Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 6
1.1 Усталость и коррозионная усталость металлов 6
1.2 Характеристика условий нагружения 8
1.2.1 Типы циклов напряжений 8
1.2.2 Схемы нагружений 10
1.3 Малоцикловая усталость 12
1.4 Механизм усталостного разрушения металлов 15
1.5 Особенности развития усталостных трещин 19
1.6 Применение положений линейной механики разрушения для описания скорости роста усталостных и коррозионно-усталостных трещин 22
1.7 Модели, используемые для прогнозирования усталости 23
2 Обоснование выбора расчетных схем для нефтегазового оборудования 27
2.1 Полоса с краевой поперечной трещиной при одноосном растяжении 27
2.2 Поверхностная полуэллиптическая трещина в пластине конечной высоты и ширины под действием растягивающей нагрузки 28
2.3 Внешние полуэллиптические поверхностные трещины в цилиндрических сосудах 31
2.4 Цилиндрическая оболочка с защемленным торцом под действием внутреннего давления, содержащая осевую несквозную трещину 34
2.5. Поверхностная трещина произвольной формы в полупространстве 36
3 Экспериментальное определение трещиностойкости стали 39
3.1 Методика проведения усталостных испытаний 39
3.2 Результаты исследований 43
3.3 Микроструктурный и фрактографический анализ 51
3.3.1 Микроструктурный анализ 51
3.3.2 Фрактографические исследования 52
4 Определение остаточного ресурса нефтегазового оборудования 59
4.1 Расчет остаточного ресурса для случая полосы с краевой поперечной трещиной при одноосном растяжении 59
4.2 Расчет остаточного ресурса для случая поверхностной полуэллиптической трещины в пластине конечной высоты и ширины под действием растягивающей нагрузки 65
4.3 Расчет остаточного ресурса для случая внешней полуэллиптической поверхностной трещины в цилиндрических сосудах 77
4.4 Расчет остаточного ресурса для случая цилиндрической оболочки с защемленным торцом под действием внутреннего давления, содержащей осевую несквозную трещину 81
4.5 Расчет остаточного ресурса нефтегазового оборудования для случая поверхностной трещины произвольной формы в полупространстве 89
4.5.1 Поверхностная трещина треугольной формы 89
4.5.2 Поверхностная трещина полуэллиптической формы 94
Основные результаты и выводы 100
Список литературы 101
Приложения 112
- Применение положений линейной механики разрушения для описания скорости роста усталостных и коррозионно-усталостных трещин
- Поверхностная полуэллиптическая трещина в пластине конечной высоты и ширины под действием растягивающей нагрузки
- Микроструктурный и фрактографический анализ
- Расчет остаточного ресурса для случая поверхностной полуэллиптической трещины в пластине конечной высоты и ширины под действием растягивающей нагрузки
Введение к работе
Одним из наиболее опасных видов коррозионно-механического разрушения нефтепроводов, резервуаров и аппаратов нефтепереработки является малоцикловая коррозионная усталость.
Возникновение циклических деформаций в металле труб обусловлено работой насосных станций, изменением давления и температуры перекачиваемого продукта, биениями, изменениями режимов перекачки и т.д. В стальных вертикальных резервуарах циклические нагрузки возникают в результате закачки и выкачки нефтепродуктов, чередующимся избыточным давлением или вакуумом, а также перепадом температур. Отмеченные циклические деформации в металле труб и резервуаров соответствуют критериям малоциклового нагруже-ния, а в присутствии коррозионных сред вызывают малоцикловую коррозионную усталость металла.
В результате воздействия агрессивной среды и знакопеременных нагрузок наблюдается образование коррозионно-усталостных трещин в концентраторах напряжений. Как правило, усталостные и коррозионно-усталостные трещины зарождаются в дефектах основного металла и металла сварного шва.
Весьма важно выявлять очаги формирования трещин на ранней стадии развития. Коррозионные трещины могут быть обнаружены различными дефектоскопическими методами: с помощью дефектоскопа, движущегося внутри трубы, акустической эмиссии, вихретоковым методом и т.д. При обнаружении трещиноподобных дефектов возникает проблема о возможности дальнейшей эксплуатации оборудования. В связи с тем, что не все оборудование с обнаруженными трещинами может быть заменено одновременно (в результате обследования трубопроводов Уренгойского коридора было обнаружено около 1000 трещин), возникает вопрос об очередности ремонта и замены участков. В настоящее время отсутствуют научно-обоснованные методы установления очередности проведения данного мероприятия.
Поэтому актуальной и важной задачей является прогнозирование остаточного ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого в условиях малоциклового нагружения.
Целью диссертационной работы является прогнозирование остаточного ресурса металлоконструкций нефтегазовой отрасли, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой коррозионной усталости.
Основные задачи диссертации следующие:
Экспериментальное исследование влияния различных коррозионных сред и катодной поляризации на кинетику развития трещины в условиях малоциклового нагружения металлоконструкций, изготовленных из углеродистой конструкционной стали ВСтЗсп.
Разработка математической модели циклической трещиностойкости исследуемой стали и определение ее параметров.
Определение остаточного ресурса нефтегазового оборудования с тре-щиноподобным дефектом в условиях малоциклового нагружения в элементах конструкции разной геометрии в рамках линейной механики разрушения.
Разработка рекомендаций об очередности ремонта металлоконструкций с обнаруженными трещинами.
Научная новизна работы отражена в следующем:
Получены аналитические зависимости скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений и их параметры при испытаниях стали ВСтЗсп на воздухе, в коррозионной среде в виде 3% -го NaCl и в карбонат-бикарбонатном электролите, как без поляризации, так и с ее наложением. Для указанных условий наиболее адекватной является параболическая зависимость.
Разработана методика расчета остаточного ресурса нефтегазового оборудования в рамках линейной механики разрушения с трещиноподоб-ными дефектами.
Применение положений линейной механики разрушения для описания скорости роста усталостных и коррозионно-усталостных трещин
Для описания процессов усталости и коррозионной усталости широко применяют принципы линейной механики разрушения [82, 84, 85,101]. В основу линейной механики разрушения положено понятие о коэффициенте интенсивности напряжений К, который характеризует напряженно-деформированное состояние металла в окрестности вершины трещины и объединяет в одном параметре нагрузку, размер трещины и геометрию тела. Применимость положений линейной механики разрушения связана с выполнением условий автомодельности поля напряжений и деформаций в окрест ности вершины трещины, которые обеспечиваются в том случае, если размер пластичной зоны в направлении развития трещины в 10-15 раз меньше ее длины и расстояния вершины трещины от поверхности тела [80, 96]. Для многих металлов, в частности сталей, достаточно хорошо определена взаимосвязь между коэффициентом интенсивности напряжений и скоростью роста усталостной трещины [83]. Обычно эта связь также описывается S-образной кривой без четко выраженного плато в координатах: амплитуда коэффициента интенсивности напряжений АК (или максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений Ктах) - скорость роста трещины (рисунок 1.3). Некоторыми исследователями на основе различных физических представлений получены зависимости скорости роста трещины от числа циклов, приложенного напряжения и длины трещины [43]. Недостатком этих зависимостей является то, что они удовлетворительно описывают лишь какие-то определенные участки кривых роста усталостных трещин и не носят общего характера. С развитием линейной механики разрушения стало возможным рассмотреть процесс роста усталостных трещин с общих позиций.
Для прогнозирования разрушений линейной части магистральных нефтепроводов и резервуаров, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой (часто и коррозионной) усталости, используют следующую модель[68]: где Np - количество циклов до разрушения; N3ap - количество циклов до зарождения трещины; Npa3 - количество циклов на стадии развития трещины. Предложенная модель предполагает, что время, приходящееся на стадию неконтролируемого распространения трещины, пренебрежимо мало по сравнению со временами, приходящимися на стадии накопления микроповреждений и стабильного развития трещины. Используемые модели могут быть сведены к степенным зависимостям Коффина-Мэнсона и Пэриса [25, 32, 40, 41, 86]. Первая стадия (через количество циклов N3ap) прогнозируется с помощью модели Коффина-Мэнсона с учетом упругопластических деформаций в виде, предложенном Лэнжером [36, 60,101]: где єа - амплитуда упругопластической деформации; \/ - относительное поперечное сужение; а.\ - предел усталости; N3ap - число циклов до зарождения трещины, m — параметр зависимости. Для разрушения оборудования на воздухе коэффициент принимают равным m = 0,5 (полное разрушение) и m = 0,6 для стадии зарождения трещины. Однако его значение зависит от состава среды [2, 117]. Опыты, проведенные специалистами кафедры «Материаловедение и защита от коррозии» УГНТУ в начале 1980-х годов показали, что \/ так же, как и ш, зависит от свойств среды, и прогнозирование усталостной долговечности с помощью указанной модели представляет определенные трудности. Вторая стадия прогнозируется с помощью модели Пэриса: где dL - приращение длины трещины за количество циклов dNpa3, АК (для отнулевого цикла - К) - коэффициент интенсивности напряжений, m и С - параметры зависимости. Использование указанных моделей для прогнозирования долговечности реальных магистральных трубопроводов в условиях малоцикловой усталости затруднено [3]. Это связано, с одной стороны, с тем, что модель Коффина-Мэнсона, позволяющая прогнозировать усталостную долговечность при наличии геометрических концентраторов напряжения, не пригодна для описания стадии распространения трещины, с другой - модель Пэриса используется только для расчета распространения трещины на среднем участке кривой циклической трещиностойкости. Поэтому более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина-Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины, и модели Пэриса — на стадии ее развития. Кроме того, использовать модель Пэриса без проведения дополнительных исследований по разрушению реальных трубопроводов некорректно в связи с неоднозначностью в определении начала стадии неконтроли руемого развития разрушения. Для реальных трубопроводов эта стадия разрушения протекает, как правило, по вязкому механизму (вязкий долом), и прямое использование линейной механики разрушения не представляется возможным. Поэтому более правильным является использование для прогнозирования этой стадии модели, предложенной Кейфнером и др., использовавших соотношения линейной и нелинейной механики разрушения.
Поверхностная полуэллиптическая трещина в пластине конечной высоты и ширины под действием растягивающей нагрузки
Для описания процессов усталости и коррозионной усталости широко применяют принципы линейной механики разрушения [82, 84, 85,101]. В основу линейной механики разрушения положено понятие о коэффициенте интенсивности напряжений К, который характеризует напряженно-деформированное состояние металла в окрестности вершины трещины и объединяет в одном параметре нагрузку, размер трещины и геометрию тела. Применимость положений линейной механики разрушения связана с выполнением условий автомодельности поля напряжений и деформаций в окрест ности вершины трещины, которые обеспечиваются в том случае, если размер пластичной зоны в направлении развития трещины в 10-15 раз меньше ее длины и расстояния вершины трещины от поверхности тела [80, 96]. Для многих металлов, в частности сталей, достаточно хорошо определена взаимосвязь между коэффициентом интенсивности напряжений и скоростью роста усталостной трещины [83]. Обычно эта связь также описывается S-образной кривой без четко выраженного плато в координатах: амплитуда коэффициента интенсивности напряжений АК (или максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений Ктах) - скорость роста трещины (рисунок 1.3). Некоторыми исследователями на основе различных физических представлений получены зависимости скорости роста трещины от числа циклов, приложенного напряжения и длины трещины [43].
Недостатком этих зависимостей является то, что они удовлетворительно описывают лишь какие-то определенные участки кривых роста усталостных трещин и не носят общего характера. С развитием линейной механики разрушения стало возможным рассмотреть процесс роста усталостных трещин с общих позиций. Для прогнозирования разрушений линейной части магистральных нефтепроводов и резервуаров, эксплуатирующихся в условиях малоцикловой (часто и коррозионной) усталости, используют следующую модель[68]: где Np - количество циклов до разрушения; N3ap - количество циклов до зарождения трещины; Npa3 - количество циклов на стадии развития трещины. Предложенная модель предполагает, что время, приходящееся на стадию неконтролируемого распространения трещины, пренебрежимо мало по сравнению со временами, приходящимися на стадии накопления микроповреждений и стабильного развития трещины. Используемые модели могут быть сведены к степенным зависимостям Коффина-Мэнсона и Пэриса [25, 32, 40, 41, 86]. Первая стадия (через количество циклов N3ap) прогнозируется с помощью модели Коффина-Мэнсона с учетом упругопластических деформаций в виде, предложенном Лэнжером [36, 60,101]: где єа - амплитуда упругопластической деформации; \/ - относительное поперечное сужение; а.\ - предел усталости; N3ap - число циклов до зарождения трещины, m — параметр зависимости. Для разрушения оборудования на воздухе коэффициент принимают равным m = 0,5 (полное разрушение) и m = 0,6 для стадии зарождения трещины. Однако его значение зависит от состава среды [2, 117]. Опыты, проведенные специалистами кафедры «Материаловедение и защита от коррозии» УГНТУ в начале 1980-х годов показали, что \/ так же, как и ш, зависит от свойств среды, и прогнозирование усталостной долговечности с помощью указанной модели представляет определенные трудности. Вторая стадия прогнозируется с помощью модели Пэриса: где dL - приращение длины трещины за количество циклов dNpa3, АК (для отнулевого цикла - К) - коэффициент интенсивности напряжений, m и С - параметры зависимости. Использование указанных моделей для прогнозирования долговечности реальных магистральных трубопроводов в условиях малоцикловой усталости затруднено [3]. Это связано, с одной стороны, с тем, что модель Коффина-Мэнсона, позволяющая прогнозировать усталостную долговечность при наличии геометрических концентраторов напряжения, не пригодна для описания стадии распространения трещины, с другой - модель Пэриса используется только для расчета распространения трещины на среднем участке кривой циклической трещиностойкости. Поэтому более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина-Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины, и модели Пэриса — на стадии ее развития. Кроме того, использовать модель Пэриса без проведения дополнительных исследований по разрушению реальных трубопроводов некорректно в связи с неоднозначностью в определении начала стадии неконтроли руемого развития разрушения. Для реальных трубопроводов эта стадия разрушения протекает, как правило, по вязкому механизму (вязкий долом), и прямое использование линейной механики разрушения не представляется возможным. Поэтому более правильным является использование для прогнозирования этой стадии модели, предложенной Кейфнером и др., использовавших соотношения линейной и нелинейной механики разрушения.
Микроструктурный и фрактографический анализ
Микроструктурные исследования проводились с помощью металлографического микроскопа МИМ-8 на недеформированных образцах из стали ВСтЗсп и разрушенных при усталостных испытаниях (рисунок 3.4). Образцы предварительно шлифовались, полировались и подвергались травлению в насыщенном спиртовом растворе пикриловой кислоты. Как видно из приведенного рисунка, структура стали феррито-перлитная. После усталостных испытаний вблизи трещин наблюдается заметное изменение микроструктуры. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации зерна вытягиваются, образуя слоистую структуру. При деформации зерна поворачиваются и взаимно перемещаются по линиям скольжения. Значительное смещение вызывает раздробление и измельчение зерен. Измельченные зерна ориентируются и вытягиваются по направлению деформации. Таким образом, пластическая деформация вызывает неравновесное состояние металла.
На рисунке 3.5 представлен вид усталостных трещин при различных условиях испытаний. Как видно из ниже приведенных макрофрактограмм процесс роста трещины с момента зарождения разделяется на несколько этапов: 1 Развитие трещины вглубь металла перпендикулярно максимальным касательным напряжениям. 2 Изменение направления роста трещины при испытаниях на воздухе. Появление ветвления трещины под действием коррозионных сред, что связано с наводороживанием стали. 3 Продвижение трещины по одной из ветвей. 4 Механический долом. a - на воздухе; б - в растворе 3% NaCl; в - в карбонат-бикарбонатнои среде; г - в карбонат-бикарбонатнои среде с наложением поляризации - 0,7В (НКЭ) Рисунок 3.5 - Вид усталостных трещин Из приведенных макрофрактограмм видно, что при коррозионной усталости наблюдается более широкая трещина, возникающая под действием коррозионной среды.
Вид изломов при различных условиях испытаний представлен на рисунках 3.6, 3.7. Усталостный излом характеризуется наличием отдельных зон, внешне отличающихся друг от друга. Как видно из макрофрактограмм, зона зарождения и продвижения трещины имеет более гладкий и светлый рельеф, чем зона механического долома. Под действием коррозионных сред образуются отложения темно-бурого цвета, что связано с развитием коррозионного процесса в вершине коррозионно-механической трещины. Циклические нагружения создают предпосылки для хрупкого разрушения и. Из ниже приведенных фрактограмм видно, что в отличие от разрушения на воздухе излом в коррозионных средах имеет специфический вид хрупкого многопластного излома, что указывает на его развитие из многих очагов разрушения. При разрушении металлов под воздействием циклических нагрузок возникает ряд специфических особенностей рельефа. Это, в первую очередь, относится к усталостным бороздкам. Микрофрактографические исследования проводились на электронном микроскопе РЭМ - 200 на образцах после усталостных испытаний (рисунок 3.9 (а)). Стадия развития усталостного разрушения начинается с образования характерных бороздок [100]. Установлено, что одна бороздка образуется за один цикл изменения нагрузки и подсчет числа бороздок можно использовать для определения той части долговечности детали, которая обусловлена распространением усталостной трещины. Тусклые волокнистые полоски представляют собой зоны распространения трещины, образовавшиеся путем слияния микропор. При малоцикловой усталости бороздки довольно широкие, часто прерывистые и находятся на большом расстоянии друг от друга. Усталостные бороздки обычно выгнуты в направлении локального распространения трещины. Однако этот признак нельзя использовать для определения направления макроскопического роста трещины, поскольку усталостные бороздки на одной и той же поверхности излома разрушения могут «показывать» рост трещины в нескольких различных направлениях (рисунок 3.9 (б)).
Расчет остаточного ресурса для случая поверхностной полуэллиптической трещины в пластине конечной высоты и ширины под действием растягивающей нагрузки
На всех этапах развития техники усталость металлов всегда считалась одной из главных причин аварийных разрушений и отказов оборудования различного назначения. В настоящее время это особенно характерно для нефтедобывающих отраслей, где условия эксплуатации машин чрезвычайно сложны. Это, в свою очередь, обусловило большой интерес последователей к этой проблеме и обширные научные изыскания, полученные за многие годы [91].
В науке сложилось представление об усталости как о явлении со сложно физической природой, обусловленной многими факторами: свойствами структуры металлов, условиями нагружения, масштабным фактором и геометрией изделия; асимметрией, частотой и формой цикла нагружения и многими другими параметрами, влияющими на долговечность машин. Считается, что усталостные разрушения связаны с зарождением и распространением трещин, которые могут быть хрупкими, вязкими или комбинированными.
Явление усталости металлов, заключающееся в разрушении деталей машин после многократного воздействия периодически изменяющихся во времени нагрузок при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности или даже предел текучести, было впервые обнаружено в первой половине XIX столетия и стало предметом пристального внимания ученых и инженеров. Первые испытания прочности металла при повторных нагрузках были проведены в 1829 г. Альбертом. Число публикаций, посвященных проблеме усталости металлов, непрерывно росло. Важность исследования этого явления очевидна, поскольку преобладающая часть деталей машин и конструкций в процессе эксплуатации подвергается действию повторно-переменных нагрузок [97].
Начало систематических исследований проблемы усталости металлов связывают с именем Велера, основная часть опытов которого была выполнена в 70-х годах XIX столетия. В нашей стране пионером в области изучения усталости металлов следует считать М.А. Воропаева.
Усталость металла - процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений (деформаций), приводящих к изменению свойств, образованию трещин и разрушению [4, 55].
Усталостное разрушение обычно сопровождается образованием меж- и транскристаллитных трещин, развитие которых идет главным образом в период приложения растягивающих напряжений [50]. Склонность металла к усталостному разрушению характеризуется пределом выносливости. Под этим понятием понимают величину максимального напряжения, при котором усталостное разрушение металлов не наступает через 10 и более циклов. Таким образом, максимальное напряжение ог, ниже которого разрушение не будет иметь место независимо от числа циклов повторно-переменного нагружения, носит название предела выносливости (предела усталости).
Выносливость - свойство металла противостоять усталости [17, 88]. При одновременном воздействии на металл переменных напряжений и коррозионной среды число циклов уменьшается, т.е. предел усталостной прочности снижается [77].
Подавляющее большинство деталей машин, других конструкций в процессе службы претерпевает воздействие циклически изменяющихся нагрузок. Поэтому примерно 90% повреждений деталей связано с возникновением и развитием усталостных трещин. Трещины усталости создают предпосылки для хрупкого разрушения, и в этом одна из главных причин их опасности. Ни при каких других видах разрушения характеристики прочности не зависят от такого большого числа факторов, как при усталостном разрушении. Основными из них являются: особенности материала и технологии изготовления (структура, режим термической и механической обработок, поверхностное упрочнение, состояние поверхности, ее шероховатость); конструкция деталей (наличие концентраторов напряжений); режим нагружения (вид и величина напряженного состояния); среда, контактирующая с деталью.
При проведении усталостных испытаний важным требованием является сопоставимость условий испытаний, которые не всегда возможно смоделировать на образцах [4]. Поэтому истинную прочность можно получить, лишь испытывая конкретную сталь в условиях, приближающихся к условиям ее работы.
