Диагностические модели и алгоритмы прогнозирования работоспособности фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла

2.1 Алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности

 

По результатам выполненных исследований фактов внезапного (непрогнозируемого) нарушения работоспособности фонтанных арматур (глава 1) установлено, что их причиной является растрескивание металла из-за снижения и исчерпания его пластичности при длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических условиях Севера. Поэтому для прогнозирования их работоспособности применяемые методы диагностирования должны позволять определять характеристики пластичности металла, оценивать кинетику их изменения, анализировать условие возникновения растрескивания и прогнозировать ресурс по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.

В соответствии с требованиями Федерального закона «О промышленной безопасности…» [15], нормативно-техническая документация в области промышленной безопасности – «Порядка продления…» [19], Федеральных норм и правил … [106] и др. продолжение эксплуатации фонтанных арматур возможно при условии обеспечения соответствия их технического состояния установленным нормативным требованиям, а также при условии обеспечения требуемого уровня их надежности на этапе эксплуатации.

Исследованиями установлено, что для определения ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла необходима информация о характеристиках его пластичности, параметрах поверхностных и внутренних концентраторов напряжений и дефектов. Применяемые при диагностировании методы неразрушающего контроля с наружной поверхности и косвенной оценки свойств металла по твердости не позволяют получать эту информацию в требуемом объеме. Такая информация может быть получена по результатам выборочного неразрушающего и разрушающего контроля элементов фонтанных арматур находящихся в эксплуатации.

В настоящей работе изложено теоретическое обоснование диагностических моделей, параметров, критериев, алгоритмов и методов прогнозирования работоспособности фонтанных арматур, которые в отличие от традиционных методов диагностирования предусматривают применение выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации, анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла.

Научные основы их обоснования базируются на трудах известных ученых в областях неразрушающего контроля и диагностирования нефтегазового оборудования (В.В. Клюев, В.М. Кушнаренко, Н.А. Махутов, А.В. Митрофанов и др. [6, 39, 45, 46, 50, 51, 107 и др.]), механики упругопластического деформирования, разрушения, оценки надежности и прогнозирования ресурса элементов конструкций с учетом повреждений технологического и эксплуатационного происхождения (С.Н. Барышов, Л.Р. Ботвина, Е.Е. Зорин, И.Р. Кузеев, Н.А. Махутов, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичев, Е.М. Морозов, В.Н. Сызранцев, В.В. Харионовский, Г.М. Хажинский, О.Ф. Чернявский, и др. [13, 36, 37, 48, 55, 56, 94, 101, 105, 108–117 и др.]), а также на результатах собственных расчетно-экспериментальных исследований, изложенных в [21, 22, 64 и др.] и в третьей главе диссертации.

На рисунке 2.1 представлен разработанный алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур.

 Алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур

Рисунок 2.1 – Алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур

Настоящий алгоритм предусматривает обоснование возможности и условий продолжения эксплуатации исследуемых элементов фонтанных арматур на основе анализа их надежности за прошедший период эксплуатации, а также анализа соответствия их технического состояния установленным нормативным требованиям – ГОСТ Р 51365-2009 [32] и др.

Анализ соответствия технического состояния фонтанных арматур установленным нормативным требованиям выполняется путем сбора, анализа и обработки данных о конструктивном и материальном исполнении, контролируемых параметрах выявленных дефектов и повреждений, свойств металла и нагруженности по результатам ранее выполненных диагностирований и исследований за прошедший период эксплуатации, а также на основе проведения выборочного контроля элементов фонтанных арматур с разборкой, разрушающих испытаний и лабораторных исследований их металла.

Для реализации алгоритма (рис. 2.1), анализа технического состояния, надежности, исследований металла элементов фонтанных арматур, обоснования возможности и условий продолжения их эксплуатации при минимальной температуре эксплуатации до -60ºС ставятся и решаются следующие задачи:

  • Сбор, анализ и систематизация технической документации о конструктивном, материальном исполнении, условиях эксплуатации, результатах ранее выполненных исследований и диагностирований, отказах, проверке и нарушениях работоспособности, обслуживаниях, ремонтах и заменах элементов фонтанных арматур за прошедший период эксплуатации;
  • Анализ показателей надежности фонтанных арматур за период эксплуатации;
  • Анализ результатов контроля технического состояния фонтанных арматур по данным диагностирования за период эксплуатации и выбор их типовых элементов для контроля с разборкой и разрушающего контроля металла;
  • Моделирование напряженно-деформированного состояния при температуре эксплуатации до -60°C, неразрушающий контроль с разборкой и разрушающий контроль металла выбранных типовых элементов фонтанных арматур.

Неразрушающий контроль фонтанных арматур в полевых условиях и прогнозирование их ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, виды и объемы работ, нормативно-техническая документация для проведения сбора, анализа и систематизации технической документации с данными о конструктивном, материальном исполнении, условиях эксплуатации, результатах ранее выполненных исследований и диагностирований, отказах, проверке и нарушениях работоспособности, обслуживаниях, ремонтах и заменах фонтанных арматур за прошедший период эксплуатации с целью выбора типовых элементов для проведения их неразрушающего и разрушающего контроля представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Виды и объемы работ по сбору, анализу и систематизации технической документации о фонтанных арматур (ФА) за период эксплуатации

№ п/п Виды работ Объем работ НТД, содержащая значения определяемых характеристик (параметров) и/или требования на методы контроля, испытаний и исследований
1. Сбор, анализ и систематизация данных о типах-размерах, материальном исполнении, условиях эксплуатации и наработке ФА Для элементов комплектов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32]Перечень, паспорт ФА и прочая имеющаяся исполнительная и эксплуатационная документация на ФА, содержащая сведения о конструкции и материальном исполнении, расчетных и рабочих параметрах, составе рабочей среды, наработке
2. Сбор, анализ и систематизация данных результатов диагностирования Для элементов комплектов ФА Порядок продления … [20], ГОСТ Р 51365-2009 [32],Технические отчеты по результатам диагностирования и прочая имеющаяся документация с результатами контроля технического состояния, оценки прочности и ресурса за период эксплуатации
3. Сбор, анализ и систематизация ранее выполненных исследований по определению возможности и условий эксплуатации элементов ФА Для элементов комплектов ФА Порядок продления … [20],Экспертные заключения и рекомендации о возможности и условиях эксплуатации ФА (Рекомендации ЗСФ ВНИИнефтемаша по использованию ФА при температурах до ‑60°C и др.)
4. Сбор, анализ и систематизация сведений о нормативных (исходных) свойствах металла ФА Для элементов комплектов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Паспорта ФА, ТУ и сертификаты на применяемый материал для их изготовления
5. Сбор, анализ и систематизация результатов ранее выполненных испытаний и исследований металла ФА Для элементов комплектов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Протоколы механических испытаний, металлографического контроля, анализа химического состава и прочих ранее выполненных испытаний и исследований металла элементов ФА
6. Сбор, анализ и систематизация данных о функциональных испытаниях, проверках работоспособности элементов ФА Для элементов комплектов ФА Порядок продления … [20], ГОСТ Р 51365-2009 [32], РД 50-204-87 [118]Документация с данными о функциональных испытаниях, проверках работоспособности элементов ФА, их результатами, выявленными неполадками, регулировками и т.п.

 

Продолжение таблицы 2.1

№ п/п Виды работ Объем работ НТД, содержащая значения определяемых характеристик (параметров) и/или требования на методы контроля, испытаний и исследований
7. Сбор, анализ и систематизация данных об имевших место отказах элементов ФА за период их эксплуатации Для элементов комплектов ФА РД 50-204-87 [118],Имеющиеся документация и сведения с данными об имевших место отказах, производственных неполадках, нарушениях функциональной работоспособности, разрушениях отдельных элементов (в том числе внутренних устройств, уплотнений, крепежных элементов, элементов привода и т.п.) и результатами анализа (расследования) их причин 1
8. Сбор, анализ и систематизация данных о заменах составных частей элементов ФА за период их эксплуатации Для элементов комплектов ФА РД 50-204-87 [118],Документация с данными о заменах составных частей, изнашивающихся (стареющих) и сменных деталей (прокладок, манжет, уплотнений и т.п.) элементов ФА за период их эксплуатации, при разборках, ремонтах, ревизиях, испытаниях, проверках работоспособности2
9. Обработка и оформление выборок данных по п. 1-8 В объеме данных по
п. 1-8
Порядок продления … [20], ГОСТ Р 51365-2009 [32],РД 50-204-87 [118], результаты работ по п. 1-8

Примечания. Требования к содержанию документации в соответствии с РД 50-204-87 [118].

1  Примечание 1. В документации с данными об отказах элементов ФА отражаются: УКПГ и скважина, на которых эксплуатируются элементы ФА; наименование и изготовитель элементов ФА; заводской (регистрационный) номер; год выпуска; год пуска в эксплуатацию; дата возникновения отказа; наработка элемента ФА до отказа; наработка до отказа составной части; наименование отказавшей составной части; внешнее проявление (признак) отказа; условия, при которых произошел отказ; причина возникновения отказа; способ устранения отказа; продолжительность (трудоемкость) устранения отказа.

2  Примечание 2. В документации с данными о заменах составных частей, изнашивающихся (стареющих) и сменных деталей элементов ФА отказах элементов ФА отражаются: УКПГ и скважина, на которых эксплуатируются элементы ФА; наименование и изготовитель элементов ФА; заводской (регистрационный) номер; год выпуска; год пуска в эксплуатацию; дата замены; наработка элемента ФА до замены; наработка до замены составной части; наименование заменяемой составной части; внешнее проявление (причина) замены; условия, при которых реализована причина замены; причина замены; продолжительность (трудоемкость) замены.

 

2.2 Алгоритмы метода определения объема выборок элементов фонтанных арматур и проведения их выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля

В соответствии с алгоритмом метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур (рис. 2.1) в дополнение к применяемым методам диагностирования предусмотрено проведение выборочного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов. Объем выборок этих элементов определяется по результатам анализа статистики отказов и данных диагностирований фонтанных арматур за предшествующий период их эксплуатации. Алгоритм метода определения объема и отбора выборок типовых элементов фонтанных арматур представлен на рисунке 2.2.

 Алгоритм метода определения объема и отбора выборок элементов фонтанных арматур

Рисунок 2.2 – Алгоритм метода определения объема и отбора выборок элементов фонтанных арматур

Реализация алгоритма (рис. 2.2) основывается на применении методических принципов ГОСТ Р ИСО 3951-1-2007 [119]. В соответствии с алгоритмом (рис. 2.2) сначала определяются совокупности элементов фонтанных арматур (объединенных по одинаковым изготовителям, типам-размерам и идентичным условиям эксплуатации), для которых зафиксированы случаи отказов за предшествующий период эксплуатации, а также совокупности элементов фонтанных арматур, для которых текущая и прогнозируемая вероятности отказа на последующий период эксплуатации, оцениваемые по данным предшествующего диагностирования, являются наибольшими. Затем для каждой такой совокупности выполняется анализ факторов отказов, а также анализ технического состояния и прогнозируемого ресурса всех элементов. Для лабораторного контроля выбираются элементы фонтанных арматур с доминирующими факторами отказов (наибольшие частота отказов, наработка, давление, дебет скважины и т.п.), а также, имеющие, либо недопустимые дефекты, либо наибольшую поврежденность и наименьшее значение прогнозируемого ресурса. При этом поврежденность оценивается отношением разности между допустимым ([h]) и контролируемым (h) значением каждого диагностического параметра к [h]. Выбранные представители элементов фонтанных арматур выводятся из эксплуатации и демонтируются.

Анализ надежности (безотказности) элементов фонтанных арматур за прошедший период эксплуатации выполняется в соответствии с требованиями РД 50-204-87 [118] и другими нормативно-техническими документами [97, 120–128], определяющими правила задания требований по надежности, сбора и обработки информации о надежности, методы анализа и оценки показателей надежности в эксплуатации и по экспериментальным данным. В соответствии с ГОСТ 27.410-87 [123], прошедший период эксплуатации рассматриваемой совокупности элементов фонтанных арматур условно рассматривается как этап их экспериментальной подконтрольной эксплуатации в установленных условиях работы, обслуживания и ремонта. В качестве исходных данных для анализа безотказности используются фактические данные об отказах, проверке и нарушениях работоспособности, обслуживаниях, ремонтах и заменах фонтанных арматур за прошедший период эксплуатации, предоставляемые эксплуатирующей организацией.

Виды и объемы работ, нормативно-техническая документация для определения требований к эксплуатационной надежности фонтанных арматур, сбора, анализа, систематизации и оценки фактических показателей ее безотказности за прошедший период эксплуатации представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Виды и объемы работ по анализу надежности фонтанных арматур (ФА) за период эксплуатации

№ п/п Виды работ Объем работ НТД, содержащая значения определяемых характеристик (параметров) и/или требования на методы контроля, испытаний и исследований
1. Определение требований к надежности ФА Для ФА в целом ГОСТ 27.002-89 [120],ГОСТ 27.003-90 [121],ГОСТ Р 51901.5-2005 [97]
2. Обоснование показателей оценки надежности ФА ГОСТ 27.002-89 [120],ГОСТ 27.003-90 [121],ГОСТ Р 51901.11-2005 [126]
3. Сбор, анализ и систематизация данных о показателях надежности Для элементов ФА ГОСТ 27.410-87 [123],ГОСТ 27.502-83 [124],РД 50-204-87 [118]
4. Расчет, анализ и оценка показателей надежности элементов ФА Для элементов ФА ГОСТ 27.203-83 [122],ГОСТ 27.301-95 [127],ГОСТ 27.503-81 [125],ГОСТ Р 51901.5-2005 [97],ГОСТ Р 51901.11-2005 [126],РД 50-690-89 [128],РД 50-476-84 [129]

 

Определение фактических параметров технического состояния, свойств металла и нагруженности фонтанных арматур выполняется на основе анализа и систематизации данных их неразрушающего контроля, расчетов на прочность, выполненных при диагностировании за предшествующий период эксплуатации. Исходные параметры свойств металла фонтанных арматур определяются по данным паспорта, техническим условиям и сертификатам на применяемый материал для их изготовления.

Выполняется оценка соответствия полученных фактических значений параметров технического состояния фонтанных арматур установленным нормативным требованиям и выбираются их типовые элементы для последующего контроля технического состояния с разборкой и разрушающего контроля металла.

Виды и объемы работ, нормативно-техническая документация для определения фактических параметров технического состояния, свойств металла и нагруженности фонтанных арматур по данным диагностирования за период эксплуатации и выбор их типовых элементов для неразрушающего контроля с разборкой и разрушающего контроля металла представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Виды и объемы работ по анализу результатов контроля технического состояния фонтанных арматур (ФА) за период эксплуатации

№ п/п Виды работ Объем работ НТД, содержащая значения определяемых характеристик (параметров) и/или требования на методы контроля, испытаний и исследований
1. Построение распределений параметров выявленных дефектов и повреждений ФА по данным диагностирований за период эксплуатации Для элементов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 2 табл. 2.1
2. Построение распределений параметров исходных и контролируемых свойств металла ФА по данным диагностирований за период эксплуатации Для элементов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 2 – 5, табл. 2.1
3. Построение распределений параметров нагруженности ФА по данным диагностирований за период эксплуатации Для элементов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 2 табл. 2.1
4. Анализ соответствия параметров дефектов и повреждений, свойств металла и нагруженности ФА нормативным требованиям В объеме работ по п. 1 - 3 ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 1 – 3, п. 4, табл. 2.1
5. Выбор типовых элементов ФА для проведения контроля с разборкой и разрушающего контроля металла Для элементов ФА Результаты работ по п. 1÷4

В соответствии с разработанным алгоритмом (рис. 2.3) для выборок типовых элементов фонтанных арматур выполняются лабораторный неразрушающий контроль с разборкой, разрушающий контроль, механические испытания металла, лабораторная и стендовая отработка технологий неразрушающего контроля характерных выявленных поверхностных и внутренних дефектов для реализации их в полевых условиях. В случаях, если при исследованиях для выбранных типовых элементов фонтанных арматур будут выявлены недопустимые дефекты, в соответствии с алгоритмом (рис. 2.2) их количество увеличивается (как правило, в два раза), а также выбираются элементы для других совокупностей фонтанных арматур.

 Алгоритм метода лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля выборок типовых элементов фонтанных арматур

Рисунок 2.3 – Алгоритм метода лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля выборок типовых элементов фонтанных арматур

Лабораторный неразрушающий и разрушающий контроль выбранных типовых элементов фонтанных арматур выполняется с целью определения высоконагруженных участков их конструкции, контроля их технического состояния с разборкой, определения параметров структуры и свойств металла при температурах до -60°C.

По результатам моделирования напряженно-деформированного состояния выбранных представителей элементов фонтанных арматур определяются  высоконагруженные (потенциально-опасные) участки металла, которые затем учитываются при выборе мест проведения неразрушающего и разрушающего контроля.

Неразрушающий и разрушающий контроль выбранных типовых элементов фонтанных арматур выполняется в соответствии с требованиями и методическими положениями ГОСТ Р 51365-2009 [32] и других нормативно-технических документов [122, 123, 130–143].

На основе анализа результатов контролей выполняется оценка соответствия полученных параметров технического состояния выбранных фонтанных арматур, структуры и свойств их металла при температурах до ‑60°C установленным нормативным требованиям, а также оценка их возможного изменения за период эксплуатации.

Виды и объемы работ, нормативно-техническая документация для определения высоконагруженных участков конструкции, контроля технического состояния с разборкой, определения параметров структуры и свойств металла выбранных типовых элементов представлены в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4 – Виды и объемы работ по моделированию напряженно-деформированного состояния, неразрушающему контролю с разборкой и разрушающему контролю металла элементов фонтанных арматур (ФА)

№ п/п Виды работ Объем работ НТД, содержащая значения определяемых характеристик (параметров) и/или требования на методы контроля, испытаний и исследований
1. Измерение геометрических размеров для построения трехмерной расчетной модели Для элементов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32]
2. Обоснование параметров свойств металла, нагрузок и граничных условий для расчетной модели Для элементов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 2, 3 табл. 2.3
3. Моделирование напряженно-деформированного состояния и определение высоконагруженных (потенциально-опасных) участков (ПОУ) металла Для элементов ФА ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 1, 2

4.
Визуальный и измерительный контроль наружной и внутренней поверхности 100% поверхности корпуса элемента ФА РД 03-606-03 [131],
ГОСТ 977-88 [144],
ГОСТ Р 51365-2009 [32],
ПНАЭ Г-7-025-90 [130].

 

Продолжение таблицы 2.4

№ п/п Виды работ Объем работ НТД, содержащая значения определяемых характеристик (параметров) и/или требования на методы контроля, испытаний и исследований
5. Ультразвуковая толщинометрия 100% ПОУ, в т.ч.
на каждой цилиндрической поверхности по четырем взаимно перпендикулярным направлениям
ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 3
6. Магнитопорошковый и капиллярный контроль 100% поверхности предоставленного элемента в доступных местах ГОСТ 21105-87 [145], ГОСТ 18442-80 [146], РД 13‑06‑2006 [132],
ГОСТ Р 51365-2009 [32],
ПНАЭ Г-7-025-90 [130].
7. Ультразвуковой контроль сплошности металла 100% в доступных местах и ПОУ ПНАЭ Г-7-025-90 [130],
ГОСТ Р 51365-2009 [32].
8. Спектральный анализ химического состава металла 3 измерения ГОСТ 18895-97 [143],
ГОСТ Р 51365-2009 [32].
9. Изготовление образцов и испытание их на растяжение 3 образца ГОСТ 7564-73[134],ГОСТ 1497-84 [135],ГОСТ Р 51365-2009 [32].
10. Испытание на ударный изгиб образцов с V-образным надрезом при температурах -60°С, -40°С, -20°С, 0°С, +20°С 15 образцов ГОСТ 7564-73[134],ГОСТ 9454-78 [136],ГОСТ Р 51365-2009 [32]
11. Разработка схемы вырезки, изготовление образцов и шлифов для металлографического анализа Количество шлифов назначается по результатам работ по п. 2 - 7 ГОСТ 7564-73 [134],
ГОСТ 1778-70 [138],
ГОСТ 5640-68 [140],ГОСТ Р 51365-2009 [32].
12. Металлографический анализ шлифов На шлифах по п. 11 ГОСТ 1778-70 [138],
ГОСТ 5639-82 [139],
ГОСТ 8233-56 [141],
ГОСТ 10243-75 [142],
ГОСТ 5640-68 [140],
ГОСТ 25536–82 [174]
13. Измерение твердости металла при температурах до -60°С 30÷40 измерений ГОСТ 9012-59 [137],
ГОСТ Р 51365-2009 [32]
14. Анализ и оценка соответствия параметров технического состояния нормативным требованиям В объеме работ по п. 4 - 8 ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 4 – 8
15. Анализ и оценка соответствия свойств металла нормативным требованиям и их возможного изменения за период эксплуатации В объеме работ по п. 9 - 13 ГОСТ Р 51365-2009 [32],Результаты работ по п. 9 – 13

 

По результатам выполненных в соответствии с алгоритмом (рис. 2.3) лабораторного неразрушающего, разрушающего контролей и испытаний металла для выбранных типовых элементов фонтанных арматур определяются параметры пластичности металла, кинетики их снижения и оценивается их соответствие нормативным требованиям. Выполняется расчёт критериев трещинообразования (разрушающей пластической деформации) и сопротивления хрупкому разрушению (допустимого размера условной трещины) в зависимости от видов и размеров конструктивных концентраторов и выявленных дефектов отливки.

По результатам неразрушающего контроля остающихся в эксплуатации элементов фонтанных арматур в полевых условиях, с учетом фактических размеров их конструктивных концентраторов и выявленных дефектов, для них уточняются значения критериев трещинообразования и сопротивления хрупкому разрушению. Затем выполняются оценка технического состояния и прогнозирование ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла с использованием теоретически обоснованных моделей (рис. 2.4 и 2.5, разд. 2.3). Полученные результаты, в т.ч. закономерности возникновения отказов, используются для определения возможности, сроков, условий продления эксплуатации фонтанных арматур до их очередного диагностирования, прогнозирования сроков их ремонтов и замен.

 

2.3. Модели анализа растрескивания сечения стенки с исходным концентратором (дефектом) и прогнозирования остаточного ресурса на основе анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла

 

Исследованиями установлено (глава 3), что при длительной эксплуатации фонтанных арматур, по мере увеличения их наработки и с учетом минимальной температуры эксплуатации до -60°C (для климатической зоны северных месторождений Западной Сибири), характеристики пластичности металла (относительное удлинение и сужение, ударная вязкость) снижаются. При этом силовые характеристики деформирования и разрушения (пределы текучести и прочности), как правило, увеличиваются. В этом случае использование применяемых подходов к оценкам прочности и ресурса по силовым критериям приводит к ошибкам не в запас прочности и долговечности. Об этом могут свидетельствовать фактические случаи растрескивания корпусов элементов фонтанных арматур, не выявляемые и не прогнозируемые при их традиционном диагностировании. Для их выявления и прогнозирования, в отличие от применяемых диагностических моделей с использованием силовых параметров и критериев, в исследовании обоснованы новые модели анализа растрескивания (рис. 2.4) и прогнозирования ресурса (рис. 2.5). Параметры и критерии этих моделей определяются по характеристикам пластичности металла и кинетики их изменения. Научно-практической базой обоснования этих моделей послужили положения линейной механики разрушения [55, 56, 100, 105, 108, 116 и др.], а также механики упругопластического деформирования и разрушения (Н.А. Махутов, В.Т. Алымов, М.М. Гаденин, В.В. Москвичев и др.) [48, 94, 101, 102 и др.] и выявленные при экспериментальных исследованиях (глава 3) причины растрескивания металла элементов фонтанных арматур – низкие исходные значения и снижение пластических свойств, исходные концентраторы (конструктивные, дефекты отливки и структуры), деформирование при отрицательных температурах.

На рисунке 2.4 представлена деформационная модель растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки элементов фонтанных арматур с исходным концентратором (дефектом), где: S – исходная толщина стенки; 1 и h – исходный концентратор (дефект) и его глубина; Sh– остаточная толщина стенки – Sh = S – h; e(Sh) – эпюра относительных деформаций (далее – деформаций) в сечении стенки, проходящем через вершину концентратора (дефекта); sн и eн – номинальные напряжения и деформации в стенке при рабочих нагрузках; emax – максимальные деформации в вершине концентратора; eL – разрушающие деформации (деформации трещинообразования); 2 – область образования исходной трещины размером (глубиной) L0 при исчерпании пластичности в зоне e(Sh³ eL; 3 – область роста трещины; KI(L) – эпюра коэффициентов интенсивности напряжений по пути роста трещины; KIC и Lк – критические коэффициент интенсивности напряжений и глубина трещины; 4 – область разрушения (долома).

Деформационная модель анализа растрескивания 

Рисунок 2.4 – Деформационная модель анализа растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки элементов фонтанных арматур с исходным концентратором (дефектом)

Образование исходной трещины – L0 (рис. 2.4) в вершине исходного концентратора – 1 (галтели, технологического или эксплуатационного дефекта и т.п.) при действии напряжений – sН от внешних нагрузок происходит в области 2, где пластическая деформация – e(Sh) превышает значение деформационного критерия – разрушающей пластической деформации – eL:

;                                                                               (1)

где: ek t min – разрушающая деформация при минимальной температуре эксплуатации (tmin= -60°С); kP – коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя по отношению к пластическим свойствам металла гладких образцов для механических испытаний, как правило, вырезаемых из сердцевины сечения.

Для определения ektmin обосновано применение зависимостей по [101]:

;                                                                         (2)

;                                                          (3)

;                                              (4)

;                                             (5)

;                                                             (6)

;                                                                          (7)

;                                                                    (8)

;                                                               (9)

,                                                        (10)

где: sT; s0,2; sВ и yk – предел текучести, условный предел текучести, предел прочности и относительное сужение, полученные по результатам стандартных механических испытаний по ГОСТ 1497-84 [135] при температуре (t=+20°C); yk t min – относительное сужение при минимальной температуре эксплуатации; SK – разрушающее напряжение в образце по данным испытаний или по формуле (8); bТ, bВ – расчетные характеристики материала, зависящие от s0,2 и sВ, определяются экспериментально, либо по зависимости (7) [48, 101]; ny – коэффициент запаса, учитывающий объем выборочных испытаний и статистический разброс их результатов; σt0,2и σtk0,2 – предел текучести при минимальной температуре эксплуатации (tmin=-60ºC) и критической температуре хрупкости (tkmin) соответственно; tk min – критическая температура хрупкости для материала, определяется экспериментально или по формуле (9); kψ– коэффициент, зависящий от s0,2 и sВ, определяется экспериментально или по формуле (6); E – модуль продольной упругости по [77]; m – показатель упрочнения по [101].

Для оценки сопротивления хрупкому разрушению в соответствии с [100, 105, 108, 116 и др.] размер исходной трещины – L0 (рис. 2.4) может быть определен как размер пластической зоны, в которой e(Sh) ³eL (см. область 2 на рис. 2.4) и уточнен из условия KI(L0) £KIC. Исходная трещина – L0 в условиях эксплуатации может расти в области 3 до критического размера – LК, соответствующего критическому значению коэффициента интенсивности напряжений – KIC. После этого происходит разрушение – долом сечения (область 4). Допустимый размер трещины ([L]), соответствующий условию сопротивления хрупкому разрушению может быть выражен из расчетной зависимости KI(L):

,                                                                                     (11)

где: [KI] – допустимый коэффициент интенсивности напряжений, определяемый по ПНАЭ Г – 7-002-86 [77] или по [102, 117] с учетом фактических свойств металла, минимальной температуры эксплуатации – tmin и критической температуры хрупкости металла (tk min). Значение tk min определяется в соответствии с [147] и [77] по температурной зависимости вязкой составляющей в изломе и ударной вязкости металла при стандартных испытаниях на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 [136] на образцах с V-образным надрезом в диапазоне температур от +20°C до tmin.

Таким образом, определение характеристик пластичности, разрушающей пластической деформации и возможности растрескивания металла по модели (рис. 2.4) и эмпирическим зависимостям (1) ¸ (10) выполняется с использованием результатов стандартных испытаний на растяжение и ударный изгиб образцов из металла элементов фонтанных арматур после их длительной эксплуатации. Вырезка таких образцов из корпусов элементов фонтанных арматур бывших в эксплуатации позволяет получить их необходимое количество, в том числе из высоконагруженных зон исходных концентраторов.

На рисунке 2.5 представлена разработанная с учетом положений [148 и др.] модель прогнозирования ресурса фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, где: Р – обобщенный контролируемый параметр пластичности металла (относительные удлинение (d), сужение (yk), ударная вязкость (KV); Т – время эксплуатации; L – размер (глубина) трещины; P(Т) и L(Т) – временные закономерности снижения пластичности и растрескивания; dP/dT – скорость (кинетика) снижения пластичности; TD – текущая наработка до диагностирования; Р0 и PD – исходные (сертификатные) и фактические параметры пластичности (определяемые при диагностировании); [Pmin] – нормативные минимально допустимые параметры пластичности; PL = eL – деформационный критерий растрескивания (трещинообразования); tk, tP и tL – прогнозируемый ресурс по критериям растрескивания (трещинообразования), снижения пластичности (охрупчивания) и сопротивления хрупкому разрушению; L0, [L] и Lk – исходный, допустимый и критические размеры трещины; Lmin – минимальный размер трещины, выявляемой при контроле; RL – время роста трещины от Lmin до [L].

Модель прогнозирования ресурса элементов фонтанных арматур 

Рисунок 2.5 – Модель прогнозирования ресурса элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла

 

Применяемые диагностические модели позволяют прогнозировать ресурс по критерию сопротивления хрупкому разрушению – tL (рис. 2.5), который соответствует наработке от момента растрескивания (образования исходной трещины – L0) до достижения трещиной допустимого размера [L] из условия (10). В отличие от них, обоснованная в исследовании модель (рис. 2.5) позволяет прогнозировать ресурс до исчерпания пластичности металла – tp и ресурс до начала растрескивания (образования исходной трещины – L0) – tk. Это позволяет прогнозировать суммарный ресурс до исчерпания сопротивления хрупкому разрушению – tk+tL и прогнозировать ресурсные отказы по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.

Согласно модели (рис. 2.5), при диагностировании по сертификатным данным на металл, содержащимся в исполнительной документации, определяются исходные – параметры пластичности – Р0. Фактические параметры пластичности – РD определяются по результатам испытаний образцов, вырезанных из корпусов выборки бывших в эксплуатации элементов фонтанных арматур. Значения Р0 и РD аппроксимируются закономерностью – Р(Т) и экстраполируются на последующий период эксплуатации (см. прерывистую линию). Остаточный ресурс по механизму снижения пластичности – tP определяется как прогнозируемая наработка до достижения параметрами пластичности их нормативных минимально допустимых значений – [Pmin].

Ресурс по механизму растрескивания (трещинообразования) – tk определяется как прогнозируемая наработка до достижения максимальными деформациями – emax (рис. 2.5) в зоне исходного концентратора (конструктивного перехода, дефекта) значений критерия трещинообразования – разрушающей пластической деформации – PL = eL, соответствующей образованию исходной трещины – L0.

Для отработки технологии неразрушающего контроля определяется минимальный размер трещины – Lmin в металле элемента фонтанной арматуры, которая должна быть выявлена. Значение Lmin определяется в промежутке L0 £ Lmin < [L] по закономерности L(T) из условия, чтобы время возможного роста трещины – RL (рис. 2.5) до величины [L] не превышало назначаемую наработку до очередного диагностирования (контроля). Это позволяет оптимизировать затраты на проведение неразрушающего контроля по критериям его трудоемкости и требуемой периодичности. Закономерности роста трещины L(T) могут определяться или по результатам испытаний металла элементов фонтанных арматур бывших в эксплуатации на трещиностойкость, или по справочным данным [102, 117 и др.].

Для определения значений прогнозируемого ресурса по критериям растрескивания (трещинообразования), охрупчивания и сопротивления хрупкому разрушению (tk, tP и tL) для случая линейной закономерности изменения параметров пластичности и минимального размера трещины, выявляемого при контроле (Lmin) обоснованы расчетные зависимости:

 

  ;   ;   ;     (12)
  ;   ;   ;   ; (13)
  ;   ;   ,     (14)

 

где: P – контролируемый параметр пластичности металла (относительные удлинение (d), сужение (yk), ударная вязкость (KV); Р0 и PD – исходные и фактические параметры пластичности; [Pmin] – нормативные минимально допустимые параметры пластичности; PL = eL – деформационный критерий растрескивания (трещинообразования); L0, [L] и Lk – исходный, допустимый и критические размеры трещины; RL – время роста трещины от Lmin до [L]; TD – текущая наработка до диагностирования; VP и Vk– скорость (кинетика) снижения пластичности; Т – время эксплуатации; L – размер (глубина) трещины.

Метод прогнозирования работоспособности фонтанных арматур (рис. 2.1) с использованием моделей (рис. 2.4, 2.5) реализуется в следующей последовательности. Для выбранных по алгоритму (рис. 2.2) элементов фонтанных арматур выполняются лабораторный неразрушающий и разрушающий контроль по алгоритму (рис. 2.3). Определяются параметры пластичности металла, кинетики их снижения, оценивается их соответствие нормативным требованиям. По отработанной технологии неразрушающего контроля выполняется контроль в полевых условиях, остающихся в эксплуатации элементов фонтанных арматур. В соответствии с деформационной моделью (рис. 2.4) для них выполняется расчёт критериев трещинообразования (разрушающей пластической деформации) и сопротивления хрупкому разрушению (допустимого размера трещины). С учетом этих данных по модели (рис. 2.5) выполняются оценка технического состояния и прогнозирование ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла. Полученные результаты, в т.ч. закономерности возникновения отказов, используются для определения возможности, сроков и условий продолжения эксплуатации фонтанных арматур до их очередного диагностирования, прогнозирования сроков их ремонтов и замен.

 

Выводы.

1. Основываясь на положениях линейной механики разрушения, механики упругопластического деформирования и разрушения, нормативно методических принципах выборочного статистического контроля качества изделий и результатах выполненных расчетно-экспериментальных исследований разработаны новые методы прогнозирования работоспособности фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла при их длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических (до –60°С) условиях Севера.

2. Разработан алгоритм нового метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур, который, в отличие от традиционных применяемых методов диагностирования, предусматривает применение выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля типовых элементов фонтанных арматур, критерия разрушающей пластической деформации, анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла.

3. Разработан алгоритм определения объема и отбора выборок типовых элементов фонтанных арматур для проведения их лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля. Выбор типовых элементов выполняется для каждой совокупности элементов фонтанных арматур, объединенных по одинаковым изготовителям, типам-размерам и идентичным условиям эксплуатации на основе анализа данных об их эксплуатационных параметрах, отказах и результатах предшествующих диагностирований. В выборки включаются элементы фонтанных арматур с наибольшими поврежденностью и вероятностью отказов. Если при их лабораторном контроле выявляются недопустимые дефекты и несоответствия, объем выборок увеличивается, а также определяются выборки других совокупностей элементов фонтанных арматур.

4. Разработан алгоритм лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля выбранных элементов фонтанных арматур, предусматривающий определение параметров пластичности металла и кинетики их снижения, расчет критериев трещинообразования в сечении стенки с конструктивным концентратором (дефектом) и сопротивления хрупкому разрушению, а также отработку технологии неразрушающего контроля фонтанных арматур в полевых условиях.

5. Обоснована деформационная модель анализа растрескивания (трещинообразования) в сечении стенки элементов фонтанных арматур с исходным концентратором (дефектом), где концентраторами могут служить конструктивные переходы (галтели, проточки и т.п.), технологические или эксплуатационные дефекты (дефекты отливки, коррозионные повреждения и т.п.). Эта модель в отличие от применяемых при диагностировании моделей анализа несущей способности (прочности) учитывает не только силовые, но и деформационные характеристики сопротивления деформированию и разрушению металла.

6. Обоснован деформационный критерий оценки возможности растрескивания (трещинообразования) – разрушающая пластическая деформация. В соответствии с этим критерием образование исходной трещины (растрескивание) в вершине исходного концентратора происходит, когда локальная пластическая деформация в вершине дефекта превышает его значение. Для определения этого критерия обоснованы расчетные зависимости, учитывающие механические свойства металла, полученных при лабораторном разрушающем контроле и справочные данные нормативных методик.

7. Разработана модель прогнозирования ресурса фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, которая, в отличие от применяемых при диагностировании моделей прогнозирования ресурса, позволяет прогнозировать ресурс до исчерпания пластичности металла и ресурс до начала растрескивания (образования исходной трещины) от момента диагностирования. Обоснованы расчетные зависимости для определения параметров и критериев модели прогнозирования ресурса, в которых так же учитываются результаты лабораторного контроля и справочные данные нормативных методик.