Тема 6. Определение остаточного ресурса по малоцикловой долговечности

Тема 5. Оценка долговечности при определении конструктивной надежности

5.1. Методы определения долговечности.

Основными компонентами конструктивной надежности являются безотказность и долговечность, как установлено и рассмотрено выше.

Долговечность трубопровода оценивается временем его работы до наступления отказа. Это время зависит от:

1. наличия и характера дефектов;

2. действующего давления, уровня других нагрузок и уровня напряжений в стенках трубы;

3. характера нагрузок;

4. характеристик материала стенок трубы и фактического срока службы трубопровода на данный момент.

Применительно к магистральным трубопроводам разработаны и могут быть применятся, в зависимости от условий, особенностей и стоящих задач, следующие методы определения остаточного ресурса:

1. по малоцикловой усталости стали труб;

2. по характеристикам трещиностойкости при статическом нагружении на стадии развития дефекта;

3. по степени коррозионного износа и остаточной толщине стенки трубы;

4. по статистике отказов данного трубопровода;

5. с учетом коррозионного растрескивания под напряжением стали трубы (КРС) - стресс коррозии;

6. по малоцикловой долговечности в условии механохимической коррозии;

7. метод, основанный на исследовании старение трубных сталей.

1.Выбор метода и блок-схема определения остаточного ресурса.

Выбор метода и программы определения остаточного ресурса зависят от факторов, объединенных в следующие группы:

1. назначение трубопровода и характеристики перекачиваемого продукта;

2. условия и сроки эксплуатации;

3. сочетания факторов, влияющих на изменение структуры металла трубы.

2.1. Назначение трубопровода и характеристики перекачиваемого продукта.

В газопроводах – относительно стабильный силовой режим в виду:

а) закольцованностей систем газопроводов и резервирования в коридорах;

б) сжимаемости газа, что позволяет избежать значительных скачков давления в трубопроводе.

В результате в газопроводах менее значим фактор циклического нагружения системы труб.

В нефтепроводах - на оборот ввиду не сжимаемости жидкости и отсутствия закольцованности систем, переключения и остановки приводят к явно выраженным скачкам давления с довольно большим числом циклов N.

Характеристики продукта - наличие сернистых включений в нефть или газ существенным образом влияет на процесс старения поверхностей. Имеет место механохимический процесс износа стенки трубы.

2.2. Условия и сроки эксплуатации – сроки эксплуатации как прямо влияют на степень изношенности металла, изменение структуры, так и косвенно, через изменение внешних коррозионных условий.

2.3. сочетания факторов, влияющих на изменение структуры металла трубы:

а) деформационное старение;

б) накопление повреждений в структуре металла при совместном действии коррозионных факторов и механических нагрузок («стресс-коррозия»);

в) механический износ;

г) «наводораживание» или водородное охрупчивание металла.

При выборе метода определения остаточного ресурса необходимо учитывать вероятность совместного действия всех факторов.

Все эти факторы находятся во взаимосвязи, поэтому определение долговечности сводится к решению сложной задачи.

Определение остаточного ресурса – это комплексная задача, объединяющая в себе решение следующих взаимосвязанных задач:

1) определение критических и допустимых размеров дефекта;

2) определение разрешенного давления при наличии в стенке трубы дефектов, размеры которых не превышают критических, при условии оставления дефектов;

3) время безотказной работы при развитии дефектов от существующих размеров до критических при разрешенном давлении.

Тема 6. Определение остаточного ресурса по малоцикловой долговечности.

6.1. Форма и режим статического циклического нагружения конструкций.

6.2. Представление о стадиях зарождения и развития дефектов в металле стенки трубы при циклическом статическом нагружении.

6.3. Определение малоцикловой долговечности по стадии зарождения трещины с использованием деформационного критерия Менсона-Коффина.

6.1. Циклические статические нагружения металла в стенках труб и других конструкциях описываются следующими характеристиками:
- общее число циклов до разрушения N;

- формы циклов нагружения;

- режим циклического нагружения.

Под формой циклического нагружения подразумевается закон изменения во времени циклических статических нагрузок и характеристики симметрии циклических нагрузок.

А – параметр циклического нагружения (σ или ε).

Рис.6.1.

A_min

A_max

Рис. 2.

Симметрия численно характеризуется коэффициентом асимметрии r:

(6.1.)

при этом знак r укажет, знакопеременные циклы или знакопостоянные.

При r=0 имеет место пульсирующее циклическое нагружение.

Пример. Для кольцевых напряжений (r=0…1) в стенке трубы на обычных грунтах и обычных глубинах заложения имеет место нагружение асимметричными знакопостоянными циклами.

Рис.6.3 , когда давление в трубопроводе не снижается до 0.

Рис.6.4

r=0

Режим – отражает закон изменения максимальных напряжений или максимальных деформаций.

- жесткий режим;

- мягкий режим.

Бывает режим смешанный.

Рис.6.5.

Рис.6.6.

6.2. Представление о стадиях зарождения и развития трещины.

Определение остаточного ресурса стенки трубы по методу малоцикловой долговечности сводится к определению времени необходимого для разрушения при малоцикловом нагружении.

Малоцикловое нагружение - нагружение, когда число циклов, до разрушения стали, не превышает 5*10⁵ и становится выраженным упругопластический характер деформированного состояния в окрестности дефекта.

Механизм малоциклового развития дефектов определяется повторными пластическими деформациями в окрестностях дефекта при напряжениях в остальных сечениях конструкции, существенно меньших предела текучести, т.е. когда в большей части сечения металла деформации являются упругими.

Общее число циклов N до разрушения сечения складывается из числа циклов до зарождения трещины в структуре стали N_З и числа циклов необходимых для развития дефекта до полного разрушения N_Р:

N= N_З+N_Р (6.2.)

Соотношение между N_З и N_Р зависит от состояния структуры металла, формы и режима нагружения, наличия и вида дефекта, остроты его вершины и т.п.

Число циклов до зарождения трещины определяется уравнениями Коффина-Менсона, которые устанавливают взаимосвязь между амплитудой изменения истинных деформаций в вершине дефекта, механическими характеристиками металла и числом циклов N_Р.

Рис. 6.8. Схема зарождения трещины:

- радиус кривизны в вершине дефекта;

- глубина дефекта;

- угол раскрытия дефекта (острота вершины).

Если изначально микродефекты имеются и носят трещиноподобный характер - трещины, не провары стыков, острые подрезы, коррозионные повреждения питтинговой формы и т.д. – радиус вершины дефекта может быть принят равным 0 (ρ 0).

В этом случае число циклов до зарождения трещины N_З ‹‹ N_Р (N_З 0 для острых дефектов), и долговечность в основном будет определяться стадией развития трещины.

N_З N_Р (6.3)

Расчет ресурса при этом будет выполняться по характеристикам трещиностойкости при статическом нагружении. В этом случае необходимо предварительно испытывать образцы металла на трещиностойкость, т.е. развитие специально нанесенных дефектов - подрезов по ГОСТ 25.506-85 и расчет N_Р вести методом определения остаточного ресурса по характеристикам трещиностойкости (см. далее).

При отсутствии трещиноподобных дефектов, напротив, речь пойдет об истинно малоцикловой долговечности, т.к. число циклов до зарождения трещины в микродефектах структуры будет очень велико по сравнению с числом циклов N_Р:

N_З ›› N_Р (6.4.)

Поэтому N_З N_Р и остаточный ресурс будет рассчитываться по степени зарождения трещины при малоцикловой долговечности.

Существуют два режима нагружения: жесткий при постоянном размахе деформаций, мягкий - при постоянном размахе напряжений.

Зона дефекта в трубопроводе обычно испытывает некоторый промежуточный режим нагружения, находящийся между крайними случаями. Поэтому целесообразно выбрать меньшее (или среднее) число циклов N_З из двух крайних ситуаций.

Режимы циклического нагружения различаются также симметричностью (коэффициентом асимметрии). Коэффициентом асимметрии по напряжениям r_σ и деформациям r_e называются отношения соответствующих величин (напряжений и деформаций) в вершине дефекта в моменты минимальной и максимальной нагрузок в цикле:

r_σ= ; r_e= (6.5)

Максимальные и минимальные значения истинных напряжений в циклах нагружения определяются по кольцевым напряжениям для максимальных и минимальных давлений с учетом теоретических коэффициентов концентрации напряжений α_σ.

Если коэффициент асимметрии r=-1, то нагружение симметричное. При этом растяжение чередуется со сжатием. Для труб с дефектами характерны циклические нагружения с положительным коэффициентом асимметрии, когда σ_min› 0. При этом металл всегда находится в состоянии растяжения. Но могут встретиться случаи с отрицательными значениями r_e и r_σ (переходы под дорогами, подводные переходы и др.)

6.3. Определение малоцикловой долговечности по стадии зарождения трещины.

Оценка малоцикловой долговечности выполняется при наличии выявленных диагностикой нетрещиноподобных дефектов: вмятин, задиров, рисок - с учетом теоретических коэффициентов концентрации напряжений α_σ (приложение Н), .

6.3.1. Общая кривая усталости.

Число циклов нагружения конструкции зависит от уровня

приложенных циклических напряжений, режима напряжения, механических характеристик стали и некоторых других факторов.

Зарождения трещины в сечении стенки трубы происходит, в результате постепенного накопления повреждений в структуре метала, т.е. накопления «усталости».

Общая зависимость величины разрушающие напряжений от числа циклов напряжения в широком диапазоне называется полной кривой усталости.

Рис. 6.7.Вид общий кривой усталости.

I – статическое разрушение (при N<100-); II – область квазистатической усталости; III - область малоцикловой усталости (N=10⁴…10⁵); IV- динамический предел текучести (при δ_а=δ_0,2 - N предельное); V - многоцикловая усталость (N>10⁶); VI – предел выносливости (усталости).

Точка В - переходная область - граница между квазистатической усталостью II и малоцикловой усталостью III.

Для жесткого симметричного режима нагружения число циклов до зарождения трещины N_З, определяется из уравнения:

(6.6)

где - амплитуда истинных деформаций в вершине дефекта, приведенная к симметричным циклам;

- предел выносливости металла при симметричном нагружении;

Е – модуль упругости;

- показатель жесткого циклического нагружения;

- коэффициент относительного сужения стали при разрыве.

6.3.3. Расчет

Параметр определяется по приближенным формулам:

=0,5 при σ_в≤700 МПа;

=0,5+0,0002(σ_в-700) (6.7)

при σ_в>700 МПа

Предел усталости для сталей, применяемых на нефтепроводах,

=0,4σ_в (6.8)

Для мягкого симметричного режима нагружения число циклов определяется из следующего уравнения:

(6.9)

где , Е, - те же величины, что и ранее;

- коэффициент равномерного относительного сужения стали;

- показатель мягкого циклического нагружения.

Параметр определяется по приближенной формуле:

(6.10)

где σ_0,2 - условный предел текучести стали;

- предел прочности стали.

Число циклов N_З при несимметричном нагружении можно найти исходя из следующих соображений.

Циклы нагрузки характеризуются следующими параметрами: - амплитудой деформаций в вершине дефекта; _ср – средней деформацией.

С увеличением каждого из этих параметров значение N_З уменьшается. Чтобы сохранить постоянным значение N_З при увеличении параметра _ср, надо эквивалентно снизить амплитуду деформаций .

Можно построить зависимости типа _а=f( _ср) при условии, что N_З=const₂ (рис.6.11). Эти зависимости имеют монотонно убывающий характер. Приближенно эти зависимости принимаются линейными. Погрешность такого приближения идет в запас долговечности.

Таким образом, по заданному несимметричному циклическому нагружению можно приближенно найти эквивалентное, симметричное нагружение, соответствующее одинаковому числу циклов N_ср.

(рис7.11.) Рис. из книги

Исходя из предыдущих рассуждений, для определения N_З при несимметричном нагружении необходимо выполнить следующие операции:

найти параметры эквивалентного нагружения:

; (6.11.)

по значению найти числа циклов N_З из формул (6.6.), (6.8.) и (6.9.) соответствующие жесткому и мягкому нагружениям.

В качестве искомого числа циклов для трубы на этапе зарождения трещины выбрать меньшее из полученных значений.

Значения и для использования формул (6.11.) определяются следующим образом:

(6.12.)

где - размах истинных деформаций в области дефекта

с учетом пластического сужения шейки образца;

- истинная деформация в момент разрушения.

(6.13.)

где (6.14.)

здесь , - соответственно наименьшая и наибольшая деформации в вершине дефекта в процессе циклического изменения давления в трубопроводе.

6.4. Экспериментальный метод определения ресурса по малоцикловой долговечности с использованием объединенного деформационного критерия Менсона-Коффина может уточняться экспериментальным методом.

Расчетные случаи при определении малоцикловой долговечности стали трубы.

Рис.6.8.

(6.15.)

1) ;

2) ;

r - коэффициент асимметрии;

- амплитуда значения параметра;

- среднее значение параметра.

Рис.6.9.

(6.16.)

Рис.6.10.Образец для испытания на растяжение.

Существуют два варианта испытаний на малоцикловую прочность:

а) вариант жесткого разрушения;

б) вариант мягкого разрушения.

Жесткое разрушение (, при постоянной величине размаха деформаций.

Рис. 6.11. Режимы циклического нагружения: а) жесткое нагружение; б) мягкое нагружение.

Для трубопроводов более подходит режим мягкого нагружения.

Испытываются серии из n образцов, при постоянном уровне напряжений до разрушения и для каждого образца формируется число циклов, при котором образец разрушается и так для нескольких уровней напряжений.

Результаты испытаний располагают в ряд в порядке возрастания долговечности:

N₁< N₂ < N₃ <…<N_i <…<N_n (6.17.)

Затем результаты обрабатывают методами математической статистики и теории вероятности и получают графики и характеристики усталости. Вычисляются вероятности разрушения образцов, как накопленные частоты при нижнем уровне напряжений:

(6.18)