Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам

Методология прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого в условиях циклического нагружения, на стадии проектирования и эксплуатации

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

  Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

В третьей главе описаны результаты исследований, характеризующие из-менения поверхностных свойств материалов, поскольку поверхность является той областью, в которой начинается процесс разрушения. Приводятся сведения об из-менениях поверхностной энергии и магнитных характеристик стали при накоплении усталостных повреждений. В качестве материала для испытаний была выбрана сталь 09Г2С, как одна из наиболее часто применяемых марок стали для аппаратов нефтеперерабатывающих предприятий.

В целях определения влияния уровня накопленных усталостных повреждений на поверхностную энергию проведены испытания на усталость образцов плоского типа по схеме чистого симметричного изгиба с отслеживанием изменения угла смачивания поверхности.

Капля жидкости, в качестве которой была использована дистиллированная вода, наносилась при помощи стационарно установленного дозатора на предварительно обезжиренную поверхность после остановки установки и приведения образца в исходную позицию. Регистрация угла смачивания производилась с помощью цифрового фотоаппарата с последующей компьютерной обработкой результатов.

Рисунок 7 - Фотографии, иллюстрирующие изменение краевого угла смачивания по-верхности стали 09Г2С при повышении уровня накопления усталостных повреждений

Эксперименты показали, что при усталостном нагружении краевой угол смачивания уменьшается (рисунок 7).

Поверхностная энергия определялась с использованием краевого угла смачивания по методике, описанной в трудах А. Адамсона, Е.Д. Щукина, Б.Д. Сумма и других исследователей по формуле:

Fs = ?тжХS, (2)

где ?тж - поверхностное натяжение твердое тело - жидкость, Дж/м2;

S - площадь контакта с твердой поверхностью, м2.

Поверхностное натяжение жидкости оценивалось по уравнению Юнга:

?тг = ?тж + ?жг cos ?, (3)

отсюда ?тж = ?тг - ?жг cos ? , (4)

(5)

где ? - краевой угол смачивания, град;

?тг - поверхностное натяжение твердое тело - газ, Дж/м2;

?жг - поверхностное натяжение твердое тело - жидкость, Дж/м2.

?жгd - диспергированное поверхностное натяжение газ-жидкость.

Используя вышеприведенную методику, построены зависимости поверхностной энергии сталей от уровня накопления усталостных повреждений, приведенные на рисунке 8, которые показывают увеличение данного параметра.

а б

Рисунок 8 - Зависимость поверхностной энергии стали 09Г2С (а) и 12Х18Н10Т (б) от уровня накопления усталостных повреждений

Для установления зависимости градиента поверхностной энергии от уровня накопления усталостных повреждений при разных значениях напря-женно-деформированного состояния образцов эксперименты проводились в следующем диапазоне создания деформации ? = 0,05 ? 0,4. Минимальное значение изменения поверхностной энергии от исходного состояния до разрушения (Fs разр - Fs исх) составило (4,5 0,1)?10-7 Дж, а максимальное - (7,0 0,1) ?10-7 Дж. Результаты экспериментов показали, что с повышением деформации происходит снижение градиента поверхностной энергии.

Для получения более точных расчетов на прочность при малоцикловых нагрузках в данной работе решалась задача по уточнению формул, используемых в ГОСТ 25859-83, введением в них поправочных коэффициентов. Согласно данного документа, допускаемая амплитуда напряжений [?А] определяется по формуле (6)

, (6)

где nN - коэффициент запаса прочности по числу циклов nN = 10;

n? - коэффициент запаса прочности по напряжениям n? = 2;

А, В - характеристика материала, МПа;

N - количество циклов нагружения;

t - температура, 0С.

Критическое состояние эксплуатации оборудования возникает при максимальных напряжениях, приводящих к разрушению. Учитывая, что максимальное напряжение соответствует значениям, полученным по данной формуле без коэффициентов запаса, исключив их, получаем:

. (7)

Чтобы заменить величину N функцией, учитывающей уровень накопленных ус-талостных повреждений материала конструкции, была использована формула, полу-ченная из зависимости изменения косинуса угла смачивания поверхности металла:

, (8)

где m и p - коэффициенты, зависящие от типа применяемой в экспери-ментах жидкости для определения угла смачивания.

Отсюда количество циклов N:

(9)

Подставляя формулу (9) в формулу (7) получаем:

(10)

Сравнивая значения, рассчитанные по данной формуле, с эксперимен-тальными значениями, определяем поправочный коэффициент:

(11)

Таким образом, уточненная формула принимает следующий вид:

. (12)

Расчет амплитуды напряжения необходимо начинать с построения зависимости косинуса краевого угла смачивания от количества циклов нагружения по результатам экспериментальных данных. Полученная функция (линия тренда) для стали 09Г2С, с использованием дистиллированной воды представлена в виде формулы:

, (13)

где N - количество циклов нагружения;

cos ? - краевой угол смачивания.

Поправочный коэффициент, полученный отношением экспериментальной зависимости количества циклов до разрушения от амплитуды напряжений (кривая Велера) применительно для данной стали к расчетной дает следующее выражение:

. (14)

Из (13) следует, что формула для определения количества циклов нагружения будет иметь следующий вид:

. (15)

Подставляя формулу (14) в (12) получаем следующее выражение:

(16)

Коэффициенты p и m для дистиллированной воды нанесенной на сталь 09Г2С равны, соответственно 0,2597 и 4?10-5. Отсюда окончательная формула примет вид:

(17)

Рисунок 9 - Зависимость количества циклов до разрушения от амплитуды напряжений стали 09Г2С

Сравнительные графики изменения количества циклов до разрушения от ам-плитуды напряжений стали 09Г2С, полученные по методике ГОСТ 25859-83, экспе-риментальные и рассчитанные по уточненной, с учетом поправочных коэффициентов, формуле, представленные на рисунке 9 показывают, что результаты, полученные по уточненной формуле, более точно соответствуют экспериментальным данным.

Дальнейшие исследования были направлены на установление влияния уровня накопленных повреждений в материале на изменение магнитных характеристик в области упругих деформаций. С этой целью образцы плоского типа предварительно были подвержены разным уровням накопления усталостных повреждений в области малоцикловых нагрузок, затем каждый из них статически нагружался симметричным изгибом = 0 ? 0,28 % с шагом 0,04, и при каждом уровне нагружения выполнялись измерения Hn, G. По результатам исследований строились петли магнитоупругого гистерезиса - зависимости G = f (?) и Hn = f (?). Из них наибольшую информативность показали характеристики G = f (?). В качестве иллюстрации на рисунке 10, а и 10, б соответственно представлены зависимости G = f (?) для исходного состояния металла и при уровне поврежденности Ni/Nр = 0,94.

По петлям магнитоупругого гистерезиса произведен расчет площадей в про-грамме Geosoft, по которым строились зависимости SG = f (Ni/Nр) (рисунок 11).

а б

Рисунок 10 - Зависимость изменения градиента напряженности магнитного поля от относительной деформации при разном уровне накопленных повреждений

(а - Ni/Nр = 0; б - Ni/Nр = 0,94)

Рисунок 11 - Зависимость площади петли магнитоупругого гистерезиса

от уровня накопления усталостных повреждений

Установлено, что снижение площади носит циклический характер, что можно объяснить стадийностью протекания процесса усталостного разрушения металла.

Как показывает анализ литературных источников, расчетная зависимость SG = f (Ni/Nр) находит свое подтверждение при сравнении результатов других ис-следователей. Например, в исследованиях Абдуллина И.Г. и Бугая Д.Е. рассматри-вались зависимости изменения уровня микродеформаций кристаллической решетки низколегированных сталей при накоплении усталостных повреждений, которые также носят циклический характер. Это говорит о том, что закономерности изменения свойств металла, контролируемых на разных масштабных уровнях, повторяются. Кроме того, по полученным зависимостям G = f (?) установлено, что при накоплении усталостных повреждений наблюдается снижение размаха градиента напряженности магнитного поля ?G (?G = Gmax - Gmin - разность между установившимися максимальным и минимальным значениями магнитных параметров). На зависимости ?G = f (Ni/Nр) можно выделить два характерных участка: на начальной стадии нагружения наблюдается резкое снижение ?G, в дальнейшем снижение происходит в диапазоне (1800? 900) 150А/м2 (рисунок 12).

Рисунок 12 - Зависимость размаха градиента напряженности магнитного поля от уровня накопленных повреждений

Таким образом, при наличии калибровочной зависимости ?G = f (Ni/Nр), по-строенной на образцах определенной марки стали и проведении измерений градиента напряженности магнитного поля на объекте с учетом малых деформаций в локальной зоне металла можно оценить фактический уровень поврежденности материала обо-рудования.

В четвертой главе описаны подходы, позволяющие определить пре-дельное состояние материала. Свойство структуры адаптироваться к изменяющимся внешним условиям определяет механическое поведение материала под нагрузкой и поэтому знание этих свойств является важным при контроле поведения материалов в условиях эксплуатации. Прямым методом определения адаптивных свойств структуры металла является мультифрактальная параметризация.

В целях установления закономерностей изменения мультифрактальных параметров от степени накопленных усталостных повреждений получены фрактограммы изломов при статическом растяжении образцов, предварительно подверженных малоцикловому нагружению с шагом N = 500 циклов.

Исследование и съемка поверхности изломов осуществлялись на базе оптического микроскопа Neophot-32 при увеличении ?1000 для 3-х зон поверхности разрушения (1 - приповерхностная зона, 2 - промежуточная зона, 3 - центр излома) по схеме представленной на рисунке 13. Предварительная обработка изображений осуществлялась с применением программы Contour Project.

Рисунок 13 - Схема получения изломов поверхности образцов

В качестве иллюстрации на рисунке 14 представлена фрактограмма излома образца со степенью накопления усталостных повреждений Ni/Nр=0,91 зоны №1 в исходном состоянии (а) и после обработки (б).

Анализ поверхности изломов металла проводился методом мультифрактальной параметризации, принцип которого основан на генерации тем или иным способом (или иного распределения) меры (?). Для этого исследуемый объект с неупорядоченной структурой помещается в евклидово пространство, которое разбивается на ячейки характерного размера. Ячейкам приписываются веса в соответствии с распределением, которым характеризуется объект. При изучении особенностей распределения пространственной конфигурации структуры для каждой ячейки подсчитывается число единичных элементов попавших в ячейку, которое делится на общее число элементов структуры. Таким образом, каждой ячейке сопоставляется мера (вес) в виде некоторого положительного числа, а полученная совокупность (матрица) значений задает глобальную меру на том или ином масштабе дискретизации изображения структуры.

Результатом мультифрактального анализа исследуемого объекта является определение спектра взаимосвязанных фрактальных размерностей. На основе полученных величин фрактальных размерностей при различных значениях q рассчитывались степень однородности fq и параметр скрытой периодичности структуры (упорядоченности) множества ?q* = D1 - Dq. Под степенью однородности структуры понимается показатель характера распределения единичных элементов рассматриваемой структуры в евклидовом пространстве, охватывающем эту структуру, которая более однородна в случае большего значения fq. Показатель скрытой периодичности структуры отражает степень упорядоченности и нарушения симметрии для общей конфигурации исследуемой структуры в целом. Возрастание означает, что система накачивается информацией и в ней возрастает степень нарушенной симметрии.

Определение мультифрактальных параметров реализовано с помощью про-граммы MFRDrom 99, разработанной профессором Г.В. Встовским. На основе дан-ных мультифрактальной параметризации по методике В.С. Ивановой проводились расчеты показателей адаптивности структуры поверхностей изломов материала.

Анализ моделирования процессов структурных перестроек в различных системах позволили выделить спектр инвариантных значений критических порогов разреженности структуры Dq*, контролирующих смену механизмов адаптационных перестроек структуры.

На основе установленной связи между мультифрактальными критическими по-казателями структуры и значениями ее адаптивности к внешнему воздействию в усло-виях подобия вырождения мультифрактала были построены фрактальные карты (ри-сунок 15) адаптивности структуры поверхности изломов металла к нарушению устой-чивости симметрии системы при этом воздействии для всех трех зон исследования.

Рисунок 15 - Фрактальная карта адаптивности к нарушению устойчивости симметрии структуры поверхности изломов стали 09Г2С при разном уровне накопления усталостных повреждений

Расчет мультифрактальных параметров осуществлялся при 99 % площади охвата изображения, результаты которого получены в виде зависимостей D0 = f (Ni/Nр), ?q = f (Ni/Nр), fq = f (Ni/Nр).

Для разных зон съема поверхности излома наблюдается различный характер изменения мультифрактальных параметров. В зоне, расположенной ближе к поверхности металла, по сравнению с другими зонами наиболее интенсивно проявляют себя фрактальная размерность (D0) и параметр скрытой упорядоченности структуры (?q).

Можно отметить, что в этой зоне наиболее явно выражена амплитуда изменения данных параметров. Цикличность изменения параметров можно объяснить сменами механизмов адаптации структуры к внешнему воздейст-вию.

Уровень накопленных повреждений в металле, где наблюдается минимальный запас адаптивности, показывает переход металла из устойчивого состояния в неустойчивое. Отмечено, что для приповерхностной зоны он наступает при Ni/Nр = 0,07; 0,56; 0,77, для промежуточной зоны при Ni/Nр = 0,49; для центральной зоны при Ni/Nр = 0,28; 0,98. На основании полученных результатов установлено, что смена механизмов адаптации структуры поверхности изломов происходит последовательно по следующей схеме: зона 1 (I) зона 3 (II) зона 2 (III) зона 1 (IV) зона 1 (V) зона 3 (VI) (рисунок 16).

Из рисунка видно, что первая смена механизма адаптации структуры к внеш-нему воздействию наступает в приповерхностной зоне излома, затем наблюдается переход из одной зоны в другую и завершающая - в центральной зоне, когда проис-ходит полное раскрытие трещины. В связи с тем, что в большинстве случаев разру-шение металла происходит с поверхности, был сделан вывод, что точка 5 на рисунках 16, 17 является тем уровнем поврежденности, где поверхностная зона исчерпала свой ресурс адаптации к внешним воздействиям, после чего наступает процесс раскрытия трещины. Таким образом, предельному состоянию стали 09Г2С соответствует уро-вень поврежденности Ni/Nр=0,77.

Рисунок 16 - Последовательность смены механизма адаптации структуры

поверхности изломов стали 09Г2С

Действительно, анализ литературы показал, что достижение уровня накопленных повреждений Ni/Nр~0,8 в стали 09Г2С соответствует состоянию предразрушения, которое сопровождается полным разрушением ячеистой структуры внутри фрагментов, зарождением и ростом микропор, развитием микротрещин, что подтверждает правомерность полученных результатов. По результатам сравнительного анализа изменения магнитных и мультифрактальных характеристик металла построены зависимости ?qi - ?qi+1 = f (Ni/Nр) и ?Hni - ?Hni+1 = f (Ni/Nр) (рисунок 17). Они получены по значениям, соответствующим состоянию смены механизмов адаптации его структуры.

а б

Рисунок 17 - Кинетика изменения мультифрактальных (а) и магнитных (б) параметров стали 09Г2С при накоплении усталостных повреждений

Характер распределения зависимостей описывает кинетику накопления повреждений в материале. Из рисунка видно, что совместное использование адаптивных и магнитных свойств металла позволяет оценить его предельное состояние.

Рисунок 18 - Связь поверхностной энергии и градиента напряженности магнитного поля при накоплении усталостных повреждений

Рассмотрение зависимости поверхностной энергии от градиента напряженности постоянного магнитного поля при циклических нагружениях указывает на характерные три области накопления усталостных повреждений, которые характеризуются областью начального повышения градиента напряженности постоянного магнитного поля исследуемого металла (I), хаотического изменения (II) и скачкообразным снижением (III) (рисунок 18).

При анализе результатов изменения магнитных характеристик и поверхностной энергии отчетливо выделяется зона, границы которой позволяют определить начало и завершение интенсивного накопления повреждений, при выходе из этой зоны наступает процесс раскрытия трещины.

В целях оценки предельного состояния материала оборудования проведены исследования по установлению взаимосвязи его электрофизических и механических свойств. В работе Башировой Э.М. предложена методика оценки и прогнозирования вероятности хрупкого разрушения металла оборудования, изготовленного из низколегированной стали 09Г2С, работающего в условиях статического и циклического режимов нагружения с применением электромагнитного метода контроля. В основе метода заложен анализ переходных функций системы лэлектромагнитный преобразователь - металл, полученных при осуществлении криогенных испытаний на растяжение с целью моделиро-вания хрупкого разрушения. На основе данного метода автором и Шарипкуловой А.Т. разработан алгоритм оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов с помощью карты динамики разрушения сталей, с учетом содержания углерода и среднего размера зерна в материале.

В дальнейших исследованиях автором и Бикбулатовым Т.Р. осуществлена оценка изменения параметров отклика электрического сигнала вихретоковым пре-образователем при испытаниях сталей на усталость. Образцы подвергались мало-цикловому нагружению по схеме чистого симметричного изгиба с заданным уровнем деформации. Значение электрического сигнала измерялось через каждые 500 циклов от исходного состояния до разрушения по всей длине рабочей зоны вихретоковым преобразователем.

Измерения выполнялись с использованием измерительного комплекса, вклю-чающего в себя: накладной вихретоковый преобразователь трансформаторного типа с сердечником с неконцентрическим расположением обмоток, внешнее измерительное устройство Tie Pie SCOPE HS801, представляющее собой 2-х канальный 8-разрядный прибор, функционирующий в режимах осциллоскопа, вольтметра, анали-затора спектра, самописца и функционального генератора; персональный компьютер. Блок-схема измерения приведена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Блок-схема измерения отклика сигнала

В качестве измеряемого параметра в работе был использован переменный электрический сигнал, который независимо от формы характеризуется: амплитудным (максимальным), средним и действующим (эффективным) значением напряжения.

Под амплитудным значением переменного напряжения подразумевается наибольшее мгновенное значение:

. (18)

Данный параметр оказался не чувствителен к предельному состоянию, поэтому дальнейшее его рассмотрение в данной работе не производилось.

Действующее переменное напряжение характеризуется среднеквадра-тичным значением за период и вычисляется по формуле:

, (19)

где T - период сигнала, u - напряжение в момент времени t.

Среднее значение напряжения определяется по формуле:

. (20)

В результате проведенных исследований получены зависимости действующего и среднего значении напряжения от уровня накопленных усталостных повреждений (рисунок 20). Данные показывают общую тенденцию снижения напряжений и имеют экстремум в точке со степенью поврежденности Ni/Np?0,8.

а б

Рисунок 20 - Зависимость действующего напряжения U (а) и среднего напряжения Uср (б) от уровня накопленных усталостных повреждений Ni/Nр

Также была установлена зависимость степени затухания 5-й гармоники амплитуды и коэффициента амплитуды от уровня накопленных усталостных повреждений в зоне разрушения, которые также дают возможность оценить степень поврежденности металла (рисунок 21).

а б

Рисунок 21 - Зависимость степени затухания 5-й гармоники амплитуды сигнала (а) и коэффициента амплитуды (б) от уровня накопленных усталостных повреждений

Таким образом, применение выше описанного метода дает возможность определить предельное состояние материала исследуемого объекта.

Материал оборудования, эксплуатируемого в условиях низких температур, подвержен охрупчиванию, что может вызвать хрупкое разрушение, которое, как из-вестно, протекает с высокой скоростью и очень опасно. Кроме того, в процессе экс-плуатации металл претерпевает структурные изменения, что в свою очередь приводит к изменению интервала вязко-хрупкого перехода, иногда выходящую в область повышенных температур. Поэтому при проектировании оборудования важно знать температурный интервал изменения характера разрушения выбираемого материала.

В целях определения влияния усталости материала на порог хладноломкости, когда вязкое разрушение переходит в хрупкое, проведены механические испытания стали 20. В данной работе эти измерения проводились с использованием метода Иоф-фе-Давиденкова, который основан на том, что понижение температуры практически не изменяет сопротивление отрыву (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации (предел текучести). Точка пересечения кривых, называемая порогом хладноломкости, соответствует температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому. В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, меньших, чем предел текучести.

  Страницы: | 1 | 2 | 3 |
     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам