. (10.1)
В данном разделе будет рассматриваться только линейная модель износа, которой в формуле (8.5) соответствует показатель m = 1. В обозначениях относительного износа, использованных в предыдущих разделах
и (10.2)
Следует отметить, что в нефтехимической в нефтеперерабатывающей промышленности существует банк данных по скорости общей коррозии [6], который используется при проектировании трубопроводов для назначения прибавки на коррозию. Этими данными можно воспользоваться и при диагностировании, принимая в пределах разброса опытных данных верхнее значение Vср, учитывая при этом очевидное ограничение:
(10.3)
Кроме этого, общий (средний) взнос достаточно надежно определяется на прямых участках трубопровода и не требует большого числа точек измерения. Однако для удовлетворительной оценки вариации износа необходима провести измерение толщины стенки во всех потенциально опасных участках.
Предположим, что условие прочности трубопровода имеет вид (8.4), но рассеиванием [] можно пренебречь, тогда формула для определения []
(10.4)
Можно доказать, что такое допущение приводит к некоторому занижению значения расчетного остаточного ресурса и идет в запас.
Допустим, что доля отказавших элементов на момент диагностирования d составляет , где r - число отказавших элементов; z - полное число элементов в трубопроводе (фасонных деталей и отдельных труб). При этом точечная оценка вероятности безотказной работы на момент диагностирования по РД 50-690-89
(10.5)
В данном случае полагается, что на момент диагностирования возможно дополнительное, не зафиксированное в паспорте, разрушение. Таким образом, в качестве расчетного числа разрушений принимается действительное значение, увеличенное на единицу. Очевидно, что такое допущение идет в запас.
Число элементов z, включая отрезки труб и фасонные детали, можно определить по паспорту трубопровода или для ориентировочных оценок по формуле
, (10.6)
где L - длина трубопровода в метрах;
- среднее расстояние между элементами.
При детерминированном параметре [] формула (8.12) для вероятности безотказной работы на момент диагностирования d имеет вид
(10.7)
С другой стороны, вероятность безотказной работы на момент диагностирования определена по формуле (10.5). Приравнивая правые части выражений (10.5) и (10.7), получим соотношение
(10.8)
Обозначения в данной формуле те же, что и в разделе 8.
Для подсчета остаточного ресурса при линейной модели износа получаем формулу, совпадающую с (8.15), в которой Г = 0,01 (1 - ):
(10.9)
Исключив из последних двух уравнений Sa, получим следующее выражение для расчета остаточного ресурса:
(10.10)
В данном выражении [] вычисляется по формуле(10.4), а
(10.11)
Задавая величину Vcp по формулам (10.11) и (10.10) можно определить остаточный ресурс. Отметим, что в расчете по данной методике не используется понятие доверительной вероятности, т.к. задается априорное значение скорости износа.
Описанный в данном разделе метод расчета может быть применен только для ориентировочных оценок, если отсутствуют измерения толщины стенки элементов трубопровода, но в их паспортах имеется достоверная информация об имевших место разрушениях. В расчете следует учитывать лишь те отказы, которые связаны с износом трубопровода и возникшей течью. Необходимо располагать данными по скорости общей коррозии, а число элементов должно быть не меньше необходимого значения по РД 50-690-89.
Данный метод может быть использован в дополнение к традиционному расчету, изложенному в предыдущем разделе. При этом в формулу (10.11) следует подставлять верхнюю оценку средней скорости коррозии аср*. После проведения двух расчетов в качестве действительного значения остаточного ресурса следует принимать минимальную из полученных оценок. Результаты расчетов по обоим методам становятся вполне сопоставимыми, если они выполнены по линейной модели и скорость износа стенки в обоих случаях принималась постоянной. Линейная модель износа достаточно широко используется на практике при расчете ресурса трубопроводов.
Достоинством предлагаемого метода оценки остаточного ресурса является то, что рассеивание параметров износа определяется по относительному числу отказов. Физическая природа этих отказов не имеет значения, поэтому метод может быть распространен и на другие типы разрушения.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
(рекомендуемое)
Классификация дефектов, повреждений и анализ параметров технического состояния трубопроводов
Любая металлическая конструкция формируется в реальных условиях строительства и эксплуатации, неизбежно претерпевает при этом достаточно значительные изменения технического состояния, связанные с накоплением дефектов - вследствие этого происходит снижение ее надежности.
В качестве определения понятия дефекта может быть принято условие любого несоответствия какого-либо контролируемого параметра качества соответствующим регламентированным нормам. Любой дефект при определенных условиях может инициировать отказ отдельного элемента или всей конструкции.
Тогда главной причиной появления того или иного дефекта в общем случае можно считать отклонение рабочего параметра от его нормативного значения, которое, как правило, задается научно или практически обоснованным допуском. Необходимо подчеркнуть, что сам выход контролируемого параметра за границы регламентированного допуска обуславливается совокупным воздействием целого ряда случайных и неслучайных факторов.
Основной металл и сварные соединения трубопровода содержат множество различных дефектов, возникающих в процессе изготовления труб, их транспортировке и монтаже на строительной площадке, при эксплуатации и ремонте трубопровода.
Уровень дефектности трубопровода является одним из важнейших критериев качества, учитываемых при оценке конструктивной и эксплуатационной надежности. Большинство дефектов имеют макроскопические размеры и хорошо выявляются современными дефектоскопами.
Необходимо отметить, что основной металл трубных сталей имеет различные микродефекты: микротрещины, микропоры, границы зерен, скопления дислокаций и вакансий, разнозернистость металла сварных соединений, флуктуация химического состава, зародыши карбидных включений и т.п. Такие дефекты в определенных условиях также являются концентраторами напряжений и потенциальными источниками зарождения усталостных трещин. Микродефекты вызывают локальное охрупчивание металла, что представляет серьезную опасность, особенно при циклических нагрузках.
Наиболее общей является классификация дефектов по геометрическим размерам:
макродефекты - дефекты, размеры которых позволяют выявлять их различными методами неразрушающего контроля большинством дефектоскопов. Макродефекты, в свою очередь, можно также подразделять на крупные, средние и мелкие;
микродефект-дефекты, размеры которых соизмеримы с размерами зерен металла и не позволяют обнаруживать их современными средствами технической дефектоскопии. Микродефекты металлов являются предметом исследований физики твердого тела и металловедения; при диагностировании инженерных конструкций и сооружений они, как правило, не рассматриваются.
По влиянию на напряженно-деформированное состояние конструкций дефекты подразделяют на два класса:
классические дефекты - дефекты, имеющие конечный (ненулевой) радиус закругления в вершине . Основным параметром, характеризующим уровень концентрации напряжений таких дефектов, является теоретический коэффициент концентрации напряжений o;
трещиноподобные дефекты - дефекты, имеющие острую вершину (с практически нулевым радиусом ). Основным параметром, характеризующим уровень концентрации напряжений таких дефектов, является коэффициент интенсивности напряжений KIC.
Дм металлических промышленных конструкций наибольшее распространение имеет подразделение дефектов на группы в зависимости от происхождения и причин их образования, точнее в зависимости от этапов изготовления конструкции:
металлургические,
строительные,
технологические
эксплуатационные.
С точки зрения необходимости применения различные методов неразрушающего контроля, дефекты конструкций подразделяют на:
поверхностные или явные (выявляемые визуальным осмотром);
внутренние или скрытые (выявляемые физическими методами).
На сегодняшний день основными физическими методами контроля основного металла и сварных соединений трубопроводов остаются ультразвуковая дефектоскопия и радиографирование; эти методы выявляют практически все недопустимые внутренние дефекты сварных швов.
Все дефекты, выявленные при дефектоскопии основного металла и сварных соединений физическими методами, по своим геометрическим параметрам подразделяются на плоскостные и объемные.
С точки зрения ремонтопригодности выявляемые при обследовании трубопроводов и других конструкций дефекты подразделяются на:
исправимые - устранение которых технически возможно и экономически целесообразно;
неисправимые — устранение которых связано со значительными затратами или невозможно.
Наиболее типичные для стальных трубопроводов дефекты, повреждения и несовершенства конструкции, выявляемые при диагностировании, по характеру их появления могут быть подразделены на две основные группы:
технологические - дефекты, возникающие в результате строительно-монтажных и ремонтных работ;
эксплуатационные - дефекты, возникающие в процессе эксплуатации после некоторой наработки.
Технологические дефекты металлических конструкций.
Технологические дефекты являются концентраторами напряжений и при длительной эксплуатации могут переходить в трещины и благоприятствовать усилению коррозии стенки трубопроводов.
Основные виды технологических дефектов.
Вырывы и оплавления - локальные углубления в основном металле стенки, образуются при когезионном отрыве материала стенки, при удалении с помощью газовой резки различных монтажных приспособлений, также могут быть результатом механических повреждений. Вырывы и оплавления уменьшают расчетное сечение и создают дополнительную концентрацию напряжений в основном металле стенки.
Закаты и расслоения - дефекты металлургического происхождения, образуются при изготовлении листового проката и труб. Представляют собой узкую полость значительной площади, расположенную вдоль слоев проката листов стенки с выходом или без выхода на поверхность металла. Уменьшают площадь расчетного сечения и создают дополнительные напряжения в основном металле стенки, могут являться очагами образования трещин.
Подрезы - узкие углубления (канавки) в основном металле вдоль края зоны сплавления сварного шва. Образуются при большой силе сварочного тока и длинной дуге, так как в этом случае увеличивается ширина шва, и сильнее оплавляются кромки основного металла. Подрезы ослабляют сечение стенки и создают значительный уровень концентрации напряжений.
Вмятины и выпучины - местные упругопластические деформации стенки различной величины и формы соответственно внутрь или наружу, имеющие плавное сопряжение поверхностей. Основными причинами образования вмятин (выпучин) являются механические повреждения, воздействие непроектного внутреннего давления, неправильное выполнение сварочных ремонтных работ. Характеризуются площадью и глубиной. В районах вмятин или выпучин под действием знакопеременных нагрузок в процессе эксплуатации трубопровода могут появиться усталостные трещины.
Незаваренные кратеры - образуются при резком обрыве дуги в конце сварки. Эти дефекты уменьшают площадь несущего сечения шва и могут являться очагами образования трещин.
Газовые поры - поверхностные и внутренние поры возникают вследствие попадания в металл шва атмосферных газов и газов, образовавшихся при сварке (водород, азот, углекислый газ и др.). Образуются в сварных швах вследствие быстрого затвердевания газонасыщенного металла сварочной ванны. Как правило, поры наблюдаются при повышенном содержании в основном металле углерода, при наличии ржавчины, масла и краски на кромках основного металла и сварочной проволоки, при использовании отсыревшего флюса, при наличии вредных примесей в защитных газах, при чрезмерной скорости сварки и неправильном выборе сварочной проволоки. Поры в сварном шве могут быть распределены в виде одиночных включений, в виде отдельных групп или в виде цепочки вдоль линии шва. Иногда могут образовываться сквозные поры (свищи). Степень пористости шва и размер отдельных пор, прежде всего, зависят от того, как долго сварочная ванна находилась в жидком состоянии. Газовые поры ослабляют сечение шва, уменьшают его прочность и пластичность, являются зонами концентрации напряжений.
Неметаллические включения - шлаки, оксиды, сульфиды и нитриды, не успевшие всплыть на поверхность сварочной ванны в процессе сварки и оставшиеся в металле шва. Являются результатом некачественной очистки кромок и сварочной проволоки от ржавчины и грязи, а при многослойной сварке также и неполного удаления шлака с предыдущих слоев. Шлаковые включения могут возникать при сварке длинной дугой, неправильном наклоне электрода, недостаточной силе сварочного тока или мощности газовой горелки, а также при завышенной скорости сварки. Неметаллические включения различаются по форме (от сферической до игольчатой) и по размерам (от микроскопических до нескольких сантиметров). Они могут быть расположены в корне шва, между отдельными слоями многослойных швов, внутри наплавленного металла Неметаллические включения так же как и газовые поры ослабляют сечение шва, уменьшают его прочность и пластичность, являются зонами концентрации напряжений. Если неметаллические включения присутствуют в металле шва в виде скоплений, то они могут в значительной мере понизить значение предела выносливости и статическую вязкость разрушения (трещиностойкость) KIC.
