СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАЗНАЧЕННОГО РЕСУРСА КОРПУСА ЦЕЛЬНОСВАРНОГО ШАРОВОГО КРАНА
FORECASTING SPECIFIED LIFE OF ALL-WELDED BALL VALVE BODY

Изобретение относится к области обеспечения надежности и безопасности технических устройств, преимущественно тонкостенных конструкций, в частности сосудов и аппаратов, применяемых для сетей газораспределения, а именно цельносварных шаровых кранов, проведением ресурсно-прочностных исследований и обследования технического состояния средствами неразрушающего контроля.
Известен способ определения расчетного ресурса технического устройства на любом этапе от проектирования до достижения предельного состояния по результатам технического диагностирования и ресурсно-прочностного исследования с помощью функции: T=f(W; ε; β; Z),
где: W - объем неразрушающего контроля, проведенного при техническом диагностировании;
ε - коэффициент ответственности в зависимости от группы опасности технического устройства;
β - коэффициент дефектности, учитывающий наличие допустимых или недопустимых дефектов технического устройства, обнаруженных при техническом диагностировании;
Z - степень износа технического устройства (патент РФ №2454648, МПК G01M 15/00, G01N 3/00. Опубл. 27.06.2012 г.).
Однако известный способ недостаточно точен, т.к. не учитывает влияния скрытых технологических дефектов на фактическую предельную прочность конструкции. Поскольку характер скрытых технологических дефектов, места их сосредоточения и закономерности их появления неизвестны, то невозможно аналитически рассчитать степень их влияния на расчетный ресурс без проведения дополнительных исследований.
Известны также способы прогнозирования среднего и назначенного ресурса, в которых ресурс прогнозируется по наработке на отказ до капитального ремонта с использованием вероятностных моделей теории надежности (см., например, РД 26.260.005-91. Методические указания. Оборудование химическое. Номенклатура показателей и методы оценки надежности).
Но эти способы не находят широкого практического применения из-за недостаточной достоверности оценки ресурса технических устройств, поскольку ресурс принимается на основе номенклатурных показателей надежности, установленных для отдельных типовых узлов, и не учитывает результаты ресурсно-прочностных исследований и технического диагностирования, когда известны данные по износу стенок заменяемых элементов, механические напряжения, выявлены дефекты, возникшие при эксплуатации, и объем технического диагностирования.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ прогнозирования назначенного ресурса деталей, включающий выявление зоны с потенциально пониженным ресурсом методами неразрушающего контроля, определение прочностных характеристик деталей и определение, исходя из соотношения, назначенного ресурса (патент РФ №2215280, МПК G01N 3/00. Опубл. 27.10.2003 г.).
Однако и этот способ недостаточно достоверен, т.к. в нем используются параметры, полученные в процессе эксплуатации, а не до ее начала. При этом расчет проводится с использованием вероятностной характеристики - показателя функции безопасности, который не учитывает влияния скрытых технологических дефектов детали.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности прогнозирования назначенного ресурса деталей, в частности корпуса цельносварного шарового крана.
Технический результат заключается в выявлении и оценке местных напряжений в материале корпуса цельносварного шарового крана с учетом скрытых технологических дефектов.
max
фaкт
иcx
max
факт
исх
факт
исх
пр
факт
исх
расч,
расч
Поставленная задача решается тем, что в способе прогнозирования назначенного ресурса деталей, в частности корпуса цельносварного шарового крана, включающем выявление зоны с потенциально пониженным ресурсом методами неразрушающего контроля, определение прочностных характеристик деталей и определение, исходя из соотношения, назначенного ресурса, на поверхности корпуса цельносварного шарового крана определяют методом магнитной памяти металла максимальный градиент магнитного поля Земли (gradH). После чего разрушают корпус цельносварного шарового крана (натурный образец шаровых кранов) и заготовку корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину, отобранные из одной партии изготовления, воздействием внутреннего давления. По итогам разрушения определяют пределы прочности корпуса цельносварного шарового и заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину и устанавливают корреляционную зависимость: P/P=A×[gradH]+B, где: Р/Р - коэффициент предельного состояния корпуса цельносварного шарового крана; А и В - экспериментальные коэффициенты однофакторной линейной зависимости, характеризующие исследуемую партию кранов; Р - предел прочности корпуса цельносварного шарового крана; Р - предел прочности заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину. Прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана устанавливают исходя из соотношения: Т=(Р/Р)×Т где: Т - расчетный назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана.
max
max
Определение на поверхности корпуса цельносварного шарового крана методом магнитной памяти металла максимального градиента магнитного поля Земли (gradH) позволяет определить зону с потенциально пониженным ресурсом. При этом авторами изобретения экспериментальным путем установлено, что максимумам градиента магнитного поля Земли (gradH) соответствуют зоны с потенциально пониженным ресурсом.
Разрушение же корпуса цельносварного шарового крана и заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину, отобранных из одной партии изготовления, воздействием внутреннего давления позволяет определить их пределы прочности, где корпус - внешняя оболочка крана, а заготовка корпуса - не вполне готовое изделие или его часть, подлежащие последующей обработке.
А разрушение корпуса и заготовки корпуса цельносварного шарового крана, отобранных из одной партии изготовления, обеспечивает корректность сравнения их прочностных характеристик с учетом скрытых технологических дефектов.
Установленная авторами изобретения корреляционная зависимость:
факт
исх
Р/Р=А×[gradHmax]+B,
факт
исх
где: Р/Р - коэффициент предельного состояния корпуса цельносварного шарового крана;
факт
Р - предел прочности корпуса цельносварного шарового крана;
исх
Р - предел прочности заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину;
А и В - экспериментальные коэффициенты однофакторной линейной зависимости, характерные для исследуемой партии цельносварных шаровых кранов;
max
gradH - максимальный градиент магнитного поля Земли, дает возможность определить прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана исходя из соотношения:
пр
факт
исх
расч
расч
Т=(Р/Р)×Т, где: Т - расчетный назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана.
Способ был реализован в ОАО «Гипрониигаз» (г. Саратов).
Измерения градиента магнитного поля Земли проводили методом магнитной памяти металла по стандартной методике (ГОСТ Р 52330-2005) прибором «ИКН-2ФП». Полученные данные обрабатывались по стандартной программе «ММП-система» (разработчик ООО «Энергодиагностика», г. Реутов, Московская область).
Для выяснения степени влияния технологии на появление скрытых дефектов и выявления потенциально опасных зон корпусов цельносварных шаровых кранов были исследованы:
- 8 цельносварных шаровых кранов из стали 09Г2С с наружным диаметром 89 мм и толщиной стенки 4,0 мм;
- 16 заготовок корпусов цельносварных шаровых кранов из стали 09Г2С с наружным диаметром 89 мм и толщиной стенки 4,0 мм, соответствующих различным стадиям технологического процесса производства: а) после обжима с технологическим отверстием под горловину - 8 штук (тип а); б) после обжима без технологического отверстия под горловину - 8 штук (тип б).
Получены следующие экспериментальные данные (таблица 1). Таблица 1. Экспериментальные данные для кранов из стали 09Г2С.
Порядковый номер образца
Максимальные значения градиента магнитного поля ЗемлиgradH<sub>max,</sub> (А/м)/мм
Значения коэффициента предельного состояния корпуса цельносварного шарового крана
корпус крана
заготовка корпуса крана (тип а)
заготовка корпуса крана (тип б)
1
9,1
1,6
0,2
0,99
2
9,3
1,8
0,1
0,94
3
9,7
1,8
0,2
0.93
4
9,8
2,1
0,2
0,88
5
9,9
2,2
0,3
0,90
6
10,0
2,4
0,2
0,85
7
10,3
2,5
0,2
0,81
8
10,4
3,0
0,2
0,82
В результате измерений получены следующие значения средних максимальных градиентов магнитного поля, в основном, в области горловины для 95%-ной доверительной вероятности: для корпуса после обжима без технологического отверстия под горловину [gradH]=(0,2±0,05) (А/м)/мм; для корпуса после обжима с технологическим отверстием под горловину:
[gradH]=(2,2±0,6) (А/м)/мм. При этом средний максимальный градиент магнитного поля Земли на поверхности цельносварных шаровых кранов находился в интервале: [gradH]=(9,8±0,4) (А/м)/мм.
Таким образом, градиент магнитного поля как индикатор наличия скрытых технологических дефектов возрастает на порядок в области горловины после операции изготовления отверстия (пробоя), а затем увеличивается примерно в 4 раза после операции сварки.
Испытания на прочность корпусов и заготовок корпусов (тип б) цельносварных шаровых кранов проводились с использованием установки, состоящей из:
- термостатической бронекамеры «ТСК-0-1» для безопасного размещения образцов;
- гидравлической машины «УНГР-2000», создающей давление до 200 МПа;
- видеографического регистратора «Метран 910» для контроля параметров испытаний.
Нагружение корпусов и заготовок корпусов (тип б) цельносварных шаровых кранов до разрушения производилось со скоростью 2 МПа/мин.
max
На поверхности корпусов кранов определяли градиенты магнитного поля Земли (gradH). Например, на поверхности корпуса крана - образец №7, градиент магнитного поля Земли составлял: 2,1; 2,8; 3,2; 3,4... 10,3. Максимальный градиент магнитного поля Земли (gradH), равный 10,3 (А/м)/мм, выявлен в области горловины крана.
После чего разрушали корпус и заготовку корпуса цельносварного шарового крана, отобранные из одной партии изготовления, воздействием внутреннего давления до 70 МПа. При этом разрушение корпуса произошло в области горловины крана.
факт
иcx
По результатам разрушения определяли пределы прочности корпуса цельносварного шарового крана (Р=567,10 МПа) и заготовки корпуса цельносварного шарового крана (тип б) (P=691,23 МПа).
факт
исх
max
факт
исх
факт
исх
max
На основе полученных данных установили корреляционную зависимость: Р/Р=A×[gradH]+B, где: Р/Р - коэффициент предельного состояния корпуса шарового крана; Р - предел прочности корпуса цельносварного шарового крана; Р - предел прочности заготовки корпуса цельносварного шарового крана (тип б); А и В - экспериментальные коэффициенты однофакторной линейной зависимости, характерные для исследуемой партии корпусов цельносварных шаровых кранов и рассчитанные методом наименьших квадратов; gradH - максимальный градиент магнитного поля Земли.
Коэффициенты А и В, рассчитанные методом наименьших квадратов, имеют следующие значения: А=-0,17, В=2,84.
факт
исх
max
На основании полученных и накопленных данных строят экспериментально-расчетную корреляционную зависимость вида Р/Р=А×[gradH]+B для кранов из стали 09Г2С (см. фиг.).
пр
факт
исх
расч
расч
И определяют прогнозируемый назначенный ресурс исходя из соотношения: Т=(Р/Р)×Т, где: Т - расчетный назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана (в соответствии с требованиями СТО 7.1-2011 «Газпром газораспределение» - не менее 30 лет).
пр
факт
исх
расч
пр
факт
исх
расч
Например, при максимальном градиенте магнитного поля Земли, равном 10,3 (А/м)/мм, прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана из стали 09Г2С будет: Т=(Р/Р)×Т=0,87×30=26,1 лет. А при максимальном градиенте магнитного поля Земли, равном 9,3 (А/м)/мм, прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана будет Т=(Р/Р)×Т=0,94×30=28,2 года.
Таким образом, заявленный способ повышает точность прогнозирования назначенного ресурса корпуса цельносварного шарового крана.