Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема технологической наследственности при производстве, монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и трубопроводов 10
1.1. Основные факторы нарушения безопасного состояния нефтегазового оборудования при эксплуатации 10
1.2. Сущность явления технологической наследственности при изготовлении, монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и трубопроводов 31
1.3. Основные подходы к оценке характеристик безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов 37
Выводы по разделу 48
2. Расчетные определения параметров формоизменения заготовок при изготовлении, монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и трубопроводов 49
2.1. Технологические параметры операций формоизменения заготовок 49
2.2. Оценка усилия формоизменения с учетом локализованного характера приложения нагрузок 63
2.3. Расчет локальных деформаций при формоизменении заготовок 74
2.4. Рациональный выбор размеров заготовок 83
Выводы по разделу 102
3. Оценка отбраковочных параметров отклонений заготовок при производстве, монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и трубопроводов 103
3.1. Анализ существующих подходов к оценке критических дефектов... 103
3.2. Оценка критических деформаций формоизменения заготовок по механическим свойствам 108
3.3. Оценка критических деформаций по показателям ресурса 123
Выводы по разделу 133
4. Разработка нового метода расчета характеристик безопасности элементов нефтегазового оборудования с учетом локализованных процессов деформационного старения 134
4.1. Анализ современных подходов к оценке ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов 134
4.2. Метод расчета ресурса оборудования с учетом локализованного старения металла 146
4.3. Определение долговечности элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях механохимической коррозии и локализованного деформационного старения 155
4.4. Особенности расчета ресурса оборудования с учетом сварочно- монтажных напряжений 168
Выводы по разделу 176
5. Расчеты предельных параметров нефтегазового оборудования и трубопроводов на основе диагностической и априорной информации 178
5.1. Основы расчетов по критериям статической трещиностойкости 178
5.2. Определение предельных нагрузок конструктивных элементов оборудования с трещиноподобными дефектами 181
5.3. Определение критических параметров трещин 188
5.4. Особенности расчетов предельных нагрузок сварных соединений с трещинами 196
5.5. Расчеты предельных нагрузок конструктивных элементов с угловыми швами 211
5.6. Особенности расчета сварных соединений конструктивных элементов (отводов, переходников, тройников) с мягкими прослойками 215
5.7. Определение предельных нагрузок трубопроводов и их элементов с коррозионными повреждениями 222
Выводы по разделу 224
Основные выводы и рекомендации по работе 225
Библиографический список использованной литературы 227
Приложения 245
- Сущность явления технологической наследственности при изготовлении, монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и трубопроводов
- Оценка усилия формоизменения с учетом локализованного характера приложения нагрузок
- Оценка критических деформаций формоизменения заготовок по механическим свойствам
- Метод расчета ресурса оборудования с учетом локализованного старения металла
Введение к работе
Показатели безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов закладываются при проектировании, обеспечиваются при производстве, монтаже, поддерживаются при эксплуатации.
В процессе производства, монтажа и ремонта оборудования и трубопроводов в результате проявления технологического наследования в металле происходят существенные изменения, снижающие их характеристики безопасности и работоспособности. Поэтому при оценке ресурса работы фактор учета технологической наследственности имеет большое практическое значение.
Вопросам изучения надежности при производстве нефтяной и газовой аппаратуры в литературе посвящено достаточно много известных работ профессоров А.Д. Никифорова, А.В.Бакиева, Р.С. Зайнуллина Р.Г. Ризванова, А.Г. Халимова. Значительно менее изученным является вопрос технологического наследования при монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и, особенно, трубопроводов.
На территории нашей страны расположены десятки крупных нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, тысячи километров нефтегазопроводов. Одной из причин нарушения экологии являются аварии из-за износа оборудования и трубопроводов. По экспертной оценке специалистов их износ в настоящее время достигает более 50% и примерно такое же количество трубопроводов выработало расчетный ресурс.
Обеспечение безопасности возможно при ликвидации опасных предприятий, замене изношенного оборудования и трубопроводов и дальнейшей их эксплуатации с соблюдением критериев безопасности, проведением своевременной диагностики и определением безопасных сроков эксплуатации на базе современных достижений в области материаловедения, аппаратостроения и механики разрушения. Первые два направления в настоящее время не реальны из-за тяжелого экономического положения в стране.
Вопросами оценки остаточного ресурса оборудования в настоящее время занимаются большое количество научно-технических предприятий, что является подтверждением актуальности рассматриваемой проблемы.
В общем случае, оценка остаточного ресурса нефтехимической аппаратуры (сосуды, аппараты и трубопроводы) проводится на основании трудоемких работ по анализу технической документации, функциональной диагностики, экспертного обследования, анализу механизмов повреждений и выявлению определяющих параметров технического состояния, уточнению параметров технического состояния, напряженного состояния и характеристик металла, выбору критериев повреждаемости и др.
В связи с несовершенством средств неразрушающего контроля пока вероятность эксплуатации аппаратуры с недопустимыми дефектами, в том числе и трещиноподобными, достаточно высокая. Распространенным дефектом сборки и сварки элементов нефтехимической аппаратуры является геометрическая неоднородность (угловатость и смещение сварных кромок обечаек и труб и др.). Расчетам напряженного состояния, оценки несущей способности и долговечности элементов с отклонениями от круглости посвящено достаточно большое количество опубликованных работ, в частности, известные исследования проф. Г.А. Николаева, О.А. Бакши, О.И. Стеклова, Н.А. Махутова, Е.М. Морозова, Г.С. Васильченко, А.Д. Никифорова и др.
Следует отметить, что наиболее полно изучено влияние на ресурс оборудования смещения кромок и овальности. В литературе недостаточно сведений о влиянии на ресурс оборудования изменения характеристик металла при длительной эксплуатации в результате деформационного старения. При оценке ресурса оборудования и трубопроводов не учитываются локальные напряжения, обусловленные геометрической и механической неоднородностью. Поэтому большое практическое значение приобретают развитие подходов механики разрушения при оценке ресурса базовых элементов оборудования и трубопроводов с геометрической и механической неоднородностью. Требуют совершенствования подходы учета механохимической коррозии и старения металла при оценке ресурса оборудования и трубопроводов.
Работа выполнена по научному направлению Государственной научно-технической программы ( ГНТП) « Безопасность», - « Новые методы и критерии обеспечения безопасности рабочих процессов, технологий, конструкций, сложных технических систем и окружающей среды в случае возникновения техногенных катастроф», и, в частности, его проекту 1.5 « Разработка механики катастроф и методов оценки безопасности по критериям механики разрушения и живучести сложных технических систем в поврежденных условиях» в 1994-1997 г.; «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе» 1998 г. Топливно-энергетический комплекс Республики Башкортостан, Стабилизация и развитие» (1999-2001 г.)
Цель работы: обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов регламентацией и повышением ресурса, устанавливаемого на базе выявленных закономерностей технологического наследования и эволюции характеристик работоспособности конструктивных элементов при их монтаже и ремонте. Основные задачи исследования:
- оценка взаимосвязи параметров технологического наследования и формоизменения металла при производстве, монтаже и ремонте базовых элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов;
- исследование закономерностей изменения характеристик работоспособности нефтегазового оборудования и трубопроводов после выполнения формоизменяющих операций базовых элементов;
- разработка методов расчетной оценки прогнозируемого и остаточного ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом технологического наследования при их монтаже и ремонте;
- изучение роли гидравлических испытаний в формировании характеристик безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов;
-разработка нормативной базы по обеспечению безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом технологического наследования при их монтаже и ремонте
Научная новизна работы заключается:
- в создании научных основ обеспечения безопасности нефтегазового оборудования с учетом явления технологического наследования при монтаже и ремонте, базирующихся на полученных научных закономерностях;
- в предложенных аналитических зависимостях, описывающих основные закономерности кинетики изменения характеристик работоспособности и безопасности конструктивных элементов в зависимости от параметров их формоизменения при монтаже и эксплуатации с учетом температурно-временных факторов;
- разработке метода расчета ресурса нефтегазового оборудования и трубопроводов, основывающегося на новых закономерностях взаимосвязи между локальными механическими свойствами и уровнем пластических деформаций, реализуемых в их конструктивных элементах при эксплуатации;
- в полученных аналитических зависимостях, позволяющих описывать и прогнозировать характеристики работоспособности и безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов с заданными параметрами гидравлических испытаний в условиях малоциклового нагружения и механохимической коррозии. На защиту выносятся:
- уравнение, связывающее параметры деформационного старения металлов и монтажных операций;
- закономерности деформационного старения металлов при выполнении монтажных операций;
- методы расчета характеристик безопасности нефтегазового оборудования с учетом деформационного старения, геометрической неоднородности элементов, цикличности нагружения и механохимической коррозии;
- способы снижения отрицательного влияния геометрической неоднородности и остаточных напряжений на работоспособность оборудования и трубопроводов.
Практическое значение работы
Основные результаты исследования положены в основу 7 нормативно-технических документов [ 7,8,9,10,11,12,13,17,38 ] (согласованных Госгортехнадзором РФ), позволяющих регламентировать безопасный срок службы нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом технологического наследования.
Внедрение в производство разработанных стандартов предприятий [ 3,4 ] позволяют снижать себестоимость монтажа и производства нефтегазового оборудования.
Методы исследования:
Методологическую и теоретическую основы настоящего исследования составили труды отечественных и зарубежных ученых в области механики разрушения ( А.Ю. Ишлинский, Р.С. Зайнуллин, А.Д. Никифоров, А.В. Бакиев, Р.Г. РизвановЛ.М. Качанов, Н.А. Махутов, А.Г. Гумеров, К.М. Ямалеев, Е.М. Морозов, Мэнсон С, Макклинток Ф. И, Коффин Л.Ф. и др.), металловедения и сварки ( Н.О. Окерблом, О.А. Бакши, Стеклов О.И. В.К.Бабич и др.), технологии аппаратостроения ( Е.М. Кузмак, Е.Н. Мошнин и др.), механохимии металлов ( Э.М. Гутман, Р.С. Зайнуллин и др.).
Полученные в диссертации положения подтверждены лабораторными и натурными испытаниями.
Информационную базу исследования составили данные и сведения из монографий, журнальных статей, научных докладов, материалов конференций, семинаров, материалов, полученных с помощью современных информационных технологий, в том числе сети Интернет.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников ( 175 наименований) и 14 приложений. Изложена на 287 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков, 16 таблиц.
Личный вклад автора
Постановка задач данного исследования, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, руководство всеми этапами исследования, участие в их проведении, публикации и внедрении полученных результатов. Часть экспериментальных и расчетных результатов, базы данных по параметрам отказов оборудования получены при участии сотрудников Муниципального научно-технического центра безопасности эксплуатации сложных технических систем ( г. Уфа)
Сущность явления технологической наследственности при изготовлении, монтаже и ремонте нефтегазового оборудования и трубопроводов
Безопасность эксплуатации оборудования во многом определяется явлениями технологической наследственности. Поэтому, рассмотрим некоторые факторы повреждений, возникающих в процессе изготовления элементов оборудования.
Взаимосвязь и взаимозависимость свойств, создаваемых на предшествующих и последующих операциях объединяют понятием технологическая наследственность. Вопросы технологической наследственности с позиции формирования геометрических погрешностей рассмотрены в работах (проф. А.В. Бакиева, Р.Г. Абдеева, Р. Г. Ризванова и др.), [15 и др.]. Ниже рассматриваются физико-механические закономерности процессов обработки заготовок при монтаже нефтегазового оборудования, обуславливающие изменение характеристик сопротивления металла механохимическому разрушению.
Прочностные расчеты обычно производятся по исходным свойствам проката. Между тем, в результате прохождения заготовки через весь производственный цикл металл приобретает заметно отличающиеся механические свойства в сравнении с таковыми в исходном состоянии. Причем в большей степени изменяются не те свойства, которые непосредственно используются в расчетах на прочность, а те которые не являются расчетными, но определяющими надежность в эксплуатации (пластичность, вязкость, трещиностойкость и др.). Кроме того, в процессе изготовления оборудования металл приобретает более выраженную электрохимическую гетерогенность в связи с образованием пластических деформаций, остаточных напряжений и др.
В плане работоспособности технологические операции можно объединить в три группы (рисунок 1.4): 1 - операции, связанные с упругим и упругопластическим деформированием заготовок; 2 - операции, основанные на термическом воздействии; 3 - контрольные операции. Эти группы включают большинство основных способов обработки заготовок за исключением операции разметки, чисто сборочных операций, транспортных, некоторых способов очистки.
Такое разделение технологических способов обработки заготовок на группы, хотя и носят условный характер, но позволяют выделить основные факторы (характерные для каждой из этих групп), влияющие на работоспособность нефтегазохимического, нефтегазоперерабатывающего оборудования и трубопроводов. Для группы 1 можно выделить следующие два фактора: степень пластической деформации и остаточные напряжения. Для группы операций термического воздействия основным фактором, влияющим на работоспособность оборудования, является структурно-механическая не однородность характерных участков сварного соединения. Отметим, что в процессе локального термического воздействия в металле возможно воз никновение остаточных напряжений, например, сварочных. В некоторых случаях сварочные напряжения могут оказывать существенное влияние на несущую способность оборудования.
Для третьей группы операций, определяющим работоспособность оборудования, фактором являются дефекты различного происхождения.
Рассмотрим, некоторые способы обработки заготовок в результате которых может появиться тот или иной фактор, способствующий к снижению показателей работоспособности нефтегазохимического оборудования.
Листовой прокат нередко имеет отклонения от плоскости в виде волнистости и коробоватости, влияющие на точность изготовления аппаратов. Поэтому возникает необходимость правки проката. Правку проката осуществляют в зависимости от его размеров однократным и многократным изгибом, растяжением и нагревом области дефекта.
При однократном изгибе заготовки пластические деформации пропорционально зависят от отношения толщины к первоначальной кривизне заготовки. Поскольку деформации по толщине заготовки распределены неравномерно (они максимальны на крайних волокнах и равны нулю в области серединной линии), то после снятия нагрузки в заготовке возникают остаточные напряжения, которые на крайних волокнах достигают предела текучести металла и более. Таким образом, даже без приложения внешних силовых воздействий металл обечайки оказывается в напряженном состоянии. Отсюда становится ясным причины разрушений некоторых трубопроводов и резервуаров, подверженных незначительным по величине внешним нагрузкам.
В процессе правки на многовалковых правильных машинах заготовка подвергается знакопеременному упруго-пластическому изгибу. В этом случае степень пластических деформаций в заготовке может быть значительно больше, чем при однократном изгибе. Процесс правки заготовок растяжением и нагревом также связаны с возникновением остаточных деформаций и напряжений. Процесс очистки не связан с изменением формы заготовок, тем не менее в них не исключена возможность возникновения остаточных деформаций и напряжений, причем значительных. Это связано с тем, что в процессе дробеструйной очистки поверхностные слои заготовок подвергаются локальному ударному воздействию дроби (чугунной или стальной). В результате этого на поверхностных слоях заготовок могут возникать пластические деформации. Возможно, что указанный факт является причиной повышенной скорости некоторых сталей в начальный момент коррозионных испытаний. В случае механической очистки (образивами, металлическими щетками) тонкие поверхностные слои также получают пластические деформации сдвига. Однако, в силу того, что эти слои очень тонкие, то влиянием их на сопротивляемость механокоррозионному разрушению, видимо, можно пренебречь. При химической очистке деформаций не возникает, хотя возможно явление наводораживания поверхностного слоя проката, которое в той или иной мере может сказаться на долговечности оборудования. Тепловая очистка основана на нагреве заготовок до температур 150...200С с последующей механической очисткой. Если процесс тепловой очистки происходит в результате локального нагрева, то в отдельных зонах возможно появление остаточных деформаций. Процесс механической резки основан на создании в металле деформаций сдвига. В силу того, что между ножами имеется зазор, в зоне резания металл подвергается упруго-пластическому изгибу. В большинстве случаев после резки производят обработку кромок под сварку. В результате чего слой металла, в котором возникли деформации сдвига в основном удаляется. Однако участки, подверженные изгибу остаются.
Оценка усилия формоизменения с учетом локализованного характера приложения нагрузок
В этом случае прямоугольник со сторонами с и d приводят к некоторому условному квадрату со сторонами с с использованием следующих зависимостей [123]: при c/d По формуле (2.20) находим нагрузку, соответствующую напряжению а=стт=400 Мпа: 0=5504 кг. Аналогично решается задача при c/d 1.0. Пусть c/d=0.5; d=72 и с=36 в мм. Тогда по формуле (2.23) находим с = 0.916V7136 =46 мм; г=23мм; Q=4806Kr. Таким образом, при одинаковой площади поверхности действия нагрузки S (S=cd) предельная нагрузка выше для случая, когда c/d 1.0. Снижение усилий исправления дефектов Как было показано ранее правка обечаек с овальностью осуществляется приложением усилия, которое вызывает изгибаемые деформации и напряжения. При этом, наиболее напряженными оказываются четыре зоны обечайки, см. рисунок 2.2, а. Обычно правку обечаек производят в холодном состоянии. В ряде случаев, правку труб можно осуществлять в горячую путем нагрева труб в печи. Этот способ не всегда осуществим и связан с большими трудозатратами. С целью снижения усилий правки обечаек нами предлагается производить локальный нагрев в зонах с наибольшей напряженностью: точки а, б, с, а (рисунок 2.2). При этом варьируя количеством и последовательностью зон нагрева могли в широких пределах изменять усилия и напряженность деформирования обечаек с овальностью. При нагреве металла коэффициент деформационного упрочнения N - 0. Поэтому для оценки усилия правки можно использовать формулу (2.9) с подставленной вместо ат значение а[(а[ -временное сопротивление металла при температуре t). Снижение остаточных напряжений Ниже раскрыта сущность этого метода. В силу конструктивных особенностей листогибочных машин кромки заготовок не догибаются на заданный радиус кривизны. Кроме того, в процессе сборки и сварки возникают различного рода отклонения от округлости обечаек. Поэтому возникает необходимость исправления указанных дефектов. Калибровка обычно производится после выполнения сварки продольного шва на листогибочной машине. По существу, операция калибровки аналогична процессу гибки, за исключением силовых параметров.
Поскольку при калибровке деформируется замкнутая заготовка, то появляются дополнительные усилия, способствующие возрастанию изгибающего момента и усилий на валках. Величину остаточных деформаций и напряжений можно приближенно рассчитывать по ранее приведенным формулам, если известна форма отклонения от круглости. Установленные закономерности напряженно-деформированного состояния обечаек при гибке и калибровке использованы при разработке способа нового изготовления обечаек, применение которого позволяет изменить знак остаточных напряжений на крайних волокнах заготовки в процессе калибровки. Обычная технология калибровки обечаек предполагает изгиб заготовки в направлении кривизны (рис. 2.15) В результате остаточные напряжения сохраняются по величине или возрастают. Если калибровку обечаек производить путем деформирования изгибов в направлении увеличения радиуса кривизны, наблюдается иная картина, остаточные напряжения могут изменить знак на противоположный. Этот факт убедительно демонстрируется результатами следующего эксперимента. Из листового проката толщиной 5 мм и шириной 200 мм изготовляли обечайки диаметром 600 мм по следующей технологии. После выполнения гибки заготовок на заданный радиус кривизны кромки обечаек заваривали электродуговой сваркой. Поскольку гибка производилась на трехвалковой листогибочной машине, со стороны каждой кромки оставались прямые участки. Далее, на той же гибочной машине производили калибровку обечаек с целью получения круглой формы. Одну часть обечаек калибровали по обычной технологии. В другой партии обечаек в процессе калибровки создавали изгибающий момент, обратный по знаку изгибающему моменту при гибке-вальцовке. После калибровки разрезали по образующей на фрезерном станке. В конечный момент разрезки в одном случае кромки обечаек смыкались, а в другом расходились. Это свидетельствует о том, что обычная калибровка сохраняет знак остаточных напряжений при гибке, а калибровка по предлагаемому способу приводит к возникновению на внутренней поверхности обечаек остаточных напряжений сжатия. Таким образом, предложенный способ изготовления обечаек может явиться эффективным средством повышения работоспособности аппаратуры, работающей под действием внутреннего давления коррозионно-активных сред.
Оценка критических деформаций формоизменения заготовок по механическим свойствам
Явление изменения механических характеристик металла труб в основном связано с холодной пластической деформации и принято называть деформационным старением. Холодная деформация в металле может происходить задолго до эксплуатации трубопровода, например при выполнении формоизменяющих операций производства труб. При эксплуатации трубопроводов холодная деформация может явиться следствием цикличности нагружения в локальных зонах труб (концентраторах напряжений). Кроме того, не исключена возможность реализации холодных деформаций в металле труб в результате непредвиденных механических воздействий при хранении и транспортировке труб, строительстве и эксплуатации трубопроводов и др. Сущность деформационного старения заключается в направленной диффузии атомов (углерода, азота и др.) к наведенным пластической деформацией дислокациям с последующим их блокированием скоплениями (атмосферами) примесных атомов. В связи с этим деформационное старение определяется не только величиной холодной пластической деформации Єід (степенью наведенных дислокаций), но и температурно-временными факторами эксплуатации (вылеживания) трубопровода (образца), которыми являются температура Тс и время тс старения. В результате деформационного старения, как правило, происходит повышение прочностных и снижение пластических показателей сталей. При этом, необходимо различать изменения механических характеристик из-за деформационного упрочнения и охрупчивания и чисто деформационного старения стали. В первом случае, предварительная пластическая деформация єід приводит к росту напряжений, вызывающих текучесть металла.
Степень увеличения напряжения текучести при деформации определяется по истинной диаграмме растяжения. Заметим, что истинная диаграмма растяжения достаточно хорошо аппроксимируется степенной функцией (о, = С г", где Qj и Ej - истинные напряжения и деформации, Сип- константы прочности и упрочнения). Если в элементе создать предварительную деформацию єід и далее сразу же его нагрузить, то напряжение текучести увеличивается до значения атд. При этом предельное напряжение аів не изменяется (аіви = о1Ва). Пластические характеристики стали снижаются пропорционально величине предварительной деформации єд : г1Ва = е,ви - е\л, где ЄІВЛ и єіви - равномерные деформации после деформации и в исходном состоянии. При этом величина а/ в соответствии со степенным законом упрочнения будет составлять: Тогда степень деформационного увеличения напряжения текучести будет равной Предельные деформации єіви и напряжение аіви определяются из условия неустойчивости пластических деформаций в условиях одноосного растяжения образцов [38]: Е;ви = п; ОІВИ = С п". Таким образом, предельная деформация стали после предварительной деформации равна: 8;вд = п - Єід. Предельные напряжения исходной и деформированной стали равны между собой: ст }ВИ = а;вд = С пп. В случае, если деформированной стали перед последующим нагружением дать отлежаться, то произойдет дополнительное упрочнение и охрупчивание стали (деформационное старение). Таким образом механические характеристики стали в исходном (И), деформированном (Д) и деформационно-состаренном (ДС) состояниях находятся в следующих соотношениях: сттдс сгтд стти; авд =ави; 5ДС 5Д 5й; ц/с ц/4 і/и.
Отсюда можно сделать практически важный вывод в возможности оценки степени деформационного старения по изменению временного сопротивления ов (или ОіВ) с использованием коэффициента деформационного старения Dc: По известному значению Dc можно определять значения предела текучести атдс и временного сопротивления авдс после деформационного старения. Из этих формул следует, что параметр Ктв (Ктв = ат / ств) после деформационного старения увеличивается лишь в соответствии с деформационным приростом предела текучести и зависит от одного параметра ЄІД: Очевидно, что Ктвл = Кхв00. Далее рассмотрим влияние на степень деформационного старения величины холодной пластической деформации єд. Необходимо отметить, что имеющиеся литературные данные по этому вопросу ограничиваются диапазоном изменения єд 0,1. Любопытно, что такая же величина єд = 0,1 регламентировалась в ГОСТе 7268-82 для оценки ударной вязкости сталей после искусственного старения. В целом отмечаются следующие закономерности. Увеличение єч приводит к росту ат и ав. При этом относительное удлинение 5 и сужение \\J уменьшаются. Анализ особенностей формирования дислока ционных структур при деформации [11, 16 и др.] показывает, что зависимости Dc (єд) должны иметь сложный характер с экстремумом при єд = єд = К 0,1, где К « 1,0. Для оценки Dc (єд) нами предлагается следующая зависимость где а - константа стали; ёд = єд / єд ; n - как и ранее, коэффициент деформационного упрочнения стали. Как и следовало ожидать, с увеличением єд величина Dt возрастает, достигая максимального значения при єд = єд (рисунок 3.6, а). Положение максимума в кривых Dc (єд) зависит от параметра п. Величина а в формуле (3-9) определяет уровень максимального значения Dc (рисунок 3.6 б) и по-видимому, зависит от марки стали. Деформационное старение, наряду с величиной деформации ЄД зависит от времени (тс) и температуры (Тс) старения (эксплуатации). В общем виде Dc = / (єд, тс, Тс...) (ЗЛО) На основании анализа и обобщения литературных данных нами выявлены следующие закономерности деформационного старения сталей. Наиболее интенсивный рост процессов деформационного старения происходит на начальных этапах старения (эксплуатации).
Метод расчета ресурса оборудования с учетом локализованного старения металла
В работе предложен новый подход к оценке характеристик работоспособности конструктивных элементов оборудования и трубопроводов по критериям малоциклового разрушения и локального деформационного старения металла.
Известно [11] что, основным необходимым условием реализации процессов деформационного старения является холодная пластическая деформация металла, являющаяся причиной генерации и движения дислокаций.
Если элемент работает в стационарных температурно-силовых условиях, то пластические деформации в конструктивных элементах могут не возникать, хотя при этом не исключается возможность реализации термофлуктуационного механизма разрушения. Между тем, для трубных сталей роль этого фактора незначительная из-за сравнительно низкой температуры эксплуатации нефтепроводов.
В реальных условиях эксплуатации конструктивные элементы испытывают нестационарные нагрузки обусловленные: 1) изменением давления (сбои, аварии, переключение насосов, ремонтно-восстановительные работы, испытания, диагностика)); 2) температурными изменениями приводящими к термоциклическим напряжением; 3) периодическими ремонтными работами, вызывающими дополнительные нагрузки со стороны ремонтных машин и механизмов, грунта (подгон, засыпка, усадка).
Такая нестационарность нагруженности трубопровода может вызывать пластические деформации как при нагружении, так и при разгрузке трубы. Размеры таких зон, где происходят знакопеременные пластические деформации, хотя и малы, но роль их велика в развитии процессов разрушения.
Следовательно, при существующих режимах эксплуатации оборудования и трубопроводов в металле имеются такие участки, где происходит генерация пластических деформаций в течении всего срока эксплуатации.
Деформационное старение может реализоваться в основном металле конструктивных элементов нефтепроводов, работающих при упругих деформациях, и при их отсутствии (в процессе вылеживания). Это связано с тем, что в процессе производства обечаек и труб в отдельных их участках возникают холодные пластические деформации. Например, при гибке заготовок основной металл претерпевает пластические деформации є„„ равные отношению их толщины 8 к диаметру Д: єпл = 8/Д. Этот факт объясняет различие механических характеристик металла труб и листового проката (из которого изготовляются трубы). К примеру, для листового проката из стали 17ГС: предел текучести ат « 400 МПа; временное сопротивление ав « 570 МПа; относительное удлинение 5 « 27%. Для трубы эти характеристики соответственно равны: стт = 430 МПа; ав = 580 МПа; 5 = 23%. Примерно такое же отличие механических свойств отмечается в работах [22, 23] при исследованиях механических характеристик металла длительно эксплуатирующихся трубопроводов. Заметим, что по СНИП 2.0506 - 85 [8] при экспандировании труб величина холодной деформации ограничивается величиной 1,2 %.
Деформационное старение протекает наиболее интенсивно в перенапряженных областях конструктивных элементов, какими являются конструктивные концентраторы напряжений (отводы, тройники, переходники и др.) и дефекты основного металла и сварных соединений (локализованные и общие коррозионные утонения стенок элементов, трещины, смещение кромок, подрезы, непровары и чрезмерное усиление швов и др.). Чаще всего, размеры этих областей настолько малы, что из них невозможно вырезать стандартные образцы для механических испытаний. Поэтому, установление степени старения прямыми методами затруднительно. Тем не менее, абсолютно очевидно, что в перенапряженных конструктивных элементов при эксплуатации происходят существенные изменения механических характеристик металла вследствие проявления двух взаимозависимых процессов деформационного охрупчивания и старения. Напомним, что деформационное охрупчивание происходит из-за поциклового накопления необратимых (пластических) деформаций, а деформационное старение является следствием блокирования дислокаций атомами азота, углерода и др. Другими словами деформационное старение является дополнительным фактором, способствующим охрупчиванию металла. Иногда эти два процесса охрупчивания смешивают, что приводит к путанице и ошибочным результатом интерпретации данных по старению металла.
