Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БУЛАТОВА АДЕЛЯ ЗАЙНУЛЛАЕВНА
ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ НАЧАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы
(нефтяная и газовая промышленность)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012 г.
Работа выполнена в Российском государственном университете
нефти и газа имени И.М. Губкина.
Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Захаров Михаил Николаевич |
Официальные оппоненты: | Молчанов Александр Георгиевич, доктор технических наук, профессор, РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, заведующий кафедрой "Техническая механика" Шашурин Георгий Вячеславович, кандидат технических наук, МГТУ им. Н.Э.Баумана, декан факультета "Робототехника и комплексная автоматизация" |
Ведущая организация: | ОАО Гипрогазоочистка |
Защита состоится У 29 Ф мая 2012 г. в 15:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП-1, г.Москва, Ленинский проспект д.65, ауд.612.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина.
Автореферат разослан У___Ф___________ 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук | Э.С.Гинзбург |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: Одной из основных причин выхода оборудования нефтегазового производства из строя является наличие в нем дефектов, появившихся на стадии эксплуатации или изначально присутствующих в металле оборудования и не замеченных при входном контроле. Изучение характера отказов нефтехимического оборудования показывает, что около 60% отказов происходит из-за хрупкого разрушения конструктивных элементов оборудования, причем причинами примерно 1/3 разрушений являются дефекты, изначально присутствующие в конструкциях. Среди них доминируют трещиноподобные дефекты, как правило, это расслоения. Таким образом, большинство аварий происходит из-за начальных производственно-технологических дефектов (НПТД), которые в той или иной форме всегда присутствуют в эксплуатируемом оборудовании.
Действующие на сегодняшний день нормы на размеры допустимых дефектов в оборудовании предъявляют достаточно жесткие ограничения к их размерам. В ряде случаев отбраковке подлежит оборудование, которое могло бы еще долгое время находиться в эксплуатации. Принятые в разных странах для аналогичных конструкций нормы на дефекты за последнее время практически не изменялись, то есть действующие стандарты на допустимые размеры и количество дефектов в целом обеспечивают необходимую работоспособность конструкций. Однако отсутствие уточненных методик оценки влияния дефектов на прочность конструкций приводит к тому, что значительно возрастает объем ремонтных работ по удалению дефектных участков без действительной на то необходимости.
Так как затраты, связанные с сооружением, реконструкцией и ремонтом оборудования объектов нефтегазовой промышленности, весьма высоки, то всякое теоретически и экспериментально обоснованное уточнение существующих методик расчёта оценки допустимости НПТД дает ощутимую экономию ресурсов. В этой связи разработка уточненных методов оценки опасности начальных производственно-технологических дефектов, диагностированных на находящемся в эксплуатации оборудовании, является весьма актуальной задачей. Так как её решение позволяет максимально реально оценить работоспособность оборудования и определить минимально необходимый объем ремонтных работ.
Цель работы - разработка методов оценки опасности начальных производственно-технологических дефектов оборудования, позволяющих максимально реально оценить возможность дальнейшей эксплуатации оборудования при их наличии.
Основные задачи исследования:
- анализ типов НПТД, причин их возникновения и характера их проявления при эксплуатации оборудования в условиях нефтегазового производств;
- экспериментальное исследование прочности сталей нефтегазового оборудования при наличии НПТД;
- разработка критерия разрушения сталей при наличии в них дефектов в виде несплошностей;
- разработка алгоритма оценки опасности НПТД, диагностируемых в стенках сосудов давления и корпусов аппаратов, работающих в условиях нефтегазовых производств.
Научная новизна:
- получены новые экспериментальные данные о характере разрушения и прочности образцов из стали 09Г2С с дефектами сплошности металла в виде расслоений;
- на основе сравнения размеров дефектов образцов, предварительно определенных ультразвуковым контролем (УЗК), с реальными размерами дефектов, определенных на изломах образцов, установлена погрешность УЗК и даны рекомендации об ее учете путем введения дополнительного коэффициента запаса при расчете опасности дефектов;
- предложено использовать в качестве критерия разрушения сталей с дефектами сплошности предел трещиностойкости и разработана оригинальная методика построения диаграммы трещиностойкости стали, основанная на анализе данных об испытаниях на разрыв образцов с реальными дефектами и по ней построена диаграмма трещиностойкости стали 09Г2С;
- разработан и численно реализован алгоритм оценки опасности НПТД стенок сосудов давления и корпусов аппаратов, включающий в себя анализ типа дефекта, численную оценку напряженного состояния в зоне дефекта и оценку опасности дефекта с использованием диаграммы трещиностойкости.
Достоверность результатов исследования вытекает из обоснованности использованных теоретических положений и математических методов, подтверждена численными экспериментами по оценке сходимости и точности разработанных алгоритмов, а также сравнительным анализом расчетных результатов с имеющимися экспериментальными данными других авторов по результатам определения разрушающих давлений для оборудования с дефектами стенок.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что создана экспериментально-расчетная методика оценки опасности НПТД эксплуатируемого оборудования, позволяющая реально оценивать возможность его дальнейшей эксплуатации без капитального ремонта и осуществлять экономию финансовых и материальных ресурсов.
Апробация работы. В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции УАктуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса РоссииФ 2007г., 2010г. и 2012г, а также на научных семинарах кафедры оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина в 2009-2011гг. Апробация результатов работы осуществляется на ООО "ИНТА".
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах, из которых 3 научные статьи [1-3], выпущенные в журналах, рекомендованных высшей аттестационной комиссией, и 3 материала конференции [4-6].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 153 страницах, содержит 65 рисунков, 26 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечена актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведена научная новизна, практическая значимость исследований.
В первой главе УНачальные производственно-технологические дефекты оборудования нефтегазопереработкиФ рассматриваются причины возникновения и изменения дефектов в технологической цепочке изготовления проката и оборудования из него, а также сравниваются основные требования, предъявляемые к возможным дефектам оборудования по наиболее распространенным стандартам.
До эксплуатации оборудования все обнаруженные дефекты относятся к начальным производственно-технологическим дефектам. Восновном это дефекты изготовления. К дефектам изготовления относятся металлургические дефекты (дефекты слитка, дефекты проката) и дефекты аппаратостроения (дефекты сборки, дефекты сварки).
Статистика отказов сосудов давления показывает, что причинами приблизительно 30% отказов являлись НПТД металла сосуда, существовавшие ещё до начала его эксплуатации. Так, например, в работе Алифанова А.А. Экология переработки углеводородных систем рассматривается 229 случаев отказа сосудов, в 63 случаях (28%) причинами являются трещиноподобные дефекты, существовавшие до начала эксплуатации, и еще в 5 случаях (2%) другие виды НПТД (рис.1).
Для сравнения норм допустимых дефектов разных стран были рассмотрены мировые стандарты на листовой прокат для нефтегазопроводов, резервуаров, судовых корпусов и котлов (табл.1). Нормы предъявляют достаточно жесткие ограничения размерам дефектов. При этом на один и тот же дефект числовые значения норм существенно разнятся, то есть стандарты имеют различия в запасах прочности. Уточненная методика оценки влияния обнаруженных дефектов на прочность конструкции, позволит делать более точный прогноз опасности дефектов.
Рис.1 Диаграмма распределения числа отказов сосудов, по причине:
1 23% усталостных трещин; 2 13% коррозионных трещин;
3 28% трещиноподобных НПТД; 4 31% других трещиноподобных дефектов; 5 2% нетрещиноподобных НПТД; 6 3% остальных дефектов.
Таблица.1.
Основные требования к допустимым дефектам
по наиболее распространённым стандартам
Вторая глава УЭкспериментальные исследования прочности стальных образцов, ослабленных микродефектамиФ посвящена выбору и подготовке образцов для исследований, предварительному дефектоскопическому анализу, испытаниям образцов на разрыв, статистическому анализу результатов дефектоскопии.
Оценка возможности дальнейшей эксплуатации конструкции с микродефектами в полной постановке является достаточно сложной и нестандартной инженерной задачей. Для решения этой задачи необходимо оценить общий уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции, рассчитать значения критериев механики разрушений для диагностированных дефектов, например, КИН или J - интеграл, и располагать экспериментальными данными по определению критических значений этих величин. В реальных производственных условиях, где есть ограничения по срокам принятия решений, проводить скрупулезные исследования по указанным направлениям не представляется возможным, единственно стандартизованной процедурой здесь служит оценка общего уровня НДС. Оценка КИН в принципе может быть достаточно оперативно произведена с помощью стандартных формул, взятых из справочной литературы. Но тут возникают вопросы схематизации реальных дефектов и допустимости расчетных схем, а также взаимовлиянии дефектов и возможности их объединения в одну расчетную схему. Определение критических значений параметров трещиностойкости связано с экспериментальными исследованиями, основная проблема которых состоит в изготовлении серии образцов с надрезами, имитирующими трещины разной длины. Для проведения чистого эксперимента трещину в кончике надреза подращивают циклической нагрузкой. Таким образом, все это приобретает вид отдельного научного исследования, а не инженерного поверочного расчета.
Экспериментальные исследования процессов разрушения образцов металла с реальными технологическими дефектами изготовления проката и последующая оценка их несущей способности с помощью инженерных подходов позволяет выработать концепцию оценки допустимости дефектов конструкций.
Экспериментальные исследования были начаты с испытаний на разрыв серии металлических образов с дефектами сплошности. Из отбракованного на машиностроительном заводе листа стального проката (сталь 09Г2С) были вырезаны 27 образцов. Обнаруженные дефекты, были идентифицированы как многочисленные расслоения, расположенные строго в его срединной плоскости. Толщина прокатного листа составляла 100 мм. Образцы толщиной 4,36,2 мм, шириной 23,433 мм, вырезанные из дефектных участков листа таким образом, что дефекты находились посредине образцов и были перпендикулярны оси образца (рис.2).
До испытаний на разрыв был проведен УЗК образцов и на их основе составлены модели расслоений. После испытаний на разрыв стали известными истинные размеры и расположение расслоений.
В табл. 2 приведены расположения и размеры расслоений в некоторых образцах, построенные по результатам УЗК, а также реальное расположение и геометрия расслоений, определенные на основе анализа поверхностей разрыва образцов после испытаний (рис.3).
Рис.2. Схема вырезки образцов для испытаний из дефектного проката.
Во время эксперимента велась видеосъемка, позволяющая определить момент начала разрушения и дефект, в котором это разрушение зародилось. Разрушение начиналось в зоне наибольших дефектов.
Отмечен вязко-хрупкий характер разрушения образцов. Менее значительно вязкий характер разрушения проявлялся при увеличении отношения площади дефектов к площади образца 0,050,53.
Анализ данных табл.2 показывает, что УЗК даёт неплохие результаты обнаружения дефектов, хотя в отдельных случаях несколько расслоений по результатам дефектоскопии сливаются в одно. В целом данные УЗК позволили достаточно точно определить места расположения наибольших дефектов, в которых фиксировалось начало разрушения.
Рис.3. Фотографии мест разрывов образцов с микродефектами
Таблица 2
Сопоставление диагностированных УЗК расслоений образов с их действительной конфигурацией, установленной в ходе испытаний на разрыв
Сравнения плоских моделей расслоений с плоскими проекциями действительных расслоений позволили собрать статистические данные об отклонениях размеров расслоений, определенных с помощью УЗК, от размеров расслоений, полученных после разрыва образцов (табл.3).
Таблица 3
Определение погрешности УЗК, на примере образца №17
По полученным данным была построена гистограмма вероятностей попадания погрешностей измерений x в интервалы размером =0,5 мм (рис.4).
Рис.4. Гистограмма распределения вероятности погрешностей
Для описания фактической плотности распределения погрешностей был выбран нормальный закон распределения (рис.5):
, где - математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение соответственно: =0,175 мм; =0,528 мм.
Рис.5. Кривая нормального распределения плотности погрешностей
Согласно правилу трёх сигм пренебрегают возможностью появления отклонений, лежащих вне диапазона[-3s;+3s], так как вероятность этого события составляет не более 0,3 %. Это означает, что фактический размер расслоения не будет отличиться от размера, определенного УЗК, более чем на (см. рис.5). Наиболее опасна ситуация, когда размер дефекта по данным УЗК меньше его фактического размера на величину . Это приводит к завышенной оценки прочности оборудования. Чтобы исключить эту ситуацию, необходимо в прочностные расчеты ввести коэффициент запаса, учитывающий погрешности при определении размеров дефектов по данным УЗК.
Коэффициент запаса n, учитывающий погрешность при определении размеров дефектов по данным УЗК, определим как отношение КИН при действительном размере дефекта, к КИН при размере дефекта, уменьшенном на величину максимальной погрешности. Путем численного эксперимента установлено, что коэффициент запаса, учитывающий погрешность данных УЗК, не превышает значения 1,2.
В третьей главе УРазработка критерия разрушения сталей в области микродефектовФ приведены результаты экспериментов на трещиностойкость дефектных образцов. По разрушающим нагрузкам и измеренным на изломах размерам дефектов вычислены пределы трещиностойкости и построена диаграмма трещиностойкости. Даны примеры использования диаграммы трещиностойкости для расчета допустимых длин трещин при назначенных коэффициентах запаса. Проведено сопоставление диаграммы трещиностойкости и аналогичной диаграммы, следующей из критерия R6.
Наблюдаемые при проведении эксперимента вязко-хрупкие разрушения требуют иного критериального соотношения, нежели уравнение Ирвина: K KIC, где KКИН;KIC критическое значение КИН.
В этом случае целесообразно использовать двухпараметрические критерии, они дают возможность одним расчетным соотношением описывать любой вид разрушения. В настоящее время известен ряд аналитических выражений, отождествляемых с двухпараметрическими критериями разрушения. Следует отметить, что итоговые результаты применения разных критериев показывают заметное расхождение в области малых длин трещин, поскольку именно здесь наибольшим образом проявляются модельные различия разных критериев.
Наиболее перспективным критерием разрушения с точки зрения практики инженерных расчетов и экспресс оценки несущей способности оборудования с диагностированными дефектами металла является предел трещиностойкости и диаграмма трещиностойкости, построенная на его основе. Для этого есть как минимум две причины.
Первая причина это то, что при использовании этого критерия условие прочности записывается в привычной для широкого круга специалистов форме:
K IC, | (1) |
,где IC предел трещиностойкости.
То есть, имеем полную аналогию с условием Ирвина с тем, однако, отличием, что предел трещиностойкости не является фиксированной физико-механической характеристикой материала как вязкость разрушения KIC. Он, в отличие от KIC, не константа, а функция, т.е. является величиной меняющейся в зависимости от длины трещины, либо от величины разрушающего брутто-напряжения в образце.
Предел трещиностойкости (Ic) - предельный КИН, представленный в виде функции отношения разрушающих напряжений при текущей длине трещине к нулевой Ic=f(c/в).
Аналитически выражение для предела трещиностойкости, предложенное Е.М.Морозовым, выглядит следующим образом:
(2) |
,где С и В - разрушающие брутто-напряжения образцов с заданной трещиной и предел прочности материала; ICMAX и q - эмпирические величины.
Немногочисленные пока эксперименты для тонкостенных конструкций дают q = 2, а для массивных q = 4. Величина ICMAX есть KC* условный критический КИН для образца данной толщины или диаметра, определяемый согласно ГОСТ 25.506-85. Если речь идет о трещине отрыва, ICMAX есть KIC критический КИН.
В то же время те же исследователи рекомендуют определять зависимость предела трещиностойкости от размера дефекта сугубо экспериментально на образцах, имитирующих форму и размеры конструкционного элемента, с учетом реальных схем приложения внешней нагрузки. Это позволяет учесть нюансы поведения разрушающейся детали и значительно повышает достоверность оценки прочности. Это является второй причиной использования предела трещиностойкости.
Следуя выбранному критерию оценки, для максимальных дефектов образцов были рассчитаны КИН. При этом все дефекты, видимые на изломе, сводились к восьми расчетным схемам (см.табл. 4).
Таблица 4.
Расчетные схемы дефектов
№ | Расчетная схема | № | Расчетная схема |
1 | 2 | ||
3 | 4 | ||
5 | 6 | ||
7 | 8 |
При сведении реальных дефектов к расчетным схемам руко-водствовались принципами консервативной оценки и условиями применения той или иной методики. Например (см.табл.2), первая расчетная схема использовалась для оценки КИН образца № 17. Вторая схема для образца № 1. Третья схема для образца № 6. Четвертая схема для образца № 25. Пятая схема для образца № 18. Шестая схема для образцов № 19. Седьмая схема для образца № 11. Восьмая схема для образца № 2. Результаты расчета КИН дефектов при брутто-напряжениях, соответствующих моменту разрушения, приведены в табл.5.
Экспериментальные точки были нанесены на координатную плоскость K (рис.6). Кривая, описывающая экспериментальные точки, ограничивает область допустимых значений КИН и является собственно искомой зависимостью предела трещиностойкости от уровня максимальных растягивающих напряжений.
График зависимости IC(C) (рис.6) логично называть диаграммой предельной трещиностойкости. В нашем случае в зависимости от уровня максимальных растягивающих напряжений в конструкции, рассчитанных без учета дефекта, определяется предельное значение КИН для дефекта, работающего при этом уровне растягивающих напряжений. Очевидно, что при напряжениях близких к пределу прочности материала, недопустимо наличие дефектов даже нулевых размеров. Если разрушение происходит на фоне невысоких напряжений, значительно меньших предела текучести, то оно, как правило, носит хрупкий характер, что возможно при значительных размерах дефектов, когда КИН достигает значения ICMAX.
Таблица 5.
Значения КИН дефектов при экспериментально определенных
разрушающих брутто-напряжениях
№ образца | КИН, МПам1/2 | С, МПа | № образца | КИН, МПам1/2 | С, МПа | |
1 | 47,27 | 338,3 | 15 | 29,58 | 499,1 | |
2 | 51,25 | 351,9 | 16 | 31,8 | 501,9 | |
3 | 45,72 | 356,5 | 17 | 32,37 | 502,2 | |
4 | 35,2 | 378,8 | 18 | 26,69 | 503,6 | |
5 | 42 | 437,1 | 19 | 35,56 | 504,6 | |
6 | 40,3 | 437,1 | 20 | 25,24 | 506,5 | |
7 | 38,58 | 445,6 | 21 | 34,4 | 507,4 | |
8 | 34,7 | 452,2 | 22 | 29 | 510,1 | |
9 | 36,7 | 457,9 | 23 | 29,26 | 513,2 | |
10 | 42,97 | 466,2 | 24 | 17,9 | 516,1 | |
11 | 32,16 | 477 | 25 | 32,65 | 519,3 | |
12 | 35,06 | 488,8 | 26 | 23,23 | 520,5 | |
13 | 28,4 | 491,5 | 27 | 21,33 | 528,9 | |
14 | 35,83 | 493,6 |
Рис.6. Диаграммы трещиностойкости:
1 Ц критическая, построенная по уравнению (2) при ICMAX=55 и q=4;
2 Ц критическая, построенная на основе критерия R6;
3 допустимая, построенная по уравнению (5) при m=1,5.
Следует отметить, что экспериментальная зависимость IC(C) может быть достаточно точно описана уравнением (2), при соответствующих эмпирических коэффициентах ICMAX, q. В нашем случае кривая 1 (рис. 6) построена при ICMAX=55 МПам1/2 и q=4. Это свидетельствует о хорошем согласовании результатов поставленного эксперимента с результатами уже имеющихся исследований, о возможности проведения эксперимента на реальных дефектах и о возможности сведения реальных дефектов к стандартным расчетным схемам.
При проектировании оборудования всегда производится поверочный расчет на прочность, подтверждающий наличие требуемого коэффициента запаса n = B/1. Иными словами, оборудование всегда отвечает требованиям общей прочности. Введение этого коэффициента запаса означает соответствующий сдвиг диаграммы трещиностойкости налево вдоль оси напряжений. При наличии в металле оборудования трещиноподобных дефектов необходим дополнительный поверочный расчет на трещиностойкость при заданном коэффициенте запаса по пределу трещиностойкости (при С const):
(3) |
Введение такого коэффициента запаса означает сдвиг диаграммы трещиностойкости вниз, вдоль оси КИН. Исходная предельная диаграмма трещиностойкости IC(C) трансформируется в допустимую Iдоп(доп), которую теперь можно использовать для расчета допустимых длин трещин (при соответствующих допустимых напряжениях). При этом одним уравнением обеспечивается расчет традиционный по напряжениям и одновременно с учетом наличия трещины.
Коэффициент запаса по пределу трещиностойкости (n), в отличие от общего коэффициента запаса (m), не регламентирован, поэтому разумно (за неимением иного) определять:
(4) |
Принятие этого условия приводит к тому, что допустимая диаграмма трещиностойкости (кривая 2 на рис.6) окажется геометрически подобной критической (кривой 1 на рис.6).
(5) |
и расчет размера трещины lдоп, при соответствующих нагрузках доп, следует находить из уравнения:
(6) |
Вычислим диапазон допускаемых длин трещин, когда напряжения изменяются в диапазоне от 360 МПа (=540/1,5) до 300.
Для упрощения взяли формулу КИН для полуэллиптической трещины K=l. Для оценки порядка величины допустимой длины трещины, воспользуемся коэффициентом запаса (n=m) равным 1,5 и механическими характеристиками в нашем эксперименте ICMAX=55 МПам1/2; B=540 МПа. Основываясь на эксперименте, возьмем q=4.
По уравнению (6) получим, что предельно допустимый размер трещиноподобного дефекта соответственно изменяется от нуля до 2l=5 мм. (см.рис.7).
Рис.7. Кривая зависимости lдоп от доп,
при ICMAX=55, q=4 и формуле K=l
В заключение укажем, что за рубежом принят двухпараметрический критерий, часто обозначаемый как документ R6, последняя версия которого (в наших обозначениях) имеет вид:
при | (7) | ||||||
При | значение | . | |||||
Диаграмма трещиностойкости (crackassessmentdiagram), построенная по этой формуле по данным нашего эксперимента, приведена на рис.6 (кривая 3). Видна существенная консервативность этой оценки в наиболее актуальной области длин трещин (по нагрузкам расхождение с экспериментом и с пределом трещиностойкости более чем в два раза).
В четвертой главе УОценка прочности сосудов давления с начальными производственно-технологическими дефектами металла стенокФ предложен алгоритм расчета оценки опасности микродефектов в стенках сосудов и трубопроводов, а также его экспериментальная проверка.
Практика эксплуатации показывает, что в некоторых случаях оборудование с дефектами может надежно выполнять свои функции длительный период времени.
Предложена методика оценки реальной прочности сосудов с технологическими дефектами металла, которая включает в себя 9 этапов.
Этап 1: Изучаются заключения по ранее проведенным УЗК, акустико-эммисионному контролю. Этап 2: Составляется программа, выбираются методы, средства, объем и проводится диагностическое обследование. Этап 3: На основе полученных данных составляются 3D модели обнаруженных дефектов. Этап 4: Определяются параметры НДС в зонах расположения дефектов при рабочей нагрузке сосуда. Этап 5: Целью этапа является заменить реальный дефект конструкции максимально схожей с ним расчетной схемой, для которой зависимость КИН известна и может быть легко вычислена аналитически. Этап 6: Определение параметров диаграммы трещиностойкости (В, KIC, q).
Этап 7: Построение диаграммы трещиностойкости по формуле IC=KIC(1-C/В)q. Этап 8 (см.рис.8): Получив кривую 1, получают кривую 2 - диаграмму допустимой трещиностойкости (m=1,5). Проверка условия прочности: на плоскость K- наносятся точки, характеризующие опасность каждого отдельного дефекта двумя параметрами - значением максимального растягивающего напряжения в месте расположения дефекта (I) и КИН в зоне дефекта (K). Этап 9: Если параметры дефекта превышают критические значения (т.А), то сосуд находится в аварийном состоянии и необходима немедленная остановка эксплуатации. В случае попадания параметров трещиностойкости дефекта между критической и допустимой диаграммами трещиностойкости (т.В) - сосуд находится в предаварийном состоянии и необходимо рассмотреть возможность понижения нагрузок или изменения условий эксплуатации. В случае принятия решения о снижении нагрузок следует повторить расчет, начав с оценки НДС в зоне расположения дефекта. Если дефект находится в зоне диаграммы допустимой трещиностойкости (т.С) - сосуд находится в рабочем состоянии и допускается в эксплуатацию в нормальном режиме.
Рис.8. Проверка условий прочности по диаграмме трещиностойкости
1 диаграмма критической трещиностойкости;
2 диаграмма допустимой трещиностойкости (m=1,5)
А, В, С точки, характеризующие опасность дефекта параметрами К и
Для подтверждения работоспособности и достоверности разработанной методики с её помощью был просчитан ряд дефектов стенок трубопроводов. Данные экспериментов на разрыв сосудов с разными механическими свойствами материалов, содержащие продольные несквозные трещины, взяты из работ Миронова А.А. и Сапунова В.Т. (табл.6).
Таблица 6
Исходные экспериментальные данные
№ | Механические | Габариты | Габариты | Разрушающий параметр | |||||
В, МПа | Т, МПа | KIC, МПа⋅√м | D, мм | t, мм | 2a, мм | b, мм | С, МПа | РС, МПа | |
1 | 541,4 | 402,2 | - | 762 | 9,5 | 83,8 | 5,7 | 434,5 | - |
2 | 586,4 | 449,3 | - | 3,8 | 489,4 | - | |||
3 | 615 | 258 | 52 | 327 | 27 | 73,8 | 19,5 | - | 51,0 |
4 | 247,0 | 15,0 | - | 52,8 | |||||
В - предел прочности; Т - предел текучести; KIC - вязкость разрушения; D - наружный диаметр; t - толщина стенки; 2a - длина трещины; b - глубина дефекта; С - кольцевые брутто-напряжения разрушения; РС - разрушающее давление.
В таблице 7 сравниваются расчетные и экспериментальные значения разрушающих кольцевых напряжений. Результаты расчета по пределу трещиностойкости дают малую погрешность, не превышающую 9%. Однако эта погрешность не всегда идет в запас прочности. В данном случае требуется уточнение параметров трещиностойкости - q, KIC. Погрешность расчетов по критерию R6 значительно больше и равна 25%, но она всегда положительна, то есть идет в запас прочности. Итак, преимуществом использования критерия предела трещиностойкости является более реальная оценка опасности дефектов.
Таблица 7
Сравнение значений разрушающих кольцевых напряжений для трубопроводов с продольными несквозными трещинами
№ | Экспериментальные данные | Результаты расчета по разработанной методике | Расчет по критерию R6 | ||
С, МПА | С, МПА | δ, % | С, МПА | δ, % | |
1 | 434,5 | 428 | +1,5 | 370 | +14,8 |
2 | 489,4 | 505 | -3,2 | 448 | +8,5 |
3 | 283 | 310 | -8,7 | 230 | +18,7 |
4 | 293,3 | 288 | +1,8 | 223 | +24 |
С - напряжение разрушения, δ - относительная погрешность | |||||
В качестве примера практической реализации разработанной методики, был рассмотрен расчет допустимого размера дефекта в виде непровара в корне шва патрубка нефтепровода. Рассматривался коллектор с патрубком, расположенный на нефтяном терминале в системе измерения количества и показателей качества нефти, узел блока измерительных линий. Основная коллекторная труба имеет размеры 820х16 мм, от которой отходят 7 патрубков размерами 530х18 мм. Транспортируемая среда нефть с рабочим давлением 4 МПа. Материальное исполнение сталь 09Г2С. Был выявлен дефект в виде непровара в корне шва глубиной 2 мм и длиной 15 мм (рис.9).
Сосуд без трещины был смоделирован в программном продукте Pro/ЕNGINEER 5. Расчет максимальных напряжений в предполагаемом районе залегания трещины нашли расчетом модели с помощью программного продукта ANSYS Workbench 13 (рис.10).
Для вычисления КИН из результатов расчета в ANSYS нас интересуют главные растягивающие напряжения при внутреннем давлении равном рабочему 4 МПа.
На рис.11 наряду с графиком диаграмм трещиностойкости представлен график докритического роста трещины в координатах K-b, рассчитанный при подрастании трещины по глубине при неизменном давлении P-const (=const). Максимальные напряжения при давлении P=4 МПа равны =301 МПа. По расчетной схеме №4 (см.п.3.3 и п.4.2.), при глубине трещины b=2мм, длине 2a=15мм, и толщине шва t=20мм вычислили коэффициент интенсивности напряжений К=14,1 МПам. Рассматриваемая трещина соответствует т.А. Эксплуатация возможна до т.В (К=30,4 МПам), что соответствует на графике докритического роста трещины т.С. Критическая глубина трещины b=5,5мм.
Рис.9. Размеры коллектора с дефектом в районе патрубка
Рис.10. Сетка, смоделированная ANSYS
| Рис.11. График диаграмм трещиностойкости и график докритического роста трещины в координатах K-b. т.А точка соответствующая трещине при b=2мм, 2a=15мм, t=20мм; т.В, т.С критические точки, окончание эксплуатации; прямая АВ рост КИН с увеличением трещины при P-const. |
Итак, в реальных задачах, стоящих перед инженерами-прочнистами, по разработанной методике можно давать рекомендации по максимальным размерам дефектов, допустимых в оборудовании, эксплуатирующемся в нефтегазовом производстве, и рекомендации по снижению давления при обнаружении дефектов. При этом необходимо знать лишь рабочее давление, материальное исполнение оборудования и геометрию оборудования и дефекта. Особое внимание следует уделить выбору расчетной схемы для определения КИН.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. На основе анализа причин отказов нефтегазового оборудования показано, что отказы по причине НПТД оборудования весьма распространены, а своевременное их обнаружение и оценка опасности позволяют значительно продлить срок службы оборудования.
2. Проведенные экспериментальные исследования на разрыв стальных образцов, вырезанных из отбракованного листового проката, позволили получить новые экспериментальные данные о характере разрушения и прочности образцов из стали 09Г2С с дефектами в виде расслоений.
3. Путем сравнения размеров дефектов образцов, предварительно определенных ультразвуковым контролем, с реальными размерами дефектов, определенных на изломах образцов, установлено, что УЗК даёт погрешность и учесть её можно путем введения дополнительного коэффициента запаса, который при прочностных расчетах должен составлять не менее 1,2.
4. Предложенная методика построения диаграммы трещиностойкости сталей, основанная на испытаниях образцов с реальными дефектами и сведении этих дефектов к расчетным схемам, для которых формулы для определения КИН известны, позволяет оперативно строить диаграммы трещиностойкости сталей оборудования с учетом специфики условий его эксплуатации. По разработанной методике построена диаграмма трещиностойкости стали 09Г2С.
5. Показано, что диаграмма трещиностойкости имеет двойное назначение. С одной стороны эта характеристика может быть использована для выбора и оценки материала, а с другой возможно её использование для проведения расчетов прочности конструктивных элементов оборудования с трещинами. При это м практика расчетов показала, что погрешность оценки разрушающих нагрузок не превышает 10%.
6. Работоспособность разработанного алгоритм оценки опасности НПТД стенок сосудов давления и корпусов аппаратов, успешно проиллюстрирована численным расчётом оценки опасности непровара в корне шва патрубка коллектора (сталь 09Г2С), включающим в себя оценку НДС в зоне непровара с помощью МКЭ и оценку допустимого размера дефекта с использованием построенной диаграммы трещиностойкости.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Булатова А.З., Захаров М.Н., Морозов Е.М. Оценка опасности расслоений в металле конструкций на основе диаграммы трещиностойкости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - №3. - С.41-46.
2. Булатова А.З., Захаров М.Н. Учет достоверности данных ультразвуковой дефектоскопии при оценке допустимых эксплуатационных нагрузок // Вестник машиностроения. 2010. №11. С.42-46.
3. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка прочности сосудов давления с технологическими дефектами металла // Нефть, газ и бизнес 2011. №8. С.54-57.
4. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка опасности развития начальных производственно-технологических дефектов стенок нефтеперерабатывающего оборудования // Тезисы докладов 7-ой Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России". Москва, 2007. С.365.
5. Булатова А.З., Захаров М.Н. Экспериментальные исследования прочности металлических образцов с внутренними дефектами // Тезисы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России". Москва, 2010. С.33-34.
6. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка опасности начальных производственно технологических дефектов эксплуатируемого оборудования // Тезисы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России". Москва, 2012.
Подписано в печать 23.05.12. Формат 60х90/16.
Усл. печ. л. 1. Тираж 100. Заказ №129
Отпечатано в типографии Оттиск
Адрес типографии: г.Москва, ул.Мясницкая д.17
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям