Оценка ресурса конструкции при наличии дефектов

Многие ответственные конструкции (например, магистральные трубопроводы) работают в условиях малоциклового нагружения. Ориентировочное число циклов нагружения нефтепровода за 30 лет эксплуатации составляет 10⁴. При выявлении дефектов в трубопроводе возникает необходимость оценки их опасности. Ремонтные работы связаны с большими расходами и риском новых повреждений трубопровода. Расчетная оценка ресурса дефектного участка позволяет принять решение о возможности продолжения его эксплуатации.

В случае так называемого объемного дефекта, возникшего в результате механического или коррозионного повреждения, основную часть ресурса составляет период до возникновения в дефекте усталостной трещины. Для его оценки необходимо рассчитать поврежденность в зоне дефекта за цикл нагружения на основе конечноэлементного моделирования циклического нагружения конструкции. На рис. 70 показан фрагмент конечноэлементной модели участка трубы с объемным дефектом, а на рис. 71 – циклы напряжений и деформаций в опасной точке у дна дефекта (для случая пульсирующего нагружения внутренним давлением).

Рис. 70. Распределение циклической пластической деформации в трубопроводе с объемным дефектом: а - дефект, б - наиболее опасный участок дна дефекта

a б

Рис. 71. Циклы напряжений (а) и деформаций (б) в опасной точке у дна дефекта

При моделировании НДС необходимо использовать теорию пластичности с эффектом Баушингера и предусмотреть учет двух точек реверса нагрузки: при максимальном и минимальном давлении. Поскольку объемность НДС в опасной точке невысокая (j = 0,5), предельная пластичность стали 15Х2МФА составляет . Тогда, согласно формуле (4), при размахе пластической деформации (остальная часть деформации упругая) страгивание усталостной трещины произойдет через 4000 циклов, то есть через 12 лет. Этот срок необходимо отсчитывать от момента возникновения дефекта или, если этот момент неизвестен, от начала эксплуатации участка с обнаруженным дефектом. При неровной поверхности дефекта, которую можно воспроизвести на модели, происходит существенное повышение объемности НДС и соответствующее снижение пластичности и долговечности дефектного участка. В случае совместного действия усталости и коррозионной среды необходимо экспериментальное определение параметров, входящих в формулу (4).

Достоверность выявления дефектов

Современные методы неразрушающего контроля позволяют обнаружить лишь часть дефектов. Вероятность обнаружения дефектов зависит от материала, конфигурации элемента конструкции, формы и местоположения дефекта, методики испытаний, квалификации оператора и других факторов. Статистическая оценка этой вероятности обычно принимается как отношение числа обнаруженных дефектов при контроле заданным методом к общему числу испытаний.

К сожалению, систематизированные данные по выявляемости дефектов весьма ограничены. В литературе наиболее полно представлены результаты исследования выявляемости дефектов при ультразвуковом контроле сварных соединений толстостенных конструкций применительно к объектам атомной энергетики (рис. 72).

Рис. 72. Выявляемость дефектов при ультразвуковом контроле сварных соединений толстостенных конструкций атомной энергетики

Представленные данные из различных источников образуют компактную группу кривых. По наименее консервативной оценке, с 80% вероятностью С 95% вероятностью выявляются дефекты не менее 20 мм. Вероятность обнаружения дефекта размером 2 мм не превышает 10%.

Достоверность ультразвукового контроля конструкций из аустенитного материала может оказаться еще ниже (рис. 73).

Рис. 73. Выявляемость дефектов при ультразвуковом контроле сварных конструкций из аустенитного материала

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что с вероятностью 5% возможен пропуск дефектов весьма крупных размеров, вплоть до 40-50 мм. Если же этот дефект – трещина, и ее берега плотно сжаты, то обнаружить ее рентгеновским методом невозможно, а с помощью УЗК очень трудно при любых размерах. Это показывает важную роль выявляемости дефектов при контроле качества сварных соединений в проблеме обеспечения надежности конструкций.

Распределение размеров дефектов, пропущенных при контроле, зависит не только от выявляемости дефектов, но также от исходной степени засоренности шва дефектами и функции распределения их размеров.

Программный комплекс «Ресурс сварных газопроводов»

В процессе эксплуатации сварных конструкций случаются разрушения сварных соединений. Для их предотвращения периодически проводят диагностическое обследование сварных соединений. При этом очень часто выявляют дефекты различных видов, в том числе наиболее опасные трещиноподобные. В соответствии с действующими руководящими документами Газпрома, эксплуатация газопроводов при наличии трещиноподобных дефектов запрещается. По мере совершенствования методов контроля частота выявления дефектов увеличивается. В связи с этим возникают технические и экономические проблемы с выполнением все увеличивающегося объема ремонта.

В период до первой плановой диагностики трубопровод считается бездефектным. Основанием этому служат результаты нескольких этапов контроля качества сварных соединений в период изготовления газопровода до ввода в эксплуатацию. Дефекты, выявленные при очередном обследовании могут иметь следующие причины появления:

1. Образование дефектов в процессе изготовления и пропуск их при выходном контроле и предыдущих обследованиях. Вероятность пропуска дефекта связана с несовершенством методов контроля в «человеческом факторе» - нарушениях технологии контроля.

2. Появление дефектов в процессе монтажа и последующей эксплуатации, например, усталостных трещин при циклических нагрузках в места острых углов перехода от усиления швов к основному металлу.

При обнаружении недопустимых дефектов возникает дилемма: ремонтировать дефектный участок непосредственно после контроля или продолжить эксплуатацию трубопровода, поскольку в период до контроля трубопровод с дефектами сохранял работоспособность. Требуется определить период безопасной эксплуатации, т.е. определить ресурс газопровода с дефектами.

При таком подходе допустимыми являются любые дефекты, которые не вызовут его разрушения за продлеваемый срок эксплуатации, в том числе растущие трещины. Для реализации такого подхода были разработаны руководящие документы по расчету ресурса сварных конструкций с дефектами. Они имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение на практике.

1) Методические документы содержат большое количество математических моделей в виде формул и таблиц, по которым необходимо проводить расчеты. Выполнение расчетов, как правило, требует высокой квалификации пользователя, нередко на уровне квалификации разработчика документа. Это ограничивает использование документов в производственных условиях. В лучшем случае результаты расчетов представлены в виде таблиц или номограмм для узкой номенклатуры изделий. Эти результаты имеют дискретный характер и не являются универсальными.

2) В формулах нет возможности учесть все многочисленные факторы, определяющие ресурс, из-за естественного ограничения количества операций при выполнении индивидуальных расчетов. Также нет возможности включить в документы расчетные операции с использованием компьютерных методов. При этом резко возрастает вероятность ошибок на отдельных этапах расчета, что может привести к неверным окончательным результатам.

Для исключения этих недостатков необходимо заменять формулы в документах на программные средства, обеспечивающие проведение всех расчетов, как простых, так и сложных.

В МГТУ им. Н.Э.Баумана разработан программный комплекс «Ресурс сварных газопроводов», позволяющий определять ресурс с учетом всех известных факторов, влияющих на развитие дефектов до критических размеров.

Комплекс состоит из блоков ввода исходных данных, проведения расчетов и представления полученных результатов.

В состав исходных данных входят габариты и материал газопровода (рис. 74), тип, размеры и расположение дефектов (рис.75 и 76), а также действующие нагрузки и сроки эксплуатации (рис.77 и 78).

Рис. 74. Данные материалов сварных соединений газопровода

Рис. 75. Тип и расположение дефектов в газопроводе

Рис. 76. Размеры дефектов в газопроводе

Рис. 77. Нагрузки в газопроводе

Рис. 78. Напряжения в газопроводе

Предусмотрена возможность учета результатов экспериментального замера напряжений в основном металле трубопровода (например, ультразвуковым методом) в нескольких точках по периметру (рис. 79).

Рис. 79. Результаты измерения напряжений в газопроводе

В расчетном блоке с использованием закономерностей теорий упругости, пластичности и линейной механики разрушения выполняется расчет напряжений от всех эксплуатационных нагрузок, а также от сварочных напряжений. Определяются параметры кинетики развития дефектов (время и количество циклов переменной нагрузки) до наступления различных предельных состояний: слияния дефектов, выхода на поверхность, образования сквозного дефекта и разрушения (рис. 80).

Рис. 80. Этапы роста дефекта

Компьютерный комплекс «Ресурс» рассчитан на использование инженерами, выполняющими диагностическое обследование трубопроводов, владеющие компьютерной техникой, способные квалифицированно задать исходные данные для расчета и правильно воспользоваться результатами расчета. Доступ пользователя даже опытному программисту в расчетную часть комплекса не предусмотрен из-за опасности внесения ошибок в расчет и сбоя в работу компьютерных процедур программы. Безошибочность расчетов обеспечена многократным тестированием программы и гарантируется разработчиками.

Расчеты с помощью программного комплекса «Ресурс» позволяют определить следующие показатели прочности и остаточного ресурса участка сварного газопровода, в том числе при наличии дефектов:

- при статической нагрузке: максимально допустимые эксплуатационные нагрузки; максимально допустимые размеры дефекта; запас прочности; остаточный ресурс при номинальной нагрузке с учетом деградации свойств материала и коррозионного роста дефектов за период эксплуатации;

- при циклической нагрузке: число циклов эксплуатационной нагрузки (или время эксплуатации в годах), при которых начинается рост трещин от дефектов; остаточный ресурс до образования сквозного дефекта или перехода дефекта к нестабильному росту.

Показатели прочности и остаточного ресурса рассчитывают для участка в целом, а также для каждого сечения с обнаруженными дефектами. Эти показатели служат основаниями для принятия решения о продлеваемом ресурсе участка газопровода, о порядке проведения ремонтных работ, а также для корректировки норм допустимых размеров дефектов и требований к чувствительности диагностической аппаратуры.

Достоверность результатов проведенных расчетов определяется достоверностью, полнотой и точностью введенных исходных данных. Достоверность результатов диагностического обследования зависит от методов контроля и параметров диагностической аппаратуры, которые должны быть указаны в протоколе результатов обследования участка газопровода. При неполноте вводимых данных о нагрузках и размерах дефектов в программном комплексе «Ресурс» применен консервативный подход, согласно которому принимаются наихудшие из возможных значений отсутствующих исходных данных, что приводит к завышению оценки опасности разрушения и занижению значения остаточного ресурса участка газопровода.

В случае, если прогнозируемый остаточный ресурс участка газопровода меньше установленного или продлеваемого срока службы, для подтверждения полученных результатов рекомендуется проведение повторного расчета для тех сечений участка газопровода, в которых, согласно прогнозу, остаточный ресурс не обеспечен. Расчет проводят на основе повторного более точного определения размеров дефектов, характеристик материала и параметров нагрузки. Уточнение данных ведет к снижению консервативности расчета и повышению прогнозируемого значения остаточного ресурса участка газопровода. Результаты повторного расчета принимают как окончательные.

Основные идеи, заложенные в «Ресурс»

1. Параллельное создание нормативного документа, являющегося юридическим основанием для использования программы, и программы, реализующей решение задач, поставленных в документе.

2. Сокрытие от пользователя сложности расчетного аппарата. Человек должен вводить данные, за которые он может отвечать и получать результаты, которые он понимает и способен использовать. Для работы не требуется квалификация в области программирования и методов компьютерного моделирования.

3. Документирование всех введенных данных и выданных результатов для возможности анализа причин выявленных ошибок.

4. Минимальные требования к исходным данным: попытка дать хотя бы какой-нибудь результат расчета при недостатке вводимой информации.

5. Консервативный принцип: чем больше исходных данных, тем менее консервативный результат расчета. При отсутствии элемента данных предполагается наихудшее из его возможных значений.

6. Подготовительная работа с учетом потребностей пользователя: накопление в банке данных всей необходимой и труднодоступной справочной информации (например, свойств материалов и моделей сечений с дефектами).

7. Использование, по возможности, простых формул и переход, при необходимости, к более сложным и трудоемким расчетам численными методами. И те, и другие расчеты проводятся компьютерной программой, пользователь только вводит запрашиваемые данные.

8. Использование универсального программного обеспечения для решения узких задач. Ограничения на интервал значений вводимых параметров и всестороннее тестирование программы в пределах этих ограничений.

9. Построение большого числа специализированных моделей вместо одной универсальной. Выбор наиболее подходящей модели с учетом значений введенных пользователем параметров.

10. Поэтапное решение задачи. Разбиение исходных данных на блоки, проведение части расчетов после ввода очередного блока и выдача промежуточных результатов для проверки правильности хода решения. Весь ход решения определяется программой, но допускает изменение порядка действий для квалифицированного пользователя.

11. Ввод и вывод данных в единицах, удобных для пользователя.

12. Сохранение решенных задач для возможности их повторного анализа и проведения параметрических исследований. вные идеи, заложенные в ресурс00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000