скорость развития вглубь трещиноподобного дефекта

Раздел 2. Инженерные науки
Разработка способа определения ресурса трубопровода
с трещиноподобными дефектами
Игнатик Анатолий Александрович, УГТУ, аспирант, г. Ухта
Научный руководитель:
Сальников Александр Викторович, УГТУ, доцент,
канд. техн. наук, доцент кафедры ПЭМГ, г. Ухта
Чтобы
обеспечить
трубопроводов
(МТ),
безопасную
следует
эксплуатацию
рассчитывать
ресурс
магистральных
каждой
секции
трубопровода. Понятия ресурс и долговечность какой-либо системы считаем
эквивалентными. Ресурс – свойство объекта (в нашем случае линейной части
МТ) сохранять работоспособность до наступления предельного состояния.
Предельное состояние объекта устанавливается по критериям, указанным в
нормативно-технической документации. [1]
Для
МТ
устанавливается
два
типа
предельных
состояний:
1) разрушение трубопровода (предельное состояние пластичности); 2) потеря
несущей способности трубопровода (предельное состояние прочности). [2, 3]
На ресурс МТ большое отрицательное влияние оказывают разного типа
дефекты – любые отклонения параметров объекта (системы) от норм,
зафиксированных в технической документации. Среди разнообразных
дефектов
линейной
части
МТ
особое
внимание
следует
уделить
исследованию трещиноподобных дефектов и их влиянию на прочность и
долговечность труб.
К
трещиноподобным
дефектам
отнесём:
трещины;
риски;
трещиноподобные коррозионно-механические дефекты (стресс-коррозионное
растрескивание; вызванное водородом растрескивание). Отметим, что
коррозионно-механические
дефекты
испытывают
воздействие коррозии и растягивающих напряжений.
комбинированное
Предположим, что трещиноподобные дефекты представляют собой
усталостные трещины или содержат усталостные трещины и что они
развиваются (растут вглубь) из-за цикличной работы МТ (цикличности
давления нагружения).
Геометрическими параметрами трещиноподобного дефекта, которые
определяются в процессе диагностического исследования МТ, являются:
длина (длина дефекта вдоль оси трубы) L, мм; ширина (длина дефекта в
кольцевом направлении) W, мм; глубина H, мм.
Ресурс трубопровода определяется количественными параметрами –
предельным сроком эксплуатации трубной секции с данным дефектом tпред ,
год, или предельным числом циклов нагружения трубопровода внутренним
давлением Nпред , цикл. Значения величин tпред и Nпред вычисляются по
методике, представленной в нормативном документе [2].
В данной работе предлагается способ использования нормативной
методики из [2] с применением табличного процессора MS Excel для
вычисления tпред и Nпред , которые являются ключевыми показателями
надёжности при планировании ремонтных работ, а также диагностических
обследований на линейной части МТ.
Проблемой
выполнения
расчётов
на
долговечность
труб
с
трещиноподобными дефектами является то, что скорость развития дефекта
не постоянная величина и она изменяется с течением времени эксплуатации
трубопровода.
В данной работе рассматривается скорость развития усталостной
трещины в глубину vуст (измеряется в мм/год или мм/цикл); длину и ширину
дефектов считаем постоянными величинами, которые не изменяются
вследствие цикличности работы МТ. Величину скорости обозначим vуст t ,
если она измеряется в мм/год, и vуст N , если она измеряется в мм/цикл. Связь
между двумя этими величинами следующая:
vуст t = Nгод ∙ vуст N ,
(1)
где Nгод – прогнозируемое число циклов работы трубопровода в год,
цикл/год, рассчитываемое по специальной методике.
Связь между величинами tпред и Nпред следующая
tпред =
Nпред
,
Nгод
(2)
а между величинами t (время эксплуатации трубной секции, год) и N (число
циклов нагружения трубопровода давлением, цикл) –
t=
N
.
Nгод
(3)
Скорость vуст N определяется по формуле из [2]:
∆ε0 -nN
εic ∙ (1 ε0c )
vуст N = 2 ∙ ρ ∙ (nN + 1)∙ (
) ,
∆εi
(4)
где ρ – характерный размер металла, определяющий чувствительность
материала к концентрации напряжений, мм; nN – показатель степени в
уравнениях накопления повреждений при циклическом нагружении; ∆ε0 –
размах
объёмной
компонентам
деформации
локальных
для
деформаций;
пульсирующего
∆εi
–
размах
нагружения
по
интенсивности
деформаций для пульсирующего нагружения по компонентам локальных
деформаций; εic
– разрушающая интенсивность деформаций; ε0c
–
разрушающая объёмная деформация.
В расчётах следует увеличивать величину vуст t или vуст N введением
коэффициента kv уст , который зависит от категории участка трубопровода:
расч
vуст = kv уст ∙ vуст .
(5)
По расчётной схеме поверхностной трещины производятся расчёты на
прочность и определяется величина разрушающей глубины дефекта Hf , мм,
то есть то значение глубины усталостной трещины, при котором наступает
предельное состояние трубопровода. Разница (Hf - H), где H – глубина
трещиноподобного дефекта на момент проведения диагностики с учётом
поправки на размер дефекта, зависящей от типа дефектоскопического
прибора, мм, выражает интервал, в пределах которого должно происходить
развитие усталостной трещины в глубину с течением времени эксплуатации
до наступления предельного состояния.
Прирост глубины дефекта ∆HN , мм, из [2]:
N
∆HN = ∫ vуст N (p, L, W, H) dN,
(6)
0
где p – расчётное давление, МПа,
p = kтр ∙ (pпроект + ∆p ),
(7)
где kтр – коэффициент запаса по прочности трубы, зависящий от категории
участка трубопровода; pпроект – проектное (внутреннее) давление, МПа; ∆p –
поправка на возможное превышение рабочего давления при нестационарных
режимах, МПа, или
tпред
Hf - H = ∫ vуст t (p, L, W, H) dt
(8)
0
Графическая интерпретация формулы (8) представлена на рисунке.
Рисунок – Графическая интерпретация формулы (8), где площадь под кривой
равна значению разности (Hf - H)
Задача расчёта – найти tпред из уравнения (8), причём в функции
vуст t (p, L, W, H) величины p, L, W – постоянные величины, а величина H
переменная и меняется от H = H0 до H = Hf . От величины H зависят величины
∆ε0 и ∆εi из формулы (4).
Разбиваем процесс роста дефекта в глубину на шаги. Принимается
величина шага hшаг , мм. Если H = H0 = 2 мм, а Hf = 6 мм и hшаг = 0,2 мм, то
имеем ряд Hi : 2,0; 2,2; 2,4; … 5,6; 5,8; 6,0 мм. Для каждого Hi рассчитываем
vуст t i по формулам в порядке (4), (5), (1). В пределах каждого шага величину
vуст t i считаем постоянной. На каждом шаге рассчитываем прирост времени
эксплуатации ∆t: ∆ti = hшаг ⁄ vуст t i . После выполнения всех шагов суммируем
∆ti и получаем, что ∑ni= 1 ∆ti = tпред , где n – число шагов.
При использовании «теоремы о среднем» определённого интеграла
выводим формулу для вычисления средней скорости усталостной трещины в
глубину вследствие цикличной работы трубопровода vср уст t , мм/год:
vср уст t =
Hf - H
.
tпред
(9)
Скорость vср уст t предлагается использовать при прогнозировании
развития трещиноподобного дефекта.
В то же время следует учитывать другие факторы, влияющие на рост
трещиноподобных дефектов, например, коррозионный фактор, который тоже
можно охарактеризовать величиной средней скорости развития дефекта в
глубину vср корр t , мм/год. Тогда запишем
vt = vср уст t + vср корр t ,
(10)
где vt – скорость развития вглубь трещиноподобного дефекта вследствие
цикличности работы трубопровода и коррозионного воздействия на металл
трубы, мм/год.
Библиографический список:
1. Трубопроводный транспорт нефти [Текст]: учебник для вузов в
2 т. – Т. 2. / С. М. Вайншток [и др.]; под ред. С. М. Вайнштока. – М.:
ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. – 621 с.: ил.
2. РД-23.040.00-КТН-115-11. Нефтепроводы и нефтепродуктопроводы
магистральные. Определение прочности и долговечности труб и сварных
соединений с дефектами [Текст] / ОАО ЦТД «Диаскан»; ООО «НИИ ТНН». –
М.: ОАО «АК «Транснефть», 2013. – 142 с.
3. ВРД
количественной
39-1.10-004-99.
оценке
Методические
состояния
рекомендации
магистральных
газопроводов
по
с
коррозионными дефектами, их ранжирования по степени опасности и
определению остаточного ресурса [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http: // www.docload.ru. – Загл. с экрана (дата обращения 05.03.2016).