автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка ресурса безопасной эксплуатации технологических трубопроводов методом мультифрактальной параметризации

На правах рукописи

СИЛЬВЕСТРОВ АРТЕМ СТЕПАНОВИЧ

ОЦЕНКА РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОЙ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ

05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность (в химической отрасли промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

005535667

Казань-2013

005535667

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Булкин Вадим Александрович

Официальные оппоненты:

Гумеров Кабир Мухаметович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом диагностики трубопроводных систем ГУЛ «Институт проблем транспорта энергоресурсов», г. Уфа

Муратаев Фарид Исхакович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ», г. Казань

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения», г. Москва

Защита состоится « 13 » ноября 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого Совета)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан« 12 » октября 2013 г.

Ученый секретарь ..—\ /т^чг^ Степанова Светлана

диссертационного совета \ Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1

Актуальность темы. Согласно статье 13 федерального закона №116 «О промышленной безопасности производственных объектов» технические устройства (ТУ), применяемые на ОПО подлежат экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ). Представленная работа выполнена в контексте экспертизы промышленной безопасности технических устройств (ТУ) на ОПО, к которым относятся трубопроводы различного назначения на химических и нефтехимических производствах.

В настоящее время значительная часть трубопроводов химических и нефтехимических производств отработала нормативный ресурс. Их дальнейшая эксплуатация возможна только с разрешения органов Ростехнадзора на основании заключений экспертизы промышленной безопасности.

Нормативные документы по экспертному диагностированию технического состояния и определению остаточного срока безопасной эксплуатации трубопроводов, эксплуатирующихся в химической и нефтехимической отраслях промышленности, предписывают при экспертизе, в зависимости от условий эксплуатации, выполнять механические испытания для установления фактических механических характеристик. Повышенное внимание следует уделять таким характеристикам как ударная вязкость, показатели трещиностойкости, предел макроупругости. Однако на практике выполнение указанных испытаний трудноосуществимы, а в ряде случаев невозможны (процессы в основном непрерывны и остановы кратковременны) и не целесообразны, так как вырезки образцов для испытаний и последующий ремонт наносят вред обследуемому оборудованию (возникают дополнительные напряжения). Поэтому задача поиска информативного способа оценки интересуемых механических свойств металла без разрушения элемента обследуемого трубопровода весьма актуальна.

Учитывая актуальность вопроса очевидна необходимость разработки методики оценки остаточного ресурса трубопроводов, учитывающей изменение состояния металла трубопровода с течением времени при его эксплуатации в различных условиях, без его разрушения.

Реализация такой методики видится в применении и адаптации метода мультифракгальной параметризации (МФП) для установления корреляционной взаимосвязи механических свойств металла с результатами МФ анализа цифровых изображений его микроструктуры.

Целью работы является разработка методики оценки ресурса безопасной эксплуатации технологических трубопроводов из стали 17Г1С на основе метода мультифракгальной параметризации.

Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:

• исследование чувствительности параметров мультифрактального анализа структуры металла к изменениям показателей пластичности (хрупкости) на примере выявления взаимосвязи с критической температурой хрупкости;

1 Научную консультацию по вопросам методологии мультифрактальной параметризации осуществлял кандидат технических наук, Анваров Амир Дамирович.

• адаптация методологии МФП для анализа изображений структур сталей 17Г1С при экспертизе промышленной безопасности оборудования химических производств;

• исследование роли поверхности трубопровода в изменении свойств материала трубопровода и выявление эффективной глубины поверхностной обработки при мультифрактальном анализе;

• идентификация металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации;

• установление взаимосвязи мультифрактальных параметров с величиной действовавших напряжений;

• апробация разработанного метода и результатов исследований на примере конкретного трубопровода при оценке его остаточного ресурса безопасной эксплуатации.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертации впервые:

- разработана методика оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов химических производств по МФ параметрам металлографической структуры его поверхности. На примере действующего трубопровода, выполнен расчет остаточного ресурса по изменению МФ параметров.

- создан метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов, с целью выявления факта превышений допускаемых напряжений требованиям промышленной безопасности. Данный метод может использоваться при входном контроле качества поступивших труб. Для этого метода разработано специальное устройство, создающее при испытаниях распределение напряжений известной величины, позволяющее в удобной форме проводить исследования. Подходы, заложенные при создании устройства и метода, позволяют продолжить исследования на других интересуемых материалах;

- разработаны методические рекомендации предварительной подготовки изображений структур к МФ анализу, развиты методические подходы по обработке полученных результатов и их адаптации к особенностям структуры и механических свойств материала трубопроводов химических производств;

- предложен способ идентификации металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации;

- для сталей рассматриваемого класса показана возможность оценки критической температуры хрупкости, как одного из определяющих показателей свойств материала оборудования опасных производств, характеризующих его безопасную эксплуатацию, по МФ параметрам однородности изображений структуры;

- выявлена эффективная глубина поверхностной обработки металла трубопровода для проведения мультифрактального анализа;

Практическая ценность состоит в том, что разработанные методика и методические рекомендации обеспечивают возможность при проведении экспертизы промышленной безопасности проводить оценку фактических свойств металла трубопроводов химических (СКИ - синтетического каучука изопренового, изопрена, этилена, олигоме-

4

ров, стирола и полиэфирных смол и других) и нефтехимических, а также нефтегазовых производств неразрушающим способом, без вырезки образца, исключая потенциальную вероятность снижения безопасности его эксплуатации.

Предложенный метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов позволяет выявлять факт превышения допускаемых напряжений, при его наличии, при эксплуатации трубопроводов на производстве. Полученные результаты служат дополнительными критериями оценки качества металла и позволяют принимать ресурсные решения при экспертизе промышленной безопасности трубопроводов. На данное устройство был получен патент №100256 на полезную модель СО-МФ-1 «Устройство для оценки остаточного ресурса трубопровода по мультифракталь-ным параметрам структуры металла».

На защиту выносятся:

- методика оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов по МФ параметрам металлографической структуры его поверхности;

- метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов;

- полезная модель СО-МФ-1 «Устройство для оценки остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла»;

- методические рекомендации по подготовке образцов к МФ анализу с целью обеспечения объективности результатов МФП при экспертизе промышленной безопасности оборудования опасных производств;

- рекомендации по поверхностной обработке металла трубопровода для МФ анализа структуры;

- рекомендации по возможности применения МФП для оценки параметра критической температуры хрупкости, с целью учета изменений его значений при экспертизе промышленной безопасности трубопроводов.

Личный вклад соискателя в представленных к защите материалах состоит в идее создания уникального устройства, позволяющее создавать при испытаниях градиент остаточных деформаций известной величины, проработке литературных данных по тематике исследований, в проведении исследований, обработки данных, обобщении результатов, подготовке статей, докладов, отчетов. Совместно с канд. техн. наук Анваро-вым А.Д., доктором техн. наук профессором Булкиным В.А. проводилось обсуждение и обобщение результатов.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации представлены и обсуждены на всероссийских и международных конференциях: 18-я Всероссийская научно-техническая конференция и выставка «Неразрушающий Контроль и Техническая Диагностика»( Н.Новгород, НГТУ, 2008), Вторая Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массобменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, КНИТУ, 2008), Научная сессия КНИТУ по итогам 2011 года (г. Казань, КНИТУ, 2012). Третья Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Идентификация тепло-

массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г.Казань, КНИТУ, 2012), XIII Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность. Проблемы и решение». (г.Уфа, ИПТЭР, 2013).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 13 публикациях, из них - 6 статей, опубликованные в научных журналах, 6 тезисов докладов, 1 патент.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 155 страницах, содержит 39 рисунков и 10 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (164 наименований).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен литературный обзор по методам диагностирования состояния материала и оценки остаточного ресурса технических устройств объектов промышленной безопасности. По результатам литературного анализа установлены виды предельных состояний металла. Проанализированы рекомендуемые способы определения предельных состояний и выявлены их достоинства и недостатки. Выявлены новые и перспективные способы анализа структуры и свойств материалов. На основании проведенного анализа литературных данных сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава содержит постановку задачи, описание объектов исследования, а также методы и методики экспериментальных исследований и обработки данных. Объектом исследования послужила сталь марки 17Г1С широко используемая при изготовлении трубопроводов химических и нефтехимических производств, а также магистральных трубопроводов.

В качестве объектов исследования использовали металл действующих трубопроводов, а также металл аварийного запаса.

Основные результаты работы получены с использованием широкого набора методов исследования: стандартных методов механических испытаний, металлографических исследований, метода мультифрактальной параметризации (МФП) изображений с применением программы МФ анализа MFRDrom, разработанной Г.В. Встовским. (ИМЕТ им. A.A. Байкова).

Глава 3. Состояние поверхности трубопровода как основной критерий его технического состояния

Глава посвящена исследованию особенностей состояний поверхности трубопровода. Исследованы различные виды трубопроводов, специфика и отличия роли поверхности и ее состояния в процессе эксплуатации трубопроводов. На основании литературных данных проанализировано влияние стресс-коррозии на безопасность эксплуатации магистральных газопроводов, изучены признаки стресс коррозии и факторы, влияющие на процесс ее развития.

В этой главе проанализированы особые условия эксплуатации наружной поверхности. Установлено, что олним из факторов, определяющих условия развития стресс-коррозии, является нмичне высоких растягивающих напряжений в стенке трубопровода. По-видимому, чем ближе напряжения к пределу текучести металла, тем быстрее развивается стресс-коррозия.

Рассчитанное по формуле распределение напряжений по толщине стенки трубопровода (0,1-5 мм) для трех диаметров (720, 1020, 1420 мм) при давлении (5,0 Mlla) представлено на рисунке 1. Для наглядности расчет производился для толщин от 0,1 мм до 5 мм, т.к. при толщине менее 0,1 мм напряжения резко возрастают, а свыше 5 мм -мало изменяются. Из рисунка I следует, что на наружной поверхности трубопровода значения напряжений возрастают с увеличением диаметра. Это способствует развитию КРН со стороны внешней поверхности магистральных газопроводов.

Далее показано влияние промерзания фунта и показаны причины возникновения КРН из сравнительного анализа условий работы магистральных нефтепроводов и газопроводов.

В таблице I приведены данные по распределению аварийных разрушений линейной части магистральных газопроводов ООО «Севергазпром» по удаленности места отказа от компрессорной станции и линейной части магистрального нефтепровода «Омск-Иркутск» ОАО «Транснефть» по удаленности места отказа от насосной станции, а также подсчитана плотность аварий, приходящихся на 1 км длины.

Таблица I - Распределение аварийных отказов по удаленности от станции

Расстояние от станции, км Магистральный газопровод Магистральный нефтепровод

Количество аварий Плотность аварий, км 1 Количество аварий Плотность аварий, км'1

0-10 11 1,10 28 2,80

11-20 23 1.70 10 1,00

21-30 7 1.37 12 1,20

31-40 8 1.23 4 0,40

41-50 7 1,12 7 0,70

5MI00...II5) 15 0.6 24 ~0,5

Как видно из таблицы 1, наибольшая плотность аварийных разрушений газопроводов приходится на так называемые «горячие» участки трассы в пределах 11-20 км от

7

о. МП.

4000С

ЮООС 1 1 1 1 1

кяоо V ,1 ^ >

10000 %

О 1 1 J 4 L *

Рисунок 1 - Расчетное распределение напряжений по толщине стенки трубопровода (отсчет от наружной поверхности) для диаметров, мм: I -720:2- 1020; 3- 1420.

компрессорной станции по ходу гам. Вместе с тем, для нефтепроводов наибольшая плотность приходится на прилегающий к насосной станции участок в пределах 0-10 км.

Известно, что температура трубопровода меняется по длине, прежде всего, за счет передачи тепла в окружающий трубу грунт. Например, газ в летний период поступает в трубопровод с компрессорной станции, имея температуру около 60 "С, а подходит к следующей компрессорной станции с температурой 20-35 "С; в зимний период температура может изменяться от плюс 30-40 °С до минус 30 "С в зависимости от температуры окружающей среды.

Разрушение труб при напряжениях, не превышающих предел прочности металла, можно объяснить зависимостью прочности от времени, т.е. малоцикловой усталостью.

Из теории КРН известно, что развитию стресс-коррозии способствует сочетание трех групп факторов: первая группа определяет исходное качество металла и его чувствительность к растрескиванию; вторая - характеризует соответствующий уровень и цикличность растягивающих напряжений; третья - отражает параметры окружающей среды, возможность доступа коррозионной среды и взаимодействие с поверхностью металла.

Результаты проведенного нами анализа позволяют сделать вывод о соотнесении к третьей группе факторов морозное пучение грунта, т.е. увеличение объема промерзающего влажного грунта вследствие кристаллизации в нем воды (образующей ледяные прослойки, линзы и т.д.). Действительно: циклические процессы замерзания-оттаивания, сопровождающиеся пучением фунта, вызывают неравномерное распределение напряжения. как по периметру, так и по оси трубопровода, т.е. приводят к появлению второго фактора - цикличных напряжений.

Причинами появления КРН на магистральных газопроводах являются большие диаметр и рабочее давление трубопровода, сопряженных с рядом факторов: исходное качество металла и его чувствительность к растрескиванию; уровень и цикличность растягивающих напряжений; параметры окружающей среды, возможность досту па коррозионной среды и взаимодействие с поверхностью металла. Нами установлено, что одним из основных параметров окружающей среды, способствующих появлению стресс-коррозии, является глубина и характер промерзания грунта, ведущая к морозному пучению.

С целью предотвращения возникновения КРН необходимо при проектировании магистральных газопроводов учитывать воздействие морозного пучения грунтов и предусматривать специальные конструктивные решения и методики раннего диагностирования. Одним из таких перспективных методов исследования поверхности является методика определения механических свойств по мультифрактальным параметрам, дающая возможность определения состояния металла трубопровода для своевременного выявления КРН и проведения предупреждающих мероприятий

Далее в работе была экспериментально показана информативная насыщенность поверхностных слов относительно объемных (в глубоких слоях) свойств. Для этого из темплета металла, вырезанного из трубопровода отработавшего расчетный ресурс, были приготовлены образцы ступенчатой формы. При этом использовали участок трубопровода подверженного коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН). Матери-

ал образца - сталь марки 09Г2С. Ст>пс»ыси образца выгачивались на глубине 100, 200. 300. 400, 700. 1000 и 2000 мкм с обеих сторон образца.

F200 ф Наружна« ■ Вмутр«ми>»

2.6 л

ф700 ¿000

*» Г°Я100 Г

VS?400 400

2.4

2.3

-0.17

•0.1S -0,1J

D1-D200

12000 ♦ 200

-0,11

-0,18

-0,16 -0.14 01-0200

•ОД2

-0,1

Рисунок 2 • Распределение даш ых глубины съемки металлографической структуры в координатах упорядоченность (О I -0200)-однородность (Р200) (безразмерные величины) хтя наружной и внутренней поверхности (средние значения показателей МФЛ).

Рисунок 3 - Выделение областей, разграничивающих подповерхностные и более глубокие слои для наружной поверхности (средние значения показателей МФА).

При рассмотрении результатов мультифрактального анализа в виде графика в координатах упорядоченность-однородность (рис.2) для вариант анализа с наружной поверхности были выделены своеобразные области (рис.3), разграничивающие подповерхностные и более глубокие слои. Для внутренней поверхности такие области не наблюдаются.

Глава 4. Идентификация наработки ресурса трубопровода по значениям мультнфрактальных параметров изображений металлографической структуры

Глава посвящена разраЗоткс принципов использования МФП для создания эффективных средств идентификации наработки ресурса трубопроводов при металлографических исследованиях состояния металла в ходе экспертизы промышленной безопасности трубопроводов эксплуатирующийся на ОПО.

Использование метода МФП требует изучения влияния предварительной обработки изображений структур на конечный результат параметризации. В предыдущих работах указывалось на необходимость приведения фотографий металлографических структур к двухопенковому виду для корректной их обработки МФП Для этих целей удобным средством промежуточной обработки фотографий является применение фильтра «photocopy» программы Photoshop.

В данной работе была определена степень влияния действия этого фильтра на результаты МФП. Для этого по приведенному в диссертации алгоритму была обработана тестовая фотография структуры, параметр «dctal» данного фильтра последовательно изменяли от минимального до максимального значения.

« 9 12 15 18 21 24 27 МвЧФИМЯ параметра detal

•0.146

2,64 2.6

8

С 2,56

8 "°Д51 и

? -0.156 о

-0,161

-0.166

6 9 12 15 18 21 24 27 1мач«м>и парммтр* d«t*l

у s -4Е-05** ♦ 0,0022*' - 0.0457* ♦

2 <442 «' = 0,9969

Рисунок 4 - Влияние предмрнтельной Рисунок 5 - Влияние предварительной об-

обработки фотографии на результаты работки фотографии на результаты муль-

мультифрактального параметра упорядо- тифрактального параметра однородности

чснности (D1-D200). (F200).

Результаты анализа приведены на рисунках 4 и 5. Характер влияния предварительной обработки изображения структуры (изменение параметра «detal» фильтра «photocopy» программы Photoshop) на значения мультифрактальных характеристик описываются уравнениями полинома 2-й степени с высокой величиной достоверности аппроксимации Полученные уравнения зависимости значений мультифрактальных характеристик от действия фильтра, позволяет корректно анализировать значения мультифрактальных характеристик изображения, полученные при различных значениях параметра «detal» фильтра «photocopy» программы Photoshop при предварительной обработке изображения металлографической структуры.

А

X

о

-o.es --0,1 -I-0.1S- *

S -0,2 -

-0.25 ■

S

♦ обрит! 100* ■ o6f»vu2 100* А овр1Жч1_400* X обр>Мц2 400*

-04 .

Рисунок 6 - Разброс значений муль-тифраюального параметра упорядоченности (D1-D200) по вариантам изображений структур.

3,2 э 2.8 2* 2*4 2.2 2

X

X

♦ обр*мц1_100* ■ обриецг.ЮО* А оврамц1_400* X овр««ч2_40С*

Рисунок 7 - Разброс значений мультифрак-талыюго параметра однородности (F200) по варишггам изображений структур

Для апробации теории, согласно которой метод МФП может однозначно идентифицировать трубопроводы с различной наработкой эксплуатации, были изготовлены и испытаны 2 образца: 1-й образец изготовлен из металла аварийного запаса (с исходными свойствами и структурой) 2-й образец из металла трубопровода, отработавшего расчетный ресурс. Марка материала в обоих случаях соответствовала стали 17Г1С.

Графики распределения значений мультифраетальных параметров для описанных выше образцов представлены на рис.6 и 7.

Как видно из графиков, вариант исследования изменений в структуре материала по фотографиям 400 кратности не приемлем (ограниченно приемлем), вследствие пересекающихся значений параметров для образцов различных состояний; разброс значений мультифрактальных параметров от действия фильтра, примененного при предварительной обработке фотографий структур, имеет меньшие значения, чем подобный разброс по вариантам самих структур (в различных полях зрения). Вносимые фильтром искажения не существенно влияют в результаты мультифрактального анализа (тем более при работе на среднем значении параметра фильтра). Разница между значениями муль-тифрактальных параметров образцов рапичных состояний, имеет большие значения, чем подобный разброс по вариантам самих структур (в различных полях зрения), что позволяет идогтифицировать зги состояния по мультифрактальным параметрам.

Применение метода МФП к изображениям структур, приведенных в работах Го-рнцкого В.М. по исследованию критической температуры хрупкости стали 09Г2МФБ, позволили получить наглядные иллюстрации возможности установления ее взаимосвязи с МФ параметром однородности (рис.8,9) и создания неразрушающе го метода для оценки состояния металла по згому параметр)'.

ю 100

Уоет.-С*

1000

Рисунок 8 - Зависимость параметра однородности Г200 от скорости охлаждения стали 09Г2МФБ.

Рисунок.9. Зависимость критической температу ры хрупкости ДТ» от скорости охлаждения стали 09Г2МФБ 500ч при 450 °С. (согласно В.М. Горнцкому)

Глава 5. Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла

Глава посвящена испытаниям и исследованиям по реализации использования методологии МФП для оценю! состояния металла трубопроводов химических и нефтегазохимических производств из сталей 17Г1С при их обследовании с целью установления возможности их дальнейшей эксплуатации и оценки остаточного ресурса. Приводится метод оценки остаточных деформаций в материале трубопровода. Наглядно демонстрируется работа разработанного специального устройства для создания градиента остаточных деформаций На базе разработанного подхода проведена оценка остаточного ресурса действующего трубопровода.

\

\

/

\

Для оценки остаточного ресурса трубопровода посредством установлении соотношения между характером деформаций и муль-тифрактальными параметрами мсталлофафи-ческой структуры нами предложен образец СО-МФ-1 (получен патент на полезную модель №100256).

СО-МФ-1 выполняете* в виде прямоугольной пластины из металла идентичного материалу контролируемого трубопровода, содержит захватные 1 и рабочую 2 части (рис. 10). В рабочей части образца выполнены вырезы с радиусом R, симметрично расположенные относительно продольной оси, образующие перешеек. Радиус R и минимальная ширина перешейка а определяются расчетным путем по соотношениям напряжений в точках на продольной оси, соответствующими пределу прочности в минимальном сечении перешейка и упругой деформации металла в начале выреза.

Рисунок 10 - Устройство СО-МФ-1. Вид из программы Ansys.

2.67 }.«

2.Ы Fi00 2.61 2.» 237 2.SS

ikmm» ♦

«,16

AIS -0,1« 014)200

«.13 «.12

Рисунок 11 - Усредненные значения результатов МФА для изображений структур образцов 1-й серии.

2.BS

2.7S 2.2

«00 2.6S 2,6 2.5S 2.S 2.4S

"1

^ 14мм

♦ 11мм

я*«

-0,1«

«.16 «.1« 01-0200

«.12

«.1

Рисунок 12 - Усредненные значения результатов МФА для изображений структур образцов 2-й серии.

Для алробацин данного метода были изготовлены и испытаны 2 серии образцов. 1-я серия образцов изготовлена из металла аварийного запаса (с исходными свойствами и структу рой), 2-я серия - из металла трубопроводов, отработавших расчетный ресурс. Марка материала во всех случаях соответствовала стали 17Г1С.

После испытаний на растяжение на наружной поверхности всех образцов были приготовлены мсталлофафические шлифы, с изображений сфуктур которых были сняты мультифрактальные парамефы и сопоставлены с расчетными значениями действовавших в этих зонах напряжений.

На рисунках II и 12 показано распределение средних значений мультифракталь-ных параметров для образцов обеих серий в зависимости от удаления от места разрыва в перешейке образца.

«00

1 серия О тест (соседние) ----тренд 2 серия

2»5

2.65

2 серия тест 2

гест ■ тренд 1 серия

2,55

2.45

и

о

0,18

■0,16

•0,1« 01-0200

А,12

•0,1

Рисунок 13 - Ранжирование результатов МФА по вариантам образцов с нанесенными значениями тестовых исследований.

1 серия - образцы из металла аварийного запаса

2 серия - образцы из металл трубопровода, отработавшего ресурс Тест - образец из металла 1-го исследуемого трубопровода

Тест (соседние) - образцы из металла 1-го исследуемого трубопровода после кольцевых швов

Тест 2 - образец из металла 2-го исследуемого трубопровода

Как видно из графиков, характер распределения результатов МФА логично сочетается с областями распределения НДС образца (рис. 10).

На графике (рис. 13) хорошо различимы " два механизма, один из которых характерен

для образцов с трубопровода отработавшего ресурс (2 серия) и образцов металла аварийного запаса (1 серия).

Разброс значений объясняется локальной неоднородностью свойств материала.

Рассчитав в программе Ап$у$ значения действовавших в каждой точке образца СО-МФ-1 напряжений в момент его разрыва при испытаниях на статическое растяжение, были установлены корреляционные зависимости между мультифрактальными характеристиками и величинами действовавших в металле напряжений (рис. 14, 15, 16) с высокими значениями величин достоверности аппроксима-

Рисунок 14 - Усредненные значения результатов МФА для изображений структу р образцов 1-й и 2-й серии.

цни для усредненных значений мультнфракгальных характеристик (особенно для значений однородности) для каждого образца серии.

-0.16

А15

-0.14 -0.13 014)200

«.и

О. МП*

670

640 610

МО 5»

520

у »-ЗЭ519к>- 7755,7«. 301,27

Я» »0.9067

■0,19 -0,17 -0,15 -0.13 0.11 0,09 01-0200

Рисунок 15 - Зависимость между МФП Рисунок 16 - Зависимость между МФИ

упорядоченности и величиной действовавших в металле напряжений для образцов 1-й серии.

упорядоченности и величиной действовавших в металле напряжений для образцов 2-й серии.

Следует отмстить, что образцы металла 2 серии согласно результатам испытаний на ударную вязкость отличаются повышенной хрупкостью. Среднее значение КСУзо - 23.2 Дж/см1, что существенно ниже значений, рекомендуемых нормативными документами (>29.4 Дж/см2). Таким образом, чтобы обеспечить необходимый уровень безопасной эксплуатации таких трубопроводов, необходимо принимать во внимание охрупченное состояние металла при прочностных расчетах или же полностью исключать из эксплуатации трубопроводы с такими показателями мультафрактальных параметров. В любом случае продолжать эксплуатацию без дополнительной проверки нельзя.

Дм апробации метода согласно разработанной методики была проведена оценка ресурса двух действующих трубопроводов.

В ходе проведения ремонтных работ на данных трубопроводах на участках с выявленными дефектами на наружной поверхности были приготовлены металлографические шлифы с применением полевого оборудования для металлографических исследований и сделаны цифровые снимки структуры основного металла трубопроводов при увеличении 100х.

Данные снимки были обработаны согласно вышеописанным (в предыду щих главах) рекомендациям и подвергнуты мультифрактальной параметризации. Результат параметризации изображения структуры металла 2-го трубопровода представлен на рисунке 13 (значение «тест 2») и соответствует нашим представлением о нормальном (недеградированном) состоянии металла.

Результат параметризации изображения структуры металла 1-го трубопровода представлен на рисунке 13 (значение «тест») и соответствует нашим представлениям об охрупченном состоянии металла По нашей рекомендации была произведена вырезка участка для проведения испытаний на ударную вязкость, результаты испытаний (КСУМ 22.6 Дж/см1) подтвердили предположения об охрупчеином состоянии трубы.

Дтя оценки остаточного ресурса данного участка трубопровода применили рекомендации РД 03-421-01 раздела прогнозирования ресурса сосудов по критерию хрупко-

го разрушения. Был рассмотрен частный случай методики, согласно которому, если сталь или сварные соединения при рабочих режимах эксплуатации или испытаний имеет ударную вязкость ниже значений, предусмотренных Правилами устройства и безопасной эксплуатации исследуемого технического устройства, необходимо при оценке хрупкой прочности проводить расчет по критерию «течь перед разрушением». Использование критерия «течь перед разрушением» предусматривает выполнение условия, при котором процессу неконтролируемого роста трещины (хрупкому разрушению) предшествует образование сквозного дефекта на стадии ее медленного подрастания, то есть значение критического размера дефекта 1кр больше, чем толщина стенки S элемента сосуда, в котором имеется дефект: 1кр > S.

К1.

Критический размер дефекта рассчитывается по формуле: lfJ, = —'^-г,

Mij\

где К ¡с - критический коэффициент интенсивности напряжений в материале сосуда; M — параметр, зависящий от конструкции сосуда, формы трещины и напряженного состояния;

07 - максимальное напряжение в зоне дефекта. Параметр M определяется по справочной Литературе.

Условие трещиностойкости по критерию «течь перед разрушением» может быть записано в следующем виде: 1кр > Sne,

где пе - коэффициент запаса по критическому размеру дефекта.

Учитывая, что коэффициент запаса прочности по коэффициенту интенсивности напряжений равен 2, значение коэффициента пе следует принимать пе = 4.

Учитывая, что исследуемое техническое устройство является трубопроводом, а также принимая во внимание рекомендации ПНАЭ Г-002-86. Преобразуем условие трещиностойкости к виду: ^ У , где s - минимальная толщина стенки трубопровода,

Kic - критический коэффициент интенсивности напряжений в материа-0,2 ле трубопровода, Оод-условный предел текучести материала трубопровода.

Исходные данные для расчета остаточного ресурса 1-го и 2-го трубопроводов представлены в таблице 2. Таблица 2 Исходные данные

Обозначение Характеристика параметра Значение Размерность

1-й трубопровод 2-й трубопровод

Марка стали 17Г1С

to Время от ввода в эксплуатацию до начала диагностирования 24 35 лет

Тщ) Расчетный срок службы 20 20 лет

D Внутренний диаметр трубопровода 720 400 мм

Расчетная температура 20 100 иС

Р Расчетное давление 6 1,7 МП а

sf Фактическая толщина стенки 8,9 6,7 мм

So Толщина стенки до начала эксплуатации 11,0 10 мм

Га] Допускаемое напряжение материала 160 160 МПа

ов Временное сопротивление материала (фактическое) 660 - МПа

Оо,2 Условный предел текучести материала (фактический) 558 - МПа

УК коэффициент надежности по нагрузке - 1,5

К приведенное значение расчетного сопротивления материала труб - 161,15 МПа

Л; Расчетное сопротивление растяжению (сжатию) 295,5 - МПа

п коэффициент надежности по нагрузке 1,1 -

п коэффициент несущей способности труб - 1

к коэффициент, зависящий от категории и срока службы трубопровода без замены 1 0,95

Ки Критический коэффициент интенсивности напряжений в материале (по ГОСТ 25.506-86*) 21,1 - МПа*мш

Результаты расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты расчета

Обозначение расчетного элемента Формула Значение Размерность

1-й трубопровод 2-й трубопровод

Отбраковочная толщина стенки согласно НД „ Уп-П-Р-О 2(к+Г„-Р) - 4 мм

о п-Р-й 2 (Ц+п-Р) 8 -

Скорость коррозии К0=(5„ 0,1 0,1 мм/год

Время до наступления предельного состояния () - остаточный ресурс - К 9,0(4) 24,7 (10) лет

Условие трещино-стойкости (К V 5 ¿810' — ки выполняется нет необходимости в проверке

Согласно рекомендациям РД 03-421-01 остаточный ресурс в этом случае определяется по формуле: Тхр=Ь Т„р,

где Т„р — расчетный срок службы оборудования. Если в паспорте устройства срок не указан, то принимается 20 лет;

Ь — коэффициент, определяемый по рис. 17 в зависимости от объема контроля Ук при техническом диагностировании.

Объем контроля при диагностировании 1-го трубопровода - 25 %. Соответственно остаточный ресурс Тхр составляет 4 года. Муль-тифрактальный анализ соседних участков трубы (после кольцевых швов) подобных аномалий не выявил (рис. 13. - «тест, соседние»), поэтому владельцу было рекомен-0 Ю 20 зо 40 50 60 70 80 90 100 ДОвано заменить только данную

К> Я» трубу. Остаточный ресурс для 2-го Рисунок 17 - Зависимость коэффициента b от объ- трубопровода принят максимально ема неразрушающего контроля при диагностиро- возможный и составляет 10 лет. вании" Таким образом, методика

показала чувствительность к процессам охрупчивания и информативность в качестве дополнительного экспресс метода неразрушающего контроля состояния металла. При этом необходимость вырезки материала трубопровода для механических испытаний требуется только в исключительных случаях - при обнаружении потенциально хрупких участков. Необходимо также продолжать сбор статистики как по изучаемой марке 17Г1С, так и по другим широко применяемым в данной отрасли маркам стали.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов химических производств по МФ параметрам металлографической структуры его поверхности. На примере действующих трубопроводов выполнена оценка ресурса их безопасной эксплуатации по изменению МФ параметров.

2. Создан метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов, с целью выявления факта превышений допускаемых напряжений требованиям промышленной безопасности.

3. Разработано специальное устройство, создающее при испытаниях распределение напряжений известной величины (Получен патент на полезную модель №100256). Подходы, заложенные при создании устройства и метода, позволяют продолжить исследования на других интересуемых материалах. Результаты испытаний данного устройства легли в основу предложенной методики оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов опасных производств.

4. Показана возможность оценки критической температуры хрупкости по МФ параметрам однородности изображений структуры, являющейся одной из характерных показателей материала оборудования опасных производств, определяющих его безопасную эксплуатацию.

5. Разработаны методические рекомендации предварительной подготовки изображений структур к МФ анализу, развиты методические подходы по обработке полученных результатов и их адаптации к особенностям структуры и механических свойств материала трубопроводов химических и нефтегазохимических производств.

6. Предложен способ идентификации металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации.

7. Установлена роль поверхности трубопровода в изменении свойств материала трубопровода и выявлена эффективная глубина поверхностной обработки металла при мультифрактальном анализе.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для размещения материалов

кандидатской диссертаций:

1. Сильвестров А. С. Пути совершенствования системы оценки работоспособности магистральных трубопроводов нефти и газа / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин // Контроль. Диагностика. - 2010. - №6. - С. 19-22.

2. Сильвестров А. С. Перспективные пути совершенствования современных методов диагностики магистральных трубопроводов / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №9. -С.404.

3. Сильвестров А. С. Применение метода мультифрактальной параметризации при оценке остаточного ресурса магистральных трубопроводов / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, Е. И. Николаев, В. А. Булкин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №12. - С.464.

4. Сильвестров А. С. Термоциклические процессы как причина КРН на магистральных газопроводах / А. С. Сильвестров, В. А. Булкин, А. Д. Анваров // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №18. - С.168.

5. Сильвестров А. С. Мультифрактальная параметризация в оценке уровня напряжений в материале нефтегазопроводов / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин // Экспозиция Нефть Газ. - 2012. - №2. - С. 73.

6. Сильвестров А. С. Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифракталь-ным параметрам структуры металла / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин // Контроль. Диагностика. - 2013. - №12- С. 55.

Научные статьи в сборниках и материалах конференций:

7. Сильвестров А. С. Использование методологии мультифрактальной параметризации при технической диагностике / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин // Вторая Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». - Казань, 2008. - С. 151.

8. Сильвестров А. С. Оценка остаточного ресурса трубопроводов по мультифрактальным параметрам / А. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, В. А. Булкин //18-я Всероссийская научно-техническая конференция и выставка

«Неразрушающий Контроль и Техническая Диагностика». НГТУ. - Н.Новгород, 2008.-С. 125.

9. Биктимеров М. Н. Идентификация наработки ресурса трубопровода по значениям мультифрактальных параметров изображений металлографической структуры / М. Н. Биктимеров, А. С. Сильвестров, В. А. Булкин // Третья Всероссийская студенческая научно-техническая конференция «Идентификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология. - Казань, 2012. - С.336-340.

Патенты:

10. Пат. №100256 Российская Федерация, МПК вОШ 3/02(2006/01). Устройство для оценки остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла / Сильвестров А. С., Анваров А. Д., Булкин В. А., Николаев Е. И.. -№ 2010127004; заявл. 01.07.2010; опубл. 10.12.2010; Бюл. №34.. - 3 с.

Заказ Тираж 100 экз.

ООО «Астрапроект»

420133 г. Казань, пр. Ямашева, 102А, офисЗ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

На правах рукописи

04201364839

Сильвестров Артем Степанович

ОЦЕНКА РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОЙ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ

05.26.03 — пожарная и промышленная безопасность

(в химической отрасли промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Булкин В. А.

Казань-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Список сокращений.................................................................. 4

Введение.............................................................................. 7

1. Состояние экспертизы промышленной безопасности технических устройств опасных производств.................................................. 14

1.1. Экспертное диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы трубопроводов............................................................................15

1.1.1. Порядок проведения технического диагностирования . 21

1.1.2. Анализ повреждений и параметров технического состояния ..................................................................................................................25

1.1.3. Уточненные расчеты на прочность и определение критериев предельного состояния............................................................................27

1.1.4. Определение ресурса и остаточного срока эксплуатации технических устройств....................................................................................28

1.2. Изменение физико-механических характеристик, процессы охрупчивания в материалах. Эксплуатационные факторы, обуславливающие процессы охрупчивания................................................................40

1.2.1. Деградационные процессы и выявление определяющих параметров технического диагностирования............................40

1.2.2. Изменение стандартных механических свойств материалов..........................42

1.2.2.1. Разупрочнение..................................................................................47

1.2.2.2. Упрочнение........................................................................................48

1.2.2.3. Технологические факторы охрупчивания..............50

1.2.2.4. Эксплуатационные факторы охрупчивания.... 53

1.2.3. Старение трубных сталей............................................................................65

1.2.3.1. Влияние различных факторов на кинетику процесса старения........................................................................................66

1.2.3.2. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей трубопроводов............................................ 67

1.3. Оценка механических свойств и структуры металла при проведении технического диагностирования 71

1.3.1. Оценка механических свойств............................... 71

1.3.2. Металлографические исследования......................... 74

1.3.2.1. Исследование макроструктуры металла........................76

1.3.2.2. Исследование микроструктуры металла......................77

1.3.3. Оценка качества металла методом мультифрактального анализа................................................................................................................................79

1.4. Заключение............................................................................................................................84

1.5. Постановка задачи..........................................................................................................84

2. Характеристика объектов и методов исследования................................................85

2.1. Основные объекты исследования........................................................................85

2.2. Методы исследования....................................................................................................85

2.2.1. Определение твердости методом Роквелла................................85

2.2.2. Механические свойства при статическом растяжении.. 86

2.2.3. Определение ударной вязкости............................................................88

2.2.4. Метод мультифрактальной параметризации............................89

2.2.5. Методы статистической обработки..................................................94

2.2.6. Методы исследования микроструктуры металла..................98

3. Состояние поверхности трубопровода как основной критерий его технического состояния..................................................................................99

3.1. Термоциклические процессы как причина КРН на магистральных газопроводах......................................99

3.2. Эффективная глубина поверхностной обработки металла трубопровода для мультифрактального анализа................108

Выводы к главе 3......................................................................................................................114

4. Идентификация металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации....................115

Выводы к главе 4......................................................................................................................122

5. Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла ..........................................123

5.1. Мультифрактальная параметризация в оценке уровня напряжений в материале нефтегазопроводов..................................................123

5.2. Оценка остаточного ресурса трубопровода по мультифрактальным параметрам структуры металла ....................................................127

Выводы к главе 5......................................................................................................................134

Выводы..................................................................................................................................................................135

Список литературы....................................................................................................................................137

Приложение........................................................................................................................................................153

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПБ - промышленная безопасность;

ЭПБ - экспертиза промышленной безопасности;

ОПО - опасный производственный объект;

МФ - мультифрактальные;

МФП - мультифрактальная параметризация

ТУ - технические устройства

ТС - техническое состояние

ПТС - параметры технического состояния

КО - критерии отбраковки

УЗТ - ультразвуковая толщинометрия

АЭК - акустико-эмиссионный контроль

ЗТВ - зона термического влияния

НД - нормативная документация

Тк (Тэ) - остаточный ресурс ТУ, подвергающегося действию коррозии (эрозии);

8ф - фактическая минимальная толщина стенки элемента;

Бр - расчетная толщина стенки элемента;

а - скорость равномерной коррозии (эрозионного износа);

Эй — исполнительная толщина стенки элемента;

С0 — плюсовой допуск на толщину стенки;

Тэ - время эксплуатации сосуда с момента его пуска;

/ТУ/ - допускаемое количество циклов нагружения;

N3 - количество циклов нагружения за период эксплуатации;

ав- временное сопротивление;

сг, - фактический предел текучести;

о0,2—условный предел текучести;

8 — относительное удлинение;

у/ - относительное сужение;

KCU (KCV) - ударная вязкость;

an - скорость установившейся ползучести;

[Ki] - допускаемый коэффициент интенсивности напряжений;

1кр - критический размер дефекта;

пе - коэффициент запаса по критическому размеру дефекта; К/кр- критический коэффициент интенсивности напряжений; rik - коэффициент запаса прочности по трещиностойкости; Toi— остаточный гарантированный ресурс; Кс (К/с) - статическая вязкость разрушения; Kd (Kid) - динамическая вязкость разрушения; Sc (5ic) - величина критического раскрытия трещины; ЛТк- суммарная величина охрупчивания;

ЛТкм- вклад в охрупчивание вследствие наклепа ферритной матрицы; ATvf - вклад в охрупчивание вследствие ослабления когезивной прочности границ зерен;

Т„р — расчетный срок службы оборудования;

to - Время от ввода в эксплуатацию до начала диагностирования;

D - внутренний диаметр трубопровода;

Р - расчетное давление;

Yf5 - коэффициент надежности по нагрузке;

R - приведенное значение расчетного сопротивления материала труб; Ri -расчетное сопротивление растяжению (сжатию); N - коэффициент надежности по нагрузке; ^ - коэффициент несущей способности труб;

k - коэффициент, зависящий от категории и срока службы трубопровода без замены;

Do - размерность Хаусдорфа-Безиковича, характеризующая однородный фрактал;

- информационная размерность, характеризующая скорость роста количества информации при 1—► 0;

Г>2 - корреляционная размерность, характеризующая вероятность найти в одной и той же ячейке покрытия две точки множества;

Эгоо и 0-2оо- экстремальные значения Dq, отвечающие степени разреженности мультифрактального множества; Гц - степень однородности;

Ад или ОгОч - указывает на предел нарушения симметрии при самоорганизации двумерных множеств и может интерпретироваться как мера упорядоченности.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Согласно статье 13 федерального закона №116 «О промышленной безопасности производственных объектов» [1] экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ) подлежат: проектная документация на строительство, расширение и ликвидацию опасного производственного объекта (ОПО); технические устройства (ТУ), применяемые на ОПО; здания и сооружения на ОПО; декларация ПБ и иные документы, связанные с эксплуатацией ОПО.

Представленная работа выполнена в контексте ЭПБ технических устройств (ТУ) на ОПО, к которым относятся технологические трубопроводы различного назначения на химических и нефтехимических производствах (нефтепровод, газопровод). ЭПБ технологических трубопроводов проводится индивидуально для каждой единицы, опасность которой зависит от условий эксплуатации (Р, t, среда), которые и определяют его группу и категорию (по РД 38.13.004-86 в зависимости от свойств транспортируемой среды делят на три основные группы: А, Б, В, а в зависимости от рабочих параметров среды (Р, t) - на пять категорий: I, II, III, IV, V).

Технические устройства, эксплуатируемые на потенциально опасных производствах, к которым можно отнести технологические трубопроводы, длительное время находившиеся в эксплуатации, потенциально подвержены высокой степени деградации структуры и изменению физико-механических свойств материала, его повреждением, как в результате воздействия эксплуатационных факторов, так и технологических факторов на стадии изготовления и монтажа. При этом на фоне низкой инвестиционной и инновационной активности значительное внимание необходимо уделять формированию методологии оценки остаточного ресурса и продлению сроков безопасной эксплуатации потенциально опасных производственных объектов с минимизацией риска возможных аварий и катастроф. В связи с

этим приоритетное направление приобретает экспертиза промышленной безопасности, целью которой является определение соответствия потенциально опасного производственного объекта предъявляемым к нему требованиям безопасности. Экспертиза проводится с учетом комплексной оценки параметров технического состояния объекта на основе методов и средств технической диагностики и системы количественных критериев и параметров прочности, безопасности, риска, живучести и ресурса [3].

В настоящее время значительная часть трубопроводов химических и нефтехимических производств отработала нормативный ресурс. Их дальнейшая эксплуатация возможна только с разрешения органов Ростехнадзора на основании заключений экспертизы промышленной безопасности, выполненных экспертной организацией, имеющей лицензию на проведение соответствующих работ.

В качестве базовой концепции оценки технического состояния трубопроводов опасных производств используется подход, согласно которому оценка технического состояния осуществляется по параметрам технического состояния (ПТС). В качестве определяющих ПТС принимают параметры, изменение которых может привести объект в неработоспособное или предельное состояние, то есть к его разрушению или созданию аварийной ситуации.

Одним из важных ПТС является состояние металла трубопровода - его структура и механические характеристики, которые под действием технологических (изготовление, транспортировка, монтаж) и эксплуатационных (условия эксплуатации — температура, давление, среда, цикличность) факторов могли измениться относительно своего исходного состояния.

Нормативные документы по экспертному диагностированию технического состояния и определению остаточного срока безопасной эксплуатации оборудования, эксплуатируемого в химической и нефтехимической отраслях промышленности, предписывают при экспертизе,

в зависимости от условий эксплуатации, выполнять механические испытания для установления фактических механических характеристик, так как при поверочных расчетах и расчетах остаточного ресурса ТУ, отработавших 20...30 и более лет в «жестких» условиях использовать нормативные значения механических свойств некорректно.

Кроме того, ряд исследований показал, что значения большинства стандартных механических характеристик (предел прочности, текучести и др.) не меняются или слабо меняются со временем, т.к. данные характеристики не чувствительны к изменению показателей пластичности (хрупкости). Следует уделять повышенное внимание таким характеристикам как ударная вязкость, показатели трещиностойкости, предел макроупругости

[4].

На практике выполнение указанных испытаний на объектах химических и нефтехимических производств трудноосуществимы, а в ряде случаев невозможны (процессы в основном непрерывны и остановы кратковременны) и не целесообразны, так как вырезки образцов для испытаний и последующий ремонт наносят вред обследуемому оборудованию (возникают дополнительные напряжения). Поэтому задача поиска информативного способа оценки интересуемых механических свойств металла без разрушения элемента обследуемого трубопровода весьма актуальна.

Учитывая актуальность вопроса очевидна необходимость разработки методики прогнозирования остаточного ресурса трубопроводов, учитывающей изменение состояния металла с течением времени при его эксплуатации в различных условиях, без его разрушения.

Для реализации данной проблемы видится перспективным установление взаимосвязи механических свойств металла с результатами мультифрактальной параметризации (МФП) цифровых изображений его микроструктуры. Созданная в ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН методология МФП, подробно описанная в трудах А.Г. Колмакова [5], Г.В. Встовского [6,7], нашла широкое применение. МФП является более совершенным видом представления теории

фракталов. Под фракталами принято подразумевать структуру, состоящую из частей, которые, в каком-то определенном смысле, подобны целому. Однако понятия самоподобия и масштабной инвариантности, заложенные в основе теории фракталов не могут полностью описать реальные природные структуры. Поэтому возникла так называемая теория МФП, которая благодаря дополнительному математическому анализу позволяет оценивать параметры однородности и упорядоченности, характеризующие меру нарушения самоподобия и отражающие геометрическую неоднородность составляющих изображения.

Этот алгоритм успешно реализован в программе МРЮЭгот, разработанной д.ф-м.н. В.Г. Встовским [6,7].

Однако адаптация метода для установления взаимосвязи мультифрактальных (МФ) параметров с механическими свойствами металла, требует разработки четкого алгоритма подготовки металлографических изображений к МФ анализу.

Ввиду большого разнообразия условий эксплуатации трубопроводов и вариантов их материального исполнения в рамках данной работы было принято решение ограничить исследования в рамках технологических трубопроводов выполненных из стали 17Г1С.

Целью работы является разработка методики оценки ресурса безопасной эксплуатации технологических трубопроводов из стали 17Г1С на основе методологии мультифрактальной параметризации.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертации впервые:

- разработана методика оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов химических производств по МФ параметрам металлографической структуры его поверхности. На примере

технологического трубопровода, выполнен расчет остаточного ресурса по изменению МФ параметров.

- создан метод оценки максимальных действовавших напряжений в стали 17Г1С по МФ параметрам изображений металлографической структуры поверхности металла трубопроводов, с целью выявления факта превышений допускаемых напряжений в соответствии с требованиями промышленной безопасности. Данный метод может использоваться при входном контроле качества поступивших труб. Для этого метода разработано специальное устройство, создающее при испытаниях распределение напряжений известной величины, позволяющее в удобной форме проводить исследования. Подходы, заложенные при создании устройства и метода, позволяют продолжить исследования на других интересуемых материалах;

- разработаны методические рекомендации предварительной подготовки изображений структур к МФ анализу, развиты методические подходы по обработке полученных результатов и их адаптации к особенностям структуры и механических свойств материала трубопроводов химических производств;

- предложен способ идентификации металла трубопровода отработавшего расчетный ресурс и металла образцов из аварийного запаса методом мультифрактальной параметризации;

- для сталей рассматриваемого класса показана возможность оценки критической температуры хрупкости, как одного из определяющих показателей свойств матери