труб, фитингов Шарнирное колено и тройников в оборудовании управления потоком высокого давления.
