Vplyv prídavného zaťaženia na zostatkovú životnosť plynovodu

Posledné prípady havárií vysokotlakových plynovodov (Kamenné Kosihy, Slanec…) ukazujú na významný vplyv prídavného zaťaženia od ohybového momentu, ktorý je spôsobený zosuvom pôdy, sadnutím potrubia po oprave izolácie alebo lokálnym zemetrasením. Prídavné zaťaženia ohybovým momentom a priečnou silou výrazne ovplyvnia dvojosovú napätosť potrubia (valcová škrupina) zaťaženého vnútorným prevádzkovým tlakom plynu. Prídavný ohybový moment výrazne zvýši osové napätie na ťahanej strane potrubia a v niektorých prípadoch môže osové napätie prevýšiťtangenciálne napätie od vnútorného tlaku. Havárie vznikajú hlavne v zvarových spojoch z neprípustných anomálii typuneprevarený koreň, studený spoj či trhlina.

Posúdenie prípustnosti nepriechodných defektov v obvodových aj vo výrobných zvaroch bolo spracované formou nomogramov, podľa normy BS 7910‑1999 s uvažovaním membránového napätia od vnútorného tlaku. Avšak v prípade zosuvu pôdy, resp. sadnutia potrubia, osové napätia od prídavného ohybového momentu zvyčajne prevýšia tangenciálne napätia, čo bolo aj príčinou spomínaných havárií. V súčasnosti firma eustream, a. s., monitoruje zmenu napätí v niektorých vybraných úsekoch plynovodu (kritické pásma zosuvu pôdy) pomocou rôznych snímačov (hlavne tenzometrické snímače).

ÚVOD

Cieľom výskumnej úlohy bolo numericky namodelovať interakciu predpokladaných defektov s prídavným ohybovým zaťažením pri prevádzkovom tlaku a experimentálne verifikovať vypočítané výsledky deformácií s nameranými hodnotami pri jednotlivých skúškach. Defekty v obvodových zvaroch boli pôvodné a umelo vytvorené na prevádzkovaných rúrach DN 1200 akosti X‑70 (L485 MB) vyrezaných z plynovodu. Najprv na 1. rúre bez defektov v zvarovom spoji za účelom stanovenia medzného stavu porušenia a upresnenia použitej metódy skúšania. Ďalej sa skúšala 2. rúra s anomáliou v montážnom obvodovom zvare typu presadená hrana. Potom to bola 3. rúra s umelo vytvorenou trhlinou v obvodovom zvarovom spoji a nakoniec to bol 4obvodový zvarový spoj s pôvodnými indikáciami typu studených spojov v koreni.

METODIKA

Každá skúška pozostávala zo:

• Statickej skúšky rúry s vnútorným tlakom a prídavnýmzaťažením od ohybu a tenzometrického merania deformácií.
• Matematického modelu MKP a verifikácií modelu z výsledkov tenzometrických meraní.

VÚZ má dlhodobé skúsenosti s hydraulickými modelovými skúškami rúr s vnútorným pretlakom, avšak nemá možnosti skúšania natlakovaných veľkorozmerných rúr prídavným ohybovým momentom. Za tým účelom využil spoluprácu s firmou BMS Bojnanský s. r. o. Veľké Zálužie, ktorá vlastní vertikálne ohýbačky rúr až do priemeru DN 1200.

Pre účely ohybovej a hydrostatickej skúšky boli na skúšobnú rúru nadvarené asi 2,5 m konce s dnami. Pozri nainštalovanú rúru v ohýbacom stroji. Pri skúške bola rúra natočená tak, aby sa indikácie vyskytovali na ťahanej strane ohybu. V okolí indikácií sa na rúru prilepili tenzometre.

Výpočet napätosti v oblasti zvarového spoja metódou MKP vykonával ústav VÍTKOVICE ÚAM a. s., ktorý má v tejto oblasti dlhodobé skúsenosti.

VÝSLEDKY

Skúška rúry DN 1 200 × 18,9 mm akosti L485 MB bez defektov v obvodovom zvarovom spoji
Plynovodná rúra bola natlakovaná na tlak 7,5 MPa. Ohybovou skúškou sa zistilo, že jednorázovo (na jeden zdvih) je možné ohnúť rúru na uhol maximálne cca 7 °. Pri uhle ohybu 5,7 ° bola vnesená maximálna celková pomerná deformácia 2,4 % v základnom materiáli vo vzdialenosti 100 mm od zvaru a celková pomerná deformácia 1,8 % v zvarovom kove obvodového zvaru.

Vnútorný pretlak a ohybový moment, ktorý namáha rúru ohybom, vyvolali v stene rúry normálové napätia s malou zmenou po hrúbke steny, ale k porušeniu rúry nedošlo. Vnútorný pretlak mal charakter zaťaženia mechanického pôvodu a zaťaženia vyvolávajúce ohybový moment sú deformačného pôvodu.

Celkovo treba povedať, že predmetná prvá etapa skúšok na bezdefektnej rúre slúžila na dopracovanie metódy skúšania a na stanovenie východiskového stavu pre skúšky ďalších etáp.

Skúška rúry DN 1 200 × 16 mm akosti L485 MB s presadenými hranami v obvodovom zvarovom spoji
Bola vykonaná skúška ohybom rúry DN 1200 × 16 mm s anomáliou v montážnom obvodovom zvare typu presadená hrana veľkosti 8 mm. Rúra bola počas ohybu zaťažená vnútorným pretlakom 7,5 MPa. Anomália bola umiestnená na ťahanej strane rúry.

Porušenie nastalo postupným tvárnym trhaním, ktoré iniciovalo v koreni obvodového zvaru. Tvárne porušenie prerástlo v postupne sa zväčšujúcu trhlinu so zvyšujúcim sa membránovým napätím. Trhlina narástla v priemere do hĺbky 8 mm a dĺžky 225 mm. Pri týchto rozmeroch trhliny nastal plastický kolaps zvyškového prierezu rýchlym šmykovým lomom.

Najvýznamnejší podiel na porušení mal prídavný ohybový moment od 8 milimetrového presadenia hrán. Porušenie nastalo pri relatívne nízkom membránovom napätí cca 250 MPa (hodnota je odhadnutá z nameraných hodnôt deformácie tenzometrov umiestnených mimo zvaru na povrchu rúry). Hodnota membránového napätia 250 MPa nedosiahla ani polovicu medze klzu zvarového kovu (600 MPa).

Z výpočtu kritickej veľkosti trhliny vyplynulo, že porušenie nenastalo dosiahnutím kritickej hodnoty súčiniteľa intenzity napätia 180 MPa √m, ale nárastom napätia vo zvyšnom priereze pod trhlinou. Podľa výpočtu by už trhlina o dĺžke 225 mm a hĺbke 3 mm bola nestabilná z titulu plastického kolapsu zvyškového prierezu pod trhlinou.

V prípade priehybu potrubia od sadania respektíve zosuvu svahu je najvhodnejšie spevniť obvodový zvar s anomáliou teplou objímkou, prípadne na krátke obdobie sledovať deformáciu priamo na povrchu zvaru v inkriminovanom mieste.

Skúška rúry DN1200 × 13,5 mm akosti L485 MB s umelou trhlinou v obvodovom zvarovom spoji
Umelá trhlina sa vyrobila tak, že koreň zvaru sa v dĺžke 150 mm vybrúsil a vyvaril nevysušenou zákalnou elektródou E‑B511 (13%Cr). Tak vznikla ostrá vodíková trhlina dlhá 160 mm a hlboká 5,5 mm. Takýto zvar bol z hľadiska mechanických vlastností neštandardný k iným zvarom použitým pri stavbe tranzitného plynovodu, bol zaťažovaný kombináciou vnútorného tlaku a prídavným ohybom. Membránové napätie nedosiahlo hodnotou medze klzu základného materiálu ani zvarového kovu. Nízka hodnota rázovej húževnatosti bola riadiacim parametrom v procese porušenia v mieste defektu.

Porušenia malo teda charakter tvárneho trhania zvyškového ligamentu pod trhlinou. Vypočítané hodnoty lomovej húževnatosti generujú, že riadiacim faktorom porušenia nie je faktor intenzity napätia, ale vysoká plastická deformácia v koreni trhliny. Z nomogramu vyplýva, že rozmer a hĺbka trhliny je neprípustná,pri porušení by nastal iba únik média.

Po znížení tlaku (únik vody) a ukončení ohybu sa trhlina zastavila v húževnatom ZK pôvodného zváraného spoja. Interkryštalický štiepny lom umelej trhliny sa pri skúške šíril tvárnym trhaním (rýchly šmykový lom). K totálnej deštrukcii potrubia by nedošlo.

Skúšky rúry DN 1200 × 13,8 mm akosti L485 MB s defektom studených spojov v obvodovom zvarovom spoji
V obvodovom zvare boli dva defekty typu studený spoj, ktoré sa cyklicky zaťažovali s rozkmitom tlaku 0,5 až 7,5 MPa s počtom cyklov 2 500. V koreni studených spojov sa zaznamenal nárast trhlín len s hĺbkou 0,2 mm a 0,4 mm, čo svedčí o pomerne dobrej odolnosti danej rúry proti šíreniu únavovej trhliny. Tento nárast preklasifikoval studené spoje na trhliny s dĺžkou 32,4 mm a 24 mm, s hĺbkou 3,4 mm a 2 mm.

Porušenie nastalo tvárnym trhaním defektu až do prieniku na povrch zvaru. Počiatok tvárneho trhania bol pod hodnotou medze klzu zvarového kovu pri nominálnom napätí 505 MPa pri súčasnom pôsobení prídavného ohybového momentu od geometrickej anomálie v koreni zvaru. Riadiacim faktorom porušenia v obidvoch prípadoch nebola lomová húževnatosť zvarového kovu, ale plastický kolaps vo zvyšnom ligamente pod trhlinami.

ZÁVER

Z ohybových skúšok štyroch rúr možno vyvodiť nasledujúce závery:

• Významné osové zaťaženie, ktoré môže pôsobiť deštrukčne na plynovod je zaťaženie od ohybového momentu pôsobiaceho na zasypanú rúru. Osové sily od vnútorného pretlaku, jeho zmeny a zmeny teploty sú v zasypanom potrubí druhoradé a majú skôr oscilujúci charakter okolo jednej hodnoty
• Pre plynovodnú rúru s bez defektnými zvarmi je možné pripustiť pre ZM pomernú plastickú deformáciu na úrovni 2 %. Potrubie by znieslo aj väčšiu deformáciu, ale v danom ohybovom stroji sa to nedalo overiť. Dvom percentám plastickej deformácie odpovedá celková pomerná deformácia 22 581 μS v osovom smere.
• Vplyv ohybového momentu s defektmi v obvodovom zvare je potrebné riešiť individuálne. Ohybové skúšky s defektmi typu trhlín, geometrických anomálií a ich spolupôsobenia dokázali, že k deštrukcii prichádza hlboko pod medzou klzu materiálu rúry alebo zvarového spoja. Tento stav je problematické zachytiť meraním zmeny osového napätia tenzometrami, hlavne v prípade neznámeho deformačného stavu pred inštaláciou tenzometrov. V oblasti hroziacich zosuvov pôdy je potrebné okamžite odstrániť defektné miesta alebo ich na nevyhnutný čas monitorovať priamo v ich mieste výskytu
• Studené spoje, krátke a plytké trhliny s rozmermi uvedenými v nomograme je možné tolerovať do úrovne maximálnej deformácie na úrovni medze klzu materiálu v ktorom sa nachádzajú. Táto hodnota okolo 1 000 μS je dobre detekovateľná tenzometrickým meraním.

Pozn.: Odborný príspevok recenzoval: doc. Ing. Peter Lipták, CSc., (TnUAD v Trenčíne) a Ing. Pavol Radič, PhD., (VÚZ Bratislava).

doc. Ing. Peter Bernasovský, PhD.
Ing. Ivan Hamák
prof. Ing. Stanislav Vejvoda, CSc.
(nezávislí konzultanti v oboru)