СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОТЕЧКИ ДО ПОЯВЛЕНИЯ РАЗРЫВА В ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD OF DETECTING LEAKAGE BEFORE BURSTING IN PIPELINE

Настоящее изобретение относится к способу обнаружения протечки до появления разрыва, более конкретно к способу обнаружения протечки до появления разрыва с использованием подхода на основе разрывной неустойчивости в применениях, связанных с трубопроводами.
Трещины или области трещин могут инициироваться и увеличиваться в трубопроводе под действием коррозионного растрескивания под напряжением, усталости или коррозионной усталости. Трубопровод протекает, если одна из трещин распространяется по всей толщине стенки. Безотлагательное обнаружение протечки может служить в качестве раннего предупреждения, и могут быть предприняты действия по ремонту для предотвращения последующего катастрофического отказа. Следовательно, требуется разработка способов анализа, которые предсказывают условия "протечки до появления разрыва".
Первый случай внешнего коррозионного растрескивания под напряжением (SCC) на трубопроводе для природного газа произошел в середине 1960-х годов, причем с тех пор произошли сотни отказов. Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) представляет собой образование хрупких трещин в обычно доброкачественном материале при одновременном воздействии разрывного напряжения и коррозивной окружающей среды.
Оценка протечки до появления разрыва для содержащего трещины трубопровода представляет собой область, которая должна быть связана с оценкой целостности. В настоящее время промышленные стандарты на основе механики трещинообразования, такие как API 579-2000, предусматривают подробные процедуры для оценок протечки до появления разрыва с использованием анализа на основе оценочных диаграмм (FAD) отказов II или III уровня. Поскольку эти процедуры предсказывают скорее только инициирование трещин, чем катастрофический отказ для материалов, которые проявляют устойчивое увеличение трещин под действием пластичного разрушения, результаты не согласуются со случаями протечек, наблюдаемыми в области.
Критерии для протечек до появления разрыва требуют, чтобы (1) самый большой начальный размер трещины, остающейся в структуре (например, в стенке трубопровода), не приводил к появлению трещины при использовании компонента и (2) самая большая длина сквозной трещины в стенке была меньшей, чем та, при которой произойдет катастрофический разрыв, для всех применимых случаев нагрузки с использованием способа оценки FAD II или III уровня. Однако процедура FAD для анализа критического размера, то есть самого большого приемлемого размера трещины, в API 579 не совпадает с критериями инициирования трещин в литературе, например в I.Milne, R.A.Ainsworth, A.R.Dowling и A.T.Stewart. "Определение целостности конструкций, содержащих дефекты", доклад ЦЭЭУ R/H/R6 - редакция 3, 1986, и M.Janssen, J.Zuidema, и R.J.H.Wanhill. "Механика упругопластического разрушения", Механика разрушения, часть III, глава 8, Delft University Press, 2002, с.198-203.
Процедура FAD в API 579 для анализа критического размера является более приемлемой, когда ожидается, что отказ материала либо является хрупким, либо ему предшествует только ограниченная величина пластичного разрушения. Для материала, проявляющего значительное пластичное разрушение до отказа, предсказание условий протечки или разрыва является консервативным и не обеспечивает результатов, согласующихся с наблюдаемыми в области случаями "протечек до появления разрыва". Это связано с тем, что возникающее увеличение прочности, сопровождающее увеличение трещин, не учитывается при анализе.
Соответственно, имеется необходимость в способе обнаружения протечек до появления разрыва, который учитывает вклад значительного пластичного разрушения, который обеспечивает более точное предсказание, принимая во внимание увеличение прочности материала при появлении трещин, связанное с ростом трещин, посредством механизма пластичного разрушения.
Как обсужденные выше, так и другие неудобства и недостатки преодолеваются или ослабляются в способе обнаружения протечек до появления разрыва с использованием подхода на основе пластичного разрушения и разрывной неустойчивости в применениях, связанных с трубопроводами.
В примерном варианте осуществления способ определения протечек до появления разрыва включает в себя использование оценочной кривой оценочной диаграммы (FAD) отказов от появления трещин на основе анализа FAD для анализа трещин в материале и использование анализа пластичного разрушения в сочетании с оценочной кривой FAD для обнаружения трещин, проявляющих, по меньшей мере, одно свойство из устойчивости к пластичному разрушению и склонности к разрывной неустойчивости при увеличении трещины.
В другом варианте осуществления способ обнаружения протечек до появления разрыва из трещины в материале трубопровода, который проявляет устойчивое увеличение трещин посредством пластичного разрушения, включает в себя использование оценочной кривой оценочной диаграммы (FAD) отказов от появления трещин на основе анализа FAD для анализа трещин в материале и использование анализа пластичного разрушения в сочетании с оценочной кривой FAD для обнаружения трещин, проявляющих, по меньшей мере, одно свойство из устойчивости к пластичному разрушению и склонности к разрывной неустойчивости при увеличении трещины, причем анализ пластичного разрушения учитывает увеличение прочности материала при появлении трещины при ее увеличении.
Вышеописанные и другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны и оценены специалистами в данной области из последующего подробного описания и чертежей.
Теперь обратимся к чертежам, на которых одинаковые элементы имеют одинаковые ссылочные позиции:
фиг.1 - график зависимости напряжения от длины трещины, иллюстрирующий медленный рост трещины в условиях плоского напряжения для пластичного материала;
фиг.2 - обычная R-кривая, иллюстрирующая условия для начала распространения трещин и разрывной неустойчивости (разрыва);
app
фиг.3 - график зависимости J от длины распространяющейся трещины, иллюстрирующий J-R кривую в сочетании с различными движущими силами;
фиг.4 - обычная J-R кривая материала, иллюстрирующая восемь оценочных точек;
mat
фиг.5 - оценочная диаграмма (FAD) отказов для анализа пластичного разрушения и разрывной неустойчивости с использованием J, полученного из J-R кривой с фиг.4 в соответствии с примером варианта осуществления;
фиг.6 - другая оценочная диаграмма (FAD) отказов для анализа пластичного разрушения и разрывной неустойчивости, иллюстрирующая устойчивое увеличение трещины, как и на фиг.5, без роста трещины, и пластичную неустойчивость в соответствии с примером варианта осуществления;
фиг.7 - оценочная диаграмма уровня III, изображающая критические размеры трещин при давлении 896 фунтов/кв.дюйм (максимально допустимое рабочее давление (МДРД)) в трубопроводе X-52 с внутренним диаметром 16 дюймов;
фиг.8 - реальная J-R кривая секции, вырезанной из трубопровода с внутренним диаметром 16 дюймов в соответствии с примером варианта осуществления;
фиг.9 - FAD для анализа пластичного разрушения сквозной трещины в стенке, с различной длиной, в трубопроводе с внутренним диаметром 16 дюймов, при МДРД 896 фунтов/кв.дюйм;
фиг.10 - анализ FAD уровня III для пластичного разрушения из сквозной трещины в стенке, с различной длиной, в трубопроводе с внутренним диаметром 26 дюймов, при МДРД 832 фунта/кв.дюйм;
фиг.11 - анализ FAD уровня III для пластичного разрушения различной длины из глубокой трещины SSC (то есть 90 мас.%) из колонии в трубопроводе из X-52.
Критерий приемлемости для содержащих трещины структур в соответствии с процедурой оценок API 579 и связанных с ней процедур оценок, таких как R6 и BS7910, анализируется скорее относительно начала распространения трещин, чем относительно неустойчивости (разрыва) трещин. Поскольку пластичный материал в условиях нагрузки с плоским напряжением (например, тонкие стенки из ферритных сталей для линейных участков трубопроводов на верхней части кривой перехода пластичность - хрупкость) часто показывает большую пластичную деформацию перед разрывом, методология оценок в таком случае может быть исключительно консервативной и может не соответствовать предсказаниям реальных условий отказа, подобного протечкам до появления разрыва.
0
i
i
i
c
c
i
c
Для разработки модели разрывной неустойчивости для оценок протечек до появления разрыва рассматривается процесс пластичного разрушения и возникновения разрывной неустойчивости. Этот процесс графически показан на фиг.1, где трещина с начальной длиной a начинает распространяться при a(например, начало увеличения трещины) при определенном напряжении σ. Если напряжение поддерживается при σ, то при этом напряжении дальнейшего роста трещины не происходит, так как G=R, где G является движущей силой и R является сопротивлением материала по отношению к распространению трещин. Затем небольшое увеличение напряжения требуется для дополнительного распространения трещин, однако трещина остается устойчивой, так как после приращения напряжения опять устанавливается новое равновесие G=R. В то время как продолжается этот процесс, имеется устойчивое увеличение трещин в области 10 между первой кривой 12 напряжений и второй кривой 14 напряжений, сопровождающийся увеличением напряжения, до тех пор пока не будет достигнута критическая комбинация напряжения σ и длины a трещины на второй кривой 14. В этот момент возникает неустойчивость роста трещин. Первая кривая 12 представляет напряжение σ для начала распространения трещин, в то время как вторая кривая 14 представляет критическое напряжение σ для разрывной неустойчивости с образованием разрывов. Область 10 между первой и второй кривыми представляет устойчивое медленное увеличение трещин в области пластичного разрушения.
σi
c
i
σi
σi
σ
i
σ
c
c
c
σ
c
Процесс пластичного разрушения и разрывной неустойчивости будет описан яснее со ссылкой на фиг.2 с использованием концепции R-кривой. Сопротивление материала по отношению к распространению трещин отображается как восходящая кривая 16, то есть R-кривая с вертикальным сегментом 18, соответствующим отсутствию распространения трещин при низком уровне напряжений (то есть при низкой движущей силе G). Движущая сила G для распространения трещин отображается как прямые линии 20 и 22 (то есть G-линии G и G), проходящие через начало координат. При уровне напряжений σ начинается распространение трещин, на что указывает уровень напряжения, причем дальнейшее распространение трещин происходить не может, так как линия 20 G находится под R-кривой 16, то есть G<R. Дальнейшее распространение может происходить только тогда, когда Gстановится чуть выше, чем R, следуя R-кривой, и устойчивые условия роста поддерживаются при каждом приращении G. Этот медленный рост трещин посредством пластичного разрушения осуществляется устойчиво до тех пор, пока σ и a не достигают точки 26 пересечения линии 22 G и R-кривой 16. После этой точки 26 G становится большим, чем R, на что указывает линия 22 G, и происходит неустойчивое разрушение (то есть разрыв). Следовательно, условия для неустойчивого разрушения выражаются как
и
app
mat
Сейчас, как правило, для пластичного материала при условиях плоского напряжения специалисты в данной области считают, что подходы на основе J-интеграла и первоначального смещения (COD) трещины обеспечивают правильное описание поведения упруго-пластичного появления трещины, которое обычно включает в себя устойчивый рост трещины. В настоящем описании используется только подход на основе J-интеграла. J-интеграл широко используется в качестве меры прочности инженерных сплавов по отношению к упруго-пластичному появлению трещин. Движущая сила для распространения трещин и сопротивление материала по отношению к росту трещин выражаются как J и J соответственно.
mat
app.
На фиг.3 R-кривая 16 с фиг.2 теперь устанавливается в терминах зависимости J от длины распространения трещины (a) на кривой 30 J-R, и движущая сила для распространения трещин выражается как JЗатем критерии разрывной неустойчивости выражаются как
и
Затем изложенный выше подход служит в качестве основы для разработки критерия для оценок протечек до появления разрыва, описанного более подробно ниже.
Кривые FAD на основе R6, API 579 или BS7910 и связанная с этим процедура широко используются для оценок приемлемости трещиноподобных признаков, присутствующих в структурах. Если точка оценки располагается вне безопасной области FAD на основе критерия появления трещин, трещина является недопустимой. Однако это не всегда указывает на условия отказа. Для материала, который проявляет устойчивый рост трещин посредством пластичного разрушения, прочность по отношению к появлению трещин увеличивается с ростом трещины. Подобно вышеупомянутым уравнениям (3) и (4) для разрывной неустойчивости, трещина будет оставаться устойчивой до тех пор, пока
0
r
Для демонстрации того, как именно трещина остается устойчивой, анализ пластичного разрушения осуществляется посредством вычисления Lr и Kr для некоторого диапазона постулируемого распространения трещины, Δa, начиная от начальной длины трещины a, где Kr является K, отношение применяемых J-интегралов для прочности материала по отношению к появлению трещины .
r
ref
На фиг.5 и 6 ось x определена как отношение L напряжений (или отношение пластичного коллапса), которое представляет собой отношение эталонного напряжения σ (функция приложенного напряжения и размера трещины) к предельному напряжению .
mat
app
J получают из кривых (J-R) сопротивления материала J с фиг.4 для приращения Δa роста трещины. J вычисляется на основе приложенной нагрузки, формы структуры и геометрии трещины. При условиях постоянной нагрузки и температуры для изолированной трещины начальная оценочная точка 38 первоначально находится вне области FAD 36 на фиг.5. В результате распространения трещины как , так и  будут увеличиваться.
r
r
0
Однако пока остается верным неравенство выражения (5), K будет уменьшаться. В то же время L будет несколько увеличиваться в результате роста трещин, по этой причине положение точек оценок 40 для FAD 36 будет смещаться в основном вниз (см. кривую AB) от точки 38, соответствующей начальной длине трещины a, с фиг.5.
Фиг.5 и 6 также показывают, что точки 42 оценок, вероятно, опускаются ниже кривой 36 оценок в результате пластичного разрушения, и, таким образом, распространение трещин, вероятно, приостановится, как показывают «пустые» оценочные точки под FAD 36 на фиг.6. Для этих трещин, даже если они начинаются вне оценочной кривой 36 и проявляют некоторый уровень устойчивого распространения трещин, трещины не приводят к отказу посредством разрыва при рабочем давлении с точки зрения отказа посредством разрыва, даже если имеется определенная величина приращения трещины.
На основе указанного выше анализа имеются две возможных ситуации по отношению к кривой AB. Во-первых, если трещина с фиг.5 представляет собой сквозную трещину в стенке, протечка является ожидаемой, так как точки оценок, вероятно, опустятся ниже оценочной кривой 36, указывая на то, что трещина является устойчивой и не будет вызывать разрыва, даже если оценочная точка 38 сначала находится вне оценочной кривой 36 FAD. Во-вторых, если трещина представляет собой поверхностную трещину, трещина может проникать сквозь стенку при постоянной приложенной нагрузке, приводя к протечке из-за распространения устойчивой трещины, если трещина является относительно глубокой, и распространение трещины происходит, прежде всего, в направлении поперек стенки.
Для полноты анализа на фиг.6 показаны еще два примера. Кривая CD расположена полностью под оценочной кривой 36, и, таким образом, при приложенной нагрузке не происходит распространения трещин. Кривая EF начинается над кривой 36, а затем становится касательной к оценочной кривой 36 в точке 46 касания. Это означает, что уровень нагрузки для данной конкретной трещины представляет собой предельный случай. Любая нагрузка, большая, чем данная нагрузка, привела бы к катастрофическому отказу. Наоборот, любая нагрузка, меньшая, чем данная нагрузка оценочной точки 46, опустилась бы ниже, вероятно, оценочной кривой 36 в результате пластичного разрушения, и увеличение трещины прекратилось бы. Кроме того, могла бы возникнуть протечка, если трещина была бы или стала бы сквозной трещиной в стенке вместо растрескивания.
Будет понятно, что приведенный выше анализ рассматривает пластичное разрушение, связанное только с приложением определенной нагрузки. Предполагается, что никакая форма докритического увеличения трещин не участвует при образовании разрывов. Если эти механизмы увеличения трещин не могут быть исключены, данный анализ должен применяться только к условиям перегрузки. Разумеется, докритическое увеличение трещин при нормальном рабочем давлении должно учитываться для оценки размеров трещин после определенного времени службы и должно использоваться для вычисления срока использования на основе скорости докритического увеличения трещин и критического размера, оцениваемого из анализа на основе разрывной неустойчивости. Кроме того, ясно, что соотношение J-R должно устанавливаться экспериментально для материала, содержащего трещинообразные признаки, при оценке температуры для осуществления анализа разрывной неустойчивости.
Ниже представлены два примера для проверки эффективности подхода на основе разрывной неустойчивости для оценок протечек до появления описанного выше разрыва. Во-первых, небольшую протечку, связанную со сквозной трещиной SCC в стенке, обнаружили в соединении трубопровода с внутренним диаметром 16 дюймов. Трубопровод с внутренним диаметром 16 дюймов был изготовлен в 1961 г. из стали X-52 API сорта 5L и предназначен для работы при максимальном допустимом рабочем давлении (МДРД) 896 фунтов/кв. дюйм. Во-вторых, сквозную трещину в стенке обнаружили во время недавнего раскапывания трубопровода с внутренним диаметром 26 дюймов, изготовленного в 1956 г. из стали X-52 сорта API 5L и работавшего при МДРД 832 фунта/кв. дюйм.
mat
Анализ FAD и оценки разрывной неустойчивости осуществлялись затем с целью оценивания критического размера трещин для начала распространения трещин и протечек до появления разрыва. Оценки предполагали, что трещины представляют собой отдельные изолированные трещины, то есть взаимодействия между трещинами в области трещин не рассматривались. Перед проведением оценок истинная кривая напряжение - деформация для материала, кривые J и J-R измерялись в соответствии со стандартами ASTM E646, E833 и El820 для осуществления FAD высокого уровня (способ D расчета материала) и оценок разрывной неустойчивости.
На фиг.7 показаны результаты оценок способа D уровня III (упоминаемого как API 579), указывающие на то, что сквозные трещины в стенке с размером, большим чем 2 дюйма, находятся вне кривой 100 оценок и являются неприемлемыми для обслуживания на основе критерия инициирования трещин.
Однако оценки разрывной неустойчивости показывают, что сквозные трещины в стенке с размером, меньшим чем 6,5 дюйма, не привели бы к катастрофическому отказу. На фиг.8 показана измеренная кривая J-R 110, а на фиг.9 показан анализ FAD 112 пластичного разрушения. Кроме того, в 2001 г. посредством исследования была обнаружена небольшая протечка и последующее исследование определило, что размер трещины, связанной с протечкой, соответствует 2,2-дюймовой сквозной трещине в стенке. Сходная оценка осуществлялась на 26-дюймовом трубопроводе во втором примере. Со ссылкой на фиг.10 анализ пластичного разрушения говорит о том, что сквозная трещина в стенке с размером, меньшим чем 4,9 дюйма, не вызвала бы разрыва. Этот анализ согласуется с наблюдением за областью, где сквозная трещина в стенке была обнаружена при раскапывании. Трещина имела 3,6 дюйма в длину, при этом часть трещины проходила через всю стенку. На фиг.10 показаны результаты анализа FAD.
Приведенный выше анализ основывается на предположении об изолированной трещине. Однако трещины, формируемые SCC, часто характеризуются как колонии трещин или поля трещин. Как правило, колонии SCC состоят из трещин различных размеров с промежутками между ними. Анализ механики трещинообразования говорит о том, что отказ начинается с одной из самых худших трещин, вызываемых SCC, а затем она соединяется с другими с образованием трещины большего размера, что в конечном счете приводит либо к протечке или разрыву, либо к протечке, а затем к разрыву в зависимости от размеров трещин, расстояний между трещинами, условий нагружения и свойств материала.
Например, если имеется очень глубокая трещина SCC (например, 90 мас.%) в колонии SCC в трубопроводе из X-52, и трещина длиннее, чем критический размер для начала распространения, но короче, чем размер для разрыва в соответствии с анализом FAD уровня III, тогда эта трещина могла бы начать увеличиваться посредством пластичного разрушения, если присутствуют благоприятные условия нагружения (например, рабочее давление). Пластичное разрушение происходило бы в основном в самой глубокой точке трещины, где интенсивность напряжений является самой высокой. Трещина могла бы легко пройти по оставшейся связке стенки и привести к протечке. Разрыв мог бы, наконец, произойти в результате соединения этой вновь образуемой сквозной трещины в стенке с соседними трещинами с образованием трещин большего размера. Произойдет ли разрыв или нет, зависит от размера соединяющейся трещины (например, с длиной, большей чем 4,5 дюйма, на основе анализа разрывной неустойчивости с фиг.11) в сочетании с условиями локального нагружения и температуры (то есть перегрузки, вызываемой флуктуациями давления). Однако время для такого перехода нельзя предсказать с легкостью - он мог бы продолжаться в течение месяцев или нескольких дней или часов. Однако фактографический анализ для данного конкретного случая показывает, что переход от протечки до разрыва мог бы продолжаться в течение времени того же порядка, что и время доведения температуры соединения (примерно по 15 футов в каждую сторону от места возникновения трещины) до температуры (CVN) перехода Чарпи. Для мелкой, сильно вытянутой в длину трещины (например, трещины глубиной <60 мас.%) взаимное соединение с соседними трещинами представляет собой главный процесс для пластичного разрушения. По этой причине разрыв, как ожидается на основе анализа разрывной неустойчивости, будет преобладать среди большей части отказов этих типов трещин.
Приведенное выше описание предусматривает критерий протечек до появления разрыва с использованием подхода на основе анализа пластичного разрушения и разрывной неустойчивости. Этот критерий учитывает значительное пластичное разрушение и устойчивое распространение трещин, которые могут происходить до катастрофического отказа. Оценки на основе этого критерия обеспечивают более точные предсказания и согласуются с ограниченными в настоящее время исследованиями области. Предварительные результаты с использованием этого критерия оценок показывают, что вероятность появления протечек до появления разрыва в трубопроводе, содержащем трещины, вызванные SCC, может и не быть низкой, например, трещины с глубиной 90 мас.% и длиной, меньшей чем 4,5 дюйма, будут, вероятнее всего, давать протечки до появления разрыва для сортовой стали сорта X-52. Эти данные говорят о том, что в дополнение к широко используемому в настоящее время "анализу появления трещин на основе FAD" для оценок целостности должен использоваться анализ пластичного разрушения, если протечки до появления разрыва представляют собой проблему. Данные также говорят о том, что напряжение само по себе не может служить для предсказания протечек до появления разрыва или наоборот. Сочетание напряжений, свойств материала, температуры и размеров трещин определяет критические условия для отказа из-за протечки или разрыва.
Хотя настоящее изобретение описывалось со ссылками на примеры вариантов осуществления, специалисту в данной области будет понятно, что могут быть проделаны различные изменения и могут быть использованы эквиваленты для замены его элементов без отклонения от рамок настоящего изобретения. В дополнение к этому может быть проведено множество модификаций для адаптации конкретной ситуации или материала к концепции настоящего изобретения, не выходя из объема настоящего изобретения. По этой причине предполагается, что настоящее изобретение не ограничено конкретным вариантом осуществления, описанным как наилучший способ его осуществления, но что настоящее изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, находящиеся в объеме прилагаемой формулы изобретения.