ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРУБОПРОВОДОВ ПО МОДЕЛЯМ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ Мурзаханов Г.Х., Быстрова Н.А. Научно-учебный центр «Сварка и контроль» МГТУ им. Баумана «СертиНК»

Модели коррозионного разрушения трубопроводов Подавляющее большинство трубопроводов эксплуатируются в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и активных сред. Причем эти факторы могут действовать в самых неблагоприятных сочетаниях. Такое совместное действие понижает долговечность и предел выносливости материала. Это приводит к значительно более быстрому разрушению металла труб, чем при действии каждого фактора в отдельности. Поэтому необходимо отслеживать не только общие коррозионные повреждения (равномерное уменьшение толщины), но и локальные: питтинг, язвенная, щелевая и ручейковая коррозия, которые при наложении механических воздействий могут стать источником коррозионной трещины.

Модели коррозионного разрушения трубопроводов В настоящее время нет общей теории, описывающей механизм КРН. Коррозионное разрушение под напряжением изучают материаловеды, химики и механики. В методике для оценки остаточного ресурса трубопроводов в зависимости от полноты исходных априорных данных предлагается два подхода. Первый подход базируется на моделях, исследующих процесс (механизм) разрушения, второй - на классических критериях прочности.

Расчет остаточного ресурса участка трубопровода по коррозионному износу Расчет остаточного ресурса обследуемого участка трубопровода следует производить в следующей последовательности. Определяют по результатом толщинометрии минимальное и максимальное значения скорости коррозии металла обследуемого локального участка трубопровода по формуле: где - минимальное и максимальное значение глубины _____коррозии, мм; Т э - фактическое время эксплуатации трубопровода, год. (1)

Расчет остаточного ресурса участка трубопровода по коррозионному износу Вычисляют минимальное и максимальное значения скорости коррозии с учетом коэффициента разброса скорости коррозии по формуле: Определяют остаточный ресурс обследуемого локального участка трубопровода по формуле: где h ф.min - фактическая минимальная остаточная толщина стенки трубы, мм; h доп.min - минимально допустимая толщина стенки трубы. (2) (3)

Расчет остаточного ресурса участка трубопровода с учетом механохимической коррозии Модель механохимической коррозии где - интенсивность напряжений; - среднее напряжение; Э - удельная энергия деформации; - функция температуры; - коэффициенты, определяемые из эксперимента. (4) (5)

Расчет остаточного ресурса участка трубопровода с учетом механохимической коррозии (6) где н – начальное кольцевое напряжение в трубе, кгс/мм 2 ; h H – начальная толщина стенки трубы, мм. где - абсолютная величина напряжений в металле при одноосном нагружении до предела упругости, кгс/мм 2 ; 0 - начальная скорость коррозии, мм/год; V - мольный объем металла (для стали 7 см 3 /моль); R - газовая постоянная (82,1 см 3 атм/моль град); T - температура, К.

Расчет остаточного ресурса участка трубопровода с учетом механохимической коррозии Остаточный ресурс локального участка трубопровода до наступления предельного состояния в стенке трубы следует определять по следующей зависимости: За остаточный ресурс обследуемого участка трубопровода следует принимать величину Т р.к = min Т р.кi. (8) (7) Относительную долговечность участка: где F H – коэффициент использования несущей способности; a – поправочный коэффициент; Ei – интегральная функция.

Объединенная модель КРН трубопроводов Условие роста дефекта Меры микроповреждений: Процесс накопления микроповреждений: где t s, t c – постоянные времени; f s, f c – некоторые функции. где (9) (10) (11) (12) Мера s описывает чисто механическое повреждение, мера c – чисто коррозионное.

Объединенная модель КРН трубопроводов где t – время; y – значения напряжений отрыва на фронте дефекта и ее продолжении; t s – постоянная времени; f – характеристика сопротивления материала накоплению механических повреждений; th – пороговое значение этого сопротивления; m f – положительный показатель Модель накопления микроповреждений: (13)

Объединенная модель КРН трубопроводов Распределение напряжений Коэффициент концентрации напряжений около эллиптического отверстия (14) (15)

Объединенная модель КРН трубопроводов В инженерных расчетах для вычисления напряжений можно использовать формулу где c a – установившееся значение концентрации на неподвижном фронте; с – параметр длины; t a – временной параметр, который характеризует скорость изменения ct(t) при остановившемся фронте (16) (17)

Объединенная модель КРН трубопроводов Концентрацию c a введем как где с – концентрация у входа в дефект; a – параметр материала, размерности длины. Процесс накопления коррозионных повреждений будем описывать уравнением вида: где t – время; c t – концентрация активного агента в момент времени t. (18) (19)

Объединенная модель КРН трубопроводов Аналитическая модель описывающая радиус кривизны дефекта: Простейшая связь радиуса кривизны с мерами микроповреждений – конечное соотношение вида = s + f s + c c. (20) (21) Здесь s – радиус «острого» дефекта, f – радиус «тупого» дефекта от механических повреждений, c – радиус «тупого» дефекта от коррозии. – масштаб длины, характеризует расстояние, которое должен пройти фронт дефекта, чтобы заострение дефекта стало заметным. Мера s описывает чисто механическое повреждение, мера c – чисто коррозионное.

Объединенная модель КРН трубопроводов Медленно растущий дефект в квазистационарном приближении: Где K c - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений Коэффициент интенсивности напряжений: Дальнейшее углубление ямки можно описать с помощью приближенного уравнения (22) (23) (24)

Модель КРН трубопроводов, основанная на оценке остаточной прочности Связь давления в трубопроводе с геометрическими параметрами дефекта Где Р - давление в трубе, - напряжение течения (flow stress), h - толщина стенки трубы, R - радиус трубы, A - площадь потери металла на проекции дефектного участка в продольном сечении стенки трубы, A 0 - первоначальная (без коррозии) площадь продольного сечения стенки трубы по длине дефектного участка, А0 = Lh, L - длина дефектного участка, М - коэффициент Фолиаса (25)

Модель КРН трубопроводов, основанная на оценке остаточной прочности Для одномерного дефекта: Срок безопасной эксплуатации трубы с дефектом определяют по формуле где экс – время работы трубопровода с момента его ввода в эксплуатацию до момента обследования, годы где Р раб – рабочее давление в трубопроводе, МПа; К и – коэффициент, зависящий от минимального нормативного испытательного давления t max раб – максимальная допустимая при рабочем давлении глубина дефекта (26) (27)

Рис. 1. Распределение напряжений и концентрации агрессивного агента (а) механических и коррозионных повреждений (б) при воздействии на участок поверхности тела под действием напряжений отрыва и активной среды.

Рис. 2. Поведение концентрации активного агента (а), эффективного радиуса кривизны на фронте дефекта б) при изменении концентрации активного агента на входе в дефект в безразмерных величинах, отнесенных к параметру материала 0.25, 0.5, 0.75, 1.(соответственно кривые 1,2,3,4). Некоторые численные данные и результаты: E=200 ГПа, глубина 1мм, напряжение отрыва 100МПа.

Рис. 3. Распространение дефекта в материале (а) и зависимость скорости роста дефекта от коэффициента интенсивности напряжений (б) при изменении концентрации активного агента на входе в дефект в безразмерных величинах, отнесенных к параметру материала 0.25, 0.5, 0.75, 1. и 0 (соответственно кривые 1, 2, 3, 4, 5)

Характер взаимодействия механических и коррозионных механизмов при росте дефекта иллюстрируют на рис. 4 меры механических и коррозионных повреждений ( а) – концентрация 0.25, б) – концентрация 0.5). Рис. 4. Меры механических ψ f, коррозионных ψ c, и их сумма ψ.

Таблица 1. Требования к составу исходной информации п Перечень исходной информации по промысловому трубопроводу 1Акт сдачи трубопровода в эксплуатацию. 2Рабочие параметры трубопровода (давления: начальное, конечное, рабочая среда, ее физический и химический составы, температура окружающей среды). 3Паспортные данные по трубопроводу (диаметр, толщина стенки по всем участкам, сертификаты качества на трубопроводную сталь); 4Состав и состояние внешней изоляции трубопровода, использование ингибиторов внутренней коррозии. 5Топографическая съемка оси трассы трубопровода с указанием всех близкорасположенных объектов: линии электропередачи, автомобильные и железные дороги, наличие других трубопроводов с указанием их класса, водные преграды, заболоченные участки, населенные пункты и др. 6Профиль трассы с указанием отметок над уровнем моря, состав и степень коррозионной активности грунтов. 7Данные по обнаруженным дефектам и статистику по отказам. 8Данные по результатам приборного диагностирования (результаты шурфовок)