Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы оценки ресурса безопасной эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли
1.1 Анализ потенциальной опасности нефтегазового оборудования 8
1.2 Современные методы оценки остаточного ресурса сосудов и аппаратов, работающих под давлением
1.3 Применение магнитных методов неразрушающего контроля для оценки напряженно-деформированного состояния металла оборудования
1.4 Применение феррозондового метода контроля для оценки технического состояния сосудов и аппаратов, работающих под давлением
1.5 Оценка предельного состояния металла оборудования 34
Выводы по первой главе 41
2 Оборудование и методики исследования влияния накопленных повреждений в металле на его магнитные характеристики и мультифрактальные параметры поверхности разрушения 49
2.1 Выбор и обоснование материала для исследований 42
2.2 Исследование магнитных характеристик при малоцикловом и статическом нагружении металла
2.3 Описание и основные характеристики магнитоизмерительного феррозондового прибора Ф205.30А
2.4 Влияние уровня поврежденности металла на мул ьти фрактальные параметры поверхности изломов
Выводы по второй главе
3 Влияние малоциклового и статического нагружения металла оборудования на напряженность и градиент напряженности магнитного поля, и их взаимосвязь с мультифрактальными па раметрами 69
3.1 Зависимости магнитных характеристик от уровня накопленных повреждений в металле при малоцикловом деформировании
3.2 Численный и векторный анализ распределения напряженности магнитного поля при статическом двухосном напряженно- деформированном состоянии
3.3 Влияние уровня накопленных повреждений в металле на изменение петли магнитоупругого гистерезиса
3.4 Влияние степени поврежденности металла на мультифракталь-ные параметры его поверхности разрушения и их взаимосвязь с магнитными характеристиками при смене механизмов адаптации структуры к внешним воздействиям
Выводы по третьей главе 88
4 Разработка метода определения ресурса безопасной эксплуата ции нефтегазового оборудования по изменению магнитных и адаптивных свойств металла
Выводы по четвертой главе 93
Основные результаты и выводы 94
Список использованных источников
- Применение магнитных методов неразрушающего контроля для оценки напряженно-деформированного состояния металла оборудования
- Применение феррозондового метода контроля для оценки технического состояния сосудов и аппаратов, работающих под давлением
- Описание и основные характеристики магнитоизмерительного феррозондового прибора Ф205.30А
- Численный и векторный анализ распределения напряженности магнитного поля при статическом двухосном напряженно- деформированном состоянии
Применение магнитных методов неразрушающего контроля для оценки напряженно-деформированного состояния металла оборудования
Повышение потенциальной опасности оборудования за пределами проектного ресурса требует применения изменения подходов к эксплуатации, повышении роли технической диагностики, современных методов прогнозирования технического состояния и ресурса. При этом принципиально меняется методология предотвращения аварийных ситуаций и их последствий. Аварийные ситуации и разрушения рассматриваются в значительной степени как экстремальные явления, возникновение которых неизбежно в течение жизненного цикла конструкций [79, 80].
Работоспособность оборудования нефтегазовой промышленности зависит от качества проектирования, изготовления и его эксплуатации. Качество проектирования, в основном, зависит от применяемого метода расчета на прочность и долговечность, и определяется совершенством оценки напряженно-деформированного состояния металла, степенью обоснованности критериев наступления предельного состояния, запасов прочности и т.д. Однако соблюдение соответствующих требований при проектировании и изготовлении конструкций не может в полной мере обеспечить надежность и безопасность эксплуатации длительно проработавшего оборудования. Для поддержания работоспособного состояния оборудования требуется использование современных методов диагностики его технического состояния и оценки остаточного ресурса.
Основной целью диагностики технического состояния является прогнозирование ресурса работы конструкции, т.е. установление возможности выполнения заданных функций в назначенный ресурс работы [112, 136, 137]. Обеспечение выполнения требований, необходимых при проведении диагно 15 стирования оборудования, должно быть регламентировано нормативной документацией [84, 106, ПО, 111, 112, 113].
Необходимость определения остаточного ресурса оборудования связана с обеспечением безопасности его эксплуатации при продлении срока службы за пределы нормативного срока, а также при планировании периодичности контроля технического состояния и ремонтов. Прогнозирование остаточного ресурса возможно при одновременном наличии следующих условий: известны параметры, определяющие техническое состояние оборудования (ПТС), критерии предельного состояния оборудования и имеется возможность периодического контроля значений ПТС.
Механизм закономерного перехода показателей конструктивной надежности оборудования в область их критических значений (предельного состояния), к сожалению, изучен слабо. Тем не менее, можно выделить два направления развития такого механизма [79, 80, 136, 137] : - концепция, основанная на детерминированном подходе, опирающаяся на линейную или экспоненциальную модели непрерывного снижения уровня начальных свойств конструкции и реализующая схему накапливающихся повреждений. В основу детерминированных подходов прогнозирования положены зависимости ресурса оборудования от нагрузок, установленные по результатам многочисленных испытаний и введенные в госстандарты. - концепция, основанная на стохастической (вероятностной) теории развития случайных процессов, описывающих изменение как отдельных, так и комплексных свойств конструктивных элементов оборудования.
Следует отметить, что использование статистических закономерностей развития повреждений позволяет прогнозировать гарантированный ресурс оборудования. Под гарантированным понимается ресурс, обеспечиваемый с у вероятностью, близкой к единице, в теории надежности его называют гамма-процентным ресурсом. Прогнозирование основывается на измерении размеров возникших повреждений и экстраполяции их по наработке до предельно допустимых значений (критических размеров). Достоверность прогнози 16 рования зависит в основном от трех составляющих: точности оценки размеров возникших повреждений, адекватности выбранной математической модели реальному процессу деградации и точности оценки параметров этой модели. Техническое состояние оборудования оценивают по максимальным размерам повреждений, что гарантирует верность оценки в случае, если выявлены действительно максимальные размеры повреждений. В реальных условиях эксплуатации не всегда имеется возможность сплошного контроля поверхностей оборудования из-за труднодоступности некоторых участков, а также из-за больших поверхностей конструкций, подлежащих контролю. Поэтому фактический контроль при обследованиях оборудования чаще всего оказывается выборочным и поэтому имеющим статистическую погрешность. Обычно прогнозирование осуществляют в пределах периода стабильной интенсивности развития повреждений. Однако скорость развития повреждений не всегда постоянная, она колеблется около среднего значения. Размах колебаний зависит от стабильности технологических параметров, а также от чувствительности конструкционных материалов к изменениям внешних воздействий. В некоторых случаях размах может в несколько раз превышать средние значения, что в свою очередь должно быть учтено в разрабатываемых математических моделях. Точность оценок параметров модели прогнозирования зависит от стабильности скорости деградации, которая характеризуется коэффициентом вариации [80, 136].
Достоверность прогнозирования существенно зависит от правильности определения критериев предельного состояния оборудования. Предельным состоянием оборудования, подвергающегося в процессе эксплуатации корро-зионно-эррозионному разрушению, согласно методике [137] является уменьшение толщины его стенок до предельной величины, ниже которой не обеспечивается запас его несущей способности. Например, при циклическом и длительно статическом нагружении оборудования используют вероятностное моделирование докритического роста трещин, описываемое различными кинетическими соотношениями. На их основе разрабатываются методы оценки ресурса конструкций с дефектами. Вероятностные факторы кинетики трещин присутствуют на микро- и макроуровнях процесса деформирования материалов. На микроуровне к ним относятся факторы структурной неоднородности материалов и неоднородности напряженно-деформированного состояния в локальных зонах на уровне размеров зерен. На макроуровне выделяются такие факторы, как неоднородность напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, неопределенность размеров, формы и ориентации трещин. Построение вероятностных моделей кинетики трещин, отражающих оба уровня процесса, крайне сложно. Поэтому основное внимание уделяется вероятностным моделям, оперирующими факторами макроуровня. Вопросами разработки вероятностных моделей роста трещин занимаются в ИМАШ РАН, ИВМ СО РАН [79, 80], несмотря на это, существуют определенные проблемы из-за недостаточной проработки вероятностных аспектов роста трещин, которые ограничивают возможности практических приложений этих методов.
Поскольку остаточный ресурс сосудов и аппаратов определяется по нескольким критериям: на основании анализа условий эксплуатации, результатов технического диагностирования и критериев предельного состояния, в связи с этим существуют различные подходы при прогнозировании ресурса безопасной эксплуатации оборудования.
Условно методики расчета ресурса безопасной эксплуатации сосудов, аппаратов базируются на двух подходах [ПО].
Первый подход - традиционный, основанный на сравнении результатов диагностирования с нормативными данными по механическим свойствам, дефектности, расчетам на прочность и др. При отсутствии коррозии и соответствии фактических конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров нормативным параметрам ресурс назначается как для вновь проектируемого оборудования (в пределах 10-12 лет) [ПО]. В случае коррозионного воздействия рабочей среды срок безопасной эксплуатации назначается по фактическому значению остаточной толщины стенки конст 18 руктивных элементов аппарата. Скорость коррозии определяется по несущему элементу, имеющему наибольший коррозионный износ за весь срок эксплуатации до момента диагностирования обследуемого аппарата. Необходимо отметить, что скорость коррозии в некоторых случаях существенно зависит от степени напряженно-деформированного состояния металла, которая в процессе эксплуатации также увеличивается. Это объясняется проявлением локального динамического механохимического эффекта, который должен учитываться коэффициентом усиления коррозии в расчетных формулах при определении срока службы аппаратов. В существующих нормативно-технических документах (НТД), как правило, данный коэффициент принимают равным 1, что в свою очередь завышает прогнозируемый ресурс оборудования [137].
Второй подход расчета ресурса аппаратов базируется на фактических данных диагностирования с использованием средств неразрушающего контроля [120, 136, 137]. Однако часто диагностической информации недостаточно для объективной оценки остаточного ресурса. Тогда используются априорные данные по дефектности, свойствам металла, параметрам последующей эксплуатации, которые при расчетах должны обеспечивать необходимый запас прочности и долговечности.
Применение феррозондового метода контроля для оценки технического состояния сосудов и аппаратов, работающих под давлением
Образцы вырезались из листа, предназначенного для изготовления сосудов, работающих под давлением. Вырезка заготовок и технология изготовления образцов выполнялись таким образом, чтобы не оказывать существенного влияния на его структурное состояние. С целью минимизации влияния механической и термической обработки на сопротивление усталости образцов выполнялись следующие требования: - нагрев при изготовлении образцов не вызывал структурных изменений и физико-химических превращений в металле; рабочая зона образцов после механической обработки имела гладкую и однородную поверхность без следов коррозии, цветов побежалости и других дефектов; - шероховатость поверхности рабочей части готовых образцов не превышала Ra = 0,32+ 0,16 мкм; - для хранения образцов после их изготовления предусматривалось предохранение их поверхности от окисления или коррозии с помощью смазки: - не допускались повреждения поверхности рабочей зоны образцов измерительным инструментом при проверке соответствия их нормативным размерам.
При проведении магнитных измерений учитывалось направление проката листа. Исследуемые образцы разбивались на равное количество участков с шагом AL = 10 мм, в каждом из которых проводилось по 5 замеров всех магнитных характеристик. Контроль магнитных характеристик осуществлялся по длине рабочей зоны образцов в разгруженном состоянии от исходного состояния через каждые N=250 циклов до полного их разрушения.
Для осуществления статического нагружения образцов плоского типа использовалась экспериментальная установка (рисунок 2.1), на которой закрепленные образцы подвергались симметричному изгибу с задаваемым уровнем деформации. Первая серия экспериментов проводилась при деформировании металла в упругопластической области є = 0 4,5 %, следующая - в упругой области є = 0 - - 0,28 % . При этом одновременно осуществлялся контроль магнитных характеристик. Для того, чтобы установить, каким образом уровень накопленных усталостных повреждений в материале влияет на изменение магнитных характеристик при упругом деформировании, образцы после малоциклового воздействия дополнительно нагружались симметричным изгибом. По результатам данной серии экспериментов производилось построение петель магнитоупругого гистерезиса при разном уровне накопленных повреждений.
Для создания статической деформации в образцах по схеме двухосного напряженно-деформированного состояния использовался специально разработанный лабораторный стенд (рисунок 2.3).
В качестве образцов были использованы пластины круглого типа из стали 09Г2С диаметром D = 100 мм и толщиной s =2 мм, которые поочередно жестко крепились между двумя фланцами (1, 4) и нагружались нагнетанием масла. масло - плоский фланец, 2 - прокладка, 3 - пластина, 4 - воротниковый фланец, 5 - плоская крышка, 6 - стойка, 7 - соединительная трубка, 8- манометр, 9 - насос, 10 - емкость с маслом Рисунок 2.3 - Схема лабораторного стенда для проведения статического нагружения пластин Феррозондовый преобразователь пластина Фланцевое соединение
Схема измерений магнитных характеристик при статическом нагружении пластин Инструментом разрушения служил приспособленный для гидравлических испытаний грузопоршневой манометр МП-600, позволяющий плавно нагнетать давление. В качестве рабочей среды использовалось автотракторное масло Novoil. Измерения магнитных характеристик осуществлялись во взаимно перпендикулярных направлениях по схеме ( 1— \ , l- l1, Ъ- Ъ1, 4— 47) при изменении давления с шагом ЛР=1 МПа (рисунок 2.4). Для сравнительного анализа результатов проведенных исследований также проводились эксперименты на пластинах с проточкой диаметром D = 4 мм и глубиной t = 1 мм.
С целью обоснования возможности применения результатов исследований магнитных характеристик металла, проведенных на плоских образцах, при определении его потенциальных зон разрушения на реальном объекте, проведена серия экспериментов на цилиндрических оболочковых конструкциях длиной L=220 мм, наружным диаметром D=108 мм и толщиной s=4 мм. В оболочках создавались концентраторы напряжения в виде внутренней квадратной проточки со следующими геометрическими размерами: остаточная толщина стенки оболочки в области проточки tk=lMM, ширина канавки Ьк=15мм. Оболочковые конструкции в нижней части имели глухую плоскую крышку, соединенную посредством сварки, а с другой стороны - фланцевое соединение с плоской крышкой, в которой предусмотрен штуцер для подачи масла. Нагружение данных образцов осуществлялось на лабораторном стенде (рисунок 2.3).
Описание и основные характеристики магнитоизмерительного феррозондового прибора Ф205.30А
Проведенные исследования (глава 3) показали, что напряженность магнитного поля и градиент напряженности магнитного поля, измеренные феррозондовым методом, являются чувствительными параметрами к структурным изменениям, происходящим на разных стадиях деформирования материала. А также анализ изменения свойств адаптации структуры металла к внешним воздействиям показал свою информативность для оценки предельного состояния оборудования. Поэтому в основу разработанного алгоритма определения ресурса безопасной эксплуатации оборудования положены следующие базовые параметры: относительная напряженность магнитного поля - Нп,/Нп исх; изменение размаха градиента напряженности магнитного поля (AG), фактическое значение уровня поврежденности металла (Ni/Np) f,aKT, определяемое по калибровочной зависимости для определенной марки стали, и предельное значение уровня поврежденности - (Ni/Np)npefl, получаемое по результатам расчета адаптивности структуры стали к необратимой повреждаемости. Предполагается, что доминирующим фактором повреждаемости металла оболочковой конструкции является уровень накопления упругопластических деформаций.
Для оценки технического состояния оболочковых конструкций необходимо: 1 Произвести анализ технической документации и эксплуатационных сведений об исследуемом объекте. 2 Определить схему измерений и зоны для обследования объекта 3 Изготовить образцы для проведения испытаний на усталость по ГОСТ 25502-79. Образцы изготавливаются из материала аналогичному материалу обследуемой конструкции. При их изготовлении необходимо соблюдать следующие требования: а) поверхность образцов в рабочей зоне после механической обработки должна быть гладкой и однородной и не иметь цветов побежалости и дефектов, при этом шероховатость поверхности рабочей части не должна превышать Ra = 0,16-0,32 мкм; б) в рабочей зоне нанести сетку размером, в зависимости от используемого датчика (в нашем варианте - 5 мм); в) измерить толщину рабочей зоны образца в каждой ячейке нанесенной сетки с погрешностью не менее 0,005 мм, при этом, не допуская повреждения поверхности измерительным инструментом; г) замаркировать каждый образец. 4 Подготовить образцы с разным уровнем накопления усталостных повреждений (Nj/NP)=0,R1,0 согласно ГОСТ 25502-79 и произвести измерения магнитных параметров (Hn , G) в исходном состоянии и при разных уровнях статической деформации. Статический изгиб образцов осуществляется в области упругой деформации с шагом є =0,01%. При этом, прогиб образца, контролируется установившимся (максимальным или минимальным) значением магнитного параметра. 5 По результатам п.4 построить зависимости G = f (є), рассчитать параметр AG (Gmax - Gmin - разность между установившимися максимальным и минимальным значениями магнитных параметров), пределы изменения которого для каждой марки стали постоянные. 6 По результатам п.5 построить зависимость AG = f (Nj/Np). 7. Произвести экспресс-анализ поверхности металла обследуемого объекта, измеряя магнитные параметры (Hn, Нт, G) в исходном и нагруженном состояниях (при проведении гидроиспытаний). 8 Построить диаграмму направленности векторов результирующей напряженности магнитного поля.
Сопоставляя результаты анализа векторного распределения результирующей напряженности магнитного поля и параметра Нщ/Нписх выявить локальные зоны, предрасположенные к разрушению. 10 В обнаруженных зонах необходимо произвести измерения магнитных параметров с учетом дополнительного статического деформирования металла, которое осуществляется специальным разработанным устройством (описание приведено в тексте диссертационной работы). 11 Обследуемую зону разбить на участки с шагом А=2 см, нанести сетку для измерения магнитных параметров. 12 Установить устройство для создания малых деформаций и одновременного контроля магнитных параметров. 13 С помощью устройства произвести надавливание во всех выбранных точках обследуемой зоны металла с таким же шагом, что и на образцах, до момента стабилизации значений магнитных характеристик. 14 По результатам построить графики G = f (є) для каждой точки обследуемой зоны металла. 15 Рассчитать параметры AG и сравнить его с зависимостью, полученной для образцов из п.6, по результатам сравнительного анализа определить фаКТИЧеСКИЙ уровень НаКОПЛеННЫХ ПОВреЖДеНИЙ В Металле - (Nj/Np aKr 16 По результатам механических испытаний на растяжение образцов с разной степенью поврежденности (N,/Np) получить изломы, съемку поверхности которых необходимо осуществлять оптическим микроскопом при увеличении хЮОО для 3-х зон поверхности разрушения. 17 Произвести расчет мультифрактальных параметров структуры поверхности разрушения. Построить фрактальные карты адаптивности структуры поверхности изломов для всех трех зон, по которым с учетом критических значений мультифрактальных параметров и минимальной адаптивности определить предельное состояние металла (Nj/Np)
Численный и векторный анализ распределения напряженности магнитного поля при статическом двухосном напряженно- деформированном состоянии
Известно [17], что одноосные упругие напряжения приводят к существенной перестройке магнитной структуры, изменяют размеры отдельных доменов и вид междоменных границ. Перестройка структуры существенно влияет на изменение магнитных характеристик (магнитная проницаемость, напряженность магнитного поля), этим и объясняется резкий скачок напряженности магнитного поля в первоначальный момент нагружении материала.
Дальнейшие исследования были направлены на установление влияния уровня накопленных повреждений в материале на изменение магнитных характеристик в области упругих деформаций.
С этой целью образцы плоского типа предварительно были подвержены разным уровням накопления усталостных повреждений в области малоцикловых нагрузок, затем каждый из них статически нагружался симметричным изгибом є= 0 - - 0,28 % с шагом 0,04, и при каждом уровне нагружения выполнялись измерения Hn, G. По результатам исследований строились петли магнитоупругого гистерезиса - зависимости G = f (є) и Н„ = f (є). Из них наибольшую информативность показали характеристики G = f (є). В качестве иллюстрации на рисунке 3.8, а и 3.8, б соответственно представлены зависимости G = f (є) для исходного состояния металла и при уровне поврежденности N;/Np = 0,94.
По петлям магнитоупругого гистерезиса произведен расчет площадей в программе «Geosoft», по которым строились зависимости So = f (Ni/Np) (рисунок 3.9). 6000
Установлено, что снижение площади носит циклический характер, что можно объяснить стадийностью протекания процесса усталостного разрушения металла. Как показывает анализ литературных источников, расчетная зависимость So = f (Nj/Np) находит свое подтверждение при сравнении результатов других исследователей. Например, в работах [2, 3], проводимых на кафедре «Материаловедения и защиты от коррозии» УГНТУ Абдуллиным И.Г., Бугаем Д.Е., рассматривались зависимости изменения уровня микродеформаций кристаллической решетки низколегированных сталей при накоплении усталостных повреждений, которые также носят циклический характер. Это говорит о том, что закономерности изменения свойств металла, контролируемых на разных масштабных уровнях, повторяются. Кроме того, по полученным зависимостям G = f (є) установлено, что при накоплении усталостных повреждений наблюдается снижение размаха градиента напряженности магнитного поля AG (AG = Gmax - Gmin - разность между установившимися максимальным и минимальным значениями магнитных параметров). На зависимости AG = f (Ni/Np) можно выделить два характерных участка: 1) на начальной стадии нагружения наблюдается резкое снижение AG, 2) в остальном диапазоне его снижение происходит в диапазоне (1800- 900) ± 150А/м2 (рисунок 3.10).
Зависимость размаха градиента напряженности магнитного поля от уровня накопленных повреждений Для реализации на практике данной зависимости, необходимо в локальной зоне осуществлять измерения магнитных характеристик после статического деформирования металла в упругой области и по калибровочным данным определять фактический уровень его поврежденности.
С этой целью в работе было разработано и изготовлено устройство, позволяющее проводить локальное контролируемое надавливание на металл оборудования и измерять его магнитные характеристики (рисунок 3.11). Устройство состоит из П-образного корпуса (1), к которому крепится держатель микрометра (2). В корпусе выполнены отверстия для крепления троса (3). Крепление устройства к оборудованию производится посредством прикрепленного к корпусу троса, натяжение которого контролируется через усилие намотки на барабан. Усилие необходимое для создания деформации обеспечивается при помощи маховика (4), надетого на винт (5) и гайки (6), которая приварена к корпусу устройства. На винте прикреплена направляющая (7), которая позволяет перемещать датчик феррозонда по окружности. К направляющей прикреплена планка (8), по которой перемещается держатель феррозондового датчика (9). Величина статического прогиба контролируется микрометром часового типа ИПЧ (10), которая зависит от параметров исследуемого объекта (давление, толщина стенки). Оценка магнитных характеристик осуществляется по усредненному значению 4-х точек замеров вдоль окружности. Экспериментально установлено, что для построения петли магнитоупругого гистерезиса на оболочковых конструкциях необходимо осуществлять надавливание, максимальное значение которого не должно создавать в измеряемой зоне металла напряжения, превышающие (0,1+0,15) ат.
