Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ ситуации с надежностью сварных соединений в нефтегазовом оборудовании 8
1.1. Анализ дефектности и причин повреждения сварных соединений на действующем оборудовании 8
1.2. Образование сварочных дефектов при изготовлении оборудования и проведении монтажных работ 16
1.3. Методы контроля качества сварных соединений 25
1.4. Проблемы оценки допустимости сварочных дефектов на стадии эксплуатации оборудования 38
1.5. Выводы по первой главе 43
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования прочности стальных образцов с дефектами сварного шва 44
2.1. Выбор и изготовление образцов для проведения исследований 44
2.2. Испытания стальных образцов 55
2.3. Анализ экспериментальных данных 73
2.4. Выводы по второй главе 76
ГЛАВА 3. Разработка критерия разрушения стыковых сварных соединений с внутренним нетрещиноподобным дефектом ...78
3.1. Анализ полученных результатов с позиций механики разрушения 78
3.2. Численный анализ напряженно-деформированного состояния нагруженного сварного соединения с внутренним дефектом 85
3.3. Разработка критерия разрушения 93
3.4. Выводы по третьей главе .
ГЛАВА 4. Оценка работоспособности стальных сосудов давления с дефектами сварных соединений 98
4.1. Алгоритм оценки допустимости сварочного дефекта на действующем оборудовании 98
4.2. Расчетная оценка прочностной надежности десорбера по результатам неразрушающего контроля 105
4.3. Выводы по четвертой главе 111
Основные выводы и результаты 112
Список литературы
- Образование сварочных дефектов при изготовлении оборудования и проведении монтажных работ
- Проблемы оценки допустимости сварочных дефектов на стадии эксплуатации оборудования
- Анализ экспериментальных данных
- Расчетная оценка прочностной надежности десорбера по результатам неразрушающего контроля
Введение к работе
Актуальность работы. При диагностическом обследовании эксплуатируемого оборудования нефтегазовых производств нередки случаи выявления сварочных дефектов нетрещиноподобного типа (газовые и твердые неметаллические включения), размеры которых превышают нормативно допустимые. Как правило, причинами такого несоответствия является ужесточение требований регламентирующей документации в ходе ее совершенствования, а также обнаружение дефектов в местах, ранее не подвергаемых контролю. В подобном случае для руководителей на местах встает непростая проблема принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации объекта, ведь, несмотря на наличие в изделии недопустимого дефекта, имеет место факт безотказной работы конструкции с момента начала ее эксплуатации.
Традиционно принятие решения о допустимости дефекта осуществляется путем сравнения его размеров с нормативно установленными предельными значениями. Так, применительно к сосудам, работающим под давлением, внутренние несплошности металла сварного шва гладкой формы размерами выше нормативных допусков строго неприемлемы для конструкции и должны быть устранены. Однако проблема заключается в том, что на сегодняшний день для оценки допустимости сварочного дефекта на эксплуатируемом оборудовании применяются те же жесткие нормы, что и при его изготовлении. Эти технологические нормы не учитывают влияние дефекта на прочностную надежность сварного соединения и установлены исходя из существующего уровня развития сварочного производства и средств не-разрушающего контроля. Очевидно, что взамен консервативного принятия решения по отбраковке конструкции с дефектом целесообразнее будет применить некоторую дифференцированную оценку ее прочности. Результатами такой оценки могут стать предписания по ограничению рабочей нагрузки для аппарата, назначение дополнительного периодического контроля дефектной зоны, и как следствие отказ от проведения затратных ремонтно-восстановительных работ в условиях действующего производства, когда простой аппаратуры влечет за собой немалые убытки.
Вопросы оценки прочности и проблемы нормирования дефектности в отношении сварных соединений рассматриваются в работах следующих исследователей: Бакши О.А., Винокуров В.А., Волченко В.Н., Ерофеев В.В., Карзов Г.П., Коновалов Н.Н., Куркин С.А., Леонов В.П., Лепихин A.M., Лукьянов В.Ф., Макаров И.И., Марголин Б.З., Николаев Г.А., Шахматов М.В. и др.
Цель работы - разработка метода оперативной оценки допустимости дальнейшей эксплуатации сосудов давления со сварочными дефектами размером выше нормативно допустимого.
Задачи исследования:
провести комплексный анализ возможных повреждений и существующих методов контроля сварных соединений на действующем оборудовании;
рассмотреть существующие подходы в области нормирования дефектности оборудования нефтегазохимии и выявить их недостатки;
провести экспериментальные исследования прочности сварных соединений с дефектом гладкой формы в металле шва;
- разработать критерий разрушения сварных соединений при наличии не
трещиноподобного дефекта в металле шва;
і
- разработать алгоритм оценки допустимости сварочного дефекта на дейст
вующем оборудовании.
Научная новизна:
разработана методика и проведено экспериментальное моделирование поведения сварных соединений с внутренними сварочными дефектами гладкой формы при критических нагрузках;
получены новые экспериментальные данные о сравнительной прочности основного металла и сварного шва для наиболее часто используемой в производстве сварных сосудов давления низколегированной стали 09Г2С;
предложен алгоритм перехода от дефекта произвольной формы к эквивалентной трещине, позволяющий достаточно точно выполнить оценку прочности сварного соединения с дефектом по двухпараметрическому критерию механики разрушения;
путем проведения численного эксперимента (с использованием МКЭ) определен характер распределения напряжений в зоне дефекта на момент разрушения сварного соединения и получен рабочий критерий разрушения, позволяющий оперативно оценить работоспособность оборудования со сварочным дефектом на этапе эксплуатации.
Теоретическая значимость работы заключается в доказанной необходимости совершенствования методических подходов при оценке технического состояния оборудования, поскольку проведенные эксперименты показали консервативность существующих норм допустимой дефектности, применяемых на этапе эксплуатации оборудования.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что основным ее результатом является разработанная методика оперативной оценки возможности дальнейшей эксплуатации оборудования при выявлении на нем сварочного дефекта, размер которого превосходит существующие нормативные допуски.
Методология проводимых исследований заключалась в проведении серии экспериментов по разрушению сварных соединений с реальными дефектами с целью установления общих закономерностей прочности таких соединений и в последующем численном анализе напряженно-деформированного состояния моделей испытанных образцов при экспериментально определенной разрушающей нагрузке. Совместное применение этих двух методов исследования позволяет произвести не только качественную, но и количественную оценку прочности сварного соединения с дефектом и, в конечном итоге, получить соответствующую аналитическую зависимость в универсальном виде.
Достоверность результатов исследования вытекает из обоснованности использованных теоретических положений и математических методов, подтверждена численными экспериментами по оценке сходимости и точности разработанных алгоритмов, а также сравнительным анализом расчетных результатов с экспериментальными данными.
Апробация результатов исследования осуществлялась путем их регулярного представления в виде докладов на научных конференциях: 66-ой Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2012» (г. Москва, 2012г.); 67-ой Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2013» (г. Москва, 2013г.); 68-ой Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2014» (г. Москва, 2014г.); Х-ой Всероссийской конференции молодых
ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2013г.); IX-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2012г.); Х-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2014г.). Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ОАО «ВНИИНЕФТЕМАШ» и ОАО «Гипрогазоочистка».
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, из которых 4 научные статьи [1-4] в журналах, рекомендованных ВАК, и 6 материалов научных конференций [5-10].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 97 наименований. Работа изложена на 124 страницах, содержит 29 рисунков и 10 таблиц.
Образование сварочных дефектов при изготовлении оборудования и проведении монтажных работ
Основная доля нефтегазового и химического машиностроения связана с производством сварных сосудов и аппаратов. Кроме того, неизбежно применение сварки при проведении монтажных работ непосредственно на предприятиях нефтегазохимии во время технологической обвязки основной аппаратуры трубопроводами, сооружении опорных и вспомогательных металлоконструкций и т.п.
Становление сварочной техники в последние десятилетия ведущим технологическим процессом при изготовлении металлических конструкций всех видов связано с высокой производительностью сварочного процесса, экономичным использованием металла и сравнительно неплохим качеством получаемых соединений. Так в свое время в значительном большинстве областей техники клепаные конструкции были вытеснены сварными за счет получаемой экономии металла (до 25% в сосудах) и, как следствие, уменьшения веса и снижения стоимости готового изделия. Стоит отметить, что при производстве резервуаров, емкостного оборудования, трубопроводов важно получить абсолютно плотное (герметичное) соединение, и решение данной задачи при сварке сводится к банальному недопущению дефектов грубой формы. Несмотря на значительные успехи в развитии литейной технологии, здесь тоже можно говорить о существенном сокращении веса изделия в обработанном виде при переводе литых конструкций на сварные, а также о минимизации потерь металла на механическую обработку. Кроме того, сварные конструкции позволяют рационализировать форму поковки, так как применение сварки дает возможность заменить одну поковку сложной формы и большого габарита сочетанием нескольких более простых поковок [69].
Однако при всем своем широком развитии, сварка металлов всегда была и продолжает оставаться технологическим процессом, требующим высокой культуры исполнения, ибо качество конечного сварного соединения определяется совокупностью многих факторов, таких как режим процесса, качество применяемых материалов, человеческий фактор и др. Именно поэтому для сварных конструкций характерно наличие дополнительных факторов, способных привести к разрушению, связанных как с конструктивным оформлением сварных соединений, так и с технологией их изготовления. Говоря о первопричинах возможных повреждений сварных соединений на стадии эксплуатации, стоит отметить, что в сварной аппаратуре в металле, подвергнутом сварке, возникают необратимые физико-химические процессы, определяющим образом влияющие на надежность конструкции в целом [82]. Под действием сварки происходит: - изменение свойств металла вследствие процессов плавления и кристаллизации в сварном шве, структурных и фазовых изменений и разупрочнения в зоне термического влияния; - ухудшение напряженного состояния вследствие возникновения полей собственных, упругих (остаточные напряжения) и пластических деформаций, а также геометрической технологической и конструктивной неоднородности; концентрация в зоне сварного соединения различного вида неоднородностей со значительным градиентом этих неоднородностей: химической, структурной, фазовой; собственных напряжений и деформаций; геометрической, связанной как с опасностью возникновения технологических концентраторов, так и наличием конструктивных концентраторов. Как следствие указанных видов неоднородности возникает неоднородность механических свойств, электрохимических и физических свойств, что определяет повышенную чувствительность сварных соединений к воздействию эксплуатационных сред, особенно в условиях сложного напряженного состояния. Переходя непосредственно к причинам повреждения сварных соединений, в общем случае можно выделить технологические, конструкционные и эксплуатационные причины [89], отдельное и комплексное воздействие которых приводит к снижению прочностной надежности сварной конструкции.
Технологические причины повреждений связаны с нарушением сварочно-термической технологии. К ним относятся: использование сварочных материалов, не соответствующих марочному составу и/или не отвечающих требованиям качества; несоблюдение оптимальных тепловых условий сварки и термообработки; выполнение сварки швов или их ремонта с нарушениями регламентированной технологии.
Конструкционные причины повреждения определяются наличием зон высокой концентрации напряжений, зависящим от типоразмера сварных соединений, конструктивного оформления, формы сварных швов и зон сопряжения соединяемых элементов.
К эксплуатационным причинам повреждения следует отнести факторы возможного превышения фактических рабочих нагрузок по сравнению с расчетными условиями использования конструкции. Возникновение экстремальных силовых нагрузок может являться следствием как проектных ошибок, так и нарушений регламентируемой технологии эксплуатации со стороны ремонтного и эксплуатационного персонала.
Разрушение сварного соединения в условиях эксплуатации конструкции связано с наличием в нем концентраторов напряжений конструктивного и технологического характера. Их отрицательное влияние наиболее сильно проявляется при циклических нагрузках, когда даже самый небольшой концентратор может стать источником зарождения трещины. Однако и при статической нагрузке в случае комплексного сочетания ее с собственными напряжениями, воздействием агрессивной среды и температуры надежность сварного соединения может оказаться сниженной до небезопасного уровня.
Конструктивные концентраторы напряжений связаны с резким изменением геометрии при переходе от одного элемента конструкции к другому, а также на Рисунок 1.1. Коррозионное повреждение шва вварки штуцера слива-налива котла ж/д цистерны для перевозки серной кислоты непосредственной границе сварного шва с основным металлом. Такие концентраторы фактически уже закладываются на стадии проектирования при принятии решения о конструктивном исполнении изделия и выборе типа сварного соединения. Широкая практика эксплуатации сварных сосудов и аппаратов показала, что весьма неблагоприятными с точки зрения прочностной надежности являются места вварки штуцеров в корпус аппарата (Рисунок 1.1, 1.2) [31, 45]. В работе [82] отмечается, что при эксплуатации от 30 до 70% аварий или незапланированных остановок аппаратов происходит вследствие разрушений в местах соединений штуцер-корпус. Одной из основных причин этого является сложное двухосное напряженное состояние таких соединений с наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений, что в значительной степени связано с недостатками конструкции и технологии изготовления таких соединений: изготовление патрубков, штуцеров и люков из труб обычной точности или вальцовкой листов, широкое поле отклонений по размеру диаметра, круглости и форме полученного сечения готовых патрубков, вырезка отверстий в корпусах аппаратов преимущественно ручным способом (приводящим к недопустимым зазорам или натягам) и др.
Проблемы оценки допустимости сварочных дефектов на стадии эксплуатации оборудования
Пластины были сварены между собой попарно ручной дуговой сваркой с применением электродов типа У ОНИ-13/55. В результате получено 2 исходных сварных соединения (ИСС) (Рисунок 2.2), различающихся качеством выполнения сварного шва.
ИСС-1. Сварка пластин осуществлялась с умышленным допущением по всей длине сварного шва значительного числа дефектов типа шлаковые включения путем нарушения режима процесса (большая скорость сварки), а также за счет неполного удаления шлака после выполнения соответствующего прохода.
ИСС-2. Пластины были сварены таким образом, чтобы сварной шов имел два характерных участка по длине. На одном участке длиной порядка 200 мм получены сварочные дефекты типа внутренние поры за счет предварительного нанесения на кромки пластин слоя машинного масла. Второй участок длиной около 300 мм представляет собой высококачественный сварной шов, выполненный с максимально возможным соблюдением технологии процесса и не имеющий внутренних и наружных дефектов.
С целью выявления внутренних дефектов в сварном шве, каждое ИСС было подвергнуто радиографическому контролю, в результате которого получены соответствующие радиограммы с изображениями несплошностей по длине шва (Рисунок 2.3).
Для проведения экспериментальных исследований в области прочности сварных соединений, ослабленных внутренними дефектами, из имеющихся ИСС были вырезаны образцы различного типа. Вырезка образцов осуществлялась на фрезерном станке с принятием мер, позволяющих избежать поверхностного упрочнения и перегрева металла.
Схемы вырезки образцов из ИСС с соответствующими размерами представлены на Рисунке 2Ла и Рисунке 2.46.
На каждый образец нанесена маркировка (нумерация), позволяющая впоследствии однозначно определить его положение в ИСС. Маркировка каждого сварного образца означает следующее: номер ИСС/номер образца в ИСС.
Следует отметить, что при изготовлении ИСС учтены основные требования нормативной документации [26], предъявляемые к заготовкам подобного рода, из которых впоследствии получают образцы для проведения механических испытаний сварного соединения. В частности, рекомендуется при толщине металла от 10 до 20 мм ширину свариваемых пластин принимать равной не менее 100 мм.
Толщина вырезаемых сварных образцов принята из условия соблюдения соотношения между толщиной и шириной не менее 1/5, что обеспечивает отсутствие стесненности деформаций при статическом растяжении и реализует схему одноосного напряженного состояния [53]. Каждый из полученных плоских сварных образцов был подвергнут механической обработке, которая заключалась в устранении заусенцев с граней при помощи ручного напильника, с тем чтобы исключить возможные погрешности последующих измерений.
Важной стадией, предшествующей непосредственным испытаниям полученных образцов, является их предварительное обмеривание с целью получения сведений об исходной геометрии самого образца и размерах сварочного дефекта. Кроме того, до проведения испытаний все сварные образцы были сфотографированы с целью фиксации исходной информации, которая может потребоваться в дальнейшем при необходимости уточнения данных об образце и/или дефекте до разрушения. Для каждого плоского образца стыкового сварного соединения с внутренним дефектом были замерены (Рисунок 2.5): а - начальная ширина сварного образца в зоне внутреннего дефекта; Ъ- начальная толщина сварного образца; х - длина дефекта, размер в направлении приложения нагрузки; у - ширина дефекта, размер в направлении перпендикулярном оси приложения нагрузки; t - ширина образца в области основного металла, равная толщине исходной стальной пластины.
Замеры проводились с помощью штангенциркуля, имеющего шкалу измерения 0,1 мм. Полученные данные об исходной геометрии сварного образца с внутренним дефектом в металле шва представлены в Таблице 2. Немного забегая вперед, необходимо отметить, что размеры видимого дефекта подлежали некоторому уточнению после сопоставления результатов разрушения образца с его изображением на фотографии до проведения испытаний. Таблица 2 содержит окончательные значения размеров дефекта.
Анализ экспериментальных данных
Таким образом, с одной стороны, анализ возможностей МКЭ однозначно свидетельствует в пользу использования этого численного метода для оценки НДС в зоне локальных дефектов сварных соединений. С другой стороны, сложность реализации данного метода делает необходимым широкое применение в производственной практике методик оценки опасности дефектов оборудования, основанных на анализе НДС с помощью МКЭ. Поэтому задачей, решаемой в рамках настоящего параграфа, будет являться проведение анализа НДС исследуемых образцов с дефектами с целью выявления общих закономерностей. На основе этих закономерностей впоследствии должен быть выработан универсальный критерий, позволяющий достаточно точно оценивать реальную опасность дефекта, уже не прибегая к сложному численному упругопластическому моделированию НДС конструкции в зоне дефекта в каждом конкретном случае.
Надо сказать, что вопрос численного анализа НДС в зоне сварного шва имеет особый интерес и рассматривается многими современными исследователями, в первую очередь по причине того что место сварки характеризуется конструктивной концентрацией напряжений. Так в работе [94] авторами производится изучение влияния формы шва и наличия конструктивного непровара в тавровом сварном соединении на НДС места приварки вертикальной стенки резервуара к нижнему днищу. Работа [1] посвящена конечно-элементному анализу НДС сварных стыков трубопроводов, выполненных со смещением кромок и имеющих в металле шва дефект в виде трещины. В работе [91] рассмотрен вопрос моделирования НДС сварных стыков с учетом разницы в механических свойствах зон основного и наплавленного металла.
В рамках настоящей работы задача численного анализа НДС сварного соединения в зоне дефекта решалась в упругопластической постановке с помощью метода конечных элементов в программном комплексе SW Simulation. В качестве расчетной схемы была принята 2-мерная модель образца (Таблица 7) в плоском напряженном состоянии [32]. Модель, в полном соответствии с условиями эксперимента по растяжению сварных образцов, жестко закреплена по одной из коротких сторон, а к противоположной стороне приложена осевая растягивающая сила в плоскости. При этом ширина расчетной модели принимается в соответствии с геометрией образца в месте его фактического разрыва, то есть равной размеру а исходного образца.
Стоит немого поподробнее остановиться на принятых допущениях. Во-первых, как уже отмечалось в параграфе 2.1, геометрия исследуемых образцов исключает наличие объемного напряженного состояния. Поэтому при переходе к численному анализу нет необходимости рассмотрения полнотолщинных моделей, а, напротив, в целях оптимизации расчета имеет смысл применить один из методов симплификации и каждый раз исследовать плоскую модель. Во-вторых, в силу сложной геометрии профиля сварного шва его моделирование приведет к определенным трудностям при построении сетки конечных элементов, что в конечном итоге негативно повлияет на длительность расчета. При этом нельзя будет сказать о повышении «полезной» точности вычислений, а скорее наоборот могут быть получены результаты, не соответствующие итогам проведения испытаний. Поэтому расчетная модель в общем случае представляет собой прямоугольную полосу с некраевым отверстием, ширина которой принята из условия равнопрочности соответствующему оригинальному образцу.
В ходе дискретизации расчетной модели вся ее область была разбита на плоские конечные элементы в форме треугольника. При этом было выделено несколько подобластей для управления сеткой вблизи дефекта. Сетка вокруг дефекта уплотнялась, при этом размер конечного элемента уменьшался плавно, сокращаясь не более чем в 2 раза в соседних подобластях.
Для описания механических свойств материала в программу была заложена кривая растяжения металла сварного шва в истинных координатах, поскольку алгоритм применяемого расчетного модуля построен таким образом, что за пределами упругой области необходимо учитывать необратимые деформации модели, то есть уменьшение ее рабочего сечения при растяжении. Переход от имеющейся относительной диаграммы растяжения к истинной вполне стандартная процедура, описанная в классической литературе по прочности материалов [81, 88], и заключается в пересчете относительных величин напряжений и деформаций на истинные. Согласно зависимостям, приведенным в работе [81], интересующие величины были вычислены по следующим формулам: 5ИСТ = Ц1 + 5) ;
Полученная истинная диаграмма растяжения (Рисунок 3.4) была схематизирована в виде двух прямых с целью оптимизации дальнейшего расчета. Соответственно прямые были заданы следующими характеристиками: предел текучести от = 445 МПа; модуль упругости Е = 2,1-10 МПа; модуль упрочнения [44] Ет = 1,5710" МПа. Стоит отметить, что такая билинейная схематизация применяется для диаграмм, у которых отсутствует площадка текучести [86], и таким образом подходит для исследуемого материала.
В ходе численного анализа подбиралась такая нагрузка, при которой максимальные эквивалентные напряжения в модели достигнут значения около 700 МПа, что соответствует пределу прочности материала шва (в истинных координатах). При этом оценивались эквивалентные напряжения, вычисляемые по теории энергии формоизменения (Хубера - Мизеса), хорошо работающей в случае с пластичным материалом, демонстрирующим вязкий характер разрушения [34].
Результатом расчета нагруженной в соответствии с условиями эксперимента модели образца, в первую очередь стали общие картины НДС в зоне дефекта на момент достижения эквивалентными напряжениями значения, соответствующего пределу прочности материала (Таблица 8). Анализируя полученные результаты, стоит отметить, что картины распределения имеют достаточно плавные очертания без каких-либо огрублений форм и резко выраженных зон с пиковыми значениями. С одной стороны это свидетельствует о хорошем качестве разбивки модели на конечные элементы, а с другой стороны подтверждает, что в данном случае дефект не является острым концентратором напряжений [33]. Расчетная величина критической силовой нагрузки при этом оказалась в среднем на 20 % меньше экспериментально определенного значения. Это показывает, что оценку опасности рассматриваемого типа сварочных дефектов можно вести по классическим теориям прочности, решая соответствующую задачу нагружения в полной упругопластической постановке.
Однако, с точки зрения практики, такой подход нецелесообразен, поскольку в каждом конкретном случае сводится к детальному численному анализу исследуемой конструкции, что в реальных производственных условиях не осуществимо.
Расчетная оценка прочностной надежности десорбера по результатам неразрушающего контроля
С целью получения информации о фактическом техническом состоянии сосуда, выявления в нем повреждений, а также причин и механизмов их возникновения и развития, проводится диагностическое обследование аппарата. Данное обследование осуществляется по программе, разработанной заранее с учетом результатов проведенного анализа эксплуатационно-технической документации, и согласно [57] включает в себя следующие обязательные работы: - наружный и внутренний осмотры с целью оценки качества защитных и изоляционных покрытий, а также определения зон наиболее интенсивного коррозионно-эрозионного износа оборудования; - визуально-измерительный контроль для оценки геометрической формы основных несущих элементов оборудования и выявления локальных поверхностных дефектов; - толщинометрия основных несущих элементов сосуда в местах, назначенных с учетом результатов проведенных внутреннего и внешнего осмотров; - измерение твердости металла с целью косвенной оценки его прочностных характеристик; - неразрушающий контроль участков сварных соединений и основного металла.
По результатам проведения последнего вида работ могут быть получены сведения об имеющихся дефектах в сварных швах обследуемого аппарата.
В случае если при диагностическом обследовании сосуда выявлен внутренний дефект в сварном шве, необходимо провести его качественную и количественную оценку.
Так в первую очередь следует хотя бы примерно определить тип дефекта и решить, является он трещиноподобным острым концентратором напряжений или же его можно рассматривать как гладкую несплошность металла шва. В первом случае опасность такого дефекта будет высока и оценку его допустимости, возможно, придется вести с использованием специальных методик, выходящих за рамки настоящей работы. Если дефект имеет гладкую форму, то его влияние на прочность конструкции может быть оценено по предлагаемой методике. Кроме схематизации выявленного дефекта также необходимо с максимально возможной степенью точности определить его характеристический с точки зрения влияния на прочность размер. Чаще всего таковым будет являться высота дефекта в поперечном сечении сварного шва. Здесь нужно обратить внимание, что размеры выявляемых при неразрушающем контроле внутренних дефектов, как правило, не являются характеристическими. То есть это либо линейный размер дефекта в плоскости, перпендикулярной к направлению просвечивания, при рентгеновском методе контроля, либо его эквивалентная площадь при ультразвуковом контроле. При этом размер сварочного дефекта по высоте шва определяется с большой погрешностью. Поэтому при невозможности точно оценить характеристический размер нужно действовать консервативно и в рассмотрение принимать больший размер выявляемой несплошности.
Этап 4. Качественный прочностной анализ исследуемой конструкции может быть проведен только с использованием данных о фактических механических свойствах. Поэтому необходимо получение сведений о действительных прочностных характеристиках, а именно пределе прочности и пределе текучести, для основного и наплавленного металла в зоне выявленного дефекта сварки. Данная информация может быть получена путем непосредственного проведения механических испытаний проб металла, вырезаемых из корпуса диагностируемого сосуда. Достойной альтернативой этому разрушающему методу контроля служит косвенная оценка прочностных характеристик материала по результатам замеров его твердости, так как при этом не нарушается целостность аппарата и исключается необходимость применения восстановительных работ.
Этап 5. Располагая информацией о размере сварочного дефекта и данными о фактических механических характеристиках зон металла сварного соединения, с использованием предложенного выражения (3.13) можно без труда получить расчетное значение критических напряжений окр для конструкции с учетом дефекта.
Здесь следует подчеркнуть, что предложенная зависимость выведена для случая, когда рабочие нагрузки в аппарате считаются статическими, и не может быть применена при нагрузках циклического (в том числе малоциклового) характера. В этом случае, как и при рассмотрении трещиноподобных дефектов, необходимо применение иных подходов, учитывающих возможное подрастание дефекта от действия рабочих нагрузок. Так работы [5, 85] посвящены оценке ресурса магистральных трубопроводов, характеризующихся циклическими условиями нагружения, при наличии дефектов в сварных швах. В работе [2] рассмотрено влияние дефектов в виде острых концентраторов напряжений (подрез, непровар) на НДС сварных соединений в условиях поперечного изгиба.
Этап 6. Теперь, когда в соответствии с разработанным критерием определено критическое значение рабочих напряжений для конструкции в зоне выявленного дефекта, необходимо произвести оценку фактического НДС в рассматриваемой области от воздействия эксплуатационных нагрузок. При этом те или иные напряжения должны оцениваться без учета несплошности в виде существующего дефекта. Здесь важно правильно интерпретировать общую картину нагружения и выделить результирующий силовой фактор, по которому будет вестись расчет действующих напряжений.
В самом простом случае напряжения могут быть определены аналитически с использованием общепринятых зависимостей. Например, для расчета напряжений в корпусных швах сварного сосуда оболочкового типа.
В местах конструктивных особенностей аппарата, таких как узел врезки штуцера в корпус, имеет место случай более сложного нагружения и для расчета максимальных напряжений здесь необходимо будет прибегнуть к специальным методам. Теоретически можно воспользоваться тензометрией, однако для ее проведения потребуется выполнение цикла нагрузки-разгрузки исследуемой конструкции. Более привлекательным с практической точки зрения для оценки НДС является применение численных методов расчета, в частности МКЭ.