автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Оценка опасности начальных производственно-технологических дефектов эксплуатируемого оборудования

На правах рукописи

БУЛАТОВА АДЕЛЯ ЗАЙНУЛЛАЕВНА

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ НАЧАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.02.13. — «Машины, агрегаты и процессы» (нефтяная и газовая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Москва - 2012 г.

005044612

005044612

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Захаров Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: Молчанов Александр Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, заведующий кафедрой "Техническая механика"

Шашурин Георгий Вячеславович,

кандидат технических наук, МГТУ им. Н.Э.Баумана, декан факультета "Робототехника и комплексная автоматизация"

Ведущая организация: ОАО «Гипрогазоочистка»

Защита состоится " 29 " мая 2012 г. в 15:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП-1, г.Москва, Ленинский проспект д.65, ауд.612.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина.

Автореферат разослан " а.ИМЛхЯ. 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Э.С.Гинзбург

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Одной из основных причин выхода оборудования нефтегазового производства из строя является наличие в нем дефектов, появившихся на стадии эксплуатации или изначально присутствующих в металле оборудования и не замеченных при входном контроле. Изучение характера отказов нефтехимического оборудования показывает, что около 60% отказов происходит из-за хрупкого разрушения конструктивных элементов оборудования, причем причинами примерно 1/3 разрушений являются дефекты, изначально присутствующие в конструкциях. Среди них доминируют трещиноподобные дефекты, как правило, это - расслоения. Таким образом, большинство аварий происходит из-за начальных производственно-технологических дефектов (НПТД), которые в той или иной форме всегда присутствуют в эксплуатируемом оборудовании.

Действующие на сегодняшний день нормы на размеры допустимых дефектов в оборудовании предъявляют достаточно жесткие ограничения к их размерам. В ряде случаев отбраковке подлежит оборудование, которое могло бы еще долгое время находиться в эксплуатации. Принятые в разных странах для аналогичных конструкций нормы на дефекты за последнее время практически не изменялись, то есть действующие стандарты на допустимые размеры и количество дефектов в целом обеспечивают необходимую работоспособность конструкций. Однако отсутствие уточненных методик оценки влияния дефектов на прочность конструкций приводит к тому, что значительно возрастает объем ремонтных работ по удалению дефектных участков без действительной на то необходимости.

Так как затраты, связанные с сооружением, реконструкцией и ремонтом оборудования объектов нефтегазовой промышленности, весьма высоки, то всякое теоретически и экспериментально обоснованное уточнение существующих методик расчёта оценки допустимости НПТД дает ощутимую экономию ресурсов. В этой связи разработка уточненных методов оценки опасности начальных производственно-технологических дефектов, диагностированных на находящемся в эксплуатации оборудовании, является весьма актуальной задачей. Так как её решение позволяет максимально реально оценить работоспособность оборудования и определить минимально необходимый объем ремонтных работ.

Цель работы - разработка методов оценки опасности начальных производственно-технологических дефектов оборудования, позволяющих максимально реально оценить возможность дальнейшей эксплуатации оборудования при их наличии.

Основные задачи исследования:

- анализ типов НПТД, причин их возникновения и характера их проявления при эксплуатации оборудования в условиях нефтегазового производств;

- экспериментальное исследование прочности сталей нефтегазового оборудования при наличии НПТД;

- разработка критерия разрушения сталей при наличии в них дефектов в виде несплошностей;

- разработка алгоритма оценки опасности НГГГД, диагностируемых в стенках сосудов давления и корпусов аппаратов, работающих в условиях нефтегазовых производств.

Научная новизна:

- получены новые экспериментальные данные о характере разрушения и прочности образцов из стали 09Г2С с дефектами сплошности металла в виде расслоений;

- на основе сравнения размеров дефектов образцов, предварительно определенных ультразвуковым контролем (УЗК), с реальными размерами дефектов, определенных на изломах образцов, установлена погрешность УЗК и даны рекомендации об ее учете путем введения дополнительного коэффициента запаса при расчете опасности дефектов;

- предложено использовать в качестве критерия разрушения сталей с дефектами сплошности предел трещиностойкости и разработана оригинальная методика построения диаграммы трещиностойкости стали, основанная на анализе данных об испытаниях на разрыв образцов с реальными дефектами и по ней построена диаграмма трещиностойкости стали 09Г2С;

- разработан и численно реализован алгоритм оценки опасности НПТД стенок сосудов давления и корпусов аппаратов, включающий в себя анализ типа дефекта, численную оценку напряженного состояния в зоне дефекта и оценку опасности дефекта с использованием диаграммы трещиностойкости.

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 имеющимися экспериментальными данными других авторов по результатам определения разрушающих давлений для оборудования с дефектами стенок.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что создана экспериментально-расчетная методика оценки опасности НПТД эксплуатируемого оборудования, позволяющая реально оценивать возможность его дальнейшей эксплуатации без капитального ремонта и осуществлять экономию финансовых и материальных ресурсов.

Апробация работы. В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" 2007г., 2010г. и 2012г, а также на научных семинарах кафедры оборудования нефтега-

зопереработки РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина в 2009-2011гг. Апробация результатов работы осуществляется на ООО "ИНТА".

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах, из которых 3 научные статьи [1-3], выпущенные в журналах, рекомендованных высшей аттестационной комиссией, и 3 материала конференции [46].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 153 страницах, содержит 65 рисунков, 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведена научная новизна, практическая значимость исследований.

В первой главе "Начальные производственно-технологические дефекты оборудования нефтегазопереработки" рассматриваются причины возникновения и изменения дефектов в технологической цепочке изготовления проката и оборудования из него, а также сравниваются основные требования, предъявляемые к возможным дефектам оборудования по наиболее распространенным стандартам.

До эксплуатации оборудования все обнаруженные дефекты относятся к начальным производственно-технологическим дефектам. Восновном это дефекты изготовления. К дефектам изготовления относятся металлургические дефекты (дефекты слитка, дефекты проката) и дефекты аппаратостроения (дефекты сборки, дефекты сварки).

Статистика отказов сосудов давления показывает, что причинами приблизительно 30% отказов являлись НПТД металла сосуда, существовавшие ещё до начала его эксплуатации. Так, например, в работе Алифанова A.A. «Экология переработки углеводородных систем» рассматривается 229 случаев отказа сосудов, в 63 случаях (28%) причинами являются трещиноподобные дефекты, существовавшие до начала эксплуатации, и еще в 5 случаях (2%) другие виды НПТД (рис.1).

Для сравнения норм допустимых дефектов разных стран были рассмотрены мировые стандарты на листовой прокат для нефтегазопроводов, резервуаров, судовых корпусов и котлов (табл.1). Нормы предъявляют достаточно жесткие ограничения размерам дефектов. При этом на один и тот же дефект числовые значения норм существенно разнятся, то есть стандарты имеют различия в запасах прочности. Уточненная методика оценки влияния обнаруженных дефектов на прочность конструкции, позволит делать более точный прогноз опасности дефектов.

Рис.1 Диаграмма распределения числа отказов сосудов, по причине: 1 - 23% усталостных трещин; 2 - 13% коррозионных трещин; 3 - 28% трещиноподобных НПТД; 4 - 31% других трещиноподобных дефектов; 5 - 2% нетрещиноподобных НПТД; 6 - 3% остальных дефектов.

Таблица.1.

Основные требования к допустимым дефектам по наиболее распространённым стандартам

Толстолистовой прокат Нефтегазопроводы большого диаметра и резервуары для нефтепродуктов Судовые корпуса Котлы Конструкционное назначение

Нормативный документ 8]. см2 - минимально учитываемая условная площадь несплошности Бг, см2 - максимально допустимая условная площадь несплошности Ь, мм - максимально допустимая длина дефекта (ГОСТ 22727-88-только для кромок) ПЛ - в плоскости проката

si/ s2/l ПЛ s]/ s2/l кромка si/ s2/l ПЛ si / s2/l кромка si/ s2/l ПЛ si/ s2/l кромка si/ s2/l ПЛ si/ s2/l кромка

ГОСТ 22727-88 класс 1 10/50/50 10/50/50 10/50/50 10/50/50

ГОСТ 22727-88 класс 3 - 50/250/200 50/250/200 50/250/200

EN 10160 класс S1/E1 1/10/- -/10/50 - - 1/10/- -/10/50

EN 10160 класс S0/E0 10/50/- -/20/100 - - 10/50/- /20/100

ASTM А435 -/-/75 - - -/-/75

ASTM А578 уровень В/С -/-/75 -/-/25 - -/-/75 -/-/25 -/-/75

API5L -/77/19 -/-/6.35 - - -

SEL 072 класс 3/2 и 3/3 1/10/- 0.5/1/40 1/10/- 1/10/40 1/10/- 1/10/40 1/10/- 1/10/40

Вторая глава "Экспериментальные исследования прочности стальных образцов, ослабленных микродефектами" посвящена выбору и подготовке образцов для исследований, предварительному дефектоскопическому анализу, испытаниям образцов на разрыв, статистическому анализу результатов дефектоскопии.

Оценка возможности дальнейшей эксплуатации конструкции с микродефектами в полной постановке является достаточно сложной и нестандартной инженерной задачей. Для решения этой задачи необходимо оценить общий уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции, рассчитать значения критериев механики разрушений для диагностированных дефектов, например, КИН или 3 - интеграл, и располагать экспериментальными данными по определению критических значений этих величин. В реальных производственных условиях, где есть ограничения по срокам принятия решений, проводить скрупулезные исследования по указанным направлениям не представляется возможным, единственно стандартизованной процедурой здесь служит оценка общего уровня НДС. Оценка КИН в принципе может быть достаточно оперативно произведена с помощью стандартных формул, взятых из справочной литературы. Но тут возникают вопросы схематизации реальных дефектов и допустимости расчетных схем, а также взаимовлиянии дефектов и возможности их объединения в одну расчетную схему. Определение критических значений параметров трещиностойкости связано с экспериментальными исследованиями, основная проблема которых состоит в изготовлении серии образцов с надрезами, имитирующими трещины разной длины. Для проведения чистого эксперимента трещину в кончике надреза подращивают циклической нагрузкой. Таким образом, все это приобретает вид отдельного научного исследования, а не инженерного поверочного расчета.

Экспериментальные исследования процессов разрушения образцов металла с реальными технологическими дефектами изготовления проката и последующая оценка их несущей способности с помощью инженерных подходов позволяет выработать концепцию оценки допустимости дефектов конструкций.

Экспериментальные исследования были начаты с испытаний на разрыв серии металлических образов с дефектами сплошности. Из отбракованного на машиностроительном заводе листа стального проката (сталь 09Г2С) были вырезаны 27 образцов. Обнаруженные дефекты, были идентифицированы как многочисленные расслоения, расположенные строго в его срединной плоскости. Толщина прокатного листа составляла 100 мм. Образцы толщиной 4,3-45,2 мм, шириной 23,4-^33 мм, вырезанные из дефектных участков листа таким образом, что дефекты находились посредине образцов и были перпендикулярны оси образца (рис.2).

До испытаний на разрыв был проведен УЗК образцов и на их основе составлены модели расслоений. После испытаний на разрыв стали известными истинные размеры и расположение расслоений.

В табл. 2 приведены расположения и размеры расслоений в некоторых образцах, построенные по результатам УЗК, а также реальное расположение и

геометрия расслоений, определенные на основе анализа поверхностей разрыва образцов после испытаний (рис.З).

прокатный лист предварительный образец образец для испытаний

Во время эксперимента велась видеосъемка, позволяющая определить момент начала разрушения и дефект, в котором это разрушение зародилось. Разрушение начиналось в зоне наибольших дефектов.

Отмечен вязко-хрупкий характер разрушения образцов. Менее значительно вязкий характер разрушения проявлялся при увеличении отношения площади дефектов к площади образца 0,05-^0,53.

Анализ данных табл.2 показывает, что УЗК даёт неплохие результаты обнаружения дефектов, хотя в отдельных случаях несколько расслоений по результатам дефектоскопии сливаются в одно. В целом данные УЗК позволили достаточно точно определить места расположения наибольших дефектов, в которых фиксировалось начало разрушения.

Рис.З. Фотографии мест разрывов образцов с микродефектами

мах

Таблица 2

Сопоставление диагностированных УЗК расслоений образов с их действительной конфигурацией, установленной в ходе испытаний на разрыв

№ образца

Действительное расположение расслоений в

Проекция расслоений в плоскости

Плоская модель расслоений на основе данных УЗК

Фотографии разрушенного образца

Сравнения плоских моделей расслоений с плоскими проекциями действительных расслоений позволили собрать статистические данные об отклонениях размеров расслоений, определенных с помощью УЗК, от размеров расслоений, полученных после разрыва образцов (табл.3).

Таблица 3

Определение погрешности УЗК, на примере образца №17

N

Отображаемые величины

Эскиз

Фактическое расположение расслоений в металле образца

¿[Г7 н -

1 1 1_

Плоская модель расслоений на основе УЗК

10 2 | ,3.5

Выявленные погрешности размеров

10,5 0.5 №

По полученным данным была построена гистограмма вероятностей попадания погрешностей измерений х в интервалы размером Д=0,5 мм (рис.4).

Р 0.'

Х:,ММ

-1.25 -0.75 -0.25 0 0,25 -0.75 1,25 1.75

Рис.4. Гистограмма распределения вероятности погрешностей

Для описания фактической плотности распределения погрешностей был выбран нормальный закон распределения (рис.5):

1 и-*)' /(*) = —^е

, гдеХ,5 - математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение соответственно: х =0,175 мм; 5 =0,528 мм.

мм 0.8

0,6

{».4

0.2

-2 -I.

-I -0.5 0 35

0.5 I 1,5 35

Рис.5. Кривая нормального распределения плотности погрешностей

Согласно правилу «трёх сигм» пренебрегают возможностью появления отклонений, лежащих вне диапазона[-35;+3«], так как вероятность этого события составляет не более 0,3 %. Это означает, что фактический размер расслоения не будет отличиться от размера, определенного УЗК, более чем на х ± 3 • £ (см. рис.5). Наиболее опасна ситуация, когда размер дефекта по данным УЗК меньше его фактического размера на величину \х — 3 • . Это приводит к завышенной оценки прочности оборудования. Чтобы исключить эту ситуацию, необходимо в прочностные расчеты ввести коэффициент запаса, учитывающий погрешности при определении размеров дефектов по данным УЗК.

Коэффициент запаса п, учитывающий погрешность при определении размеров дефектов по данным УЗК, определим как отношение КИН при действительном размере дефекта, к КИН при размере дефекта, уменьшенном на величину максимальной погрешности. Путем численного эксперимента установлено, что коэффициент запаса, учитывающий погрешность данных УЗК, не превышает значения 1,2.

В третьей главе "Разработка критерия разрушения сталей в области микродефектов" приведены результаты экспериментов на трещиностойкость дефектных образцов. По разрушающим нагрузкам и измеренным на изломах размерам дефектов вычислены пределы трещиностойкости и построена диа-

грамма трещиностойкости. Даны примеры использования диаграммы трещино-стойкости для расчета допустимых длин трещин при назначенных коэффициентах запаса. Проведено сопоставление диаграммы трещиностойкости и аналогичной диаграммы, следующей из критерия 116.

Наблюдаемые при проведении эксперимента вязко-хрупкие разрушения требуют иного критериального соотношения, нежели уравнение Ирвина: К < К1С, где К-КИН;К1С - критическое значение КИН.

В этом случае целесообразно использовать двухпараметрические критерии, они дают возможность одним расчетным соотношением описывать любой вид разрушения. В настоящее время известен ряд аналитических выражений, отождествляемых с двухпараметрическими критериями разрушения. Следует отметить, что итоговые результаты применения разных критериев показывают заметное расхождение в области малых длин трещин, поскольку именно здесь наибольшим образом проявляются модельные различия разных критериев.

Наиболее перспективным критерием разрушения с точки зрения практики инженерных расчетов и экспресс оценки несущей способности оборудования с диагностированными дефектами металла является предел трещиностойкости и диаграмма трещиностойкости, построенная на его основе. Для этого есть как минимум две причины.

Первая причина это то, что при использовании этого критерия условие прочности записывается в привычной для широкого круга специалистов форме:

,где 1с - предел трещиностойкости.

То есть, имеем полную аналогию с условием Ирвина с тем, однако, отличием, что предел трещиностойкости не является фиксированной физико-механической характеристикой материала как вязкость разрушения Кю Он, в отличие от К1С, не константа, а функция, т.е. является величиной меняющейся в зависимости от длины трещины, либо от величины разрушающего брутто-напряжения в образце.

Предел трещиностойкости (Тс) - предельный КИН, представленный в виде функции отношения разрушающих напряжений при текущей длине трещине к нулевой 1с=Г(стс/ств).

Аналитически выражение для предела трещиностойкости, предложенное Е.М.Морозовым, выглядит следующим образом:

,где <тс и св - разрушающие брутто-напряжения образцов с заданной трещиной и предел прочности материала; 1смах и q - эмпирические величины.

Немногочисленные пока эксперименты для тонкостенных конструкций дают q = 2, а для массивных q = 4. Величина 1смах есть Ко* - условный критический КИН для образца данной толщины или диаметра, определяемый согласно ГОСТ 25.506-85. Если речь идет о трещине отрыва, 1смах есть К1С - критический КИН.

К<1С,

0)

(2)

В то же время те же исследователи рекомендуют определять зависимость предела трещиностойкости от размера дефекта сугубо экспериментально на образцах, имитирующих форму и размеры конструкционного элемента, с учетом реальных схем приложения внешней нагрузки. Это позволяет учесть нюансы поведения разрушающейся детали и значительно повышает достоверность оценки прочности. Это является второй причиной использования предела трещиностойкости.

Следуя выбранному критерию оценки, для максимальных дефектов образцов были рассчитаны КИН. При этом все дефекты, видимые на изломе, сводились к восьми расчетным схемам (см.табл. 4).

Таблица 4.

_Расчетные схемы дефектов_

№

Расчетная схема

2а 2Ь

р

J_А

і І і

І І I І I

е

№

Расчетная схема

» /

І | 1 чА

з ё

При сведении реальных дефектов к расчетным схемам руко-водствовались принципами консервативной оценки и условиями применения той или иной методики. Например (см.табл.2), первая расчетная схема использовалась для оценки КИН образца № 17. Вторая схема для образца № 1. Третья схема для образца № 6. Четвертая схема для образца № 25. Пятая схема для образца № 18. Шестая схема для образцов № 19. Седьмая схема для образца № 11. Восьмая схема для образца № 2. Результаты расчета КИН дефектов при брутто-напряжениях, соответствующих моменту разрушения, приведены в табл.5.

Экспериментальные точки были нанесены на координатную плоскость К-ст (рис.6). Кривая, описывающая экспериментальные точки, ограничивает область допустимых значений КИН и является собственно искомой зависимостью предела трещиностойкости от уровня максимальных растягивающих напряжений.

График зависимости 1с(ос) (рис.6) логично называть диаграммой предельной трещиностойкости. В нашем случае в зависимости от уровня максимальных растягивающих напряжений в конструкции, рассчитанных без учета дефекта, определяется предельное значение КИН для дефекта, «работающего» при этом уровне растягивающих напряжений. Очевидно, что при напряжениях близких к пределу прочности материала, недопустимо наличие дефектов даже нулевых размеров. Если разрушение происходит на фоне невысоких напряжений, значительно меньших предела текучести, то оно, как правило, носит хрупкий характер, что возможно при значительных размерах дефектов, когда КИН достигает значения 1см ах-

Таблица 5.

Значения КИН дефектов при экспериментально определенных

разрушающих брутго-напряжениях

№ образца КИН, МПа-м"2 Ос, МПа № образца КИН, МПа-м1/2 «с, МПа

1 47,27 338,3 15 29,58 499,1

2 51,25 351,9 16 31,8 501,9

3 45,72 356,5 17 32,37 502,2

4 35,2 378,8 18 26,69 503,6

5 42 437,1 19 35,56 504,6

6 40,3 437,1 20 25,24 506,5

7 38,58 445,6 21 34,4 507,4

8 34,7 452,2 22 29 510,1

9 36,7 457,9 23 29,26 513,2

10 42,97 466,2 24 17,9 516,1

11 32,16 477 25 32,65 519,3

12 35,06 488,8 26 23,23 520,5

13 28,4 491,5 27 21,33 528,9

14 35,83 493,6

Рис.6. Диаграммы трещиностойкости:

1 - критическая, построенная по уравнению (2) при 1смах=55 и q=4;

2 - критическая, построенная на основе критерия R6;

3 - допустимая, построенная по уравнению (5) при т=1,5.

Следует отметить, что экспериментальная зависимость 1с(<тс) может быть достаточно точно описана уравнением (2), при соответствующих эмпирических коэффициентах Icmax, Ч- В нашем случае кривая 1 (рис. 6) построена при 1Смах=55 МПа-м1/2 и q=4. Это свидетельствует о хорошем согласовании результатов поставленного эксперимента с результатами уже имеющихся исследований, о возможности проведения эксперимента на реальных дефектах и о возможности сведения реальных дефектов к стандартным расчетным схемам.

При проектировании оборудования всегда производится поверочный расчет на прочность, подтверждающий наличие требуемого коэффициента запаса п = Ов/сь Иными словами, оборудование всегда отвечает требованиям общей прочности. Введение этого коэффициента запаса означает соответствующий сдвиг диаграммы трещиностойкости налево вдоль оси напряжений. При наличии в металле оборудования трещиноподобных дефектов необходим дополнительный поверочный расчет на трещиностойкость при заданном коэффициенте запаса по пределу трещиностойкости (при ас - const):

К = — (3)

m

Введение такого коэффициента запаса означает сдвиг диаграммы трещиностойкости вниз, вдоль оси КИН. Исходная предельная диаграмма трещиностойкости 1с(ос) трансформируется в допустимую 1Я0.,(стд0П), которую теперь можно использовать для расчета допустимых длин трещин (при соответствующих допустимых напряжениях). При этом одним уравнением обеспечивается расчет традиционный по напряжениям и одновременно с учетом наличия трещины.

Коэффициент запаса по пределу трещиностойкости (п), в отличие от общего коэффициента запаса (т), не регламентирован, поэтому разумно (за неимением иного) определять:

п = т (4)

Принятие этого условия приводит к тому, что допустимая диаграмма трещиностойкости (кривая 2 на рис.6) окажется геометрически подобной критической (кривой 1 на рис.6).

1доп ~~ 'доп

(а )- 1с

\доп)~

11 —

'"доп

ств )

(5)

и расчет размера трещины 1доп, при соответствующих нагрузках аДОп, следует находить из уравнения:

к(СТДОП' 'доп ) = ^доп (адоп ) (6)

Вычислим диапазон допускаемых длин трещин, когда напряжения изменяются в диапазоне от 360 МПа (=540/1,5) до 300.

Для упрощения взяли формулу КИН для полуэллиптической трещины K=cWji1. Для оценки порядка величины допустимой длины трещины, воспользуемся коэффициентом запаса (n=m) равным 1,5 и механическими характеристиками в нашем эксперименте Icmax=55 МПа-м1/2; ств=540 МПа. Основываясь на эксперименте, возьмем q=4.

По уравнению (6) получим, что предельно допустимый размер трещинопо-добного дефекта соответственно изменяется от нуля до 21=5 мм. (см.рис.7).

1доп ,.ш/

Рис.7. Кривая зависимости 1доп от оЯ01 при Icmax=55, q=4 и формуле K=oVnl

В заключение укажем, что за рубежом принят двухпараметрический критерий, часто обозначаемый как документ Кб, последняя версия которого (в наших обозначениях) имеет вид:

дс _

Кс

/ \ 2" / г VII

1-0,14 0,3 + 0,7ехр -0,65

v / _

при

(7)

При

значение

К,

°Т + СТВ

Диаграмма трещиностойкости (сшсказзезБше^Ша^ат), построенная по этой формуле по данным нашего эксперимента, приведена на рис.6 (кривая 3). Видна существенная консервативность этой оценки в наиболее актуальной области длин трещин (по нагрузкам расхождение с экспериментом и с пределом трещиностойкости более чем в два раза).

В четвертой главе "Опенка прочности сосудов давления с начальными производственно-технологическими дефектами металла стенок" предложен алгоритм расчета оценки опасности микродефектов в стенках сосудов и трубопроводов, а также его экспериментальная проверка.

Практика эксплуатации показывает, что в некоторых случаях оборудование с дефектами может надежно выполнять свои функции длительный период времени.

Предложена методика оценки реальной прочности сосудов с технологическими дефектами металла, которая включает в себя 9 этапов.

Этап 1: Изучаются заключения по ранее проведенным УЗК, акустико-эммисионному контролю. Этап 2: Составляется программа, выбираются методы, средства, объем и проводится диагностическое обследование. Этап 3: На основе полученных данных составляются ЗБ модели обнаруженных дефектов. Этап 4: Определяются параметры НДС в зонах расположения дефектов при рабочей нагрузке сосуда. Этап 5: Целью этапа является заменить реальный дефект конструкции максимально схожей с ним расчетной схемой, для которой зависимость КИН известна и может быть легко вычислена аналитически. Этап 6: Определение параметров диаграммы трещиностойкости (ов, Кю я).

Этап 7: Построение диаграммы трещиностойкости по формуле 1с=К1с^(1-ас/ов)4. Этап 8 (см.рис.8): Получив кривую 1, получают кривую 2 - диаграмму допустимой трещиностойкости (т=1,5). Проверка условия прочности: на плоскость К-ст наносятся точки, характеризующие опасность каждого отдельного дефекта двумя параметрами - значением максимального растягивающего напряжения в месте расположения дефекта (01) и КИН в зоне дефекта (К). Этап 9: Если параметры дефекта превышают критические значения (т.А), то сосуд находится в аварийном состоянии и необходима немедленная остановка эксплуатации. В случае попадания параметров трещиностойкости дефекта между кри-

тической и допустимой диаграммами трещиностойкости (т.В) - сосуд находится в предаварийном состоянии и необходимо рассмотреть возможность понижения нагрузок или изменения условий эксплуатации. В случае принятия решения о снижении нагрузок следует повторить расчет, начав с оценки НДС в зоне расположения дефекта. Если дефект находится в зоне диаграммы допустимой трещиностойкости (т.С) — сосуд находится в рабочем состоянии и допускается в эксплуатацию в нормальном режиме.

К.МНсгм I

711

М

кп-

■II) Л) У) К)

11 um :mi ми» -юн ню а cm а \цj(,

Рис.8. Проверка условий прочности по диаграмме трещиностойкости

1 - диаграмма критической трещиностойкости;

2 - диаграмма допустимой трещиностойкости (ш=1,5)

А, В, С - точки, характеризующие опасность дефекта параметрами К и о

Для подтверждения работоспособности и достоверности разработанной методики с её помощью был просчитан ряд дефектов стенок трубопроводов. Данные экспериментов на разрыв сосудов с разными механическими свойствами материалов, содержащие продольные несквозные трещины, взяты из работ Миронова A.A. и Сапунова В.Т. (табл.6).

Таблица б

Исходные экспериментальные данные_

№ Механические свойства Габариты сосуда Габариты дефектов Разрушающий параметр

Он, МПа От, МПа К1С, МПа-л/м D, мм t, мм 2а, мм Ь, мм ас, МПа Рс,МПа

1 541,4 402,2 - 762 9,5 83,8 5,7 434,5 —

2 586,4 449,3 - 3,8 489,4 —

3 615 258 52 327 27 73,8 19,5 — 51,0

4 247,0 15,0 - 52,8

Св - предел прочности; ат — предел текучести; К1с - вязкость разрушения; Б -наружный диаметр; I - толщина стенки; 2а - длина трещины; Ь - глубина дефекта; стс - кольцевые брутто-напряжения разрушения; Рс - разрушающее давление.

В таблице 7 сравниваются расчетные и экспериментальные значения разрушающих кольцевых напряжений. Результаты расчета по пределу трещино-стойкости дают малую погрешность, не превышающую 9%. Однако эта погрешность не всегда идет в запас прочности. В данном случае требуется уточнение параметров трещиностойкости - q, Кщ. Погрешность расчетов по критерию Ы6 значительно больше и равна 25%, но она всегда положительна, то есть идет в запас прочности. Итак, преимуществом использования критерия предела трещиностойкости является более реальная оценка опасности дефектов.

Таблица 7

Сравнение значений разрушающих кольцевых напряжений для трубопро-___водов с продольными несквозными трещинами_

№ Экспериментальные данные Результаты расчета по разработанной методике Расчет по критерию R6

стс, МПА ас, МПА 5,% ос, МПА 5,%

1 434,5 428 +1,5 370 +14,8

2 489,4 505 -3,2 448 +8,5

3 283 310 -8,7 230 +18,7

4 293,3 288 +1,8 223 +24

стс - напряжение разрушения, 5 - относительная погрешность

В качестве примера практической реализации разработанной методики, был рассмотрен расчет допустимого размера дефекта в виде непровара в корне шва патрубка нефтепровода. Рассматривался коллектор с патрубком, расположенный на нефтяном терминале в системе измерения количества и показателей качества нефти, узел блока измерительных линий. Основная коллекторная труба имеет размеры 820x16 мм, от которой отходят 7 патрубков размерами 530x18 мм. Транспортируемая среда - нефть с рабочим давлением 4 МПа. Материальное исполнение - сталь 09Г2С. Был выявлен дефект в виде непровара в корне шва глубиной 2 мм и длиной 15 мм (рис.9).

Сосуд без трещины был смоделирован в программном продукте Pro/ENGINEER 5. Расчет максимальных напряжений в предполагаемом районе залегания трещины нашли расчетом модели с помощью программного продукта ANSYS Workbench 13 (рис.10).

Для вычисления КИН из результатов расчета в ANSYS нас интересуют главные растягивающие напряжения при внутреннем давлении равном рабочему 4 МПа.

На рис.11 наряду с графиком диаграмм трещиностойкости представлен 1рафик докритического роста трещины в координатах К-b, рассчитанный при подрастании трещины по глубине при неизменном давлении P-const (o=const). Максимальные напряжения при давлении Р=4 МПа равны сг=301 МПа. По расчетной схеме №4 (см.п.3.3 и п.4.2.), при глубине трещины Ь=2мм, длине 2а=15мм, и толщине шва t=20MM вычислили коэффициент интенсивности напряжений К=14,1 МПа-м'Л. Рассматриваемая трещина соответствует т.А. Экс-

плуатация возможна до т.В (К=30,4 МПа-м'Л), что соответствует на графике докритического роста трещины т.С. Критическая глубина трещины Ь=5,5мм.

Рис.10. Сетка, смоделированная ANSYS

Ь,ММ ~> 5,5 4 3 2 1 0 100 200 30(1 400 500 600 О.МП а

Рис.11. График диаграмм трещиностойкости и график докритического роста трещины в координатах К-Ь. т.А - точка соответствующая трещине при Ь=2мм, 2а=15мм, t=20MM; т.В, т.С - критические точки, окончание эксплуатации; прямая АВ - рост КИН с увеличением трещины при P-const.

Итак, в реальных задачах, стоящих перед инженерами-прочнистами, по разработанной методике можно давать рекомендации по максимальным размерам дефектов, допустимых в оборудовании, эксплуатирующемся в нефтегазовом производстве, и рекомендации по снижению давления при обнаружении дефектов. При этом необходимо знать лишь рабочее давление, материальное исполнение оборудования и геометрию оборудования и дефекта. Особое внимание следует уделить выбору расчетной схемы для определения КИН.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа причин отказов нефтегазового оборудования показано, что отказы по причине НПТД оборудования весьма распространены, а своевременное их обнаружение и оценка опасности позволяют значительно продлить срок службы оборудования.

2. Проведенные экспериментальные исследования на разрыв стальных образцов, вырезанных из отбракованного листового проката, позволили получить новые экспериментальные данные о характере разрушения и прочности образцов из стали 09Г2С с дефектами в виде расслоений.

3. Путем сравнения размеров дефектов образцов, предварительно определенных ультразвуковым контролем, с реальными размерами дефектов, определенных на изломах образцов, установлено, что УЗК даёт погрешность и учесть её можно путем введения дополнительного коэффициента запаса, который при прочностных расчетах должен составлять не менее 1,2.

4. Предложенная методика построения диаграммы трещиностойкости сталей, основанная на испытаниях образцов с реальными дефектами и сведении этих дефектов к расчетным схемам, для которых формулы для определения КИН известны, позволяет оперативно строить диаграммы трещиностойкости сталей оборудования с учетом специфики условий его эксплуатации. По разработанной методике построена диаграмма трещиностойкости стали 09Г2С.

5. Показано, что диаграмма трещиностойкости имеет двойное назначение. С одной стороны эта характеристика может быть использована для выбора и оценки материала, а с другой возможно её использование для проведения расчетов прочности конструктивных элементов оборудования с трещинами. При этом практика расчетов показала, что погрешность оценки разрушающих нагрузок не превышает 10%.

6. Работоспособность разработанного алгоритм оценки опасности НПТД стенок сосудов давления и корпусов аппаратов, успешно проиллюстрирована численным расчётом оценки опасности непровара в корне шва патрубка коллектора (сталь 09Г2С), включающим в себя оценку НДС в зоне непровара с помощью МКЭ и оценку допустимого размера дефекта с использованием построенной диаграммы трещиностойкости.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Булатова А.З., Захаров М.Н., Морозов Е.М. Оценка опасности расслоений в металле конструкций на основе диаграммы трещиностойкости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - №3. - С.41-46.

2. Булатова А.З., Захаров М.Н. Учет достоверности данных ультразвуковой дефектоскопии при оценке допустимых эксплуатационных нагрузок // Вестник машиностроения. —2010. - №11. — С.42-46.

3. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка прочности сосудов давления с технологическими дефектами металла // Нефть, газ и бизнес - 2011. - №8. - С.54-57.

4. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка опасности развития начальных производственно-технологических дефектов стенок нефтеперерабатывающего оборудования // Тезисы докладов 7-ой Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России". - Москва, 2007. - С.365.

5. Булатова А.З., Захаров М.Н. Экспериментальные исследования прочности металлических образцов с внутренними дефектами // Тезисы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России". - Москва, 2010. — С.33-34.

6. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка опасности начальных производственно технологических дефектов эксплуатируемого оборудования // Тезисы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России". — Москва, 2012.

Подписано в печать 23.05.12. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100. Заказ №129

Отпечатано в типографии «Оттиск» Адрес типографии: г.Москва, ул.Мясницкая д. 17

61 12-5/3303

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ. И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи БУЛАТОВА АДЕЛЯ ЗАЙНУЛЛАЕВНА

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ НАЧАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.02.13. — Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность, нефтеперерабатывающие и химические производства)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н, профессор Захаров М.Н.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. НАЧАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ.......................9

1.1. Металлургические дефекты листового проката их видоизменение и образование новых дефектов..............................................................................9

1.2. Техническое диагностирование сосудов и аппаратов и характеристические параметры их предэксплуатационных дефектов........21

1.3. Анализ дефектов на оборудовании нефтегазопереработке....................35

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ, ОСЛАБЛЕННЫХ МИКРОДЕФЕКТАМИ........45

2.1. Выбор и подготовка образцов для исследовании....................................45

2.2. Предварительный дефектоскопический анализ образцов......................54

2.3. Испытания дефектных образцов...............................................................61

2.4. Статистический анализ результатов дефектоскопии..............................71

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЯ РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ В ОБЛАСТИ МИКРОДЕФЕКТОВ........................................................................79

3.1. Анализ результатов испытаний.................................................................79

3.2. Выбор критерия разрушения.....................................................................86

3.3. Подходы к определению коэффициентов интенсивности напряжений дефектов натурных образцов............................................................................95

3.4. Построение диаграммы трещиностойкости...........................................112

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ С НАЧАЛЬНЫМИ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ДЕФЕКТАМИ МЕТАЛЛА СТЕНОК...............................................................123

4.1. Алгоритм оценки опасности дефектов в стенках сосудов давления... 125

4.2. Экспериментальная проверка точности оценки предельных нагрузок сосудов с дефектами с использованием диаграммы трещиностойкости... 130

4.3. Пример расчета нефтепровода с непроваром в корне шва патрубка.. 136

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ......................................................142

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Все металлоизделия не свободны в полной мере от некоторых распространённых начальных производственно-технологических дефектов (НПТД) и не характеризуются абсолютной однородностью. Даже при использовании наилучших материалов наиболее совершенных конструкций и технологических процессов в оборудовании существуют дефекты. Поскольку технически чистые металлы всегда загрязнены примесями, а сплавы содержат ещё и легирующие добавки, то металлы характеризуются структурной и термодинамической неоднородностью, что ведёт к интенсификации локальных коррозионных процессов. Таким образом, НПТД служат еще и первопричиной коррозии. Особенно опасными, с повышением прочности материала конструкций, а также с учётом особенностей условий эксплуатации (коррозионная среда, температура), становится наличие трещиноподобных дефектов. Развитие любой трещины идёт по конструкционным концентраторам напряжений, то есть по конструкционным вырезам в основном металле (отверстиям под патрубки, люкам и др. вырезам) и по концентраторам напряжений, то есть по НПТД.

Одной из основных причин выхода оборудования нефтегазового производства из строя, является наличие в нем дефектов, появившихся на стадии эксплуатации или изначально присутствующих в металле оборудования и не замеченных при входном контроле. Изучение характера отказов нефтехимического оборудования и анализ их основных причин показывает, что около 60% отказов происходит из-за хрупкого разрушения конструктивных элементов оборудования, причем причинами примерно 1/3 разрушений являются начальные дефекты присутствующие в конструкциях. Среди них доминируют трещиноподобные дефекты, как правило, это -расслоения. Таким образом, большинство аварий происходит из-за НПТД, которые в той или иной форме всегда присутствуют в эксплуатируемом оборудовании. Итак, при наличии в металле стальных конструкций

начальных дефектов разрушение начинается раньше и продолжается в течение значительно более короткого времени, чем без них.

К надёжности и безопасной эксплуатации конструкций нефтегазовой промышленности предъявляют повышенные требования. С 90-х годов XX столетия в России наблюдается спад объёма строительства и увеличение сроков эксплуатации конструкций, в связи с этим уровень техногенных аварий возрос, несмотря на снижение производственной деятельности, причина этого - отслуживший срок оборудования. В связи с этим и с несовершенством средств неразрушающего контроля на данный момент вероятность эксплуатации аппаратов с недопустимыми дефектами, в том числе и трещиноподобными, достаточна велика.

Степень чистоты и отсутствие поверхностных и внутренних дефектов являются понятиями сугубо относительными в следствии того, что процессы первоначального производства стали и последующая ее обработка несовершенны. В то же время работоспособность конструкций при неизбежном наличии допустимых начальных дефектов доказана многочисленными исследованиями.

Действующие на сегодняшний день нормы на размеры допустимых дефектов в оборудовании, вводимом в эксплуатацию, предъявляют достаточно жесткие ограничения к их размерам, и в ряде случаев отбраковке подлежит оборудование, которое могло бы еще долгое время находиться в эксплуатации. Принятые в разных странах для аналогичных конструкций нормы на дефекты за последнее время практически не изменялись, то есть действующие стандарты на допустимые размеры и количество дефектов в целом обеспечивают необходимую работоспособность конструкций. Однако отсутствие уточненных методик оценки влияния дефектов на прочность конструкций приводит к тому, что значительно возрастает объем ремонтных работ по удалению дефектных участков без действительной на то необходимости.

Установление взаимосвязи различного рода НПТД с их влиянием на оборудование ещё не исследовано в той мере, как того заслуживает данная проблема. Зачастую, локальные напряжения, обусловленные НПТД, в расчете на прочность оборудования просто не учитываются.

Так как затраты, связанные с сооружением, реконструкцией и ремонтом оборудования объектов нефтегазовой промышленности, весьма высоки, то всякое теоретически и экспериментально обоснованное уточнение существующих методик расчёта оценки допустимости НПТД дает ощутимую экономию ресурсов. В этой связи разработка уточненных методов оценки опасности начальных производственно-технологических дефектов, диагностированных на находящемся в эксплуатации оборудовании, является весьма актуальной задачей, так как её решение позволяет максимально реально оценить работоспособность оборудования и определить минимально необходимый объем ремонтных работ.

Настоящая диссертация, конечной целью которой является разработка методов оценки опасности начальных производственно-технологических дефектов оборудования, позволяющих максимально реально оценить возможность дальнейшей эксплуатации оборудования при их наличии, состоит из 4 глав.

Во вступительной главе рассматриваются причины возникновения и изменение дефектов в технологической цепочке изготовления проката и оборудования из него, а так же сравниваются основные требования, предъявляемые к возможным дефектам оборудования по наиболее распространенным стандартам.

Вторая глава посвящена выбору и подготовке образцов для исследований, предварительному дефектоскопическому анализу, испытаниям образцов на разрыв, статистическому анализу результатов дефектоскопии.

В третьей главе приведены результаты экспериментов на трещиностойкость дефектных образцов. По разрушающим нагрузкам и измеренным на изломах размерам дефектов вычислены пределы

трещиностойкости и построена диаграмма трещиностойкости. Даны примеры использования диаграммы трещиностойкости для расчета допустимых длин трещин при назначенных коэффициентах запаса. Проведено сопоставление диаграммы трещиностойкости и аналогичной диаграммы, следующей из критерия Кб.

В четвертой главе предложен алгоритм расчета оценки опасности микродефектов в стенках сосудов и трубопроводов, а также его экспериментальная проверка.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

- получены новые экспериментальные данные о характере разрушения и прочности образцов из стали 09Г2С с дефектами сплошности металла в виде расслоений;

- на основе сравнения размеров дефектов образцов, предварительно определенных ультразвуковым контролем (УЗК), с реальными размерами дефектов, определенных на изломах образцов, установлена погрешность УЗК и даны рекомендации об ее учете путем введения дополнительного коэффициента запаса при расчете опасности дефектов;

- предложено использовать в качестве критерия разрушения сталей с дефектами сплошности предел трещиностойкости и разработана оригинальная методика построения диаграммы трещиностойкости стали, основанная на анализе данных об испытаниях на разрыв образцов с реальными дефектами и по ней построена диаграмма трещиностойкости стали 09Г2С;

- разработан и численно реализован алгоритм оценки опасности НПТД стенок сосудов давления и корпусов аппаратов, включающий в себя анализ типа дефекта, численную оценку напряженного состояния в зоне дефекта и оценку опасности дефекта с использованием диаграммы трещиностойкости.

Достоверность результатов исследования вытекает из обоснованности использованных теоретических положений и математических методов и

подтверждена численными экспериментами по оценке сходимости и точности разработанных алгоритмов, а также сравнительным анализом расчетных результатов с имеющимися экспериментальными данными других авторов по результатам определения разрушающих давлений для оборудования с дефектами стенок.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что создана экспериментально-расчетная методика оценки опасности НПТД эксплуатируемого оборудования, позволяющая реально оценивать возможность его дальнейшей эксплуатации без капитального ремонта и осуществлять экономию финансовых и материальных ресурсов.

В ходе выполнения диссертационной работы результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" 2007г, 2010г. и 2012г, а также на научных семинарах кафедры оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа им И.М.Губкина в 2009-2011гг.

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах, из которых 3 научные статьи [9], [10], [11], выпущенных в журналах

w О U А

рекомендованных высшей аттестационной комиссиеи и 3 материалах конференции [12], [13], [14].

ГЛАВА 1. НАЧАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ

1.1. Металлургические дефекты листового проката их видоизменение и образование новых дефектов

Многообразие природы встречающихся дефектов, а также различное влияние их на свойства оборудования приводят к некоторой условности в определении понятия «дефект». Общеизвестно, что дефект - это каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным НД [88].

В практике НК и технической диагностике под дефектом в металлоконструкции обычно понимают несплошности, в рамках этой работы мы будем придерживаться того же определения.

До эксплуатации оборудования и трубопроводов все обнаруженные дефекты - это дефекты изготовления, транспортировки, монтажа -начальные производственно-технологические дефекты (НПТД). Для образования и изменения НПТД определяющим фактором является технологическое наследование металла, т.е. взаимосвязь и взаимозависимость свойств, создаваемых на предшествующих и последующих операциях [77]. Дефекты транспортировки, это, как правило, различные риски, вмятины и другие внешние дефекты полученные при неправильной строповке и перевозке оборудования. Типы и виды монтажных дефектов те же что и при транспортировке плюс дефекты сварки, если таковая предусмотрена. В большинстве своем, грубые дефекты транспортировки и монтажа образованны по неосторожности, в силу человеческого фактора. Большинство НПТД - это дефекты изготовления, они представляют больший интерес для изучения, в силу природы их образования, а также их недооценки на начальных этапах строительства и эксплуатации оборудования и трубопроводов.

Рассмотрим дефекты оборудования с позиции технологического наследования металла, т.е. образование дефектов и изменение дефектов литья в процессе изготовления листового проката и затем оборудования, а также факторы их образования.

Дефекты изготовления - это обобщенное понятие металлургических дефектов (слиток —» сляб —» сутунка —» лист) и дефектов аппаратостроения (Рис. 1.1).

Рис. 1.1 Схема образования дефектов изготовления

Особенности процессов выплавки и разливки стали влияют на качество металлургической продукции, так как возникающие дефекты отливок в том или ином виде обычно присутствуют в конечной продукции. В настоящее время для получения слитков (отливок) используют установку непрерывной разливки стали (УНРС), она обеспечивает плотность, мелкозернистость, хорошее качество поверхности, слитки не нужно обжимать, усадочная раковина может быть только в конце разливки, происходит направленное

затвердевание металла. Как известно, процесс кристаллизации слитка является сложным сочетанием тепловых, физических и химических процессов.

В общем случае, выделяют 3-й основные группы неоднородностей слитка:

- структурная, возникающая из-за градиента температур по толщине слитка;

- физическая, связанная с явлением усадки;

- химическая, возникающая благодаря протеканию ликвационных процессов перераспределения примесей.

Последующие операции связаны с обработкой стали давлением. Слитки направляются на обжимной стан и получают заготовку прямоугольного сечения - сляб, а он в свою очередь идёт на заготовочный стан для получения сутунок. Сутунки прокатывают на листопрокатных станах с получением листов.

Прокатку ведут в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях для получения нужной ширины и снижения степени анизатропности листов, при этом любые химические неоднородности (ликвации, растворённые газы) существенно снижают способность металла к пластическому деформированию.

Выделяют 2-а фактора возникновения внутренних напряжений различных знаков при прокатке:

- металл деформируется, что приводит к внутрикристаллическим сдвигам и перемещению одних зёрен относительно других, т.е внутренним напряжениям;

- металл неоднократно подвергается нагреву и охлаждению, что приводит к возникновению термических напряжений.

Растягивающие внутренние напряжения могут привести к появлению разрывов и трещин металла, прежде всего в зонах, ослабленных наличием дефекта. Заготовка должна быть нагрета равномерно по всему сечению, во

избежание больших напряжений внутри заготовки и, как следствие, возможному появлению в ней трещин.

Слишком высокая температура при прокатке нежелательна, так как пребывание при высоких температурах может привести к чрезмерному росту зерна, т.е. снижению механических характеристик, в свою очередь деформирование при низких температурах может привести к образованию трещин вследствие снижения пластичности, поэтому прокатку на листы проводят в горячем состоянии, т.е. при температуре немного выше температуры рекристаллизации (Трек).

Структура стали после проката приобретает строчечный характер. Границы зёрен, а также содержащиеся в стали дефекты вытягиваются. Некоторые дефекты при прокатке залечиваются (свариваются), а отклонения в режимах технологических процессов ведут к появлению новых дефектов. Рассмотрим дефекты, образующиеся при описанных выше операциях.

Металлургические дефекты слитков.

Дефекты усадочного происхождения и газовая пористость - это усадочные раковины, рыхлота и полости, пористость, пузыри, которые нарушают сплошность металла и обуславливают его физическую неоднородность. Усадка - свойство сплава, связанное с повышением плотности упаковки атомов стали и соответственно уменьшением объёма и линейных размеров при затвердевании и охлаждении. При кристаллизации в металле в результате выделения растворивши�