Многие трубопроводы энергетических установок эксплуатируются при рабочих температурах, вызывающих развитие ползучести. В состоянии ползучести возможно значительное изменение напряженного состояния во времени. Особенно сильно изменяются напряжения, вызываемые самокомпенсацией температурных расширений: они уменьшаются от больших значений в начале периода эксплуатации до очень малых — в его конце. Напряжения от внутреннего давления и весовой нагрузки изменяются в меньшей мере; это обусловлено постоянством этих нагрузок и высокой степенью «статической определенности» напряжений.
Изменение напряжений в трубопроводе во времени можно учесть при оценке прочности введением в расчет «усредненных» напряжений. Принимается, что они составляют некоторую долю начальных напряжений, определяемых обычным расчетом трубопровода, и действуют без изменения в течение всего срока эксплуатации трубопровода. Однако определение соотношения между усредненными и начальными напряжениями должно основываться на анализе кинетики напряженного состояния трубопровода в состоянии ползучести.
Серьезное значение имеет исследование ползучести трубопроводов при самокомпенсации температурных расширений. Задачу о ползучести трубопровода, нагруженного в результате самокомпенсации, следует отнести к классу задач релаксационного типа: состояние нагружения обусловлено деформированием трубопровода на постоянную величину, напряжения непрерывно уменьшаются при нарастании деформации ползучести и соответствующем уменьшении упругой деформации. Процесс характеризуется значительной нестабильностью напряженного состояния, что должно учитываться соответствующим образом при оценке прочности.
Возникают вопросы относительно применения монтажной растяжки в трубопроводах: какова ее эффективность, в каких случаях ее использование является необходимым и т. д. Монтажная растяжка применяется для уменьшения напряжений и усилий в трубопроводе в рабочем состоянии. Однако выполнение ее во многих случаях сопряжено со значительными трудностями. Как правило, качество выполнения монтажной растяжки оказывается низким. Решение вопросов, относящихся к монтажной растяжке, должно основываться на анализе ползучести трубопроводов при самокомпенсации температурных расширений.
Выполнение расчетов ползучести трубопроводов встречает значительные трудности. В связи с этим большое значение приобретает задача установления общих закономерностей ползучести трубопроводов. Решение ее позволяет, в частности, разработать рекомендации по приближенному учету
ползучести при оценке прочности трубопровода на базе обычного упругого расчета.
Сущность метода. Описываемый метод является численным, приводящим к рекуррентной последовательности упругих расчетов. Для проведения расчета трубопровод делится на отрезки достаточно малой протяженности; принимается, что по длине отрезка напряжения не изменяются. Интервал времени тоже делится на малые промежутки — настолько малые, что в пределах шага деления напряжения можно считать неизменными. В этих предположениях для данного временного шага вычисляются приращения остаточных деформаций ползучести, а по ним — соответствующие приращения остаточных перемещений концов отрезков. Эти приращения перемещений суммируются с перемещениями ползучести, накопленными к данному моменту времени; полученные суммарные перемещения ползучести прибавляются к перемещениям концов отрезков от заданных нагружающих факторов (нагрев, монтажная растяжка и т. д.). Затем проводится расчет трубопровода по обычной «упругой» схеме с введением определенных указанным образом перемещений концов отрезков. Далее вычисляются приращения перемещений ползучести для следующего временного шага и выполняется следующий упругий расчет трубопровода и т. д. Результаты последовательности подобных расчетов (начиная от начального упругого расчета) в совокупности дают картину изменения во времени напряженно-деформированного состояния трубопровода. По своему математическому содержанию изложенный метод примыкает к методу приращений деформаций во времени.
Допущения. Для упрощения реализации метода, вполне универсального по применимости, вводится ряд упрощающих допущений: предполагается, что трубопровод выполнен из тонкостенных прямолинейных труб; не учитывается действие весовой нагрузки; принимается, что мгновенные пластические деформации (при нагрузке, разгрузке) отсутствуют; температура трубопровода считается постоянной во времени.

Закономерности ползучести трубопроводов

Рассмотрение результатов расчетов конкретных трубопроводов позволяет отметить некоторые общие закономерности развития ползучести трубопровода при самокомпенсации.
• Для типовых трубопроводов явление локализации ползучести проявляется весьма слабо. Лишь в особых случаях, а именно при наличии явных локализаторов ползучести (места резких пиков изгибающих моментов, переходы с утоненной стенкой или уменьшенным диаметром, участки повышенной температуры и т.п.) следует учитывать возможность локализации ползучести.

1. Диаграммы релаксации компенсационных напряжений в данном поперечном сечении трубопровода, соответствующие точкам наибольшей интенсивности начальных напряжений, близки по форме к диаграммам релаксации напряжений в образце при простом растяжении. При благоприятных условиях (высокий уровень напряжений от внутреннего давления, наличие значительных компенсационных напряжений другого рода) диаграммы релаксации, напряжений в трубопроводе располагаются ниже диаграмм релаксации образца.
2. Диаграммы релаксации компенсационных напряжений в различных сечениях трубопровода (в точке наибольшей интенсивности напряжений) обладают, как правило, свойством приближенного подобия. Это значит, что для данного момента времени напряжения в различных сечениях трубопровода составляют приблизительно одну и ту же долю начального значения.

Свойством подобия обладают также диаграммы релаксации реактивных усилий трубопровода.
Следствием является сохранение во времени при ползучести качественных особенностей напряженно-деформированного состояния трубопровода (положение нейтральной плоскости в поперечном сечении, места максимальных изгибных напряжений и т. д.).

1. Деформированная форма трубопровода, обусловленная самокомпенсацией температурных расширений, мало изменяется в условиях развития ползучести.
2. На процесс релаксации напряжений в трубопроводе значительное влияние оказывает начальная (переходная) стадия ползучести.

Отмеченные закономерности позволяют ориентировочно оценивать релаксации напряжений и усилий в трубопроводах, исходя из результатов расчета по упругой схеме и кривых релаксации образцов.