Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аварии в нефтегазовой отрасли и расследование их причин 10
1.1 Катастрофические разрушения и их причины 10
1.2 Порядок расследования аварий 20
1.3 Определение механических характеристик сталей с применением компактных образцов 25
Выводы по главе 33
Глава 2 Объекты и методы исследования 34
2.1 Стандартные механические испытания 34
2.2 Испытание малым ударом 37
2.3 Испытание плоских тонких образцов 41
2.4 Усталостные испытания 43
2.5 Определение химического состава металлов 43
2.6 Определение толщины образцов 45
2.7 Определение твердости металлических образцов по методу Роквелла 47
2.8 Алгоритм испытания металла с аварийного компенсатора 49
Выводы по главе 54
Глава 3 Определение механических свойств конструкционных сталей методом Small Punch Test (SPT) 55
3.1 Использование компактных образцов типа SPT для определения механических характеристик 55
3.2 Оценка возможности использования компактных образцов для определения уровня накопления усталостных повреждений 66
Выводы по главе 72
Глава 4 Определение работы разрушения на плоских образцах 74
4.1 Разработка метода испытания плоских тонких образцов 74
4.2 Оценка влияния толщины испытуемых образцов на удельную работу разрушения 83
4.3 Природа зависимости удельной энергии разрушения от толщины образца 88
Выводы по главе 93
Глава 5 Расследование причин аварии компенсатора 95
5.1 Компенсатор, как объект исследования 95
5.2 Результаты определения химического состава 95
5.3 Результаты измерения толщины образцов 97
5.4 Результаты проведения испытаний на растяжение плоских прямоугольных образцов 99
5.5 Результаты проведения испытаний на сжатие мини-образцов 100
5.6 Результаты измерения твердости 101
5.7 Определение удельной работы разрушения 102
5.7.1 Плоские прямоугольные образцы 102
5.7.2 Мини-образцы 104
Выводы по главе 109
Заключение 111
Список использованных источников 113
Приложение А 127
Приложение Б Акты о внедрении 131
Приложение В Стандарт ФГБОУ ВО «УГНТУ» СТО 133
- Катастрофические разрушения и их причины
- Использование компактных образцов типа SPT для определения механических характеристик
- Природа зависимости удельной энергии разрушения от толщины образца
- Мини-образцы
Катастрофические разрушения и их причины
Катастрофические разрушения случаются. Они случаются, несмотря на существование громоздкой системы проверки технического состояния особо опасных с этой точки зрения объектов. Нас будут интересовать разрушения объектов нефтегазовой отрасли, поскольку эти объекты пронизывают всю страну и поэтому опасны для населения. Нефтегазовую отрасль удобно рассматривать по всей цепочке: от добычи, транспорта, хранения, переработки углеводородов до их потребления. В каждом элементе этой системы есть свои особенности и потенциал угрозы для населения и окружающей среды.
На Рисунках 1.1 и 1.2 [1] показано распределение по годам опасных событий и смертельных случаев в нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической промышленности и объектах нефтепродуктообеспечения.
За редким исключением в стране происходит 10 и более событий в год, сопровождающихся смертельными случаями.
В мировой практике такие катастрофические события не так уж редки. На Рисунке 1.3 показана фотография катастрофического пожара на платформе «Пайпер Альфа», при ликвидации которого из 226 человек обслуживающего персонала погибло 167 [2]. Катастрофические разрушения в замкнутом пространстве наиболее опасны для обслуживающего персонала, поэтому так велико число погибших. В 1980 году авария на платформе ALEXANDER L. KIELL AND DRILLING RIG в Шотландии унесла жизни 123 человек из 212 обслуживающего персонала в марте 1980 года [2]. Буровая установка SEACREST DRILLSHIP 3 ноября 1989 года в результате шторма в Южно-Китайском море была сорвана с якоря и только 5 ноября была обнаружена перевернутой, при этом персонал в количестве 91 человек погиб.
На Рисунке 1.4 показана катастрофа на платформе Bombay High North, когда вспомогательное судно в результате сильного ветра столкнулось с платформой и разрушило трубопровод для сбора газа, вызвало утечку газа и взрыв.
В результате аварии погибло 22 человека, было потеряно 120 тысяч баррелей нефти и 4,4 миллиона кубических метров газа. Это случилось в конце июля 2005 года, а компании потребовалось 7 лет для восстановления платформы.
Аварии на платформах в большей степени имеют сходство с авариями на НПЗ, чем на наземных объектах добычи, поскольку на НПЗ также наблюдается большая скученность оборудования с содержанием большого объема пожаро- и взрывоопасных веществ.
Авторы статьи [3] со ссылкой на электронный ресурс [4] показали, что в РФ функционируют 37 полноформатных НПЗ и 221 мини НПЗ, общая проектная мощность которых достигает 19 млн. тонн сырой нефти.
В работе [5] приведена Таблица 1.1, в которой показаны общие сведения по крупнейшим НПЗ, действующих на территории РФ.
Обращает на себя внимание, что только 4 завода были запущены в эксплуатацию после 2000 года, что может указывать на эксплуатацию оборудования с переработанным ресурсом. При этом указывается, что только 17% всех НПЗ отвечают всем требованиям по обеспечению промышленной безопасности. По данным [6] 27,7 процентов пожаров возникают на НПЗ, а наибольшая доля 48,3% приходится на распределительные нефтебазы. Такие сведения не прибавляют оптимизма, тем более что аварии на НПЗ разрушительны и вовлекают в процесс разрушения большое число единиц оборудования. На Рисунках 1.5 и 1.6 показаны результаты аварии на технологических установках НПЗ и химическом заводе Phillips. При такой картине массового разрушения возникает вопрос о достоверном расследовании причин аварий.
Многие разрушенные элементы не позволяют исследовать изменения механических свойств сталей, поскольку невозможно изготовить стандартные образцы для испытания.
На Рисунке 1.6 показан разрушенный коллектор АВО. Соединенные с ним трубы разрушены и не представляется возможным изготовить для испытания стандартные образцы.
На объектах нефтегазодобычи наблюдается иной набор аварий [7] (Рисунок 1.7). Наиболее часто имеют место такие аварии, как открытые фонтаны и выбросы, взрывы и пожары, падение буровых вышек и некоторые другие виды с меньшей частотой встречаемости.
Среди часто встречающихся причин называется ошибки персонала, который нарушает технологию проведения работ и требования промышленной безопасности. Как правило, отказы в нефтяных и газовых скважинах приводят к остановке технологического процесса и являются следствием технологических нарушений и технических ошибок на различных стадиях жизненного цикла работы оборудования. Разрушения в трубопроводных системах в основном можно подразделить на разрушение линейной части трубопровода и разрушения резервуаров. Характер разрушений на трубопроводных системах дает обзор по авариям за восемь месяцев 2008 года (Таблица 1.2) [8].
На газопроводах большая часть аварии связаны с коррозией, а нефтепроводах – с несанкционированными врезками, механическими воздействиями и ошибками персонала. На Рисунке 1.8 показаны некоторые характерные виды пластического и хрупкого разрушения. Показанные разрушения приводят к большим потерям нефти и газа, к разрушению среды обитания.
Использование компактных образцов типа SPT для определения механических характеристик
Известно, что применение для определения механических свойств стали SPT-образцов, не позволяет это сделать непосредственно при испытаниях. При воздействии пуансона на образец, в зоне контакта возникает сложное напряженное состояние. На разных стадиях деформирования роль напряжений различной природы выходят на первый план. Так на начальной стадии деформирования возникают напряжения сжатия и изгиба, после зарождения несплошностей на границе пуансона добавляются напряжения среза. В зависимости от пластичности стали предельные состояния будут определяться различными напряжениями. Когда трещина достигает противоположной плоскости и становится сквозной, вновь изгибные напряжения становятся превалирующими. В отличие от разрушения стали на растяжение или сжатие, работа, которую производит испытательная машина при пенетрации пуансона, рассчитывается по диаграмме, имеющей, как минимум, шесть характерных зон. Поэтому приходится проводить анализ диаграмм с целью идентификации нагрузки, которая соответствует пределу текучести: критическая нагрузка может быть отнесена к зоне упругих деформаций, к зоне эластопластического перехода или к зоне обобщенной пластической деформации. Поэтому, прежде чем использовать данный метод, требуется проведение тарировки.
Тарировка заключается в испытании партии стандартных цилиндрических образцов, часть из которых (не менее пяти) испытывались на разрыв, часть до испытаний разрезались на диски различной толщины для реализации метода малого удара. Стандартным методом получали диаграммы растяжения, одна из которых показана на Рисунке 3.1, и определяли предел текучести и предел прочности.
Применимость метода будет зависеть от повторяемости результатов испытания. В связи с этим для проверки адекватности метода проводили две серии экспериментов: образцы были изготовлены из двух различных партий поставок, но соответствующих ГОСТ на сталь 20.
Для обработки полученных данных ввели следующие обозначения:
1 -условный предел текучести для компактных образцов в зоне I (зона упругой деформации);
2 -условный предел текучести для компактных образцов в зоне II (переходная зона);
ki1 - масштабный коэффициент для зоны I (зона упругой деформации);
ki2 – масштабный коэффициент для зоны II (переходная зона).
Два последних коэффициента находили как соотношения ki1 = -$ и ki2 = - .
Разрушенные методом SPT образцы из первой серии испытания показаны на Рисунке 3.2. На Рисунке 3.3 показаны диаграммы разрушения для образцов различной толщины. Получены классические для данного способа диаграммы разрушения, и по ним определяли критические значения напряжений для двух указанных зон.
По диаграммам (Рисунок 3.3) вычисляли удельную работу разрушения, значения которой представлены в Таблице 3.1.
Из Таблицы 3.1. видно, что удельная работа разрушения зависит от толщины испытуемых дисковых образцов. Далее на Рисунке 3.4. показаны расчетные значения напряжений, соответствующих пределу текучести для стандартных образцов.
Далее из полученных диаграмм определяли 1 и 2 , значения которых в зависимости от толщины испытуемых образцов показаны на Рисунке 3.4. Эти зависимости в испытанных пределах толщин образцов носят линейный характер. Далее определяли переходные коэффициенты для приведения полученных значений предельных напряжений в упругопластической области деформирования к стандартным значениям предела текучести. Эти коэффициенты показаны в Таблице 3.2, а на Рисунке 3.5 продублированы в графическом виде. Обращает внимание, что характер зависимостей не линейный.
По алгоритму, который использовался для испытания первой серии образцов, провели испытания второй серии образцов. На Рисунке 3.6 представлены образцы различной толщины после испытания. На Рисунке 3.7 представлены диаграммы испытания.
Визуально характер разрушения образцов существенно отличается для первой серии и второй серии испытаний. Для первой группы образцов характерно большие деформации и рваные края трещины. Для второй группы характерны признаки хрупкого разрушения. Диаграммы испытания также отличаются (Рисунок 3.3 и Рисунок 3.7). Для наглядности наблюдаемых различий совместили диаграммы двух серий испытаний образцов одинаковой начальной толщины.
Далее определяли условный предел текучести для двух характерных зон и переходные коэффициенты (Таблица 3.3).
Природа зависимости удельной энергии разрушения от толщины образца
Наши испытания показали [94], что при уменьшении толщины испытуемых пластин удельная работа разрушения также уменьшается. Объяснение этому явлению дается нами в рамках концепции наличия дробно размерного слоя, ограничивающего объем [101].
Для пяти стандартных образцов испытания дали результаты, которые представлены в Таблицах 4.8 и 4.9.
Далее были испытаны компактные образцы различной толщины: 2, 3 и 4 мм.
Для сравнения результатов определения механических характеристик стандартных и компактных образцов в таблице 4.10 показаны результаты испытания компактных образцов толщиной 4 мм, что соответствует толщине стандартного образца. Как показывают испытания на компактных образцах, механические характеристики стали выше, чем при стандартных испытаниях. Необходимо отметить, что сравниваемые образцы отличаются только объемом деформируемой стали.
С учетом испытания компактных образцов толщиной 2, 3 и 4 мм зависимость удельной работы разрушения от толщины образцов показана на рисунок 4.10.
Характер зависимости удельной работы разрушения от толщины компактных образцов изменился. Как и ожидалось нами, степенная зависимость заменена на логарифмическую зависимость с R2 = 0,9548:
В рамках концепции дробно размерного поверхностного слоя, при увеличении объема поверхностный слой теряет превалирующую роль, и удельная работа разрушения стремится к некоторому пределу. В ряде исследований [102,103] указывается на влияние состояния поверхности на результаты определения механических характеристик металлов.
Образцы толщиной 4 мм, стандартный и компактный, отличаются объемом материала, который подвергается нагружению. При этом механические характеристики стандартного образца оказываются ниже, чем у компактных образцов, а удельная работа разрушения выше.
В этом случае для объективного сравнения результатов испытаний необходимо обеспечивать одинаковый объем образцов. Для установления такой зависимости провели серию экспериментов, в которых испытывали образцы одинаковой толщины, но с различным объемом за счет изменения их ширины и длины. В качестве реперного объема использовали стандартный плоский образец толщиной также 4 мм. Результаты испытаний показаны на Рисунке 4.11. Как и ожидалось, с увеличением объема образца удельная работа разрушения увеличивалась, стремясь к некоторому пределу, который был задан значением удельной работы разрушения стандартного образца.
В работе [104] сформулирована гипотеза о том, что суммарный объем дробно размерного слоя и границ зерен в поликристаллическом материале является постоянной величиной, а сам дробно размерный слой является мультифракталом. Полученные нами результаты косвенно подтверждают эту гипотезу. Стандартный и компактный образцы изготовлены из одного и того же материала и имеют одинаковый средний размер зерен. Протяженность границ зерен в стандартном образце выше, чем в компактном образце, и толщина дробно размерного слоя должна быть меньше, чем у компактного образца. Поэтому значения механических характеристик и удельной работы разрушения не должны совпадать, как это показано на Рисунке 4.11. В связи с этим вызывает интерес вопрос о реальной толщине дробно размерного слоя. Фрактальные подсистемы, которые соответствуют фрактальному распределению материальных, электрических и магнитных параметров, связанно изменяются. При уменьшении толщины объекта должны меняться также магнитные и электрические свойства. Гипотетически можно утонить образец до толщины равной двум толщинам дробно размерного слоя. В этом случае, измеряемые с двух сторон пластины, магнитные характеристики могут компенсировать друг друга. При изменении толщины пластины магнитные домены должны перестраиваться, и это можно будет измерить.
В экспериментах, которые проводились с участием автора [105], при утонении пластины измеряли напряженность магнитного поля, причем ее тангенциальную составляющую.
Экспериментальный образец в виде стальной пластины с геометрическими параметрами 25х25х2 мм с двух сторон был разбит на 6 одинаковых ячеек, в каждой из которых проводились измерения напряженности магнитного поля при уменьшении толщины пластины на 0,1 мм. Изменение толщины достигалось посредством стачивания одной из ее граней наждачной бумагой, при этом противоположная грань всегда оставалась неизменной. Важно отметить, что перед каждым циклом измерений шероховатость поверхности была одинаковой. В ходе анализа полученных значений напряженности магнитного поля в каждой из шести ячеек двух противоположных граней пластины было установлено, что тангенциальная составляющая напряженности имеет убывающий полиэкстремальный характер, усреднив значения которой для каждой грани, была получена зависимость, представленная на Рисунке 4.12.
Применив линейное приближение методом наименьших квадратов к каждой из двух зависимостей, была построена биссектриса угла между прямыми приближения, которая имеет пересечение с осью толщины пластины в точке 0,01 мм. Таким образом, предварительное значение толщины дробно размерного слоя можно оценить величиной 0,005 мм. Такие эксперименты имеет смысл продолжать, поскольку они могут дать теоретическое объяснение полученным нами результатам.
Мини-образцы
Рассмотрим расчет удельной работы разрушения мини-образцов на примере одного из образцов. Диаграмма деформирования образца представлена на Рисунке 5.6.
Найдём начальную площадь поперечного сечения
Вычисленная работа разрушения составила А = 6807,92 н мм. Удельная работа разрушения
Аналогичным образом, найдены работа разрушения и удельная работа разрушения для остальных образцов.
Аналогичным образом, найдены работа разрушения и удельная работа разрушения для остальных образцов (Таблица 5.10).
Для анализа результатов и разработки алгоритма оценки причин разрушения конструкции, полученные значения удельной работы разрушения совместили с зависимостью в соответствии с формулой (4.9). Эта зависимость с нанесенными экспериментальными точками показана на Рисунке 5.7.
По данным, представленным на Рисунке 5.7, можно сделать вывод о том, что, полученная зависимость отражает действительную картину накопления повреждений.
Экспериментальные точки, полученные при испытаниях образцов, вырезанных из зоны приварки компенсатора к трубе, расположились ниже кривой, это подтверждает предварительное заключение об охрупчивании стали в процессе эксплуатации.
Экспериментальные точки, полученные при испытаниях образцов, вырезанных из зоны разрушения компенсатора, расположились гораздо ниже кривой, что говорит о сильной степени деградации материала в области трещины.
Наличие стандартной зависимости удельной работы разрушения от толщины испытуемых образцов позволяет предложить алгоритм оценки степени износа конструкционного материала (Рисунок 5.8) и нанести на диаграмму области степени его износа (Рисунок 5.9). Толщину разрушенного металла необходимо сравнивать с отбраковочной толщиной, которая задается при проектировании. Если толщина металла больше отбраковочной, а значение удельной работы разрушения попадает в зону «А», то это означает, что разрушение инициировано сильным внешним воздействием.
На Рисунке 5.9 обозначены характерные зоны: А – область проектного износа; Б – область запроектного износа; В – область катастрофического исчерпания ресурса.
При попадании значения в зону «Б» требует дополнительных изысканий. Изучается распределение твердости и оценивается химический состав образца из эпицентра разрушения. Попадание в зону «В» однозначно позволяет сделать вывод о том, что разрушение произошло вследствие деградации свойств материала в процессе эксплуатации. – образцы взятые от эпицентра разрушения; 2 – образцы из эпицентра
Таким образом, комплексные исследования металла, разрушенного в процессе аварии компенсатора, показали, что в зоне, где произошло разрушение изучаемого нами объекта, его несущая способность полностью исчерпана. Дополнительные измерения химического состава образцов металла показали содержание серы на несколько порядков выше требований ГОСТа. Это обстоятельство указывает на нарушение технологического режима и переработку продуктов с содержанием серы выше тех значений, которые принимались во внимание при проектировании объекта.
Результаты комплексного исследования, проведенного автором, использованы при разработке методики определения степени деградации металла аварийного оборудования, которая использована при разработке стандарта УГНТУ (приложения Б и В).