Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы оценки хладостойкости металлоконструкций стр.14
1.1. Методы оценки сопротивления хрупкому разрушению стр. 14
1.1.1. Влияние температуры, скорости нагружения и технологических факторов на характеристики трещиностойкости стр.28
1.2. Анализ предельных состояний элементов металлоконструкций стр.37
1.2.1. Критерии отказов и предельных состояний технических систем и объектов стр.43
1.2.2. Критерии предельных напряженно-деформированных состояний материалов стр.48
1.2.3. Анализ предельных состояний элементов конструкций стр.52
1.2.4. Основные и дополнительные типы предельных состояний. стр.58
1.2.5. Уравнения предельного состояния при проведении расчетов на трещиностойкость стр.63
1.3. Деформационные критерии механики разрушения стр.66
ГЛАВА 2. Катастрофические разрушения газопроводов и резервуаров севера стр.81
2.1.Типы катастрофических разрушений газопроводов и резервуаров на Севере. Причины разрушений магистральных газопроводов и резервуаров стр.81
2.2. Исследование свойств материалов магистральных трубопроводов Севера стр. 119
2.2.1. Исследование микротвердости образцов материала магистрального трубопровода стр. 127
2.3. Исследование распределений дефектов в газопроводах и резервуарах Севера стр. 130
2.4. Анализ деградации свойств материалов стр.149
2.4.1. Анализ старения основного металла и сварного соединения магистрального газопровода Севера после длительной эксплуатации стр. 163
ГЛАВА 3. Оценка предельного состояния при потере пластичности стр.168
3.1. Исследование механических свойств и характеристик трещиностойкости материалов применяемых для конструкций Севера стр. 168
3.1.1 Функции распределения характеристик трещиностойкости трубных сталей стр. 189
3.2. Экспериментальные оценки потери пластичности на гладких образцах стр.204
3.2.1. Накопление повреждений и оценка надежности при случайных нагрузках стр.205
3.2.2 Гипотезы и модели накопления повреждений стр.207
3.2.3. Испытания на малоцикловую усталость гладких образцов стр.211
3.3. Экспериментальные исследования образцов с трещиной при низких температурах стр.219
3.4. Оценка предельного состояния материалов при потере пластичности стр.227
3.4.1. Методика построения предельной кривой потери пластичности для гладких образцов стр.227
3.4.2. Уравнения предельного состояния при потере пластичности. Коэффициент потери пластичности стр.235
3.5. Методика оценки предельного состояния материала конструкции при потере пластичности методами неразрушающего контроля стр.239
ГЛАВА 4. Разработка метода оценки хладостойкости трубопроводов и резервуаров после длительной эксплуатации стр.249
4.1. Оценка хладостойкости образцов с учетом оценки потери пластичности при низких температурах стр.249
4.2. Расчет на прочность и трещиностойкость трубопроводов и резервуаров большого диаметра стр.263
4.3. Разработка метода оценки хладостойкости трубопроводов и резервуаров после длительной эксплуатации стр.269
4.3.1. Методика оценки остаточного ресурса магистрального газопровода стр.280
4.4. Алгоритм и критерий оценки хладостойкости трубопроводов и резервуаров после длительной эксплуатации стр.283
ГЛАВА 5. Оценка надежности трубопроводов и резеруаров севера стр.294
5.1. Определение функции безотказной работы трубопроводов и резервуаров Севера стр.294
5.2. Оценка параметров надежности магистральных газопроводов после длительной эксплуатации в условиях Севера стр.303
Основные результаты и выводы стр.322
Список использованных источников стр.324
Приложения стр.358
- Влияние температуры, скорости нагружения и технологических факторов на характеристики трещиностойкости
- Исследование микротвердости образцов материала магистрального трубопровода
- Методика построения предельной кривой потери пластичности для гладких образцов
- Расчет на прочность и трещиностойкость трубопроводов и резервуаров большого диаметра
Введение к работе
Проблема оценки надежности и ресурса металлоконструкций, работающих в условиях низких климатических температур, на сегодняшний момент является наиболее актуальной задачей обеспечения техногенной безопасности сложных технических систем. Если в начале прошлого века задачей инженеров было решение задач прочности конструкций методами сопротивления материалов, а в 60-70 годах - решение задач обеспечения прочности, надежности и хладостойкости машин и конструкций, то сегодня задача стоит о комплексной оценке прочности, надежности, хладостойкости и безопасности сложных технических систем. Данные задачи, в первую очередь, ставит Федеральный закон «О промышленной безопасности», а также ускоряющиеся темпы промышленного роста и освоения природных ресурсов Северо-Востока России. Решение проблемы требуется рассматривать с нескольких позиций: усовершенствование методов диагностики и мониторинга; разработка новых методов расчета предельного состояния элементов конструкций; и экспериментальные исследования физико-механических свойств материалов. Проблемы безопасности функционирования сложных технических систем таких, как трубопроводный транспорт, энергетические установки, экскаваторы, драги и многих других, эксплуатируемых в условиях Севера, тесно связаны с задачами их диагностики, оценки и продления ресурсов. Для Крайнего Севера требуется учет ряда специфических факторов, что не позволяет в прямом виде применять методы, разрабатываемые для других регионов России и мира. Все эти факторы взаимосвязаны.
Понятия хладостойкость элементов конструкций и хладноломкость металлов практически появились в начале шестидесятых годов после успешного начала освоения космического пространства. В пятидесятые годы велись исследования поведения материалов в условиях вакуума и при температурах жидкого водорода и азота, которые в шестидесятые годы постепенно перешли в исследование порога хладноломкости сталей для производства элементов металлоконструкций массового производства, эксплуатирующихся в условиях экстремально низких климатических температурах. В семидесятые годы в результате этих исследований были созданы новые марки сталей - низколегированных, порог хладноломкости которых лежал ниже стандартизованной климатической температуры эксплуатации, особенно в условиях Крайнего Севера. Результаты этих исследований используются для предотвращения хрупких разрушений в условиях низких климатических температур с целью повышения безопасности эксплуатации опасных производственных объектов, к которым относятся большие механические системы, и (или) повышения эффективности техники в северном исполнении.
Вопросы повышения безопасности опасных промышленных объектов путем предотвращения хрупких разрушений их элементов с каждым годом становятся все более актуальными и острыми, особенно это относится к нефтегазопроводам и резервуарам, длительно эксплуатирующимся в условиях низких температур.
Анализ случаев разрушений трубопроводов и резервуаров показывает, что новые металлоконструкции всегда останавливают трещину (свищ), а старые рассыпаются на осколки. Можно предположить, что за время длительной эксплуатации в металле конструкций накапливается столько повреждений, что любое нарушение сплошности тела, например, трубы приводит к спонтанному разрушению осколочного характера. Отсюда вытекает общая постановка задачи исследований опасных производственных объектов типа газонефтепроводов большого диаметра после длительной эксплуатации – каким образом обнаруженные при проведении диагностики стареющих металлоконструкций дефекты ранжировать не только по геометрическим размерам и формам, но и по степени риска возникновения катастрофических аварий с учетом накопления повреждений в процессе эксплуатации. Очевидно, что к методикам поверочного расчета на прочность, таких как методики расчета по скорости коррозии металла; методики расчета трещиностойкости металла; методики расчета на усталость металла; методики расчета узлов оборудования, работающего в условиях ползучести, должны быть добавлены методики расчета хладостойкости по результатам диагностики металлоконструкций в зависимости от срока эксплуатации.
Решение проблем повышения надежности, прогнозирования несущей способности и остаточного ресурса машин и конструкций, при эксплуатации в условиях Крайнего Севера, затруднено влиянием низких климатических температур на изменение физико-механических свойств материалов. Анализ современного состояния исследований в данной области показывает, что существующие расчетные методы базируются, в основном, на неизменности свойств и сопротивляемости зарождению, развитию и распространению трещины и не в полной мере учитывают: влияние изменения структуры поврежденности на процессы пластического деформирования; влияние неоднородности напряженно-деформированного состояния на предельные характеристики упрочняющихся конструкционных сталей.
Повышение надежности и несущей способности металлоконструкций и сооружений, работающих при низких климатических температурах, требует решения фундаментальных задач, а именно: разработка феноменологических основ оценки хладостойкости от материала до конструкции по физически обоснованным параметрам; оценка предельных параметров в зависимости от структурной поврежденности; разработка методологических алгоритмов, оценки хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации. Комплексные исследования по оценке хладостойкости элементов конструкций после длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера ранее не проводились.
Цель диссертационной работы заключается в развитии научных основ анализа остаточного ресурса и в разработке методов и критериев оценки хладостойкости труб и сосудов при статических нагрузках после длительной эксплуатации.
В соответствии с поставленной целью, требовалось решение следующих задач:
- путем проведения комплексного анализа особенностей природно-климатических условий эксплуатации, режима нагруженности и причин разрушений магистральных трубопроводов и резервуаров Севера выявить и систематизировать основные факторы, влияющие на надежность и прочность после их длительной эксплуатации;
- изучить физико-механические свойства трубных сталей северного исполнения, создать базу данных и оценить характеристики сопротивления хрупкому разрушению материалов конструкций длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;
- провести экспериментальные исследования механических свойств и характеристик статической трещиностойкости на образцах моделированием потери пластичности в виде поврежденности и низких температур и обосновать предельное состояние при разрушении в результате потери пластичности;
- исследовать границы потери пластичности на образцах, провести корреляцию с методами неразрушающего контроля и сформулировать критерий хрупкого разрушения при потере пластичности;
- разработать критерий потери пластичности материала для оценки показателей хладостойкости конструкций, длительно эксплуатирующихся в условиях Севера;
- разработать методику и алгоритм оценки хладостойкости крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций типа трубопроводов и резервуаров Севера после длительной эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в развитии экспериментальных методов оценки предельного состояния и усовершенствовании подходов оценки вязкохрупкого перехода для элементов конструкций, типа труб и сосудов большого диаметра после длительной эксплуатации, на основе подходов механики разрушения. При этом получены следующие основные научные результаты:
- разработан метод оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций, типа магистральных трубопроводов и сосудов давления большого диаметра после длительной эксплуатации, путем расчетного определения второй критической температуры вязкохрупкого перехода с использованием предельной кривой потери пластичности, установленной испытаниями на образцах характеристик статической трещиностойкости, механических свойств и показателя потери пластичности с учетом конструктивных размеров;
- разработана экспериментально обоснованная предельная кривая разрушения в зависимости от характеристик статической трещиностойкости, механических свойств и характера потери пластичности, смоделированная на образцах в виде поврежденности и низких температур;
- исследование границ потери пластичности на образцах позволило предложить критерий пластичности материала заключающийся в исчерпании пластической составляющей в упруго-пластическом деформировании вследствии воздействия различных факторов;
- проведена корреляция фактора потери пластичности материала с микротвердостью, позволяющая оценить деформационное старение материала методами неразрушающего контроля;
- на основе проведенных исследований потери пластичности, предложено условие хрупкого разрушения материала конструкции в виде деформационного критерия потери пластичности, состоящей из факторов поврежденности и низких температур, позволяющая оценить хладостойкость конструкции после длительного периода эксплуатации.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке метода оценки хладостойкости тонкостенных металлоконструкций типа трубопроводов и резервуаров большого диаметра после длительной эксплуатации и составляют единый прикладной комплекс для решения задач по обеспечению требуемого уровня эксплуатационной надежности конструкций Севера в результате исчерпания несущей способности.
Результаты диссертационной работы использованы для разработки практических рекомендаций по оценке технического состояния и хладостойкости трубопроводов и резервуаров, работающих в условиях Севера, а также стандартов предприятий по расследованию аварий и инцидентов на опасных производственных объектах:
-
Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Оценки технического состояния непроектных участков магистрального газопровода.
-
Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Сбор, хранение и подготовка первичной информации для оценки технического состояния и проведения исследования причин отказов и разрушения магистрального газопровода.
-
Методические рекомендации. Хладостойкость магистральных газопроводов при эксплуатации.
-
Стандарт организации. Положения проведения технического расследования аварий и инцидентов на опасных производственных объектах.
-
Программа проведения экспертизы промышленной безопасности резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Перечисленные нормативно-технические документы внедрены в производственные предприятия: ОАО «Якутгазпром», ОАО «Сахатранснефтегаз», ОАО «Саханефтегазсбыт», а также в экспертную организацию ЗАО НПП «ФизтехЭРА».
Диссертация является частью завершенных научно-исследовательских работ Института физико-технических проблем Севера им.В.П.Ларионова СО РАН по темам:
1.11.1.10. Разработка методов моделирования неравновесных процессов в гетерогенных материалах и создание новых материалов, технологий и основ оптимального проектирования для повышения надежности и работоспособности конструкций и машин, работающих под действием статических и динамических нагрузок в условиях Крайнего Севера. Раздел 3. Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов распространения стабильной (хрупкой) трещины как последействие автоволновых деформаций в твердом теле с системой рассеянных повреждений и дефектов (1996-2000). № гос.регистрации 0196000703.
3.3, 2.3.6. Разработка и усовершенствование методов расчета прочности, надежности и оценки ресурса элементов машин и конструкций, работающих в условиях Севера. Раздел 1. Разработка методики экспериментально-расчетной оценки несущей способности и расчета показателей надежности элементов конструкций эксплуатирующихся в условиях холодного климата (2003-2005). № Гос. рег. 01.2.00.107181.
Фундаментальная программа РАН 3.16.3. Динамика и устойчивость многокомпонентных машиностроительных систем с учетом техногенной безопасности. Проект: «Оценка риска и системы контроля технической безопасности», тема: «Техногенная безопасность и оценка ресурса больших механических систем с учетом воздействия низких климатических температур» (2004-2006).
Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций. Программы 8.3. Физика и механика деформирования и разрушения однородных и композитных материалов и конструкций для транспортных и авиационных систем. Проект «Развитие теории хрупкого разрушения кристаллических конструкционных материалов и их неразъемных соединений с накопленными повреждениями в условиях низких температур (до – 1200 С)». Блок 1. Исследование закономерностей поведения деградирующих твердых тел для прогнозирования их ресурса от воздействия различных силовых нагрузок и механохимического поведения материалов с различной поликристаллической структурой и их неразъемных соединений в элементах конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах ( – 1200 С) (2006-2009).
Достоверность научных положений и полученных результатов обоснована:
-общепринятыми апробированными исходными положениями;
-применением стандартных методов исследований и обработки результатов;
-соответствием результатов исследований, полученных автором, с результатами других исследователей в этой области.
Личный вклад автора состоит:
- в постановке задачи исследования, формулировке основных положений, определяющих научную новизну и ее практическую значимость;
- в разработке подходов, критериев и методов расчета на хладостойкость после длительной эксплуатации;
- в непосредственном руководстве организацией и проведением всех этапов исследований эксперимента и расчета показателей хладостойкости;
- в формулировке подходов оценки потери пластичности и обработке результатов исследований.
Апробация работы. Основные материалы и результаты работы докладывались и обсуждались на: Международном семинаре «Механические свойства и разрушение сталей при низких температурах» (г.Санкт-Петербург, 19 апр.1996г.); Научно-практической конференции «Молодежь и наука РС(Я) (г.Якутск, 5-6 дек.1996 г.); Научно-практической конференции «Якутск-столица северной республики: глобальные проблемы градосферы и пути их решения»; Региональном семинаре «Технология и качество сварки в условиях низких температур» (г.Якутск, 9-14 июня 1997 г.); Всероссийской конференции «Проблемы защиты населения территорий от чрезвычайных ситуаций» (г.Красноярск, 21-25 сент. 1997 г.); Научно-техническом семинаре «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (г.Санкт-Петербург, 1998г.); II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г.Якутск, 20-27 августа 2004 г.); XI-й Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций «Актуальные проблемы гражданской защиты» (18-20 апреля 2006 г. Москва); IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (22-27 июля 2008 г. Якутск); I-й Научно-практической конференции «Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов в условиях Крайнего Севера: Проблемы и пути решения» (г.Якутск, 20-22 мая 2009 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, в том числе 1 монография, 14 статей в журналах.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов, списка источников, приложения и изложена на 358 страницах машинописного текста с 41 таблицей и 130 рисунками и списка литературы из 319 источников.
Влияние температуры, скорости нагружения и технологических факторов на характеристики трещиностойкости
В случаях невыполнения этого условия наблюдается снижение переходной температуры, что соответствует характеру температурных зависимостей величины Кіс при варьировании толщины образцов. Переходные температуры Т0 для серий 1, 2, 3 соответственно составляют 223...225, 230...231, 231...232К и находятся в области эксплуатационных температур (до -65 С) [182]. Они могут быть использованы в качестве расчетных, наряду с другими температурами хрупкости [181], при оценке - сопротивления элементов конструкций хрупкому разрушению.
Температурные зависимости характеристик трещиностойкости и определение по ним переходных температур хрупкости позволяют оценить влияние технологических факторов на склонность сталей хрупкому разрушению. Исследование структуры листового проката СтЗсп в работе [180] травлением по методу Фри и измерение микротвердости по толщине образцов показали наличиє прокатного наклепа на глубину 0,3...0,4 толщины листа с повышением микротвердости ферритного зерна в поверхностных слоях на 25...30 %, по сравнению с центральной зоной. Снятие прокатного наклепа путем высокого отпуска (3 ч при 630 С) дает (рис. 2.28,а) снижение переходной температуры хрупкости Т0 от -40С до -70С. Существенное снижение переходной температуры достигается путем применения улучшающей термообработки (нормализация при 900 С + высокий отпуск при 650 С). Испытания стали СтЗсп (t=14 мм) показали, что в результате термообработки происходит уменьшение ферритного зерна с 0,039 мм в горячекатанном состоянии до 0,014 мм после термоулучшения, при этом сдвиг температур ДТ0 составляет = 60 С (рис. 1.6, а).
Применение в металлоконструкциях холодногнутых профилей проката обусловило необходимость оценки влияния холодного наклепа на характеристики трещиностойкости. Исследовались стали СтЗкп и 09Г2С. Степень пластической деформации, соответствующая зоне гиба холодногнутых профилей, достигалась на образцах механической гибкой и контролировалась по условию равенства микротвердости по толщине листа. Наличие наклепа в зоне гиба гнутого профиля приводит (рис. 1.6, б) к повышению переходной температуры хрупкости (для стали СтЗкп АТ0 = 40С; для стали 09Г2С АТ0=30С), что ограничивает возможности применения холодногнутых профилей в металлоконструкциях, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур.
Влияние скорости деформирования на температурные зависимости Jc должно рассматриваться в связи с изменением механических характеристик материала, в частности, предела текучести, при варьировании температуры испытания и скорости деформирования [179]. Совместное влияние пониженных температур и скорости деформирования на значения Jc можно оценить с использованием температурно-скоростного параметра (ТСП) [9, 80, 81, 83, 84, 86-88]. Экспериментальные исследования, проведенные на малоуглеродистых сталях в диапазоне температур + 20...-120С при различных скоростях нагружения (исследован диапазон скоростей 10" ...10" с"), позволили установить зависимость нижнего предела текучести от ТСП в виде 1 - состояние поставки; 2 - отпуск при 630 С (Ст2сп; 5=5 мм); 3 - состояние поставки; 4 - термообработка (нормализация при 900 С + отпуск при 650 С) (СтЗсп; 5 = 14мм); б - холодный наклеп: о» - сталь СтЗкп; пи - сталь 09Г2С; оп - состояние поставки; «и - после наклепа гибкой. где Ат, Вт - характеристики материала, для малоуглеродистых сталей Ат=158; Вт= 5,91 10" ; х — температурно-скоростной параметр, % = К - Т1п(Ах /е); К постоянная Больцмана, К=1,38 10" Дж/К; Т - температура, К; Ах - постоянный коэффициент, Ах=10 с" ; е- скорость деформации. Если скорость деформации е определить на границе зоны пластичности у вершины трещины, то появляется возможность оценить взаимосвязь между критическим значением J-интеграла и пределом текучести, величина которого устанавливается по зависимости (1.28). Скорость деформации определялась по следующей методике. При степенной диаграмме деформирования величина J-интеграла может быть рассчитана по формуле [180]
Исследование микротвердости образцов материала магистрального трубопровода
Особое внимание на этом этапе должно быть уделено нормированию допускаемой дефектности и формированию базы данных расчетных характеристик. В первом случае уровни допускаемой дефектности для крупногабаритных сварных конструкций устанавливаются с учетом возможностей нераз-рушающих методов контроля, отражаемых функцией выявляемое дефектов, и они должны иметь расчетное обоснование на базе критериев механики разрушения. При формировании базы данных расчетных характеристик необходимо исходить из того, что для комплексного анализа несущей способности конструкций, СТС и инженерных сооружений знания традиционных характеристик механических свойств оказывается недостаточно. Существенно возрастает роль экспериментальных исследований характеристик усталостной прочности, ударной вязкости, трещиностойкости, длительной прочности и ползучести, коррозионной стойкости и т.д., которые становятся определяющими при анализе предельных состояний в экстремальных условиях эксплуатации.
На третьем этапе составляются расчетные схемы (основная и дополнительные), назначаются расчетные варианты и расчетные режимы эксплуатации. При проведении расчетов на трещиностойкость элементов металлоконструкций с реальными трещинами эксплуатационного происхождения, достаточными оказываются несколько базовых расчетных схем в зависимости от конструкционного оформления элемента, условий их работы, зон расположения трещин. В расчетных схемах используются гипотетические (рас 55 четные) или фактические размеры и геометрия трещин, выявленные при обследовании металлоконструкций. Задачей четвертого этапа является определение номинального, местного и локального напряженно-деформированных состояний. Тенденции последних десятилетий при анализе НДС связаны с развитием численных методов расчета (методы конечных элементов, граничных уравнений, конечных разностей и т.д.) и совершенствованием технологий вычислительного моделирования. Наряду с традиционными методами сопротивления материалов, строительной механики, теорий пластин и оболочек, получили широкое распространение такие программные комплексы, как GIFTS, NASTRAN, ANSYS, DYNA и специализированные пакеты программ, ориентированные на конкретные типы конструкций, машин и объектов. В этой связи, при решении задач анализа НДС, важнейшими составляющими становятся: формирование качественной расчетной схемы, учет реальных граничных условий и особенностей нагружения в особых областях (концентрация напряжений, поля остаточных и температурных напряжений, инерционные воздействия и т.д.). Заключительная стадия анализа предельного состояния включает в себя [169, 170, 180]: - обобщение предшествующих результатов и информации с выделением (назначением) основных типов предельных состояний; - выбор критериев и уравнений предельного состояния для проведения расчетных оценок показателей прочности, трещиностоикости и надежности наиболее опасных элементов ("слабых" звеньев системы); - оценку коэффициентов запаса по характеристикам прочности. При формулировке и обосновании выбора критериев предельного состояния С предъявляются следующие требования: - соответствие принятым методам расчета; - возможность использования при различных напряженных состояниях; - возможность экспериментального определения количественных значений критериев. Влияние геометрического фактора связано с наличием в элементах раз 56 личных видов конструктивных концентраторов напряжений (отверстия, галтели, выточки, пазы и т.д.) разнообразных дефектов типа трещин (подрезы, непровары, поры и т.д.), повреждений в виде забоин, вмятин, погнутостей, трещин различных конфигураций (угловая, краевая, полуэллиптическая, эллиптическая, круговая и т.д.). Для оценки несущей способности элементов конструкций, в данном случае, необходим дополнительный анализ НДС, как правило, на локальном уровне, связанный с определением коэффициентов концентрации напряжений, математическим описанием конфигурации дефектов и повреждений, переходом в расчетных моделях от реальных трещин к эквивалентным с той же степенью опасности для конструкций, с расчетом соответствующих поправочных функций. Здесь же следует отметить влияние масштабного эффекта. С увеличением размеров сечений, деформируемых объемов материала происходит снижение характеристик прочности, пластичности и выносливости, определяемых на стандартных лабораторных образцах. Это является следствием технологических операций производства сталей и сплавов (кристаллизация, прокатка, термообработка и т.д.). Снижение пределов текучести, прочности, выносливости описывается функциональными зависимостями от геометрических размеров, устанавливаемых по результатам массовых испытаний образцов.
Технологический фактор в разных аспектах проявляется как результат технологических операций на стадиях производства сплавов и проката, изготовления машин и конструкций, при проведении монтажных операций, а также, на стадии эксплуатации, при нарушении технологических норм, правил и регламентации. Возможности учета влияния разнообразных проявлений технологического фактора на несущую способность изделий крайне ограничены и связаны, в большинстве случаев, с введением в расчетные уравнения набора эмпирических коэффициентов, определенных экспериментальным путем.
Фактор условий эксплуатации связан, в основном, с влиянием среды эксплуатации (коррозионная, электромагнитная, радиационная и т.д.), природ 57 но-климатических условий (температура, скорость ветрового напора, толщина снежного покрова, сейсмичность и т.д.), уровня технологических параметров и характеристик динамических процессов (давление, температура, нестационарность, частота и скорость нагружения и т.д.). В первом случае должна быть составлена модель среды, отражающая ее основные физические особенности и позволяющая формулировать кинетические уравнения происходящих процессов, в частности, накопления и развития повреждений при наличии механических воздействий от основных расчетных нагрузок. Задача оценки предельного состояния в данном случае оказывается достаточно сложной и решается отдельно для конкретного объекта при четко обозначенных исходных параметрах и граничных условиях. В случае анализа предельных состояний машин и конструкций в связи с влиянием природно-климатических условий имеющийся опыт проектирования и эксплуатации нашел свое отражение в соответствующих главах СНиП. Более детального расчетно-экспериментального обоснования требует учет влияния пониженных температур эксплуатации. Сложившиеся тенденции в решении этой задачи связаны с использованием в расчетах температурных зависимостей характеристик механических свойств и трещиностойкости, критических температур хрупкости и соответствующих температурных запасов.
Методика построения предельной кривой потери пластичности для гладких образцов
В данной работе приводятся примеры инцидентов - разрушений оборудования нефтяной и газовой промышленности от развития усталостных и коррозионных повреждений при их длительной эксплуатации.
В ноябре 2005 г. на скважине Мастахского ГКМ после 25 лет (220 000 часов) эксплуатации разрушилась коренная задвижка ЗМС 65x35 фонтанной арматуры. В момент разрушения давление на устье арматуры составляло 10,5 МПа, а температура окружающего воздуха равнялась - 34 С. Общий вид разрушенной задвижки ЗМС 65x35 приведен на рис. 2.10. Разрушение произошло по зоне термического влияния сварного шва - в области перехода от корпуса задвижки к фланцевому соединению, в месте стыковки внутренних стальных цилиндров - с технологическим изменением толщины, создающим концентрацию напряжений с внутренней стороны.
Корпус задвижки, по данным химического анализа, изготовлен из стали ЗОХГС (ГОСТ 4543-71) и по механическим свойствам (определены путем пересчета значений твердости) удовлетворяет требованиям ГОСТ 8479-70 для данной марки стали: твердость по Бринеллю НВ =187, временное сопротивление ав = 650 МПа, предел текучести от - 425 МПа.
Вид излома задвижки и схема излома приведены на рис. 2.11 а, б. Исследуемая поверхность излома полностью покрыта продуктами окисления, а часть поверхности - слоем нефтепродуктов, что свидетельствует о стадийно-сти процесса разрушения детали.
Поверхность излома содержит два расположенных рядом очага разрушения (рис. 2.116): зону ускоренного развития трещины и зону долома (рис. 2.12а, б). Очаг разрушения, расположенный с внутренней стороны задвижки, состоит из слившихся многочисленных очагов усталостных микротрещин, в виде характерных для малоцикловой усталости «язычков» (указаны на За стрелками). Усталостное разрушение развивалось под влиянием пульсирующего внутреннего давления. Раскрытие трещины и окончательное разрушение происходили по направлению от внутренней поверхности детали к внешней.
Таким образом, анализ характера разрушения исследуемой детали показал следующее: под влиянием внутреннего давления в области стыковки внутренних цилиндров с технологическим изменением толщины, создающим концентрацию напряжений, зародились источники многоочагового малоциклового усталостного разрушения; распространение усталостных микротрещин вызвало объединение двух близко расположенных зон усталостного разрушения, что вызвало раскрытие трещины, затем произошло катастрофическое хрупкое разрушение детали по всему сечению.
Другим типом разрушения при длительной эксплуатации оборудования является коррозионное повреждение, столь характерное для регионов центральной и сибирской части России и мало встречающееся в регионах Севера [23]. Однако, последние разрушения показали на существование данного вида повреждения трубопроводов в районах распространения вечномерзлых грунтов. Так летом 2006 г. на участке магистрального газопровода Средневи люйское ГКМ-Мастахское ГКМ-Якутск-Покровск произошел выброс транспортируемого газа вследствие коррозионного повреждения трубы. Участок подземного газопровода, выполненный из стальных труб с наруж ным диаметром 273 мм и толщиной стенки 8 мм, эксплуатировался с 1968 года и был защищен антикоррозионным покрытием из битумной мастики со стек л охо летом. Труба изготовлена из стали СтЗ сп (ГОСТ 380-88), что соот ветствует проектной документации и данным химического анализа, и по ме ханическим свойствам (определены путем пересчета значений твердости), в основном, удовлетворяет требованиям ГОСТ 10705-80, РД 12-411-01 для данной марки стали: твердость по Бринеллю НВ =97, временное сопротивле ние ов = 360 МПа, предел текучести ат = 2\6 МПа. При шурфовом обследовании обнаружены коррозионные повреждения с наружной стороны газопровода, на участке длиной 12 м, в виде сквозных язв - диаметром 10 и 12 мм, поверхностных язв - диаметром 6-23 мм и глубиной 0,5 - 7 мм и питтингов (рис. 2.13), распределенных относительно равномерно по длине трубы. На остальных не пораженных коррозией участках газопровода недопустимого утонения стенок не обнаружено. Проведены микроструктурные исследования с использованием растро-вого электронного микроскопа XL-20 металлографического шлифа (травле--ние 5 % HN03 в этиловом спирте), изготовленного по толщине трубы, содержащей две расположенные рядом коррозионные язвы. Структура исследованной стали - феррито-перлитная, перлит пластинчатый, выраженной строчечности перлитных колоний не наблюдается. Процессы коррозии характеризуются относительно равномерным проникновением коррозионного разрушения вглубь металла (рис. 2.14а), и происходили путем образования точечных очагов коррозии - питтингов (рис. 2.146). Очаговый (язвенный и питтинговый) характер коррозии характерен для почвенной (подземной) коррозии, наличие сквозных язв свидетельствует о недостаточной аэрации почвы на участке прокладки трубы и протекании локального коррозионного поражения. Факторами, послужившими ускорению процесса подземной коррозии на данном участке газопровода, могут служить [23]: - влажность грунта: участок газопровода обводнен весь весенне-летне-осенний период; - повышенная кислотность грунта (определение кислотности почвы не проводилось); - наличие в грунтовых водах оксидов азота, а также аммиака и серово г дорода: участок газопровода расположен между сельскохозяйственными угодьями, и имеется большая вероятность их поступления в грунтовые воды с органическими и неорганическими удобрениями.
Расчет на прочность и трещиностойкость трубопроводов и резервуаров большого диаметра
Радиальная зона и зона среза представляют собой область перехода трещины от медленного усталостного роста к ее нестабильному распространению. Радиальная зона, ориентированная перпендикулярно к направлению действия основных напряжений, образуется в результате разрушения в условиях плоско-деформированного состояния. Радиальные рубцы направлены вдоль стенок резервуара, что указывает на общее направление распространения трещины, и обладают грубой рельефностью, что свидетельствует о значительной энергоемкости процесса разрушения при нестабильном распространении трещины. При удалении от очагов разрушения, радиальная зона переходит в зону среза, которая образуется в результате разрушения материала в условиях плосконапряженного состояния, и реализуется при формировании развитой пластической зоны в вершине трещины.
Инициация образования трещины началась с образования точечных очагов коррозии (питтингов), в сечении, ослабленном подрезами, где зародились источники многоочагового малоциклового усталостного разрушения; распространение усталостных микротрещин вызвало объединение близкорасположенных зон усталостного разрушения и переход трещины от медленного усталостного роста к ее нестабильному распространению, протекающему по вязкому механизму.
Из данных выводов следует, что повреждение резервуара РВС-700 №9 и разлив топлива произошли от первоначальных сварочных дефектов типа подрезов, с их развитием (углублением) от коррозионного износа при длительной эксплуатации и образованием трещины под воздействием увеличения нагрузок, возникших от сочетания вышеописанных факторов.
Рассмотренные аварии и инцидент классифицируются как разрушения и повреждения технических устройств, вызванные их длительной эксплуатацией: разрушения и повреждение произошли от первоначальных дефектов сварных швов и основного металла, допустимых в начале эксплуатации тех I нического устройства или трудно обнаруживаемых стандартными методами неразрушающего контроля, с их развитием (углублением) от эксплуатационных нагрузок при длительной эксплуатации и образованием трещины при сочетании ряда факторов: старение металла, проявляющееся в снижении пластичности и охрупчивании металла; низкие температуры эксплуатации устр і ройства, и использование стали, не соответствующей климатическому району, согласно новым НТД; нарушение технологии сборки и монтажа устройства; наличие недопустимых деформаций, приводящих к увеличению нагрузки на узлы устройства; несоблюдение требований и условий безопасной эксплуатации. Разрушение II нитки магистрального газопровода Берге-Якутск и резервуара РВС-700 №49 Амгинской нефтебазы ОАО «Саханефтегазсбыт» происходило путем хрупкого разрушения с прямолинейным распространением трещин по механизму отрыва на местах искривления траектории и оста-новки трещины, переходящего к вязкому разрушению по механизму среза. Трещина, при разрушении, ветвилась в теле трубы №1 газопровода и резер 117 вуара, что привело к фрагментации конструкции на части. В результате распространения трещины, конструкция полностью разрушилась на части, с полным вытеканием хранящегося продукта, что привело к материальным потерям и большому экологическому ущербу, вследствие выброса природного газа и разлива нефти. Ликвидация последствий аварий потребовала затрат значительных материальных и временных ресурсов, при условиях полной зависимости жизнедеятельности населенных пунктов районов Севера от обесг печения энергоресурсами Повреждение резервуара РВС-700 №9,находящегося в селе Хону, произошло в результате развития трещины длиной 170 мм с раскрытием до 9 мм по вязкому механизму. Данная трещина развивалась прямолинейно, без ветвления. В результате повреждения резервуар не разрушился, утечка топ лива привела к разливу 22% хранящегося в резервуаре нефтепродукта. Вследствие разлива через ограниченную трещину, была произведена пере качка топлива из аварийного резервуара в другой. В результате остановки трещины, не произошло масштабного разрушения конструкции и, при соот ветствующих ремонтных работах, возможно возобновление эксплуатации ре зервуара; ограничен размер экологического ущерба благодаря наличию воз можности уменьшения выброса опасных веществ в природу при принятии оперативных решений. Данные о микротвердости образцов, вырезанных из разрушенного резервуара №9, приведены в табл.2.2 [ Анализ разрушений и повреждения трубопроводов и резервуаров, вызванных их длительной эксплуатацией в условиях PC (Я), показывает следующее: - масштабные разрушения объектов нефтяной и газовой промышленности с катастрофическими последствиями происходят при распространении хрупкой трещины; - характер разрушения зависит от скорости распространения трещины: при высоких скоростях распространения трещины по механизму отрыва, происгходили осколочные разрушения трубы газопровода и резервуара, а продвигжение трещины в резервуаре с небольшой скоростью по механизму среза, не приводило к масштабным разрушениям: трещина останавливалась, вызывая лишь повреждение объекта;
Итак, анализ катастрофических аварий крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций показывает, что их разрушение путем распространения хрупкой трещины приводит к осколочному характеру разрушения тела конструкции (распространение трещины с ветвлением), наносит наибольший материальный ущерб, поэтому экспериментальное исследование закономерностей разрушения при распространении трещин в материалах различной природы имеет важное значение в прикладном аспекте и является актуальной задачей разработки методов оценки и прогнозирования прочности, надежности и долговечности материалов и конструкций.
