автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Остаточный ресурс оболочковых конструкций, работающих в условиях квазистатического нагружения

На правах рукописи

КОВШОВА ЮЛИЯ СЕРГЕЕВНА

ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ОБОЛОЧКОВЫХ КОНСТРУКЦИИ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальности:

05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) 05.16.09 — Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21- 2015

Уфа-2014

005557904

005557904

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузеев Искандер Рустемович

Пермяков Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», заведующий кафедрой «Техносферная безопасность»

Трякииа Надежда Юрьевна

кандидат технических наук, Инженерно-технический центр-филиал ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», инженер 1 категории службы неразрушающего контроля

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань

Защита состоится 20 февраля 2015 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.net.

Автореферат разослан «</<£ » 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В условиях старения технологического оборудования контроль технического состояния и оценка остаточного ресурса имеют особое значение для обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов.

При длительной эксплуатации технологического оборудования предприятий нефтепереработки и нефтехимии, работающего под давлением в режимах однократных и повторных квазистатических на1рузок, происходят неизбежные отклонения параметров технологического процесса (рабочего давления, температуры и др.). Квазистатическое нагружение возникает при малых возмущениях термосиловых факторов в процессе эксплуатации оборудования.

По причине геометрической неоднородности оболочковых конструкций и, как следствие, неравномерного распределения напряжений по оболочке, энергия, сообщаемая материалу при нагружении, не рассеивается, а накапливается в локальных зонах конструкции, в которых происходят изменения механических свойств металла. При этом амплитуда изменения механических напряжений в локальных зонах может быть больше, чем амплитуда изменения эквивалентных номинальных напряжений в элементах аппарата. В результате при внезапном превышении уровня номинальной нагрузки возникает опасность хрупкого и вязкого разрушения материала, которое может привести к разгерметизации оборудования, неконтролируемому выбросу пожаровзрывоопасных сред и, в случае развития неблагоприятного сценария аварийной ситуации, к возникновению пожара или взрыва.

Поэтому для обеспечения безопасной эксплуатации технологического оборудования особенно актуально исследование процесса накопления повреждений при квазистатическом нагружении и своевременное предупреждение перехода материала оболочковых конструкций в предельное состояние.

Согласно методикам, изложенным в действующих нормативно-технических документах, остаточный ресурс сосудов и аппаратов, работающих при квазистатическом режиме нагружения, определяется исходя из условий прочности, с учетом фактических значений толщин стенок элементов сосудов, размеров и расположения выявленных дефектов, результатов исследований свойств металла. При этом в стандартных

методиках не учитываются квазистатические нагрузки, так в ГОСТ Р 52857.6-2007 указано, что при расчете на малоцикловую прочность не учитывают циклы нагружения от нагрузок, у которых размах колебаний не превышает 15% допустимого значения при расчете на статическую прочность.

Однако исследования показывают, что под действием квазистатической нагрузки в материале оборудования происходят изменения, которые влияют на физические параметры металла.

Следовательно, для повышения достоверности оценки технического состояния и определения ресурса оболочковых конструкций необходимо исследовать влияние квазистатической нагрузки на физические параметры (скорость ультразвуковых волн, напряженность постоянного магнитного поля) и механические свойства материала, что позволит предотвратить возникновение непредвиденных отказов и аварийных ситуаций.

Цель работы - разработка алгоритма оценки остаточного ресурса оболочковых конструкций из стали 09Г2С, работающих в условиях квазистатического нагружения, на основе связи между изменением скорости продольных ультразвуковых волн, напряженности постоянного магнитного поля и механических характеристик при накоплении повреждений под воздействием квазистатического нагружения.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1 Анализ существующих методик оценки ресурса оболочковых конструкций.

2 Изучение влияния длительной квазистатической нагрузки на физические параметры материала оборудования, измеряемые методами неразрушающего контроля.

3 Установление зависимости механических характеристик стали от длительного воздействия квазистатической нагрузки.

4 Разработка алгоритма оценки ресурса оболочковых конструкций, эксплуатируемых в условиях квазистатической нагрузки с учетом закономерностей изменения скорости продольных ультразвуковых волн, напряженности магнитного поля и механических характеристик при накоплении повреждений.

Научная новизна

1 Впервые показана возможность оценки ресурса оболочковых конструкций, работающих при квазистатическом нагружении, с применением расчетно-экспериментальной зависимости, связывающей изменяющееся соотношение

механических характеристик (о/а,,) и рабочие условия функционирования объекта. На основании полученной зависимости и экспериментальных данных по изменению свойств конструкционного материала разработан алгоритм оценки остаточного ресурса оболочковых конструкций из стали 09Г2С, работающих в условиях квазистатического нагружения.

2 Впервые установлено периодическое изменение скорости продольных ультразвуковых волн (Ууз) и составляющих вектора напряженности постоянного магнитного поля рассеяния (Нр) при длительном статическом нагружении стали 09Г2С, что характеризуется сменой механизмов адаптации материала к внешнему воздействию и сопровождается изменением твердости, микротвердости, предела прочности, предела текучести и снижением степени однородности структуры.

Практическая значимость

Полученные в работе результаты применяются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплине магистерской подготовки «Изменение свойств конструкционных материалов в процессе эксплуатации» по направлению 151000 - Технологические машины и оборудование на кафедре «Технологические машины и оборудование» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Разработан и утвержден стандарт предприятия ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет СТО УГНТУ «Оценка остаточного ресурса оболочковых конструкций, работающих в условиях квазистатического нагружения, по результатам определения механических характеристик материала методами неразрушающего контроля».

Методы исследований

В процессе выполнения работы использовались аналитические, экспериментальные методы исследования и статистический метод обработки данных.

Положения, выносимые на защиту

1 Алгоритм оценки остаточного ресурса оболочковых конструкций, работающих в режиме квазистатического нагружения.

2 Расчегно-экспериментальная зависимость, связывающая изменяющееся соотношение механических характеристик (а,Уав) и рабочие условия функционирования объекта, работающего при квазистатическом режиме нагружения.

3 Зависимость продольных ультразвуковых волн (Vy3) от длительности статического нагружения стали 09Г2С.

4 Зависимость напряженности постоянного магнитного поля (Нр) от длительности статического нагружения стали 09Г2С.

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Прикладная синергетика-Ш» (г. Уфа, 2012 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (г. Уфа, 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность эксплуатации технологического оборудования» (г. Уфа, 2013 г.); на 65-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2014 г.); III Международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: настоящее и будущее» в рамках форума «Безопасность и связь» (г. Казань, 2014 г.); Научно-технической конференции «Сервисные услуги в добыче нефти» (г. Уфа, 2014 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2014 г.); Международной научно-технической конференции «Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования» (г.Уфа, 2014 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов к работе, списка использованной литературы, включающего 155 наименований. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 11 таблиц.

Диссертационная работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (Проект №1721, тема «Статическое и

динамическое разрушение металлов с модифицированными поверхностными слоями») при содействии Межвузовского центра коллективного пользования «Региональный научно-производственный комплекс «Недра».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

Первая глава содержит краткий литературный обзор публикаций, посвященных решаемым задачам.

Анализ публикаций, посвященных исследованию техногенного риска и безопасной эксплуатации технических устройств, показывает, что, в связи с особенностями технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии, характеризующихся широким диапазоном применяемых эксплуатационных параметров (рабочая температура, давление и др.), оборудование в процессе эксплуатации подвергается нестационарному тепловому и механическому нагружению. В результате в наиболее нагруженных зонах конструкции происходит постепенное накопление необратимых повреждений в материале конструктивных элементов, которое может привести к внезапному разрушению оборудования. Как показывает статистика аварий и анализ причин их возникновения - наибольшее количество аварий происходит по причине разгерметизации и разрушения технологического оборудования.

Анализ типовых методик диагностики технического состояния и оценки остаточного ресурса показал, что остаточный ресурс сосудов и аппаратов определяется исходя из условий:

- статической прочности с учетом фактических значений толщин стенок элементов сосудов;

- долговечности по допускаемому числу циклов нагружения [ТУ] для сосудов и аппаратов, работающих в условиях циклического нагружения;

- живучести несущих элементов конструкции по результатам определения величины дефектов и сопоставления их с предельно допустимыми значениями.

Обоснованию расчетных характеристик прочности, ресурса и безопасности

технологического оборудования различных отраслей и магистральных трубопроводов посвящены работы К.В. Фролова, H.A. Махутова, А.П. Гусенкова, Г.В. Москвитина, Е.М. Морозова, С.Н. Барышова, В.З. Партона, М.М. Гаденина, В.Н. Пермякова и др.

Вопросы повышения ресурса трубопроводных систем, аспекты деформирования оболочек и сварных соединений рассмотрены в работах Э.М. Гутмана, А.Г. Гумерова, P.C. Зайнуллина, И.Г. Абдуллина, А.Г. Гареева, P.C. Абдуллина и др.

В ФГБОУ ВПО УГНТУ исследованиям механизмов накопления повреждений, методам оценки предельного состояния, долговечности и прогнозирования ресурса оболочковых конструкций, эксплуатируемых в условиях циклических нагрузок, посвящены работы A.B. Бакиева, И.Р. Кузеева, А.Г. Халимова, Е.А. Наумкина, А.Е. Прохорова, Т.Р. Бикбулатова и др.

Однако влияние квазистатического режима нагружения на процесс накопления повреждений в материале и ресурс оболочковых конструкций исследовано недостаточно. Установленный в диссертационной работе Гайдукевича А.К. факт снижения скорости ультразвуковых волн при акустико-эмиссионном контроле в условиях гидравлического испытания теплообменного аппарата, показывает, что под действием статической нагрузки в материале оболочковой конструкции происходят сложные процессы на макро- и микроуровнях, обусловливающие накопление повреждений.

Из литературных источников известно, что изменения, происходящие в структуре материала в процессе накопления повреждений, влияют на акустические, магнитные, электромагнитные и другие параметры.

Исследования изменения скорости ультразвуковых волн при накоплении повреждений в материалах под действием различных эксплуатационных факторов отражены в работах А.К. Гурвича, Л.Б. Зуева, В.В. Муравьева, K.JI. Комарова, Б.С. Семухина, Н.Е. Никитиной, Ю А. Чиркова, ЕА. Наумкина, A.B. Прохорова и др.

Взаимосвязь изменения механических и электромагнитных свойств металлов, вопросы оценки напряженно-деформированного состояния оболочковых конструкций рассмотрены в работах Э.С. Горкунова, В.Ф. Мужицкого, Р.В. Загидуллина, A.A. Абакумова, A.A. Абакумова (мл.), A.A. Дубова, В.Т. Власова, Р.В. Агинея, М.Г. Баширова, М.Х. Султанова, Р.Г. Вильданова, О.Г. Кондрашовой, Э.М. Башировой, А.Т. Шарипкуловой и др. Процессы деградации структуры и изменения механических свойств

материала высокотемпературного технологического оборудования рассматривались в работах A.B. Рубцова, Н.Ю. Трякиной и др.

В работах B.C. Ивановой, В.Ф. Терентъева, A.A. Оксогоева, В.Е. Панина, A.A. Шанявского показано, что при внесении энергии извне конструкционные материалы адаптируются к ней, непрерывно испытывая изменение своей исходной кристаллической структуры, проходя несколько стадий, в которых последовательно используются соответствующие механизмы адаптации.

Проведенный анализ литературы показал, что для достижения поставленной цели необходимо исследовать влияние длительного квазистатического нагружения на физические параметры (скорость ультразвуковых волн, напряженность постоянного магнитного поля) и механические свойства материала, что позволит установить закономерности накопления повреждений и оценить момент наступления предельного состояния оболочковой конструкции.

Вторая глава посвящена методам реализации экспериментальной части работы, предложен алгоритм проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

Как показывает опыт эксплуатации, в оболочковых конструкциях, работающих в технологической цепочке, имеет место случайным образом изменяющееся рабочее давление и, хотя его изменения происходят в допустимых пределах и не учитываются в стандартных расчетах, под действием внешней нагрузки материалом конструкции совершается работа. При этом, энергия деформаций может накапливаться на различных масштабных уровнях конструкционного материала и конструкции в целом.

С целью изучения данного явления в лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования влияния длительности выдержки металла под статической и повторной квазистатической нагрузкой на скорость распространения продольных ультразвуковых волн и напряженность постоянного магнитного поля при различных уровнях деформирования и времени выдержки.

В качестве исследуемого материала выбрана низколегированная конструкционная сталь 09Г2С, широко применяемая для изготовления сварных оболочковых конструкций. В эксперименте использовались образцы плоского типа с геометрическими размерами 200x14x2 мм.

Для создания условий статического и квазистатического режима нагружения образцы подвергались деформированию в упругой области посредством продольного

изгиба в специальном приспособлении, схема которого показана на рисунке 1, при этом нагрузка задавалась путем равномерной затяжки креплений захватного устройства. Прогиб для достижения соответствующего значения относительной деформации образца контролировался с помощью устройства с индикатором часового типа ИЧ-10.

ш

1

Г— 1

1— - -[-----

1 'II . II

г- I

1- 1 1"

1 - плоский образец; 2 - металлические уголки; 3 - устройство с индикатором часового

типа; 4 - шпильки с гайками Рисунок 1 - Приспособление для статического изгиба плоских образцов и устройство

измерения прогиба

Эксперимент проводился по двум схемам нагружения. По первой схеме через равные промежутки времени при изменяющемся уровне относительной деформации 5=0,2; 0,24; 0,28 и 0,3 % выполнялись измерения скорости продольных ультразвуковых волн и напряженности постоянного магнитного поля, после чего устанавливалась величина деформации в=0,28%, и образец выдерживался в течение т=400 дней. При этом каждые 7-10 дней измерения повторялись. По второй схеме образец изначально устанавливался на величину деформации 8=0,28% и выдерживался под нагрузкой в течение т=400 дней, измерения при этом проводились в нагруженном состоянии через каждые 7-10 дней.

Измерение скорости продольных ультразвуковых волн проводилось с помощью ультразвукового толщиномера ТУЗ-1, а для измерения напряженности постоянного магнитного поля использовался измеритель концентрации напряжений ИКН-2М-8.

Для контроля изменения механических свойств образцов проводились испытания:

- на статическое растяжение по методике ГОСТ 1497-84 с помощью разрывной машины ИР 5113-100-11;

- испытания на ударный изгиб при комнатной температуре согласно методике ГОСТ 9454-78 на универсальном электродинамическом стенде-копре Instron CEAST 9340;

- измерение твердости по Роквеллу с помощью твердомера Instron Wilson Hardness R574 согласно ГОСТ 9013-59;

- измерение микротвердости с помощью микротвердомера ПМТ 3-М согласно ГОСТ 9450-76;

- анализ микроструктуры в исходном состоянии и после выдержки под статической нагрузкой с помощью оптического микроскопа МЕТАМ РВ-21 и системы промышленного анализа изображения SIAMS 600.

С целью исследования характера изменения параметров акустической эмиссии (АЭ) образцов из стали 20 под действием статической нагрузки и установления момента наступления предельного состояния были проведены измерения в процессе статического растяжения плоских образцов специальной формы.

В ходе испытания образцов на статическое растяжение с помощью акустико-эмиссионной системы «Малахит AC-15AU2» с преобразователями акустической эмиссии типа ДР6И AT осуществлялся непрерывный контроль следующих параметров АЭ: суммарная амплитуда сигнала, число сигналов (событий), длительность импульса, средняя скорость счета за время испытания, уровень сигнала.

В третьей главе приведены результаты исследований изменения скорости продольных ультразвуковых волн, напряженности постоянного магнитного поля и механических свойств стали 09Г2С под действием статической и повторной квазистатической нагрузки, а также параметров акустической эмиссии при статическом растяжении стали 20.

Результаты измерений показали, что в зависимости от уровня относительной деформации минимум значений относительной скорости ультразвуковых волн V,/V0 (рисунок 2,а) и нормальной составляющей вектора напряженности постоянного магнитного поля (Hn0-Hni)/H„0 (рисунок 2, б) наблюдается при достижении рабочей нагрузки, вызывающей величину относительной деформации образца е=0,28%, что соответствует результатам, полученным в работе А.К. Гайдукевича.

О 0,1 0,2 0,3

Относительная деформация е, %

I 5 g S о

о. s в О с 0.

0 о с X '

' S ä

1 g I 1 = 0,5

I NM

h'S 0,4

a)

0 0,1 0,2 0,3

Относительная деформация e, %

б)

Рисунок 2 - Зависимости изменения относительной скорости продольных ультразвуковых волн (а) и нормальной составляющей вектора напряженности постоянного магнитного поля (б) от уровня деформации после выдержки под

статической нагрузкой Измерения, выполнявшиеся по первой схеме нагружения с изменяющимся уровнем деформации, показали постепенное снижение скорости ультразвука, сопровождающееся периодами экстремального изменения скорости ультразвука спустя т=8, 29, 127, 142, 200, 228, 288 суток (рисунок 3, а), возрастание тангенциальной составляющей (рисунок 3, б) и снижение нормальной составляющей напряженности постоянного магнитного поля с периодами экстремального изменения через т=8, 29, 127, 142, 214, 228, 288 суток (рисунок 3, в).

Результаты измерений образцов, постоянно находящихся под нагрузкой (6=0,28%), также показали постепенное снижение скорости ультразвука (рисунок 4, а), возрастание тангенциальной составляющей (рисунок 4, б), снижение нормальной составляющей (рисунок 4, в) напряженности постоянного магнитного поля и области экстремумов спустя т=8, 29, 142, 221, 235, 288 дней.

Установленные изменения физических параметров под действием статической нагрузки можно объяснить тем, что скорость ультразвуковых волн и напряженность магнитного поля, являясь характеристиками, чувствительными к изменениям структуры, отражают процессы адаптации материала к внешнему воздействию.

Известно, что скорость ультразвука возрастает при уменьшении внутренних напряжений в материалах и снижается при их увеличении. Для поликристаллического материала взаимосвязь скорости ультразвука и внутренних напряжений может быть объяснена тем, что при малых степенях деформации происходит релаксация напряжений за счет локальных поворотов отдельных объемов материала.

100 200 300 400

Длительность нагружения, сутки

а)

3 1 ® I I 2 Ъ^ ¿¿йа-аый'. "°>20%

з 3 » О « 3 0 I ^Г "^т^таШбШтаЕ-

¡1111^ .2,у \ Ч^'О у 4(10 °-24%

I | | | 11- -4 УЦ_1_—__ |—''__—в—0,28%

¡а В -б Ж-____I_______________-в • 0,30%

Длительность нагруження, сутки б)

§ 8 £ 1 с° 0,6 ВЙа----1 ,----.---«-0,20%

| I 2 о = 5 Гта ■- ■ ' ^ ~ \ ' * ч- о \ -Л- 0,24%

§ й 1 £ £ еГ 0,4 ■ , ¡ АА——г - .....л'—&—7 \

Щ I § £ / ■У^к-а ?к ¿Л : —в—0,28%

§ О 1 11 £ 0,2 1—"-„-т— - "^Ц^ра^^М -а • о,30%

& = г о

8 0 100 200 300 400

Длительность нагруження, сутки

в)

Рисунок 3 - Изменение скорости продольных ультразвуковых волн (а), тангенциальной составляющей (б) и нормальной составляющей (в) вектора напряженности постоянного магнитного поля в зависимости от длительности нагружения при различных уровнях

деформации

1 3 3 « £

а & § ¡з § &

Ё ё § а _

2 9 ~

-о- 0,20% -О -0,24% -А—0,28% --ж--0,30%

Изменения, напряженности магнитного поля объясняются тем, что в процессе нагружения в ферромагнитном материале возникают дефекты кристаллической структуры, происходит измельчение магнитной доменной структуры, что обуславливает соответствующие изменения магнитных характеристик.

, 1.00

3 X

§ * 3 0,95

£ х 3 5 5 '

| а 1 |> 0,90

| | | | | 0,851

" 5 с 1 2 0.80

о.

0,75

1,2

| I 1 1 I 1,1

3 а ? и ° Эг

| | I 8- з а > 1,0

ИШИо9 2 2 | а | | £ ' " * " ё I £ 0,8

- 3

0,7

,---\

/Ял \ 1 / ... и а '

'л 1 } 1 / V

V

ш

100 200 300

Длительность нагруження, сутки

а)

400

•---V •'■* 4 ч \

\

1

"---"

0 100 200 300 400

Длительность нагруження, сутки

б)

-0,9--

§ I в 11 ё

1 | || ¡х

я 3 ю 8 ¡3 о

2 8 * |й5

" в |

Длительность нагруження, сутки В)

Рисунок 4 - Изменение скорости продольных ультразвуковых волн (а) тангенциальной составляющей (б) и нормальной составляющей (в) вектора напряженности постоянного магнитного поля в зависимости от длительности нагруження при относительной

деформации е=0,28%

Для анализа характера изменений, произошедших в исследуемом материале, образцы в исходном состоянии и после установления экстремума скорости распространения продольных ультразвуковых волн (4=135 суток) были испытаны на статическое растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84. По полученным диаграммам растяжения методом численного интегрирования была определена величина работы Ар, затраченной на разрушение этих образцов.

Результаты испытаний (таблица 1) показали, что величины предела прочности ав и предела текучести ат после длительного нагружения образцов увеличились, а величина работы Ар, необходимой для их разрушения, уменьшилась.

Таблица 1 - Результаты статических испытаний на растяжение

Состояние образца <зв, МПа ат, МПа 8,% Ар, Нмм

Исходное 563,9 496,4 22,5 325000

После 135 суток выдержки под нагрузкой 598,1 547,4 19,5 310200

Далее при установлении изменений скорости продольных ультразвуковых волн и напряженности постоянного магнитного поля через 190, 288 и 373 дня были проведены измерения твердости образцов по методу Роквелла. На рисунке 5 представлена зависимость твердости образцов из стали 09Г2С от длительности статического нагружения.

Результаты испытания образцов на ударный изгиб показали, что с увеличением продолжительности воздействия статической нагрузки происходит снижение ударной вязкости стали 09Г2С (рисунок 6).

£ 100 §1 98 ¡| 96 !>- 94 92

£ 90

- I

+

о

о

0 100 200 300 400 Длительность нагружения, сутки

Рисунок 6 - Зависимость ударной вязкости стали 09Г2С от длительности статического нагружения По данным измерений твердости расчетным методом по методике, описанной в работах М.С. Дрозда и Ю.И. Славского, определены механические свойства. Зависимости предела текучести от и предела прочности св стали 09Г2С от длительности статического нагружения представлены на рисунках 7 (а) и (б), соответственно.

0 100 200 300 400 Длительность нагружения, сутки

Рисунок 5 - Зависимость твердости образцов от длительности статического нагружения

К 520 I 500 480

в "5

- 5 460

420

——- ж

0 100 200 300 400 Длительность нагружения, сутки

0 100 200 300 400 Длительность нагружения, сутки

б

Рисунок 7 - Зависимость предела текучести (а) и предела прочности (б) стали 09Г2С от длительности статического нагружения Зависимости относительного удлинения и относительного сужения от длительности статического нагружения представлены на рисунках 8, (а) и (б) соответственно. и .О 25,5

0 о4

2 « 25,0

1 I 24'5

| в 24,0

н I 23,5 О й

23,0

0 100 200 300 400 Длительность нагружения, сутки

0 100 200 300 400 Длительность нагружения, сутки

б

Рисунок 8 - Зависимость относительного удлинения (а) и относительного сужения (б) стали 09Г2С от длительности статического нагружения Механическое поведение материала под нагрузкой определяется свойством его структуры адаптироваться к изменяющимся внешним условиям. Следовательно, установленные зависимости механических характеристик исследуемых образцов от длительности статического нагружения должны быть связаны с изменениями микроструктуры материала.

Анализ микроструктуры поперечного сечения образцов, выдержанных под статической нагрузкой в течение 242 суток, показал снижение доли перлита и увеличение доли феррита в структуре стали 09Г2С, а также незначительное увеличение среднего размера зерна. В зоне растяжения и в средней области поперечного сечения образца, выдержанного под нагрузкой, наблюдаются неоднородность структуры и микроповреждения (таблица 2).

По результатам анализа структурных изменений поперечного сечения данных образцов методом мультифрактальной параметризации установлено снижение степени однородности структуры стали 09Г2С.

Таблица 2 - Сравнение микроструктуры поперечного сечения образцов в исходном состоянии и после выдержки под статической нагрузкой

Анализ распределения микротвердости в зернах феррита, перлита и в межзеренных границах показал общую тенденцию увеличения микротвердости по сравнению с образцами в исходном состоянии.

Характер изменения амплитуды (А) и уровня сигналов (БЬ) акустической эмиссии в процессе статического растяжения образцов из стали 20 показал, что в ходе статического нагружения, вносимая энергия воспринимается материалом и перераспределяется в процессе адаптации, что характеризуется равномерной генерацией АЭ импульсов по длине рабочей зоны образца в начале нагружения и постепенной концентрацией сигналов в зоне

разрушения после стадии деформационного упрочнения. В конечном итоге, в одной из нескольких зон накопления повреждений происходит разрушение.

В четвертой главе описан алгоритм, позволяющий оценить ресурс безопасной эксплуатации оболочковых конструкций, подверженных квазистатическому нагружению (рисунок 9).

На основе экспериментально установленного изменения физических (Vy3, Нр) и механических свойств (ат, ав) материала под действием статической и квазистатической нагрузки построена зависимость изменения отношения предела текучести к пределу прочности от продолжительности статического нагружения стали 09Г2С (oT/oB)=f(i).

H.A. Махутовым разработан расчетно-экспериментальный метод оценки ресурса с учетом времени эксплуатации при длительном статическом и циклическом нагружении, в котором используются степенные уравнения изменения механических характеристик с учетом температурно-временного фактора. С использованием предложенного подхода для установленной нами зависимости (aT/aB)=f(T) получена формула определения отработанного ресурса при эксплуатации стали 09Г2С в условиях статического нагружения:

(Ту

где т0 - время испытаний до разрушения при кратковременном статическом нагружении (для пластичных сталей т0 = 0,05 ч);

Ов, ст^ - предел прочности и предел текучесш на момент оценки ресурса объекта; °в0 > стто - предел прочности и предел текучести при кратковременных стандартных механических испытаниях на растяжение;

гтц - характеристика материала, зависящая от времени нагружения и параметров технологического процесса; для исследуемых образцов из стали 09Г2С установлено, что тт изменяется от 0,0002 до 0,01 в зависимости от продолжительности эксплуатации, при этом значение тт=0,01 соответствует наступлению предельного состояния материала.

Алгоритм оценки остаточного ресурса оболочковых конструкций, работающих в условиях квазистатического нагружения, разработан с учетом повышения вероятности хрупкого разрушения материала в результате изменения механических свойств материала под действием квазистатической нагрузки, и включает следующие этапы:

Рисунок 9 - Алгоритм оценки остаточного ресурса оболочковых конструкций, работающих в условиях квазистатического нагружения

- Анализ информации об объекте и подготовка к обследованию:

а) изучить техническую документацию объекта обследования. Определить по паспортным данным, цеховым журналам или иной технической документации основные технологические и конструктивные параметры исследуемого объекта. Проанализировать результаты предыдущих технических освидетельствований, ранее проведенного технического диагностирования и ремонтно-восстановительных работ; уточнить фактическую наработку сосуда в часах;

б) проверить наличие справочной информации и калибровочных зависимостей механических и физических свойств от продолжительности эксплуатации материала исследуемого объекта: (a/a.W^x), (cVc^^Vyj Нр = fix). При отсутствии справочных данных выполнить исследования в лабораторных условиях;

в) разработать программу обследования, начертить схему развертки исследуемого объекта, определить области возможных концентраций напряжений и возникновения изгибных напряжений, подлежащие расчетам на прочность и неразрушающему контролю. Разработать схему двухпараметрического контроля объекта.

- Исследования в лабораторных условиях:

а) подготовить образцы из материала аналогичного обследуемой конструкции и подвергнуть статическому нагружению, при этом каждые несколько дней проводить контроль физических (Vy3, Нр) и механических свойств (HRB, св, ат) материала для построения калибровочных зависимостей;

б) по результатам экспериментальных исследований построить зависимости скорости ультразвуковых волн (Vy3) и напряженности постоянного магнитного поля (Нр), от продолжительности статического нагружения: Vy3 =f(x), Нр = f(i);

в) по результатам измерения механических свойств определить отношение (ст/а,,) для каждого периода контроля и построить зависимость отношения предела текучести к пределу прочности от продолжительности статического нагружения (от/а^Д/г);

г) используя известные зависимости предела прочности и предела текучести от уровня накопленных усталостных повреждений либо полученные по результатам циклических испытаний исследуемых образцов, с учетом механических свойств образцов в исходном состоянии, построить зависимость (<VaB)=f(N/Np) и найти соотношение (От/а,)«^ соответствующее наступлению предельного состояния (уровень накопленных повреждений N/Np = 0,78);

д) полученное значение (о/ов)^ внести в зависимость (ст1/ав)=Г(т), экстраполировать полученную функцию и определить момент достижения материалом предельного состояния (т^) для данного материала.

В дальнейшем требуется создание справочных данных для различных материалов и их состояний.

- Измерения в условиях объекта:

а) согласно схеме двухпараметрического контроля провести измерения толщины, скорости ультразвуковых волн (Ууз) и напряженности постоянного магнитного поля (Нр) материала объекта;

б) выявить потенциально опасные зоны исследуемого объекта по результатам двухпараметрического контроля;

в) провести измерение твердости (Н11В) неразрушающим методом в потенциально опасных зонах, на основе которого косвенным методом определить предел текучести ( стт;) и предел прочности (ств1) материала в ¡-й потенциально опасной зоне на момент контроля.

- Обработка результатов и анализ полученных данных:

а) определить отношение (о^аД в каждой потенциально опасной зоне объекта на момент контроля.

б) с помощью калибровочной зависимости (а,Уав)=£(т) и установленного значения

определить ресурс Тф;, отработанный материалом для каждой потенциально

опасной зоны объекта на момент контроля;

в) определить остаточный ресурс х0р1 в каждой потенциально опасной зоне по формуле

ТОР!=(Ткрит-Тф|)/п3. (2)

г) остаточный ресурс т0р объекта контроля определяется по наименьшему значению ресурса т0и определенного в потенциально опасных зонах.

Полученный алгоритм положен в основу в основу стандарта организации ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»: СТО УГНТУ «Оценка остаточного ресурса оболочковых конструкций, работающих в условиях квазистатического нагружения, по результатам определения механических характеристик материала методами неразрушающего контроля».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Анализ существующих методик оценки ресурса оболочковых конструкций показал, что остаточный ресурс сосудов и аппаратов, работающих при квазистатическом режиме нагружения, определяется исходя из условий прочности, с учетом фактических значений толщин стенок элементов сосудов, но при этом не учитывается влияние квазистатических нагрузок на физические и механические свойства материала.

2 Разработан алгоритм оценки ресурса оболочковых конструкций, эксплуатируемых в условиях квазистатической нагрузки, основанный на расчетно-экспериментальной зависимости соотношения механических характеристик и экспериментальных данных по изменению физических свойств стали 09Г2С от длительности квазистатического нагружения.

3 Установлено, что в результате воздействия на сталь 09Г2С квазистатической нагрузки в упругой области деформаций происходит изменение скорости распространения продольных ультразвуковых волн (Ууз) и напряженности постоянного магнитного поля (Нр). При этом наблюдается тенденция снижения скорости продольных ультразвуковых волн (Ууз), возрастание тангенциальной составляющей и снижение нормальной составляющей напряженности постоянного магнитного поля, что связано с протеканием сложных процессов на макро- и микроуровнях материала, обусловливающих накопление повреждений.

4 Установлено, что длительное воздействие квазистатической нагрузки в рассмотренных условиях приводит к изменению состояния стали 09Г2С, которое вызывает уменьшение характеристик пластичности (8, х|/к) и энергии разрушения и повышение сопротивления пластическим деформациям (ат, а„), что, в свою очередь, может приводить к уменьшению временного тэ ресурса.

5 Получена номограмма изменения ударной вязкости (КСУ) стали 09Г2С от длительности выдержки под квазистатической нагрузкой с учетом предела текучести материала, соответствующего нормируемым уровням ударной вязкости, которая позволяет оценить момент наступления предельного состояния материала.

6 На основе экспериментально установленного изменения физических и механических свойств материала под действием статической и квазистатической нагрузки получена расчетно-экспериментальная зависимость, связывающая

изменяющееся соотношение механических характеристик (а./ав) и рабочие условия эксплуатации стали 09Г2С в условиях квазистатического нагружения.

7 На основе результатов проведенных исследований разработан и утвержден стандарт предприятия ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет СТО УГНТУ «Оценка остаточного ресурса оболочковых конструкций, работающих в условиях квазистатического нагружения, по результатам определения механических характеристик материала методами неразрушающего контроля».

Основные публикации по теме диссертационной работы:

- в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1 Ковшова, Ю.С. Остаточный ресурс оболочковых конструкций / Ю.С. Ковшова // Нефтегазовое дело: электрон, науч. журнал. - 2013. - №3. - С. 298-311. URL: http://ogbus.ru/authors/KovshovaJuS/KovshovaJuS_l .pdf.

2 Ковшова, Ю.С. Влияние квазистатических режимов нагружения на прочность сосудов, работающих под давлением / Ю.С. Ковшова, И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин, H.A. Махутов, М.М. Гаденин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2014. - Том 80. - № 9. - С. 50-55.

- в других изданиях:

3 Ковшова, Ю.С. Влияние настройки скорости ультразвука на точность измерений акустическими методами контроля / Ю.С, Ковшова, И.Р. Губайдуллин // Развитие инновационной инфраструктуры университета: Материалы III Междунар. науч. семинара/УГНТУ. - Уфа, 2012. - С. 15-16.

4 Ковшова, Ю.С. Приспособление структуры сталей к внешним нагрузкам / Ю.С. Ковшова, Э.Р. Юмаева, Е.А. Наумкин // Прикладная синергетика - III: Сб. науч. трудов,- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. - С.179-181.

5 Ковшова, Ю.С. Стабильность скорости ультразвука при измерениях в средах с накоплением повреждений / Ю.С. Ковшова, Е.А. Наумкин // Прикладная синергетика-HI: Сб. науч. трудов,- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. - С.176-178.

6 Ковшова, Ю.С. Накопление повреждений в материале сосудов давления при длительном воздействии квазистатической нагрузки / Ю.С. Ковшова, Е.А. Наумкин, И.Р. Кузеев // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: Материалы Междунар. науч.-техн. конф., 20 нояб. 2013 г. - Уфа, 2013. - Вып.7. - С. 98101.

7 Ковшова, Ю.С. Ресурс безопасной эксплуатации оборудования, работающего в условиях длительного квазистатического нагружения / Ю.С. Ковшова, И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин // Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: настоящее и будущее: Материалы III Международной научно-практической конференции в рамках форума «Безопасность и связь». Часть I / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф.

- 2 Ч -

Р.Н. Минниханова. - Казань: ГБУ «Научный центр безопасности жизнедеятельности», 2014.-С. 252-260.

8 Ковшова, Ю.С. Ресурс сосудов под давлением, работающих в режиме квазистатического нагружения /Ю.С. Ковшова, ЕЛ. Наумкин, И.Р. Кузеев // Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: материалы VIII научно-практической конференции / редкол.: Н.Х. Абдрахманов (отв. ред.) [и др.] - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - С. 79-84.

9 Ковшова, Ю.С. Изменение характеристик материала оборудования при эксплуатации в условиях длительного статического нагружения / Ю.С. Ковшова, В.Ю. Пивоваров, A.C. Валиев // Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - С. 113-115.

10 Кузеев, И.Р. Влияние отклонений рабочей нагрузки на ресурс сосудов давления, эксплуатируемых при статическом режиме нагружения / И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин, Ю.С. Ковшова // Сервисные услуги в добыче нефти: материалы науч.-техн. конф. / ООО «Башнефть - Сервисные Активы»; УГНТУ. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014,- С. 396-401.

11 Кузеев, И.Р. Влияние длительного квазисгатического нагружения на остаточный ресурс сосудов, работающих под давлением / И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин, Ю.С. Ковшова // ТехНАДЗОР. - 2014. - № 7 (92). - С. 66-67.

Подписано в печать 12.12.2014. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1, 39. Тираж 90. Заказ 232.

Редакционно-издательский центр Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес редакционно-издательского центра: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1