Основы технической диагностики нефтегазового оборудования
..pdfВ связи с тем, что вероятность распределения остаточного ресур са здесь не определялась, ресурс назначают, основываясь на расчет ной величине Тост, а также степени ответственности объекта и тяже сти возможных последствий при его разрушении. Учитывая неста бильность скорости коррозии, ее желательно уточнить в процессе эксплуатации в пределах назначенного ресурса объекта и на этом ос новании 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 по вреждение труб в виде коррозийных язв (питтингов) приводит к не равномерному распределению напряжений в стенке газопровода, увеличивая их в местах наиболее глубоких повреждений. Расчетный остаточный ресурс с учетом размеров язвенной (питтинговой) кор розии и действующих напряжений определяют по формуле
где йпрсд — критическая (предельная) глубина дефекта при действую щем уровне напряжений и наибольшем размере L коррозийной язвы по ее верхней кромке:
(ОД9А V" |
|
Лпрсд - S „ 0 M - |
J > |
где .S’,,™ — начальная (номинальная) |
толщина стенки трубы, мм; |
Рф— фактическое рабочее давление в газопроводе, МПа; ат — пре дел текучести металла трубы, МПа; ак1— усредненная скорость роста коррозии, мм/г:
_ _ Л !ШХ + L |
1 |
u k t --------- ~ |
rr |
12.4.Прогнозирование ресурса по трещиностойкости
икритерию «течь перед разрушением»
Важнейшим фактором, определяющим работоспособность кон струкций, 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 разви тию микро- и макротрещин.
Помимо числа циклических нагружений процесс накопления повреждений определяется механическими характеристиками мате риала и уровнем действующих напряжений вне зависимости от их природы: как эксплуатационных, так'и остаточных (начальных). Циклические нагрузки могут быть детерминистическими или слу чайными. 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, сейс мические 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 собствен ных 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) собствен ных колебаний равен 0,03 с, а для заполненных на всю высоту во дой — 0,27 с. Для таких сооружений учитывают низкочастотную часть ветрового спектра [14].
Область разрушения при числе циклов нагружения от Ю3 до 5105 называется малоцикловой. Она характеризуется тем, что разрушение происходит при числе циклов меньше базового (при котором опре деляется предел выносливости материала), а напряжения при задан ном числе циклов нагружений превышают предел ограниченной вы носливости.
В настоящее время используют два основных метода расчета ос таточного ресурса при малоцикловых нагрузках: по ГОСТ 25859-83 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на проч ность 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 гаран тированного запаса. Расчет сводится к определению коэффициента U, который должен быть меньше единицы:
< 1,
I =i [N,]
где Nh [TV,] — фактическое и допустимое число циклов нагружений при действии напряжений /-го вида.
Допустимое число циклов нагружений [Л^] определяют по кри вой усталости соответствующей марки стали в малоцикловой облас ти. Условно считается, что при достижении U = 1 возможно образо вание 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 двуста дийным. Первая стадия характеризуется стабильным ростом трещин до достижения ими некоторого критического значения. Вторая ста дия — лавинообразный рост трещин, приводящий к разрушению конструкции. Соотношение продолжительности этих стадий опреде ляется свойствами конструкционного материала. Для пластичных (вязких) материалов стабильный рост трещины продолжается вплоть до полного разрушения конструкции, при этом в окрестности тре щины наблюдаются значительные пластические деформации. Для высокопрочных сталей пластические деформации в зоне трещины минимальны, и ее стабильное развитие прекращается при достиже нии критического значения.
Наиболее опасная ситуация имеет место при хрупком и квазихрупком разрушении, когда стадия стабильного развития трещины и сопутствующая пластическая деформация резко уменьшаются и про исходит лавинообразное разрушение конструкции, характеризуемое минимальной работой разрушения (см. 11.5). Это состояние может возникнуть при эксплуатации оборудования при низких температу рах (ниже минимальных температур, разрешенных для данных марок сталей), при деградации механических свойств, сопровождающейся снижением вязкости разрушения (охрупчивания) материала. В меха нике разрушения (механике трещин) в качестве основного парамет ра, определяющего трещиностойкость конструкций, используют ко эффициент интенсивности напряжений Кь под которым понимает ся относительный рост максимальных напряжений в вершине трещины. Коэффициент Кхучитывает размер и форму элемента кон струкции 5, протяженность трещины / и уровень номинальных на
пряжений о„, т. е.
= а н/(/,Я).
Процесс разрушения материала под действием циклических на пряжений называется усталостью. Закономерности зарождения и роста усталостных трещин рассматривают, используя зависимость ее скорости v = dl/dN от максимального значения Ктах или размаха АК коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины.
Графическое представление зависимости скорости роста устало стной трещины от параметра разрушения называется кинетической диаграммой усталостного разрушения (КДУР). Типовая КДУР, по строенная в логарифмических шкалах по обеим осям, приведена на рис. 12.3. Область развития трещины ограничивается пороговым (Kth или AKth) значением коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого трещина не растет, и критическим коэффициентом интенсивности напряжений К1с9 при достижении которого происхо дит разрушение.
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 опреде ленных условиях могут полностью приостановить свой рост. Напри мер, перераспределением напряжений при пластическом деформи ровании конструкций, созданием препятствий на пути движения трещины (засверливание, создание зоны термических напряжений) и др.
Полное математическое описание КДУР представляют в виде на бора различных уравнений. Средний участок КДУР (зона В), пред ставляющий наибольший интерес для оценки остаточного ресурса, аппроксимируется уравнением
— = С К ^ = САКт, dTV
где / — длина трещины; N — число циклов нагружения; С, т — экс периментальные константы материала, зависящие в основном от предела текучести [14]; АК — размах коэффициента интенсивности напряжений:
АК — (Ктах — Kmin)',
где Ктах, Kmin — максимальное и минимальное значения коэффици ентов интенсивности напряжений в вершине трещины, соответст вующие действующим в течение цикла максимальным а тах и мини мальным omin напряжениям:
^тах У^тах VTLZ , ^ min У^minVTC7,
где у — коэффициент, зависящий от геометрии трещиноподобного дефекта и толщины элемента конструкции, для стального листа с трещиной на краю у = 1,12.
214
Расчет остаточного числа циклов до разрушения при наличии распространяющихся усталостных трещин выполняют путем интег рирования уравнения скорости роста трещины в пределах ее разви тия от начальной /0 до критической /к длины.
Заменим АК = y jn l (amax - a min) = у Vn7 До. Разделим переменные и проинтегрируем:
1 d/
сIN
тт 9
Сп2у тАот 12
N |
|
1 |
d/ |
||
JdW |
|||||
т |
J |
т |
|||
О |
|
||||
|
С п^утАот '° Р |
||||
|
|
||||
Условно обозначим х |
= ---- , тогда интеграл преобразуется к таб |
||||
личному и его решение примет вид |
|
|
|||
N = |
|
2 |
Г 1 |
1 |
|
|
/П |
/(т-2)/2 |
/(m-2)/2 * |
||
С(2 - т)к2 у тАо т |
_lk |
О |
|||
Данную формулу используют при высокочастотном нагружении и большом числе циклов нагружений при действии сравнительно малых напряжений (обычная усталость), когда усталостные повре ждения накапливаются параллельно с повреждениями от ползуче сти. Сосуды, аппараты и трубопроводы нефтегазовой промышлен ности в течение своего жизненного цикла испытывают обычно ма лое число циклов нагружений (от нескольких сотен или тысяч) с медленной скоростью. При этом процесс накопления поврежде ний, приводящих к последующему разрушению, является в основ ном следствием ползучести (малоцикловая усталость). Поэтому для условий ползучести и малоцикловой усталости принимают п = О,
^ ^ т а х > ^ ^тах*
Начальную длину /0 можно принять: равной нулю, если объект новый и нет других данных; по данным УЗК или измерительного контроля; равной 1...2,2 мм — размеру трещины, пропускаемому большинством методов НК.
Конечную длину трещины /к, при которой происходит долом конструкции, определяют из условия
отсюда
/,К
п
Критический коэффициент интенсивности напряжений К1с оп ределяют по результатам соответствия испытаний ГОСТ 25.506—85 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испыта ний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вяз кости разрушения) при статическом нагружении».
Пример. Имеется резервуар, работающий под давлением, макси мальные напряжения в стенке а тах = 300 МПа, критический коэф фициент интенсивности напряжений КХс = 100 МПам1/2.
Тогда
Предположим, что в сероводородной среде из-за охрупчивания К1с уменьшился до 50 МПа м1/2. Тогда
Раскрытие трещины, предшествующее полному разрушению, может привести к разгерметизации конструкции, что для технологи ческого оборудования в большинстве случаев является недопусти мым. Для обеспечения герметичности необходимо, чтобы длина тре щины не превышала толщину стенки конструкции. Условие трещи ностойкости по критерию «течь перед разрушением» может быть записано в виде
где S — толщина стенки элемента; пе— коэффициент запаса по кри тическому размеру дефекта.
12.5. Оценка ресурса по коэрцитивной силе
Согласно представлениям энергетической теории прочности, каждый материал характеризуется своим значением удельной энер гии разрушения. При этом считается, что удельная энергия разру шения не зависит от способа подвода энергии. Для оценки оста-
точного ресурса необходимо знать две величины: предельное зна чение энергии разрушения для данного материала и текущее значение поглощенной энергии. Одним из таких методов, позво ляющих оценить величину поглощенной энергии, является метод оценки по величине коэрцитивной силы, относящийся к магнитному виду неразрушающего контроля. Установлено, что для ряда конст рукционных сталей, относящихся к классу разупрочняемых, с уве личением энергии, затраченной на накопление дефектов и повреж дений, одновременно растет и коэрцитивная сила, являющаяся энергетической характеристикой. Работы последних лет в области магнитного контроля напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса металлоконструкций различных объектов по зволили установить тесную корреляционную связь (коэффициент корреляции > 0,9) зависимости изменения коэрцитивной силы Нс с механическими свойствами конструкционных сталей (углероди стых СтЗ, Ст20, Ст65, малолегированных 09Г2С, 10ХСНД, 17Г1С
идр.), с нагруженностью конструкций и накоплением ими повреж дений*. Это объясняется единством природы намагничивания ме талла, упругопластической деформации, накопления повреждений
ироста коэрцитивной силы.
Установлено, что запас энергии, затрачиваемой на накопление повреждений и разрушений, и соответствующая величина коэрци тивной силы Нс примерно одинаковы для исследованных марок конструкционных сталей как при статическом, так и при перемен ном, циклическом (усталостном) нагружении. Этот факт является экспериментальным подтверждением энергетической теории разру шения, позволяющей определить базовые параметры для контроля за состоянием металла магнитным методом по величине коэрцитив ной силы. В зависимости от состояния стали различают:
Я с° — исходное значение коэрцитивной силы; в отожженном со
стоянии |
Я с° - минимальное для каждой марки стали; |
Н] |
— значение силы, соответствующее уровню внутренних на |
пряжений, равных пределу текучести стали ат; Я св — значение силы, соответствующее достижению предела ста
тической прочности стали ав; Я уст — значение силы, соответствующее достижению предела
усталостной прочности.
Величины коэрцитивной силы для некоторых марок сталей в различных состояниях приведены в табл. 12.1. Порядок измере ния коэрцитивной силы и соответствующая аппаратура рассмотре ны в 7.7.
* См.: Попов Б.Е. и др. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением // Безопасность труда в промышленности. — М., 2001. — № 3. — С. 25 — 30.
Марка стали |
|
Коэрцитивная сила, А/см |
|
||
Я» |
ЯСТ |
Я? |
н Г |
||
|
|||||
СтЗ |
2,0 |
5,3 |
6,0 |
5,8 |
|
09Г2С |
4,0 |
7,8 |
9,5 |
9,5 |
|
10ХСНД |
5,0 |
11,5 |
14.5 |
13,5 |
|
20 |
4,5 |
10,5 |
13,5 |
13,0 |
|
дс |
5,0...6,0 |
8,0...8,5 |
10,0...11,0 |
9,5...10,5 |
|
В первом приближении остаточный ресурс может быть оценен отношением H J H I. При приближении этого отношения к единице
остаточный ресурс уменьшается до нуля. Более точно оценить ос таточный ресурс можно по номограммам для соответствующей марки стали, приведенным в РД ИКЦ «КРАН» 009-99 «Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, при проведении экс пертизы промышленной безопасности». Так, на рис. 12.4 приведе ны номограммы для контроля малоцикловой усталости и остаточ ного ресурса конструкций из сталей ВСтЗспЗ, 09Г2С, ДС. По вер тикали номограмм откладывается число циклов нагружений N, по горизонтали — максимальное значение коэрцитивной силы метал ла контролируемого объекта # стах, А/см. В качестве примера оце ним остаточный ресурс сосудов-воздухосборников I и II, результа ты контроля которых приведены на рис. 7.14. В соответствии с но мограммой для стали ВСтЗсп5 (см. рис. 12.4) воздухосборник II, максимальное значение коэрцитивной силы в котором составляет
# стах = 5,6 А/см, находится в критическом режиме и его эксплуата-
Рис. 12.4. Номограммы для контроля остаточного ресурса сосудов под давлением по величине коэрцитив ной силы
ция должна быть прекращена. Воздухосборник I с Ястах = 3,5 А/см может работать и далее без ограничений по рабочим параметрам и остаточному ресурсу.
При наличии ретроспективных данных о величине коэрцитив ной силы и соответствующей наработке чисел циклов нагружений между измерениями остаточный ресурс рассчитывается аналитиче ски по следующей методике. Зависимость, связывающая текущее значение коэрцитивной силы Нс с ее исходным значением Я с° и
соответствующим числом циклов нагружений N, аппроксимируется уравнением
Нс = Яс° + ЬInN,
где b — коэффициент, определяющий скорость роста Нс. Выразив из последнего выражения N, получим
N = С{ ехр(С2Яс),
где Сх и С2 — постоянные, определяемые из решения системы трех уравнений с тремя неизвестными (Я0, С{ и С2), получаемые после подстановки результатов трех измерений коэрцитивной силы Яс/ с интервалами AN2и AЯ3: (Я0, Яс1), (N0 +AN2, Яс2), (N0 +АЯ3, Яс3); N0 - число циклов нагружений, соответствующее первому измерению ко эрцитивной силы Яс1.
Предельно допустимое число циклов нагружений получают из уравнения
Я доп = С{ ехр(С2Ясв).
Остаточный ресурс в числах циклов нагружения определют из выражения
дг |
= дг - N |
i T OCT |
iV flon |
Результаты измерения коэрцитивной силы могут быть использо ваны также для проверки соответствия фактического напряженного состояния допускаемым напряжениям по условию прочности или устойчивости, установленным соответствующими нормативными до кументами. Проверку выполняют по условию
Я < Я кр
где Яскр — критическая величина коэрцитивной силы, соответствую щая допускаемому напряжению и определяемая по номограмме (см. рис. 7.11).
12.6. Оценка ресурса по состоянию изоляции
Состояние изоляционного покрытия является важнейшим фак тором, определяющим ресурс оборудования, работающего в агрес сивных средах. В первую очередь этот фактор актуален для стальных подземных газо- и нефтепроводов и хранилищ. Считается, что при нарушении целостности изоляции возникает интенсивная коррозия, приводящая к ускоренному исчерпанию ресурса.
Методику оценки остаточного ресурса по состоянию изоляцион ного покрытия рассмотрим на примере подземных газопроводов (по РД 12-411—01 «Инструкция по диагностированию технического со стояния подземных стальных газопроводов»). Оценка состояния изо ляционного покрытия производится по следующим параметрам: внешнему виду покрытия (наличие, расположение, площадь сквозных повреждений), характеру покрытия (бугристость, наличие трещин, толщина по периметру, наличие обертки); адгезии (прочности соеди нения) с основным материалом, величина которой определяется по методикам, предусмотренным приложением Б ГОСТ Р51164—98; величине переходного сопротивления между изоляцией и основным металлом.
Критериями предельного состояния изоляции являются ее меха нические свойства и электропроводимость, наличие отслоений и сквозных повреждений, прочность соединения изоляционного по крытия с металлом. Комплексным интегральным показателем со стояния изоляционного покрытия, прогнозируя который можно оп ределить его остаточный ресурс, является величина переходного со противления.
Переходным сопротивлением изоляционного покрытия называется электрическое сопротивление единицы площади покрытия в цепи труба—покрытие—электролит. Величина переходного сопротивления R определяется по методу, приведенному в 8.2, или с помощью ме гомметра, например типа М1101М или другого с килоомной шкалой и напряжением 100 В. Одновременно определяется удельное электри ческое сопротивление грунта в месте расположения диагностируемого участка газопровода.
Состояние изоляционного покрытия оценивается по фактиче скому переходному сопротивлению в сравнении с критическим (предельным) RKзначением конечного переходного сопротивления труба—грунт. Критическое (предельное) переходное сопротивление на диагностируемом участке газопровода вычисляется решением трансцендентного уравнения
где рг — удельное электрическое сопротивление грунта, Омм; D — наружный диаметр трубопровода, м; S — толщина стенки трубы, м;