ВРД 39-1.10-004-99 стр.2 разрушение иисчерпание несущей способности

 

4.2.6. Решение системы уравнений (4.10)-(4.12) осуществляется численными методами, реализованными в специализированном программном комплексе для ПК.

4.2.7. После определения напряженно-деформированного состояния в зоне дефекта по формулам (4.5)-(4.7) определяются другие параметры: объемная деформация, угол подобия девиатора деформаций .

4.3. "Совмещенный" дефект (рис. 3.2).

4.3.1. Для большего дефекта (дефект 1) компоненты напряжений и деформаций определяются в соответствии с п.4.2.

4.3.2. Для меньшего дефекта (дефект 2) расчет проводится по 4.2. с подстановкой в (4.10) вместо номинальных напряжений  и  напряжений  и , вычисленных в п.4.3.1. При этом в соотношениях (4.10) размеры дефекта — L = L2, W = W2, H = H2, а толщина стенки принимается равной  (рис. 3.2).

4.4. Продольная поверхностная трещина (п. 3.5):

4.4.1. Условно-упругие компоненты напряжений рассчитываются по формулам (Приложение 4):

                                       (4.13а)

где

                                         (4.13б)

r — характерный размер, отражающий чувствительность металла к концентрации напряжений [4, 5]; для современных трубных сталей r = 0,4 -0,6 мм.

4.4.2. Интенсивности номинальных  и местных упругих  напряжений определяются по (4.1).

4.4.3. Упругий коэффициент концентрации aе определяется по формуле (4.11).

4.4.4. По формулам (4.9) определяется коэффициент концентрации напряжений .

4.4.5. Упруго-пластические напряжения, действующие вблизи вершины трещины, равняются:

                             (4.14)

4.4.6. Используя (4.1)-(4.4), по полученным напряжениям вычисляются компоненты деформаций , ,  интенсивность деформаций.

4.4.7. По формулам (4.5)-(4.7) определяются объемная деформация  и угол подобия девиатора деформаций .

4.5. Окружная поверхностная трещина (п. 3.5).

4.5.1. Условно-упругие компоненты напряжений рассчитываются по формулам (Приложение 4):

                                       (4.15а)

где

                                          (4.15б)

4.5.2. Далее расчет производится по пп. 4.4.2-4.4.7.

4.6. Продольная сквозная трещина (п.3.6).

4.6.1. Условно-упругие компоненты напряжений рассчитываются по формулам (Приложение 4):

                                      (4.16а)

где

                                                  (4.16б)

4.6.2. Далее расчет производится по пп.4.4.2-4.4.7.

4.7. Окружная сквозная трещина (п.3.6).

4.7.1. Условно-упругие компоненты напряжений рассчитываются по формулам (Приложение 4):

                             (4.17а)

где

                                           (4.17б)

4.7.2. Далее расчет производится по пп.4.4.2-4.4.7.

 

5. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ

 

5.1. В данных методических рекомендациях расчет проводится по предельным состояниям, связанным с возникновением в наиболее нагруженной области дефекта такого уровня напряжений и деформаций, который приводит к нарушению сплошности металла. (Расчет по глобальным предельным состояниям, например, по условию потери устойчивости трубы должен осуществляться в соответствии с действующими нормативными документами).

Применительно к наиболее нагруженной "точке" (на самом деле всегда подразумевается некоторый малый элемент металла, мысленно выделенный вокруг "точки") рассматриваются две основные категории предельных состояний: разрушение и исчерпание несущей способности (Приложение 5). В обоих случаях используются деформационные критерии предельных состояний и, соответственно, деформационные параметры (e0 — объемная деформация, ei — интенсивность деформаций, e1 — наибольшая деформация удлинения, je— угол подобия девиатора деформаций) напряженно-деформированного состояния (п. 4.1).

5.1.1. Разрушение происходит при достижении предельной деформационной способности элемента металла:

                                                                  (5.1)

где  — разрушающая объемная деформация,  — разрушающая интенсивность деформаций.

5.1.2. Значительное формоизменение при упруго-пластическом деформировании может привести к уменьшению размеров и исчерпанию несущей способности элемента металла. Момент исчерпания несущей способности в значительной мере определяется степенью деформационного упрочнения металла. Предельная несущая способность достигается при условии (Приложение 5):

                                                      (5.2)

где          — предельная равномерная деформация удлинения, первое слагаемое

         отражает влияние объемности деформированного состояния на уровень предельной равномерной деформации.

Для степенной диаграммы деформирования  примерно равна коэффициенту деформационного упрочнения m, коэффициент  равен  — 0,5.

5.1.3. В качестве расчетного принимается то из предельных состояний (5.1), (5.2), которое наступает раньше.

5.1.4. Вычисление параметров , ,  деформированного состояния, возникающего в области дефекта, осуществляется в соответствии с п.4.

5.1.5. Критические деформации ,  и ,  считаются характеристиками материала (Приложение 5).

5.2. Предельное состояние одиночного дефекта (рис. 3.1) — течь в результате разрыва стенки (по критериям 5.1.1 или 5.1.2) с образованием в зависимости от направления наибольшей деформации удлинения продольного, длиной l = L, или окружного, длиной l = W, сквозного дефекта. Схематизация образовавшегося сквозного дефекта выполняется в соответствии с п.3.6.

5.3. В случае "совмещенного" дефекта (рис. 3.3) анализ проводится раздельно для дефектов 1 и 2 по п.4.2 с учетом п.3.3.2 для дефекта 2. Возможные предельные состояния: — для дефекта 1 разрыв стенки (течь) с образованием сквозного дефекта, длиной l = L1 (l = W); — для дефекта 2 разрушение стенки (течь) с образованием сквозного дефекта, длиной l = L2 (l = W2). Схематизация образующихся сквозных дефектов проводится по п.3.6.

5.4. Предельное состояние несквозного трещиноподобного дефекта (п.3.5) — течь в результате прорыва стенки с образованием продольного или окружного сквозного дефекта. Схематизация образовавшегося сквозного дефекта выполняется в соответствии с п.3.6.

5.5. Предельное состояние сквозного трещиноподобного дефекта — страгивание трещины при достижении в вершине критического уровня деформаций (5.1) или (5.2), считающееся (в запас прочности) началом нестабильного протяженного разрушения участка трубопровода.

 

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТА

 

6.1. Коррозия приводит к росту повреждения в процессе эксплуатации. При этом концентрация напряжений и деформаций в области дефекта может интенсифицировать коррозионные процессы. Для оценки остаточного ресурса учитывается изменение размеров дефекта вплоть до предельных по п.5.

6.2. Скорость роста дефекта в некоторой точке контура от коррозии под напряжением определяется по формуле [6]:

                                             (6.1а)

где          — скорость коррозии без напряжения,

CCT и CH — коэффициенты, характеризующие свойства стали и среды,

 — интенсивность деформаций,  — объемная деформация.

6.2.1. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей коэффициент CCT = 5 — 10. Коэффициент CH допустимо вычислять по формуле [6]:

                                                                     (6.1б)

где         k объемный модуль упругости,

V мольный объем стали,

     универсальная газовая постоянная,

     T абсолютная температура.

6.2.2. Деформации  и  определяются в соответствии с п.4.

6.3. В тех случаях, когда выполняется повторная дефектометрия для одного и того же поврежденного участка, скорость коррозии  вычисляется как

                                                                         (6.2)

где DHизменение размера дефекта за период времени Dt от одной до другой процедуры дефектометрии.

6.4. При недостаточном объеме информации о коррозионных свойствах металла и среды на данном участке трубопровода или об изменениях размеров дефекта во времени, скорость коррозии  принимается постоянной и равной 1 мм в год (выше наблюдаемых на практике скоростей коррозии, по крайней мере, на 40%).

 

7. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТА

 

7.1. Разделы 2-6 методики являются основой для проведения расчетов, однако порядок проведения конкретных расчетных работ существенно зависит как от цели расчета, так и от объема и достоверности имеющейся исходной информации.

7.2. Определение предельного давления и условного остаточного ресурса по заданным размерам трубопровода и дефекта. Ранжирование и классификация массива дефектов, получаемого внутритрубной диагностикой, по степени опасности.

7.2.1. По заданным размерам трубопровода (D, d) и механическим свойствам стали ,  (в данном расчете достаточно использовать типичные свойства трубных сталей, а не обязательно данные сертификата на поставку конкретной трубы) определяется проектное рабочее давление pраб (п.2), соответствующее [1]. Схематизация дефекта проводится по п.3.2.

7.2.2. Из системы уравнений (4.10)-(4.12) и условий (5.1), (5.2) определяются номинальные напряжения , далее определяется расчетное предельное давление ррасч:

                                                                 (7.1)

и расчетный коэффициент запаса по давлению np = ррасч / рраб

7.2.3. Если коэффициент запаса np оказывается меньше допускаемого [np], то дефект считается закритическим (п.1.5), необходимо снижение давления до безопасного уровня ррабnрр/[np], решение вопроса о ремонте дефектного участка.

7.2.4. Выбор допускаемого коэффициента запаса [np], должен согласовываться с нормативными документами [1]. Для заданных размеров трубы введем давления p02 и pB, соответствующие возникновению в стенке трубы кольцевых напряжений, равных пределу текучести и прочности:

                                                            (7.2)

Давление p02 наибольшее допустимое по [1] давление при испытании линейных участков трубопроводов. Отношение давления pB к рабочему (нормативному) давлению рВ / рраб(норм) представляет собой полный (проектный) коэффициент запаса в соответствии с [1]. Допускаемый коэффициент запаса [np] рекомендуется выбирать в диапазоне от р0 / рраб(норм) до рВ / рраб(норм).

В Приложении 6 приведены обобщенные номограммы допускаемых размеров дефектов с коэффициентами запаса [np] = р02 / рраб(норм) и [np] = рВ / рраб(норм) и примеры их использования.

7.2.5. Если коэффициент запаса np превышает допустимый [np], то проводится расчет с учетом возможного развития дефекта. Принимается, что размеры дефекта изменяются во времени:

                                                              (7.3)

где         LK, WK, HK  — размеры дефекта на момент контроля,

n — постоянная скорость коррозии 1 мм/год (п.6.4).

Для системы уравнений (4.10)-(4.12), условий (5.1), (5.2), и соотношений (7.1), (7.2) находится значение  такое, что выполняется

                                                     (7.4)

Расчетное время tрасч до образования предельно допустимого дефекта — остаточный ресурс (в условных годах) отражает степень опасности дефекта. Если время tрасч меньше 1 года, дефект считается критическим (п.1.5).

7.2.6. Помимо остаточного ресурса tрасч при классификации дефектов по степени опасности учитываются возможные последствия разрыва стенки трубы в зоне дефекта. Считается, что после разрыва стенки образуется сквозной продольный или кольцевой дефект, который в зависимости от размеров может либо быть устойчивым, либо распространяться, приводя к разрушению участка трубопровода. Расчет таких дефектов проводится по п.5.5 с применением уравнений (4.16) или (4.17) и схематизацией в соответствии с п.3.6.

Дефекты, для которых остаточный ресурс tрасч до разрыва стенки превышает 1 год, но существует опасность нестабильного распространения после разрыва стенки, считаются докритическими. Также докритическими считаются любые дефекты с ресурсом менее 5 лет.

7.2.7. Дефекты, для которых остаточный ресурс tрасч до разрыва стенки превышает 5 лет, и которые после разрыва стенки остаются в стабильном состоянии, считаются незначительными.

7.3. Определение уточненной оценки степени опасности вскрытого дефекта, его "живучести", уровня безопасного давления и т. д. проводится по п.7.2 с использованием фактических параметров поврежденного участка.

7.3.1. Инструментальные измерения размеров и взаимного расположения вскрытых дефектов дают более высокую точность, чем внутритрубная диагностика. В частности, в этом случае возможно схематизация дефектов "совмещенными" (п.3.3).

7.3.2. Механические свойства стали следует выбирать по данным сертификата на поставку труб или результатам неразрушающих испытаний.

7.3.3. Рабочее давление на участке трубопровода определяется прямыми измерениями внутритрубным снарядом или по данным диспетчерских служб.

7.3.4. По возможности, проводятся прямые измерения напряжений, действующих на поврежденном участке.

7.4. Общий порядок проведения работ по оценке опасности коррозионных дефектов описан в Приложении 7. Примеры расчетов представлены в Приложениях 8 и 9.

 

 

 

 

 

 

 

 


ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

МЕТОДИКА ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В СТЕНКЕ ТРУБОПРОВОДА

 

П1.1. Информация о величине действующих напряжений как на участке трубы, так и в зоне дефекта является основополагающей для количественной оценки работоспособности и ресурса участка газопровода с дефектами, поскольку позволяет ввести в расчеты фактические значения напряжений, действующие на конкретном дефекте, в конкретном месте участка трубопровода.

Напряжения, действующие в трубопроводах, определяются совокупностью факторов таких, как внутреннее давление транспортируемого продукта, продольный изгиб трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях, поперечный изгиб стенки трубы (овальность, гофры, вмятины), температурные деформации, остаточные напряжения в зоне сварных швов, влияние концентраторов напряжений (несовершенства формы сварных стыков, технологические дефекты, повреждения, образовавшиеся в процессе эксплуатации). В зависимости от знака действующих от каждого фактора напряжений, они могут компенсироваться или суммироваться. В последнем случае возможно образование зон локального перенапряжения и протекание значительных пластических деформаций, (хотя давление транспортируемого продукта соответствует нормативному или ниже нормативного), что является основной причиной аварий на магистральных трубопроводах.

П1.2. Средства измерений.

П 1.2.1. Значения действующих напряжений определяются с помощью ультразвукового измерителя напряжений "АСТ-2000". Измерения напряжений проводятся в соответствии с прилагаемой к прибору инструкцией по эксплуатации.

П1.2.2. Прибор позволяет измерять как эквивалентные напряжения, так и в отдельности каждый из компонентов продольных и кольцевых напряжений в условиях плоского напряженного состояния. Значения действующих напряжений отражаются на экране дисплея в МПа. Погрешность измерений не превышает 5% от предела текучести.

П1.2.3. Прибор автоматически регистрирует толщину стенки трубы в зоне измерения с точностью ±0,01мм, а также запас остаточной прочности в процентном отношении к пределу текучести стали трубы.

П1.2.4. Все измеряемые параметры заносятся в память прибора, по окончании измерений возможна распечатка протокола.

П1.3. Прямые измерения напряжений проводятся при обязательной шурфовке трубопровода, поскольку требуется контакт преобразователя измерителя с металлом трубы. Для этого производится снятие изоляции трубопровода в зоне измерений и зачистка с помощью шлифмашинки с автономным питанием. Площадь зачистки для каждого измерения составляет 50 х 50 мм2 , диаметр контакта преобразователя прибора — 20 мм. Непосредственно перед измерением на рабочую поверхность преобразователя наносится акустоконтактная жидкость.

П1.4. Место измерения в зависимости от вида дефекта определяется по следующей схеме (рис. П1.1):

Рис. П.1.1. Точки измерения напряжений в зоне дефекта

 

П 1.4.1. Общая коррозия — в местах минимальной (по возможности) и максимальной остаточной толщины стенки трубы.

П1.4.2. Язвенная коррозия — в околодефектной зоне.

П1.4.3. Стресс-коррозия — в центре колонии и вблизи трещины наибольшей длины.

П1.4.4. Линейные дефекты — в околодефектной зоне в середине длины дефекта.

П1.4.5. Дефекты металлургического характера, в том числе расслоения — над центром площади дефекта.

П1.4.6. Дефекты сварных соединений — по усилению сварного шва и околошовной зоне.

П1.4.7. Дефекты геометрии сечения трубы — по центру площади деформации и далее по линии образующей трубы, проходящей через центр, с шагом 100 мм до конца деформированной зоны. Аналогично, от центра по линии периметра трубы. Независимо от шага, измерения проводятся в обязательном порядке в местах экстремального изгиба стенки в ортогональных направлениях относительно оси трубы.

П1.4.8. Кроме непосредственно дефектных зон, проводится измерение напряжений, если имеется доступ, по бездефектному металлу трубы в 4-х диаметрально противоположенных точках по периметру трубы.

П1.5. Обработка результатов и представление данных в программы расчета.

П1.5.1. Определяются наибольшие значения действующих напряжений в зоне дефекта в кольцевом  и продольном  направлениях.

П1.5.2. Определяются напряжения, действующие в бездефектной зоне в кольцевом  и продольном  направлениях, и соответствующее давление .

П1.5.3. Определяются упругие коэффициенты концентрации напряжений в кольцевом  и продольном  направлениях.

П1.5.4. С учетом разницы между рабочим давлением рраб, при котором происходит эксплуатация трубопровода, и давлением рИЗМ , при котором проводятся измерения, вычисляются кольцевые  и продольные  номинальные напряжения.

П1.5.5. Определяются условно-упругие компоненты напряжений в зоне дефекта (см. также п.4.2.1):

                                                             (П1.1)

П1.5.6. Далее проводится расчет по пп.4.2.2-4.2.4 и 4.2.7. (В формуле (4.12б) можно использовать значения L, D, d без учета их изменения при деформировании).

 

 


ПРИЛОЖЕНИЕ 2

 

ПАРАМЕТРЫ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

 

П2.1. Напряженно-деформированное состояние в некоторой точке тела описывается симметричными второго ранга тензорами напряжений с компонентами  и деформаций с компонентами . Для каждого симметричного тензора второго ранга можно выбрать оси координат таким образом, чтобы все составляющие с различающимися индексами i ¹ j обращались в нуль. Такие оси координат называются главными. В результате приведения тензора напряжений (деформаций) к главным осям ненулевыми остаются только диагональные компоненты  соответствующих тензоров. Обычно эти компоненты нумеруются в порядке убывания . Если около рассматриваемой точки тела выделить бесконечно малый прямоугольный параллелепипед с гранями, перпендикулярными главным осям тензора напряжений, то на него будут действовать только нормальные напряжения . Прямоугольный параллелепипед с гранями, перпендикулярными главным осям тензора деформаций, удлиняется (укорачивается) в направлениях главных осей в отношениях , но не искривляется, т.е. прямые углы остаются прямыми.

Для тензоров ,  можно ввести систему инвариантов путем последовательной свертки тензорных произведений:

                                   (П2.1)

Здесь и в дальнейшем подразумевается суммирование по повторяющимся индексам.

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *