СПОСОБ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ, ВЫЗЫВАЮЩИХ СНИЖЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ И РАСТРЕСКИВАНИЕ МЕТАЛЛА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD TO EVALUATE OPERABILITY OF PROCESS EQUIPMENT OPERATED UNDER CONDITIONS CAUSING REDUCTION OF PLASTICITY AND CRACKING OF METAL IN STRUCTURAL ELEMENTS

Изобретение относится к области оценки работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности (охрупчивание) и растрескивание металла конструктивных элементов, например оборудования для добычи и переработки нефти и газа, эксплуатируемого в низкотемпературных климатических условиях, условиях деформационного, мало- и многоциклового нагружения, воздействия рабочих сред, вызывающих снижение пластичности (охрупчивание), стресс-коррозионное, сульфидное растрескивание металла, в том числе на производственных объектах северных, сероводородсодержащих месторождений, станций подземного хранения газа, и может быть использовано при его диагностировании для обоснования возможности, сроков, условий дальнейшей эксплуатации и предупреждения хрупких разрушений.
Известен способ оценки работоспособности технологического оборудования (Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов (РД 03-421-01). Серия 03. Выпуск 17 / Колл. авт. - М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002. - 136 с. ISBN 5-93586-131-3), в котором оценка работоспособности выполняется с использованием силовых характеристик сопротивления деформированию и разрушению металла на основе анализа соблюдения условия - σ<[σ], где σ - категории эквивалентных напряжений (общие или местные мембранные, общие или местные изгибные, общие или местные температурные напряжения и напряжения с учетом концентрации), определяемые расчетом или экспериментально в наиболее нагруженном (опасном) сечении конструкции, а [σ] - соответствующие им допускаемые напряжения, определяемые с учетом значений пределов прочности и текучести металла, поделенных на коэффициенты запаса. Значения пределов прочности и текучести металла могут определяться либо согласно нормативным требованиям, по справочным данным, либо экспериментально путем испытаний образцов металла по ГОСТ 1497-84. «Металлы. Методы испытаний на растяжение», значения коэффициентов запаса могут либо определяться согласно нормативным требованиям, либо обосновываться на основе анализа опыта эксплуатации и расчетно-экспериментальных исследований несущей способности. При выполнении условия σ<[σ] состояние оборудования оценивается как работоспособное, при его невыполнении - как неработоспособное.
Однако при длительной эксплуатации оборудования в условиях, вызывающих снижение пластичности (охрупчивание) и растрескивание металла конструктивных элементов, силовые характеристики деформирования и разрушения металла (пределы текучести и прочности) могут увеличиваться, а характеристики его пластичности (относительное удлинение и сужение, ударная вязкость), как правило, снижаются. В этом случае использование применяемых подходов к оценке работоспособности оборудования по силовым критериям может приводить к неконсервативным результатам и к ошибкам не в запас прочности и долговечности, что увеличивает риск внезапных отказов и хрупких разрушений оборудования, в том числе с катастрофическими последствиями. Выполняемые при диагностировании оборудования неразрушающий контроль и косвенная оценка механических свойств металла по измерениям твердости не позволяют оценивать его работоспособность по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, это подтверждается фактически имевшими место случаями внезапных отказов и разрушений оборудования по причине снижения пластичности (охрупчивания) и растрескивания металла.
Технический результат от использования изобретения заключается в обосновании возможности дальнейшей эксплуатации технологического оборудования и предупреждении его высокоопасных хрупких разрушений, в т.ч. с критическими и катастрофическими последствиями.
max
L
max
L
H
0
I
0
I
I
Задача решается тем, что в способе оценки работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности и растрескивание металла конструктивных элементов, включающем неразрушающий контроль оборудования, по результатам которого определяют геометрические размеры конструктивных элементов, их концентраторов напряжений и дефектов, затем строят расчетную модель сечения стенки конструктивных элементов с исходным концентратором напряжений и деформаций, рассчитывают напряженно-деформированное состояние сечения, а оценку работоспособности технологического оборудования ведут по параметрам и критериям деформационной модели анализа растрескивания в сечении стенки с исходным концентратором, с учетом параметров и критериев пластичности металла, т.е. определяют максимальные деформации в вершине концентратора е и разрушающие деформации e, при этом если соблюдается условие e<e, то состояние оборудования оценивается как работоспособное, если условие не соблюдается, то в вершине исходного концентратора при действии номинальных напряжений σ от внешних нагрузок возможно растрескивание, т.е. образование исходной трещины размером L, тогда, в случае если выполняется условие K(L)≤[K], где K - допустимый коэффициент интенсивности напряжений, состояние оборудования оценивается как работоспособное.
На фиг. 1 представлена деформационная модель анализа растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки с исходным концентратором напряжений и деформаций (дефектом), на фиг. 2 - алгоритм оценки работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности и растрескивание металла конструктивных элементов, на фиг. 3 - распределение расчетных деформаций - е и результаты расчетов параметров и критериев деформационной модели растрескивания в сечении ступицы фланца задвижки с выявленными исходным дефектом отливки.
h
h
h
н
н
max
L
0
h
L
I
IС
к
16
max
I
1
Параметры и критерии деформационной модели анализа растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки с исходным концентратором (дефектом) обозначены как S - исходная толщина стенки; l и h - исходный концентратор (дефект) и его глубина; S - остаточная толщина стенки - S=S-h; e(S) - эпюра относительных деформаций (далее - деформаций) в сечении стенки, проходящем через вершину концентратора (дефекта); σ и е - номинальные напряжения и деформации в стенке при рабочих нагрузках; е - максимальные деформации в вершине концентратора; e - разрушающие деформации (деформации трещинообразования) по (1); 2 - область образования исходной трещины размером (глубиной) L при исчерпании пластичности в зоне e(S)≥e; 3 - область роста трещины; K(L) - эпюра коэффициентов интенсивности напряжений по пути роста трещины; К и L - критические коэффициент интенсивности напряжений и глубина трещины; 4 - область разрушения (долома). Результаты расчетов параметров и критериев деформационной модели растрескивания сечения ступицы фланца корпуса задвижки 4/″ с исходным дефектом отливки включают: 5 тарелка и 6 ступица фланца, 7 - исходные дефект отливки; е и е - расчетная деформация по линии А-Б и максимальная расчетная деформация в вершине дефекта; K - эпюра расчетного коэффициента интенсивности напряжений при росте условной исходной трещины из вершины дефекта (точка А) по линии А-Б.
Обобщенный алгоритм оценки работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности (охрупчивание) и растрескивание металла конструктивных элементов, выглядит следующим образом.
0,2
В
К
0,2
В
k
К
L
Из конструктивных элементов оборудования, бывшего в эксплуатации, в соответствии с положениями ПНАЭ Г-7-002-86. «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок», п. 2, 5 Приложения 2, вырезают требуемое количество образцов металла и выполняют их стандартные механические испытания на растяжение по ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» и ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 «Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Такие образцы могут быть вырезаны из выбракованных конструктивных элементов оборудования (например, обечаек, днищ, штуцеров после их замены при ремонте сосуда), из выбранных и выведенных из эксплуатации конструктивных элементов для определенных совокупностей оборудования, идентичного по материальному, конструктивному исполнению и условиям эксплуатации (например, выбранных типовых элементов совокупности фонтанных арматур скважин), из сменных конструктивных элементов эксплуатируемого оборудования (например, из крышек люков-лазов штуцеров) с их последующей заменой, из конструктивных элементов эксплуатируемого оборудования (например, из патрубка штуцера, фрагмента обечайки) с последующим восстановительным ремонтом, а также получены методом отбора пробы металла, не требующего восстановительного ремонта. По результатам испытаний определяют значения условного предела текучести (σ), предела прочности (σ), относительного удлинения (ψk) при температуре +20°C, зависимость ударной вязкости на образцах с V-образным надрезом (KCV) от температуры испытаний (t) - KCV(t) и значение критической температуры хрупкости (Т). Затем с использованием значений σ, σ, ψ и Т определяется значение деформационного критерия растрескивания (трещинообразования) - разрушающей пластической деформации - е:
k t min
min
P
P
P
P
P
k
t
min
где e - разрушающая деформация при минимальной температуре эксплуатации (t); k - коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя по отношению к пластическим свойствам металла гладких образцов для механических испытаний, как правило, вырезаемых из сердцевины сечения. Значения k принимают из диапазонов: для исходных дефектов отливки (недоливы, заливы, грубая шероховатость) k=0,4÷0,6; для галтелей и конструктивных переходов без обработки точением (сопряжение ступицы и стакана) - k=0,6÷0,8; для галтелей и конструктивных переходов после механической обработки (сопряжение ступицы и тарелки фланца) - k=0,8÷1. Значение е может быть определено с использованием зависимостей по [Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. - 270 с.]:
k
t
min
min
min
где ψ - относительное сужение при t, может быть определено либо экспериментально по результатам механических испытании вырезанных образцов металла на растяжение по ГОСТ 1497-84. «Металлы. Методы испытаний на растяжение» при t, либо с использованием зависимостей по [Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. - 270 с.]:
T
К
T
В
ψ
min
К
ψ
К
где σ - предел текучести; S - разрушающее напряжение в образце; β, β - расчетные характеристики материала, определяются экспериментально, либо по [Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. - 270 с.]; n - коэффициент запаса, учитывающий объем выборочных испытаний и статистический разброс их результатов;  и  - предел текучести при tи Т соответственно;  - коэффициент; Е - модуль продольной упругости, определяется экспериментально или по ПНАЭ Г-7-002-86. «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок», m - показатель упрочнения. В случае отсутствия экспериментальных данных значение Т может быть определено с использованием зависимости по [Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. - 270 с.]:
После этого с использованием результатов неразрушающего контроля оборудования определяют геометрические размеры конструктивных элементов, их концентраторов напряжений и дефектов. Затем строят расчетную модель сечения стенки с исходным концентратором напряжений и деформаций (дефектом), выполняют расчеты напряженно-деформированного состояния сечения с учетом эксплуатационных нагрузок и воздействий, параметров деформирования металла и определяют параметры и критерии деформационной модели анализа растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки с исходным концентратором (дефектом) - фиг. 1. В отличие от существующих моделей оценки работоспособности параметры и критерии этой модели определяются по характеристикам пластичности металла.
н
н
h
I
min
Расчеты напряженно-деформированного состояния и определение значений σ, е, построение эпюр e(S) и K(L) может выполняться либо по аналитическим зависимостям (например, по ПНАЭ Г-7-002-86. «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок»), либо численными методами (методом конечных элементов), при этом модель деформирования металла должна учитывать механические свойства металла при минимальной температуре эксплуатации - t, определенные по результатам испытаний вырезанных образцов или по зависимостям (3)-(9).
max
L
H
0
h
L
0
h
L
После этого выполняют оценку работоспособности оборудования с использованием модели (фиг. 1) анализа растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки с исходным концентратором напряжений и деформаций (дефектом) на основе анализа соблюдения условия - e<e. В случае если это условие соблюдается, условие растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки не реализуется и состояние оборудования оценивается как работоспособное. В случае, если это условие не соблюдается, то в вершине исходного концентратора - 1 (галтели, технологического или эксплуатационного дефекта и т.п.) при действии напряжений - σ от внешних нагрузок возможно растрескивание, т.е. образование исходной трещины - L (фиг. 1) в области 2, где пластическая деформация - e(S) превышает значение деформационного критерия - разрушающей пластической деформации - e. В этом случае выполняют оценку сопротивления хрупкому разрушению. Для этого определяют размер исходной трещины - L (фиг. 1) как размер пластической зоны, в которой e(S)≥e (см. область 2 на фиг.1) и оценивают сопротивление хрупкому разрушению из условия:
I
где [K] - допустимый коэффициент интенсивности напряжений.
k
В случае если условие (11) соблюдается, состояние оборудования оценивают как работоспособное. Определяют величины допустимого размера трещины ([L]), соответствующего исчерпанию нормативного условия сопротивления хрупкому разрушению, и критического размера трещины - L, соответствующего возможности лавинообразного хрупкого разрушения, выраженные из условий:
IC
I
min
К
Значения K и [K] можно определять либо в соответствии с нормативными требованиями (например, по ПНАЭ Г-7-002-86) с учетом фактических свойств металла испытанных образцов, минимальной температуры эксплуатации - t и критической температуры хрупкости - Т, либо экспериментально по результатам испытаний вырезанных образцов металла на трещиностойкость по ГОСТ 25.506-85. «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении».
k
k
Значение (L) может быть использовано для прогнозирования ресурса оборудования по критерию сопротивления хрупкому разрушению. Значения [L] и L могут быть использованы для определения требований к проведению периодической дефектоскопии, например, применяемые методы и средства неразрушающего контроля должны позволять выявить трещины с размерами до [L] и до L.
В случае если условие (11) не соблюдается, состояние оборудования оценивают как неработоспособное, такое оборудование подлежит либо замене в целом, либо ремонту или замене конструктивного элемента с исходным концентратором или выявленным дефектом, с учетом которых оценены возможность растрескивания (трещинообразования) и невыполнение нормативного условия сопротивления хрупкому разрушению.
Способ реализуют следующим образом.
Реализация способа представлена на примере совокупности элементов фонтанных арматур (всего 1410 элементов, идентичных по конструктивному, материальному исполнению, условиям эксплуатации и эксплуатирующихся более 20 лет на 94-х газодобывающих скважинах северных месторождений в низкотемпературных климатических условиях (до -60°С), вызывающих снижение пластичности (охрупчивание) и растрескивание металла.
При диагностировании фонтанных арматур по результатам их неразрушающего контроля в условиях эксплуатации (на скважинах) на корпусах элементов были выявлены исходные дефекты отливки, определены их параметры, а также геометрические размеры конструктивных концентраторов напряжений (галтелей, конструктивных переходов и т.д.).
0,2
В
k
К
Затем из всей совокупности элементов фонтанных арматур выбрали типовые элементы с наибольшими повреждениями, частотой и прогнозируемой вероятностью отказов, в том числе 5 задвижек и по одному элементу для других типовых элементов - колонной и трубной головок, адаптера, крестовины, переводника (буфера), промежуточного и глухого фланцев. Эти элементы были демонтированы со скважин и из их корпусов были вырезаны образцы для механических испытаний - по три образца для испытаний на растяжение (тип III по ГОСТ 1497-84) и по 15 образцов - на ударный изгиб с V-образным надрезом (Шарпи) (тип 11 по ГОСТ 9454-78) в диапазоне температур +20÷-60°С, затем выполнены механические испытания образцов, определены их механические свойства - σ, σ, ψ, KCV (t) и критическая температура хрупкости - Т.
1/16
Далее представлены последовательность и результаты оценки работоспособности на примере сечения ступицы фланца корпуса задвижки 4″ с исходным дефектом отливки.
0,2
k
min
0,2
t
min
k
t
min
k
P
L
k
I
IC
1/2
1/2
По результатам расчетов установлено, что с учетом фактических экспериментально определенных механических свойств - предела текучести - σ=478 МПа и относительного сужения Ψ=25,6% при +20°C их рассчитанных значения при минимальной температуре эксплуатации - t=-60°C по (3) и (4) составляют - σ=490 МПа и Ψ=11,8%. Расчетная разрушающая деформация по (2) составляет - е=12,6%, а с учетом коэффициента снижения пластических свойств поверхностного слоя отливки - k=0,4 определено значение деформационного критерия растрескивания (трещинообразования) - разрушающей пластической деформации - e=5%. Определенная по температурной зависимости ударной вязкости критическая температура хрупкости металла составила - t=-35°C. С учетом нее по ПНАЭ Г-7-002-86. «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» допустимый коэффициент интенсивности напряжений составляет - [K]=23 МПа·м, а критический коэффициент интенсивности напряжений - К=46 МПа·м.
Затем выполнили расчеты параметров и критериев деформационной модели анализа растрескивания (фиг. 1) методом конечных элементов в осесимметричной постановке задачи при билинейной модели упругопластического деформирования металла с учетом его фактических свойств при минимальной климатической температуре эксплуатации -60°C.
max
L
max
L
L
0
С использованием полученных результатов расчетов было установлено, что условие e<e не соблюдается (e=6%, e=5%), следовательно, в вершине (А) дефекта отливки - 3 (фиг. 3) возможно растрескивание (трещинообразование), т.е. образование исходной трещины, ее размер из условия е≥e может составлять - L=2 мм.
I
0
I
I
0
I
1/2
1/2
Условие сопротивления хрупкому разрушению (11) K(L)≤[K] соблюдается K(L)=10 МПа·м, [K]=23 МПа·м, фиг. 3, состояние корпуса задвижки с выявленным дефектом отливки является работоспособным, эксплуатация задвижки может быть продолжена при условии проведения периодической дефектоскопии.
I
IC
k
1/2
1/2
С учетом допустимого - [K]=23 МПа·м и критического - K=46 МПа·м коэффициентов интенсивности напряжений для металла корпуса задвижки допустимая и критическая длины трещин составляют (фиг. 3) - [L]=9 мм и L=17 мм.
Обобщенные результаты расчетов параметров и критериев деформационной модели анализа растрескивания представлены в таблице.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ оценки работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности и растрескивание металла, позволяет обосновать возможность дальнейшей эксплуатации технологического оборудования и предупредить высокоопасное хрупкое разрушение конструктивных элементов, в т.ч. с критическими и катастрофическими последствиями.