Файл: Е. А. Богданов Основы технической диагностики нефтегазового оборудования.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 212
Скачиваний: 9
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
аср, определяемой из выражения
а _ ^тах
ср у» ’
1 э
гДе Нтгх — глубина дефекта в зоне максимальных повреждений, мм; Т — срок службы объекта с начала его эксплуатации, г.
Предельно допустимую глубину дефекта (язвы) ЛП[Х.Д определяют по графику (см. рис. 12.2) при известной протяженности дефекта вдоль трубы L. Тогда остаточный ресурс можно определить из выражения
h — h
гр _ лпред Л/тах
* ост “ •
Например, если для язвенного дефекта 7 (см. рис. 12.2) глубиной 3 мм с протяженностью проекции вдоль оси 135 мм при номинальной толщине стенки трубы 20 мм критическая глубина составляет 7,5 мм, а средняя скорость коррозии на момент обнаружения язвы — 1 мм/г, то определенный в данный момент времени расчетный остаточный ресурс
1
г.
В связи с тем, что вероятность распределения остаточного ресурса здесь не определялась, ресурс назначают, основываясь на расчетной величине Тост, а также степени ответственности объекта и тяжести возможных последствий при его разрушении. Учитывая нестабильность скорости коррозии, ее желательно уточнить в процессе эксплуатации в пределах назначенного ресурса объекта и на этом основании корректировать величину Гост.
Аналогичная по смыслу методика начинает применяться и в нормативно-технических документах, действующих в России. Так, в
Рд 12-411—01 «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» указывается, что повреждение труб в виде коррозийных язв (питтингов) приводит к неравномерному распределению напряжений в стенке газопровода, увеличивая их в местах наиболее глубоких повреждений. Расчетный остаточный ресурс с учетом размеров язвенной (питтинговой) коррозии и действующих напряжений определяют по формуле
h — h
гр _ "пред "шах
где йпрсд — критическая (предельная) глубина дефекта при действующем уровне напряжений и наибольшем размере L коррозийной язвы по ее верхней кромке:
О,19РФ V
0,75а J ’
где 5Н0М — начальная (номинальная) толщина стенки трубы, мм; Рф — фактическое рабочее давление в газопроводе, МПа; от — предел текучести металла трубы, МПа; ак1 — усредненная скорость роста коррозии, мм/г:
max
2 Т9'
и критерию «течь перед разрушением»
Важнейшим фактором, определяющим работоспособность конструкций, является их сопротивлямость воздействию циклических нагрузок. По мере увеличения числа циклов нагружений в металле происходит накопление повреждений в виде образования полос скольжения, скопления дислокаций в зернах и снижения их когезив- 14- 211 ной прочности, что в последующем приводит к зарождению и развитию микро- и макротрещин.
Помимо числа циклических нагружений процесс накопления повреждений определяется механическими характеристиками материала и уровнем действующих напряжений вне зависимости от их природы: как эксплуатационных, так'и остаточных (начальных). Циклические нагрузки могут быть детерминистическими или случайными. Примерами простейших детерминистически* нагрузок являются циклы заполнения и опорожнения резервуаров, пульсация давления в трубопроводах и др. К случайным воздействиям можно отнести ветровые нагрузки, нагрузки от атмосферных осадков, сейсмические волны в грунте при землетрясениях и др.
Так, вертикальные цилиндрические резервуары могут находиться под действием пульсационного давления ветра. Для вертикальных цилиндрических резервуаров характерны малые периоды собственных колебаний, находящихся в области спектра пульсаций скорости ветра. Для полых резервуаров диаметром 46 м и высотой 12 м при толщине стенки 15 мм период основного тона (гармоники) собственных колебаний равен 0,03 с, а для заполненных на всю высоту водой — 0,27 с. Для таких сооружений учитывают низкочастотную часть ветрового спектра [14].
Область разрушения при числе циклов нагружения от 103 до 5105 называется малоцикловой. Она характеризуется тем, что разрушение происходит при числе циклов меньше базового (при котором определяется предел выносливости материала), а напряжения при заданном числе циклов нагружений превышают предел ограниченной выносливости.
В настоящее время используют два основных метода расчета остаточного ресурса при малоцикловых нагрузках: по ГОСТ 25859—83 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках»; по известным закономерностям кинетики развития усталостных трещин в соответствии с канонами механики разрушения.
По ГОСТ 25859-83 выполняют (без учета деградации свойств материалов и др.) расчет ресурса, обеспечивающий получение гарантированного запаса. Расчет сводится к определению коэффициента U, который должен быть меньше единицы:
< 1,
где Nh [Л,] — фактическое и допустимое число циклов нагружений при действии напряжений /-го вида.
Допустимое число циклов нагружений [Л,] определяют по кривой усталости соответствующей марки стали в малоцикловой области. Условно считается, что при достижении U = 1 возможно образование трещин в металлоконструкциях и их ресурс исчерпан. На са- 212
мом деле металлоконструкции до своего разрушения при медленном росте трещин могут работать еще длительное время.
Процесс разрушения конструкций с трещинами является двустадийным. Первая стадия характеризуется стабильным ростом трещин до достижения ими некоторого критического значения. Вторая стадия — лавинообразный рост трещин, приводящий к разрушению конструкции. Соотношение продолжительности этих стадий определяется свойствами конструкционного материала. Для пластичных (вязких) материалов стабильный рост трещины продолжается вплоть до полного разрушения конструкции, при этом в окрестности трещины наблюдаются значительные пластические деформации. Для высокопрочных сталей пластические деформации в зоне трещины минимальны, и ее стабильное развитие прекращается при достижении критического значения.
Наиболее опасная ситуация имеет место при хрупком и квази- хрупком разрушении, когда стадия стабильного развития трещины и сопутствующая пластическая деформация резко уменьшаются и происходит лавинообразное разрушение конструкции, характеризуемое минимальной работой разрушения (см. 11.5). Это состояние может возникнуть при эксплуатации оборудования при низких температурах (ниже минимальных температур, разрешенных для данных марок сталей), при деградации механических свойств, сопровождающейся снижением вязкости разрушения (охрупчивания) материала. В механике разрушения (механике трещин) в качестве основного параметра, определяющего трещиностойкость конструкций, используют коэффициент интенсивности напряжений Къ под которым понимается относительный рост максимальных напряжений в вершине трещины. Коэффициент Кх учитывает размер и форму элемента конструкции 5, протяженность трещины / и уровень номинальных напряжений он, т. е.
К\ = он/Т(/Я).
Процесс разрушения материала под действием циклических напряжений называется усталостью. Закономерности зарождения и роста усталостных трещин рассматривают, используя зависимость ее скорости v = dl/dN от максимального значения К^ или размаха АК коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины.
Графическое представление зависимости скорости роста усталостной трещины от параметра разрушения называется кинетической диаграммой усталостного разрушения (КДУР). Типовая КДУР, построенная в логарифмических шкалах по обеим осям, приведена на рис. 12.3. Область развития трещины ограничивается пороговым (Kth или AKthh значением коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого трещина не растет, и критическим коэффициентом интенсивности напряжений КХа при достижении которого происходит разрушение.
= САКт,
Рцс.12.3. Кинетическая диаграмма
усталостного разрушения:
Л — зона зарождения и начального
роста; В — зона непрерывного роста;
С — зона приближения к статическому
разрушению
В дополнение необходимо отметить, что даже уже возникшие в констукции микроскопические усталостные трещины при определенных условиях могут полностью приостановить свой рост. Например, перераспределением напряжений при пластическом деформировании конструкций, созданием препятствий на пути движения трещины (засверливание, создание зоны термических напряжений) и др.
Полное математическое описание КДУР представляют в виде набора различных уравнений. Средний участок КДУР (зона В), представляющий наибольший интерес для оценки остаточного ресурса, аппроксимируется уравнением где / — длина трещины; N — число циклов нагружения; С, т — экспериментальные константы материала, зависящие в основном от предела текучести [14]; АК — размах коэффициента интенсивности напряжений:
АК = (Кта — Kmin)>
где Ктах, Kmin — максимальное и минимальное значения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины, соответствующие действующим в течение цикла максимальным Стах и минимальным omin напряжениям:
^таах У ^тах VtI , ^min У ^min V
а _ ^тах
ср у» ’
1 э
гДе Нтгх — глубина дефекта в зоне максимальных повреждений, мм; Т — срок службы объекта с начала его эксплуатации, г.
Предельно допустимую глубину дефекта (язвы) ЛП[Х.Д определяют по графику (см. рис. 12.2) при известной протяженности дефекта вдоль трубы L. Тогда остаточный ресурс можно определить из выражения
h — h
гр _ лпред Л/тах
* ост “ •
Например, если для язвенного дефекта 7 (см. рис. 12.2) глубиной 3 мм с протяженностью проекции вдоль оси 135 мм при номинальной толщине стенки трубы 20 мм критическая глубина составляет 7,5 мм, а средняя скорость коррозии на момент обнаружения язвы — 1 мм/г, то определенный в данный момент времени расчетный остаточный ресурс
1
г.
В связи с тем, что вероятность распределения остаточного ресурса здесь не определялась, ресурс назначают, основываясь на расчетной величине Тост, а также степени ответственности объекта и тяжести возможных последствий при его разрушении. Учитывая нестабильность скорости коррозии, ее желательно уточнить в процессе эксплуатации в пределах назначенного ресурса объекта и на этом основании корректировать величину Гост.
Аналогичная по смыслу методика начинает применяться и в нормативно-технических документах, действующих в России. Так, в
Рд 12-411—01 «Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов» указывается, что повреждение труб в виде коррозийных язв (питтингов) приводит к неравномерному распределению напряжений в стенке газопровода, увеличивая их в местах наиболее глубоких повреждений. Расчетный остаточный ресурс с учетом размеров язвенной (питтинговой) коррозии и действующих напряжений определяют по формуле
h — h
гр _ "пред "шах
где йпрсд — критическая (предельная) глубина дефекта при действующем уровне напряжений и наибольшем размере L коррозийной язвы по ее верхней кромке:
О,19РФ V
0,75а J ’
где 5Н0М — начальная (номинальная) толщина стенки трубы, мм; Рф — фактическое рабочее давление в газопроводе, МПа; от — предел текучести металла трубы, МПа; ак1 — усредненная скорость роста коррозии, мм/г:
max
2 Т9'
-
Прогнозирование по трещиностойкости
и критерию «течь перед разрушением»
Важнейшим фактором, определяющим работоспособность конструкций, является их сопротивлямость воздействию циклических нагрузок. По мере увеличения числа циклов нагружений в металле происходит накопление повреждений в виде образования полос скольжения, скопления дислокаций в зернах и снижения их когезив- 14- 211 ной прочности, что в последующем приводит к зарождению и развитию микро- и макротрещин.
Помимо числа циклических нагружений процесс накопления повреждений определяется механическими характеристиками материала и уровнем действующих напряжений вне зависимости от их природы: как эксплуатационных, так'и остаточных (начальных). Циклические нагрузки могут быть детерминистическими или случайными. Примерами простейших детерминистически* нагрузок являются циклы заполнения и опорожнения резервуаров, пульсация давления в трубопроводах и др. К случайным воздействиям можно отнести ветровые нагрузки, нагрузки от атмосферных осадков, сейсмические волны в грунте при землетрясениях и др.
Так, вертикальные цилиндрические резервуары могут находиться под действием пульсационного давления ветра. Для вертикальных цилиндрических резервуаров характерны малые периоды собственных колебаний, находящихся в области спектра пульсаций скорости ветра. Для полых резервуаров диаметром 46 м и высотой 12 м при толщине стенки 15 мм период основного тона (гармоники) собственных колебаний равен 0,03 с, а для заполненных на всю высоту водой — 0,27 с. Для таких сооружений учитывают низкочастотную часть ветрового спектра [14].
Область разрушения при числе циклов нагружения от 103 до 5105 называется малоцикловой. Она характеризуется тем, что разрушение происходит при числе циклов меньше базового (при котором определяется предел выносливости материала), а напряжения при заданном числе циклов нагружений превышают предел ограниченной выносливости.
В настоящее время используют два основных метода расчета остаточного ресурса при малоцикловых нагрузках: по ГОСТ 25859—83 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках»; по известным закономерностям кинетики развития усталостных трещин в соответствии с канонами механики разрушения.
По ГОСТ 25859-83 выполняют (без учета деградации свойств материалов и др.) расчет ресурса, обеспечивающий получение гарантированного запаса. Расчет сводится к определению коэффициента U, который должен быть меньше единицы:
< 1,
где Nh [Л,] — фактическое и допустимое число циклов нагружений при действии напряжений /-го вида.
Допустимое число циклов нагружений [Л,] определяют по кривой усталости соответствующей марки стали в малоцикловой области. Условно считается, что при достижении U = 1 возможно образование трещин в металлоконструкциях и их ресурс исчерпан. На са- 212
мом деле металлоконструкции до своего разрушения при медленном росте трещин могут работать еще длительное время.
Процесс разрушения конструкций с трещинами является двустадийным. Первая стадия характеризуется стабильным ростом трещин до достижения ими некоторого критического значения. Вторая стадия — лавинообразный рост трещин, приводящий к разрушению конструкции. Соотношение продолжительности этих стадий определяется свойствами конструкционного материала. Для пластичных (вязких) материалов стабильный рост трещины продолжается вплоть до полного разрушения конструкции, при этом в окрестности трещины наблюдаются значительные пластические деформации. Для высокопрочных сталей пластические деформации в зоне трещины минимальны, и ее стабильное развитие прекращается при достижении критического значения.
Наиболее опасная ситуация имеет место при хрупком и квази- хрупком разрушении, когда стадия стабильного развития трещины и сопутствующая пластическая деформация резко уменьшаются и происходит лавинообразное разрушение конструкции, характеризуемое минимальной работой разрушения (см. 11.5). Это состояние может возникнуть при эксплуатации оборудования при низких температурах (ниже минимальных температур, разрешенных для данных марок сталей), при деградации механических свойств, сопровождающейся снижением вязкости разрушения (охрупчивания) материала. В механике разрушения (механике трещин) в качестве основного параметра, определяющего трещиностойкость конструкций, используют коэффициент интенсивности напряжений Къ под которым понимается относительный рост максимальных напряжений в вершине трещины. Коэффициент Кх учитывает размер и форму элемента конструкции 5, протяженность трещины / и уровень номинальных напряжений он, т. е.
К\ = он/Т(/Я).
Процесс разрушения материала под действием циклических напряжений называется усталостью. Закономерности зарождения и роста усталостных трещин рассматривают, используя зависимость ее скорости v = dl/dN от максимального значения К^ или размаха АК коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины.
Графическое представление зависимости скорости роста усталостной трещины от параметра разрушения называется кинетической диаграммой усталостного разрушения (КДУР). Типовая КДУР, построенная в логарифмических шкалах по обеим осям, приведена на рис. 12.3. Область развития трещины ограничивается пороговым (Kth или AKthh значением коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого трещина не растет, и критическим коэффициентом интенсивности напряжений КХа при достижении которого происходит разрушение.
= САКт,
Рцс.12.3. Кинетическая диаграмма
усталостного разрушения:
Л — зона зарождения и начального
роста; В — зона непрерывного роста;
С — зона приближения к статическому
разрушению
В дополнение необходимо отметить, что даже уже возникшие в констукции микроскопические усталостные трещины при определенных условиях могут полностью приостановить свой рост. Например, перераспределением напряжений при пластическом деформировании конструкций, созданием препятствий на пути движения трещины (засверливание, создание зоны термических напряжений) и др.
Полное математическое описание КДУР представляют в виде набора различных уравнений. Средний участок КДУР (зона В), представляющий наибольший интерес для оценки остаточного ресурса, аппроксимируется уравнением где / — длина трещины; N — число циклов нагружения; С, т — экспериментальные константы материала, зависящие в основном от предела текучести [14]; АК — размах коэффициента интенсивности напряжений:
АК = (Кта — Kmin)>
где Ктах, Kmin — максимальное и минимальное значения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины, соответствующие действующим в течение цикла максимальным Стах и минимальным omin напряжениям:
^таах У ^тах VtI , ^min У ^min V