Расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров и критериев предельного состояния

3.1 Выбор типовых элементов фонтанных арматур для лабораторного контроля

 

В соответствии с разработанными алгоритмами контроля технического состояния, прогнозирования работоспособности (рис. 2.1) и определения объема выборок элементов фонтанных арматур (рис. 2.2) проанализировано более 400 случаев внезапных отказов за прошедший 10-ти летний период эксплуатации. Для этого были выполнены сбор, систематизация и компьютерная обработка данных об отказах (рис. 3.1).

 

Рисунок 3.1 – Фрагмент таблицы данных по отказам фонтанных арматур (копия с дисплея ПК)

 

Исследованиями установлены доминирующие факторы отказов элементов фонтанных арматур по причине растрескивания металла корпусов. Отказавшие элементы относятся к фонтанным арматурам Румынского производства на давление 21 МПа. Типовой комплект фонтанной арматуры UPETROM с последовательной нумерацией элементов представлен на рисунке 1.4.

Распределение отказавших типовых элементов фонтанных арматур UPETROM по причине растрескивания металла корпусов представлены на рисунке 3.2 а, распределение отказов по наработке на рисунке 3.2 б.

 

   
а) б)

Рисунок 3.2 – Распределение отказавших типовых элементов (а) и наработки до отказов (б)

В соответствии с алгоритмом (рис. 2.2) и полученными результатами анализа причин и факторов возникновения отказов из-за растрескивания металла в настоящем исследовании выбрана совокупность фонтанных арматур UPETROM Румынского производства 32-х газодобывающих скважин Комсомольского месторождения Западной Сибири. Данные фонтанные арматуры эксплуатируются на северных месторождениях с 1986 года, срок ее эксплуатации в ряде случаев достигает 27 лет и превышает проектный срок эксплуатации. На скважинах Комсомольского месторождения эти фонтанные арматуры эксплуатируются с 1993 года, т.е. более 20 лет. Для этих фонтанных арматур был выполнен анализ отказов, данных их диагностирований и исследований технического состояния за предшествующий период эксплуатации (рис. 3.3).

Временная шкала проведения диагностирований и исследований технического состояния фонтанных арматур  

Рисунок 3.3 – Временная шкала проведения диагностирований и исследований технического состояния фонтанных арматур UPETROM Комсомольского месторождения: П – пуск в эксплуатацию; И1, И2, И3 – исследования технического состояния; ДЭ1, ДЭ2, ДЭ3 – диагностирования и экспертизы промышленной безопасности с целью продления сроков эксплуатации

Выполнен анализ  данных исследований и диагностирований фонтанных арматур UPETROM Комсомольского месторождения в соответствии со шкалой рисунка 3.3.

1. Исследование И1.

Ещё до изготовления (1992 г.) и пуска в эксплуатацию исследуемых фонтанных арматур UPETROM Комсомольского месторождения для аналогичных фонтанных арматур Румынского производства Филиалом ВНИИнефтемаш (г. Тюмень) в 1990 году выполнены исследования по обоснованию возможности и условий их эксплуатации при температуре до ‑60°С. В ходе исследования было проведено сравнение ударной вязкости на образцах с U-образными надрезами (KCU) металла корпусов элементов фонтанных арматур, эксплуатируемых в условиях Западной Сибири. Для проведения исследования были изготовлены и испытаны образцы из корпусов задвижек, хрупко разрушившихся при эксплуатации и изготовленных из сплава Т30Мn10, задвижек из сплава Т30Мn10, надёжно эксплуатирующихся более 10 лет в тех же условиях, задвижек изготовленных из сплава T32MoCrNi08.

По результатам исследований определялась ударная вязкость KCU при испытаниях в диапазоне температур -60¸+20°С с шагом 20°С, по 6 образцов при каждой температуре. Установлено превышение ударной вязкости металла корпусов задвижек из сплава Т30Мn10, эксплуатируемых 10 лет без разрушений над ударной вязкостью металла, разрушившихся задвижек. Установлено превышение ударной вязкости металла задвижек из сплава T32MoCrNi08 над ударной вязкостью задвижек из сплава Т30Мn10, эксплуатирующихся более 10 лет без разрушений.

При исследованиях проводились натурные гидроиспытания. Гидроиспытанию подвергались шесть задвижек: 41/16² 21 МПа (2 ед.), 41/16² 35 МПа (2 ед.) и 61/8² 21 МПа (2 ед.). Задвижки были опрессованы маслом рабочим давлением при положительной температуре и при температуре -63°С. Все задвижки выдержали испытание.

В результате были разработаны «Рекомендации по использованию запорной арматуры 6 1/8²×4 1/16² давлением 21 МПа и 4 1/16²×4 1/16² давлением 35 МПа Румынского производства при температурах наружного воздуха -60°С». Они включают в себя: меры по исключению хрупкого разрушения резиновых манжет; указания по содержанию смазки механизмов управления; указания по исключению ударов и прочих дополнительных нагрузок на корпуса при низких температурах.

2. Исследование И2.

Предприятием АНО СЦТДЭ «ДИАСИБ» в 2004 году в рамках экспертизы промышленной безопасности выполнены исследования химического состава и качества металла, а также определение механических свойств на образцах металла колонных головок UPETROM Румынского производства.

В результате исследования химического состава металла было установлено близкое соответствие их состава стали 35ХМЛ, по ГОСТ 21357-87 [149], пригодной для изготовления хладостойких отливок, также показано соответствие химического состава ГОСТ Р 51365 [32].

По результатам исследования была определена ударная вязкость KCU (Дж/см2) и работа удара KU (Дж) по одному образцу металла корпуса при -60°С в соответствии с требованиями ГОСТ 9454-78 [136]. Результатами испытаний установлено соответствие металла требованиям ГОСТ 21357-87 [149]. Поскольку, при испытаниях не были получены данные ударной вязкости на образцах с V-образными надрезами-(KCV), оценка соответствия материала корпусов требованиям ГОСТ Р 51365-99 [32] по нормируемому показателю работы удара на образцах с V-образным надрезом (KV) не проводилась.

3. Исследование И3.

Предприятием ООО «Уренгойконтрольсервис» в 2010 году с целью обоснования возможности продолжения эксплуатации выполнены исследования свойств металла корпусов элементов фонтанных арматур.

Анализ хладостойкости основывался на сравнении ударной вязкости контрольных образцов из исследуемых материалов и статистических данных об ударной вязкости хрупкоразрушающегося сплава Т30Мn10, использованные ВНИИнефтемаш при разработке «Рекомендаций» в 1990 году. Испытывалось две серии по три образца при температуре от -60°С до +20°С с шагом 20°С, определялись KCV и KCU. При этом установлено соответствие свойств основного металла ударной вязкости, заявленной в паспорте. Полученные данные показывают, что численные значения ударной вязкости KCU значительно ниже данных полученных ВНИИнефтемаш в 1990 году. Ударная вязкость КСV при температуре -60°С по данным ВНИИнефтемаш составляет в среднем 24 Дж/см2, а измеренная ООО «Уренгойконтрольсервис» KCV – 12,5 Дж/см2. Согласно ГОСТ Р51365-2009 [32] ударная вязкость при минимальной температуре эксплуатации должна соответствовать условию KV≥20.

4. Диагностирование и экспертиза ДЭ-1.

В 2004 году АНО Сибирский центр технической диагностики и экспертизы «ДИАСИБ» (АНО СЦТДЭ «ДИАСИБ», г. Новосибирск), была проведена экспертиза промышленной безопасности с целью определения возможности и сроков дальнейшей эксплуатации фонтанных арматур. В результате было выявлено нарушение антикоррозионного покрытия. Других дефектов (трещин, несплошностей, раковин и пр.) не обнаружено. В связи с этим, предложено поэтапное проведение экспертизы промышленной безопасности с определением срока службы один раз в 3 года. Таким образом, по результатам этих работ был продлен срок эксплуатации и следующая экспертиза назначена на 2007 год.

5. Диагностирование и экспертиза ДЭ-2.

В 2007 году экспертиза промышленной безопасности проводилась ООО «Подземнефтегазсервис» (г. Москва). Дефектов, препятствующих эксплуатации, не выявлено. Срок эксплуатации фонтанных арматур продлён на пять лет, следующая экспертиза назначена на 2012 год.

6. Диагностирование и экспертиза ДЭ-3.

В 2012 году диагностирование и экспертиза промышленной безопасности с целью определения возможности и продления сроков дальнейшей эксплуатации фонтанных арматур выполнялась ОАО «Техдиагностика» (г. Оренбург). Выявлено отсутствие глухих фланцев на части скважин, недопустимые дефекты литья на корпусах 2-х задвижек 71/16² и 3-х задвижек 41/16² (элементы отбракованы) и несоответствие климатического исполнения элементов фонтанных арматур. Минимальная температура эксплуатации фонтанных арматур по паспорту – -45ºC, минимальная климатическая температура – до ‑60ºC. Срок эксплуатации фонтанных арматур продлён на пять лет до 2017 года при условии проведения дополнительных исследований металла выборок элементов фонтанных арматур UPETROM для обоснования возможности и условий продолжения их эксплуатации при минимальной температуре до -60ºС.

Анализ отказов и определение показателей надежности (безотказности) исследуемых фонтанных арматур выполнены в соответствии с методическими положениями ГОСТ 27.002-89 [120], ГОСТ 27.003-90 [121], ГОСТ 27.203-83 [122], ГОСТ 27.301-95 [127], ГОСТ 27.410-87 [123], ГОСТ 27.502‑83 [124], ГОСТ 27.503-81 [125], ГОСТ Р 51901.5-2005 [97], ГОСТ Р 51901.11-2005 [126], РД 50-204-87 [118], РД 50-476-84 [129], РД 50-690-89 [128], РД 03-418-01 [98].

Для анализа отказов и определения показателей безотказности фонтанных арматур выполнен сбор фактических данных об имевших место отказах, проверках и нарушениях работоспособности, обслуживаниях, ремонтах и заменах элементов фонтанных арматур за прошедший период их эксплуатации, а также сведения об отказах и нарушениях работоспособности, полученных при диагностировании (см. рис.3.4).

 

Фрагмент таблицы данных об отказах фонтанных арматур 

Рисунок 3.4 – Фрагмент таблицы данных об отказах фонтанных арматур UPETROM скважин Комсомольского месторождения

Обобщенные сведения о количестве и причинах отказов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Сведения о количестве и причинах отказов

Типоразмер элемента Всего элементов Число отказавших элементов1 Причины отказов
растрескивание потеря герметичности дефекты литья заклинивание привода н/д2
Колонная головка 135/8" 32 1 (0/1/0) 1 1
Трубная головка 135/8"×9" 32 1 (0/1/0) 1 1
Спец. фланец (адаптер) 9"×71/16" 32 1 (0/1/0) 1 1
Задвижка 71/16" 96 28 (25/1/2) 1 3 14 11
Крестовина 71/16"×41/16" 32 0
Переводник (буфер) 71/16" 32 0
Задвижка 41/16" 224 74 (52/3/19) 1 22 2 50
Задвижка 21/16" 32 2 (1+1+0) 1 1 1
Промежуточный фланец 41/16" 64 0
Глухой фланец 21/16" 32 0
Всего 608 107 29 14 5 2 62

1 отказы, выявленные эксплуатирующей организацией за 20 лет эксплуатации / отказы, выявленные при лабораторном контроле / отказы, выявленные при контроле в полевых условиях;

2 н/д – нет данных (условно отнесены к отказам).

Анализом сведений о количестве и наработках до отказов по ГОСТ 27.002‑89 [120] получены значения показателей надежности (безотказности) совокупностей элементов фонтанных арматур UPETROM: вероятности отказа/безотказной работы -VО/VБР=0,17/0,83; гамма-процентная наработка до отказа (при g = 90%) – 12 лет; средняя наработка до отказа – 19,8 лет; интенсивность возникновения отказов – 0,009 отказов/год. Для каждой группы типовых элементов фонтанных арматур установлено, что наименьшую VБР имеют задвижки размером (условным диаметром) 41/16" и 71/16" – 0,68 и 0,71 соответственно, для других типовых элементов (колонной и трубной головок, спец. фланцев (адаптеров), задвижек 21/16", крестовин, переводников (буферов), промежуточных и глухих фланцев) VБР > 0,94, для всей совокупности элементов фонтанных арматур по всем видам отказов VБР= 0,83, согласно нормативным требованиям (условно применен РД 09–102–95 [78]) VБР должна обеспечиваться на уровне > 0,9.

Обобщенные результаты анализа отказов, результатов диагностирований и исследований технического состояния совокупности фонтанных арматур UPETROM 32-х скважин Комсомольского месторождения представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты анализа отказов и результатов диагностирований фонтанных арматур UPETROM 32-х скважин

Типоразмер элемента Кол-во Распределение отказов, % Вероятность отказа Вероятность безотказной работы Интенсивность отказов, год-1 Распределение дефектов и повреждений, %
Колонная головка 135/8" 32 1 0,03 0,97 0,002 3
Трубная головка 135/8"×9" 32 1 0,03 0,97 0,002 3
Спец. фланец (адаптер) 9"×71/16" 32 1 0,03 0,97 0,002 3
Задвижка 71/16" 96 26 0,29 0,71 0,015 13
Крестовина 71/16"×41/16" 32 1 0
Переводчик (буфер) 71/16" 32 1 0
Задвижка 41/16" 224 69 0,33 0,68 0,017 71
Промежуточный фланец 41/16" 64 0,94 0
Глухой фланец 21/16" 32 1 0
Задвижка 21/16" 32 2 0,06 1 0,003 7

 

В соответствии с алгоритмом (рис. 2.2, глава 2), на основе анализа статистики отказов и результатов диагностирования, в выборку элементов исследуемых фонтанных арматур UPETROM для проведения лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля была включена задвижка 41/16² на давление 21 МПа (далее – задвижка) с наработкой 20 лет (см. строку серого цвета в табл. 3.2). Задвижки такого типа за предшествующий период эксплуатации имели наибольшие количество отказов и выявленных дефектов.

 

3.2 Определение высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений

Результаты исследований многих авторов [6, 36, 37, 39, 48, 102, 105, 115 и др.], а также результаты собственных расчетно-экспериментальных исследований [21, 22] (раздел 3.3) показывают, что растрескивание металла (зарождение и развитие трещин) происходит в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений корпусов элементов фонтанных арматур.

Для выявления этих зон в соответствии с алгоритмом рисунка 2.3 выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния (далее – НДС) корпусов элементов методом конечных элементов. Моделирование выполнялось при нагружении внутренним избыточным давлением и силами от затяжки шпилек во фланцевых соединениях для трёх расчетных режимов – гидравлическое испытание, разгрузка и нагружение рабочим давлением в соответствии с [34, 77, 104].

Измерение геометрических размеров для построения трехмерных расчетных моделей типовых элементов фонтанных арматур UPETROM проведено на основании таблицы 2.4 (разд. 2) методом визуально-измерительного контроля в соответствии с РД 03-606-03 [131] и методом ультразвуковой толщинометрии по ГОСТ Р 51365‑2009 [32]. Результаты измерений на примере задвижки с диаметром проходного отверстия – 41/16" на давление 21 МПа – UP 41/16" 21 представлены на рисунке 3.5.

 

 Результаты измерений геометрических размеров задвижки

Рисунок 3.5 – Результаты измерений геометрических размеров задвижки UP 41/16" 21 для построения ее расчетной модели

На основе данных документации на комплект элементов фонтанных арматур изготовителя UPETROM, ГОСТ Р 51365‑2009 [32], API Spec 6A [34] и результатов выполненных измерений построены расчетные модели типовых элементов фонтанных арматур. Для уменьшения размерности задачи использовалось свойство симметрии конструкции, в связи с этим расчетные модели представляют собой одну четвертую часть корпуса. На рисунке 3.6 в качестве примера представлена расчетная модель задвижки UP 41/16" 21 (для наглядности показано три четверти корпуса задвижки).

Расчетная модель задвижки  

Рисунок 3.6 – Расчетная модель задвижки UP 41/16" 21

Аналогичные измерения геометрических размеров и построения расчетных моделей выполнены для корпусов других типовых элементов фонтанных арматур UPETROM: колонной головки 135/8²; трубной головки 135/8²×9²; спец. фланца (адаптера) 9²×71/16²; задвижек 71/16² и 21/16²; крестовины 71/16²×41/16²; переводника (буфера) 71/16²; промежуточного фланца 41/16² и глухого фланца 41/16².

Механические характеристики материала исследуемых элементов фонтанных арматур приняты в соответствии с результатами проведенных механических испытаний, коэффициенты запаса прочности и допустимые напряжения приняты в соответствии с нормативными требованиями ГОСТ Р 51365-2009 [32]. Параметры диаграммы деформирования материала элементов фонтанных арматур определены в соответствии [99, 101, 151] с учетом проведенных механических испытаний на растяжение (разд. 3.4).

В качестве нагрузок принято давление гидравлического испытания – 42 МПа [32], номинальное рабочее давление – 21 МПа и усилия, возникающие при затяжке шпилек во фланцевых соединениях определенные в соответствии с [77]. В режиме разгрузки с расчетной модели снимаются все нагрузки.

Усилия обжатия прокладки и затяжки шпилек, действующие на фланцы при условиях гидроиспытания и при рабочем режиме эксплуатации, получены расчетным путем по методике [77] для фланцевых соединений с металлической кольцевой прокладкой восьмиугольного сечения (табл. 3.3). Характеристики материала прокладки приняты в соответствии с [32, 34, 77].

Таблица 3.3 – Усилия во фланцевых соединениях

Номинальный размер фланца, мм (дюймы) Расчетное усилие, кН Расчетное давление, МПа (psi)
Гидроиспытание Рабочее
42,0 (6000) 21,0 (3000)
52 (21/16") на прокладке 450 450
на шпильках 749 600
103 (41/16") на прокладке 704 704
на шпильках 1438 1071
179 (71/16") на прокладке 996 996
на шпильках 2466 1731
228 (9") на прокладке 1274 1274
на шпильках 3677 2475
346 (135/8") на прокладке 1199 1199
на шпильках 4391 2795

Для построения конечно-элементных моделей типовых элементов фонтанных арматур использовались пространственные конечные элементы второго порядка. Расчеты НДС выполнены с использованием программных комплексов решения инженерных задач «COSMOS/M 2.8» (лицензия №0611200358074851) и Ansys с учетом упруго-пластической модели деформирования материала.

Результаты расчетов НДС представлены на рисунках 3.7 и 3.8 в виде расчетного распределения на конечно-элементных моделях типовых элементов эквивалентных напряжений по теории удельной энергии формоизменения (по Мизесу) (для наглядности показана одна вторая часть корпуса), где: а) – колонная головка 135/8²; б) – трубная головка 135/8²×9²; в) – спец. фланец (адаптер) 9²×71/16²; г) – задвижка 71/16²; д) – крестовина 71/16²×41/16²; е) – переводник (буфер) 71/16²; ж) – задвижка 41/16²; з) – промежуточный фланец 41/16²; и) – глухой фланец 41/16²; к) – задвижка 21/16².

     
а)
     
б)
     
в)
 
 

Рисунок 3.7 – Распределение эквивалентных напряжений (sэкв) для корпусов типовых элементов фонтанных арматур UPETROM при гидравлическом испытании, МПа

   
г)
   
д)
   
е)

Продолжение рисунка 3.7


 
 
ж)
   
з)
   
и)
   
к)

Продолжение рисунка 3.7


 
   
а)
     
б)
     
в)
 
 

Рисунок 3.8 – Распределение эквивалентных напряжений (sэкв) для корпусов типовых элементов фонтанных арматур UPETROM при нагружении рабочим давлением, МПа

 
г)
   
д)
   
е)

Продолжение рисунка 3.8

 
ж)
   
з)
   
и)
   
к)

Продолжение рисунка 3.8

Категории эквивалентных напряжений и критерии предельного состояния определены во всех точках конструкции типовых элементов фонтанных арматур в соответствии [32, 34, 77]. Результаты анализа НДС приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Результаты анализа элементов фонтанных арматур

Категория напряжений Результаты оценки параметров НДС
Общие мембранные не более допускаемых значений
Местные мембранные
Местные мембранные+местные изгибные + местные напряжения с учетом концентрации
Максимальная эквивалентная деформация

Как видно из рисунков 3.7 и 3.8, области выделенные красным, желтым и зелеными цветами являются зонами потенциально-опасных высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений. Такими зонами являются зоны сопряжения корпуса с тарелкой присоединительных фланцев, сопряжения патрубка фланцев и стаканов задвижек.

В качестве примера на рисунке 3.9 такие зоны показаны на наружной поверхности корпуса задвижки 41/16".

 
 
          0                         50                         100                      150                      200                    250

Рисунок 3.9 – Распределение эквивалентных напряжений для корпуса задвижки 41/16" при нагружении рабочим давлением и силами от затяжки шпилек фланцев:         – зоны высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений

По результатам моделирования установлено, что на поверхности корпуса задвижки имеются зоны высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений в металле (см. зоны выделенные пунктирными рамками на рис. 3.9). Как показано на рисунке 3.9 механические напряжения от внешних нагрузок в этих зонах являются наибольшими. Аналогичные поверхностные зоны конструктивных концентраторов напряжений имеются на корпусах других типовых элементов фонтанных арматур (колонных и трубных головок, переводников и т.д.) (рис. 3.7, 3.8). Такие зоны, как правило, располагаются в местах конструктивных переходов – сопряжения различных диаметров, галтелях, проточках, местах изменения формы и геометрических размеров и других конструктивных неоднородностях.

Результаты моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния (см. табл. 3.4 и рис. 3.7¸3.9) показывают, что наиболее нагруженными элементами фонтанных арматур при рабочих условиях являются колонная головка и задвижки. Уровень напряжений, возникающих в конструкции элементов фонтанных арматур без учета наличия выявленных трещин и недопустимых дефектов литья не превышает допустимых значений по ГОСТ Р 51365 [32], нормативное условие прочности обеспечивается.

 

3.3 Неразрушающий и разрушающий контроль выборок типовых элементов. Определение параметров конструктивных концентраторов и дефектов

В соответствии с разработанными алгоритмами (рис 2.1, 2.3, глава 2) был выполнен неразрушающий и разрушающий контроль выбранного типового элемента фонтанных арматур – задвижки UPETROM с диаметром проходного отверстия 41/16² на давление 21 МПа (рис. 3.10), эксплуатировавшейся 20 лет на скважине Комсомольского месторождения (далее – Задвижка №1 UP 41/16² 21). С целью проведения неразрушающего и разрушающего контроля задвижка была демонтирована со скважины и доставлена в лабораторию ОАО "Техдиагностика".

 

Рисунок 3.10 – Корпус задвижки №1 UP 41/16² 21 для проведения лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля

Для проведения работ по неразрушающему и разрушающему контролю (табл. 2.4, глава 2) обосновано применение оборудования и инструментов, представленных в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Перечень инструментов и оборудования для неразрушающего и разрушающего контроля

№п/п Наименование, марка Назначение
  1.  
Штангенциркуль ШЦ-I-125-0,1 Измерение геометрических размеров, размеров поверхностных дефектов и повреждений элементов фонтанных арматур
  1.  
Шаблон сварщика УШС-3
  1.  
Линейка мет. 150мм ГОСТ 427-75 [152]
  1.  
Линейка мет. 300мм ГОСТ 427-75 [152]
  1.  
Микроскоп Mitutoyo x25 Визуально оптическое обследование поверхности элементов фонтанных арматур
  1.  
Лупа х3/х6-75 Зубр с подсветкой 40533 Визуальный контроль поверхности
  1.  
Лупа измерительная ЛИ-3-10х
  1.  
Лупа х3/х6 Stayer 40530-75
  1.  
Фонарь ФОС-3 с регулятором Обеспечение требуемой освещенности поверхности контроля
  1.  
Зеркало на телескопической ручке Осмотр поверхности контроля в труднодоступных местах

 

Продолжение таблицы 3.5

№п/п Наименование, марка Назначение  
  1.  
Фотокамера «СANON» А1300 Документирование результатов технического диагностирования  
  1.  
Очиститель DR-60 Проведение капиллярного контроля, очистка поверхности контроля  
  1.  
Пенетрант DP-51 Проведение капиллярного контроля, заполнение полостей дефектов красящим веществом  
  1.  
Проявитель D-100 Проведение капиллярного контроля, локализация выявленных дефектов  
  1.  
Магнитная суспензия BabbCo Проведение магнитопорошкового контроля
  1.  
Белый контрастный фон BabbCo
  1.  
Магнитопорошковый дефектоскоп МДПМ-1
  1.  
Ультразвуковой дефектоскоп Epoch-IIIb Поиск и локализация скрытых дефектов в металле.  
  1.  
Ультразвуковой толщиномер А1210 Измерение толщины металла ультразвуковым методом  
  1.  
Образец СОП-1-2-3-4-5-6-7-8 ст.20 Настройка ультразвукового толщиномера  
  1.  
Твердомер портативный комбинированный МЕТ УДА Измерение твердости металла динамическим методом  
  1.  
Спектральный анализатор химического состава металла (мобильный спектрометр) Spectrotest TXC03 Спектральный анализ химического состава металла  
  1.  
Прецизионная пила «ISOMET PLUS» Подготовка образцов для металлографического исследования  
  1.  
Полировальное устройство «MOTOPOL 8» Подготовка образцов для металлографического исследования  
  1.  
Оптический микроскоп «EPIPHOT TME» Металлографическое исследование  
  1.  
Стереомикроскоп СТЕРЕО-МХ-3 Визуально-оптическое обследование поверхности металла, фрактографическое исследование  
  1.  
Объект-микрометр Оценка размеров элементов микроструктуры  
  1.  
Испытательная машина РМ-50 Механические испытания на растяжение  
  1.  
Копер маятниковый ИО 5003-03 Испытания на ударный изгиб  

  1.  
Ленточнопильный станок типоразмера HVBS-34BS «JET Equipment & Tools» Изготовление заготовок образцов для испытаний на растяжение, ударный изгиб, измерений твердости и металлографического контроля  
  1.  
Сверлильно-фрезерный станок «Super-U2 (U-2)» Изготовление образцов для испытаний на ударный изгиб  
  1.  
Токарный станок ТВ-4 Изготовление образцов для испытаний на растяжение  
  1.  
Низкотемпературный морозильный ларь VT 76 Охлаждение образцов до -60°С для испытаний на ударный изгиб и измерений твердости  

 

Для экспериментальных лабораторных исследований технического состояния после разборки задвижки №1 UP 41/16" 21 поверхность ее корпуса была зачищена от лакокрасочного покрытия, подготовлена для проведения неразрушающего контроля согласно нормативным требованиям и выполнен визуально-измерительный, магнитопорошковый, капиллярный и ультразвуковой контроли её наружной поверхности.

Визуально-измерительный контроль выполнен в соответствии с РД 03‑606‑03 [131], ГОСТ Р 51365‑2009 [32], ПНАЭ Г‑7‑025‑90 [77], СТО-НК.И-222 [153], магнитопорошковый контроль выполнен в соответствии с ГОСТ 21105-87 [145], ПНАЭ Г-7-015-89 [154], СТП ТД – 04НК-03 [155], СТО-НК.И-222 [153]. Капиллярный и ультразвуковой контроли выполнены по методикам согласно таблицы 2.4 (глава 2) и СТО-НК.И-222 [153].

По результатам визуально-измерительного контроля на наружной поверхности корпуса задвижки в соответствии с классификацией ГОСТ 19200-80 [156] были выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость (рис. 3.11).


Рисунок 3.11 – Дефекты отливки наружной поверхности корпуса задвижки: 1, 2, 3 – недоливы (размеры в плане: 1 – 100 ´ 22 мм, 2 – 50 ´ 55 мм, 3 - 10 ´ 5, глубина – 2…5 мм); 4 – заливы; 5 – грубая шероховатость

 

По результатам магнитопорошкового контроля в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений (рис. 3.9) были выявлены поверхностные трещины металла (см. рис. 3.12). Длина трещины в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) – 98 мм, расстояние от трещины до плоскости тарелки фланца – H = 20…30 мм (рис. 3.12 а). Длина трещины в зоне сопряжения стакана со ступицей (патрубком) фланца – 15 мм (рис. 3.12 б).

Следует отметить, что до зачистки металла от лакокрасочного покрытия визуально-измерительный контроль не позволил выявить эти трещины, поскольку они были скрыты под слоями краски. Капиллярный и ультразвуковой контроль также не показали результативность для выявления трещин при неразрушающем контроле с наружной поверхности, очевидно, из-за сложности геометрической формы поверхности и наличия продуктов коррозии в трещинах.

        Вид А (увеличено)

                                       а)                                                                   б)

Рисунок 3.12 – Трещины в корпусе задвижки: а) – в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком); б) – в зоне сопряжения стакана со ступицей (патрубком) фланца

 

После проведения визуально-измерительного и магнитопорошкового контроля наружной поверхности корпус задвижки был разрезан по продольной плоскости симметрии относительно оси фланца (рис. 3.13 а) ленточной пилой Speedliner 920 m FILL. При проведении визуально-измерительного контроля на внутренней поверхности корпуса также были выявлены дефекты отливки (рис. 3.13 б, в) – недоливы и грубая шероховатость.

 

а)

б)

в) 

Рисунок 3.13 – Дефекты отливки на внутренней поверхности корпуса задвижки: а) – вид изнутри ½ части корпуса, разрезанного по продольной плоскости симметрии; б) – грубая шероховатость; в) – недолив

После проведения контроля наружной и внутренней поверхностей из металла зон высоконагруженных концентраторов напряжений корпуса задвижки (рис. 3.9), не имеющего поверхностных дефектов, были изготовлены образцы для механических испытаний – на растяжение и ударный изгиб. После механической обработки при проведении визуального осмотра и магнитопорошкового контроля на некоторых изготовленных образцах были выявлены трещины (рис. 3.14 а) и металлургические рыхлоты [1] (рис. 3.14 б).

Рисунок 3.14 – Внешний вид образцов из корпуса задвижки:  а) – с трещиной; б) – с рыхлотой

На образцах для механических испытаний были выполнены исследования выявленных трещин и рыхлот, а также исследования выявленной трещины в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) – рисунок 3.12 а.

По результатам исследования установлено, что в соответствии с ориентацией вырезки образцов трещина располагалась в зоне галтели сопряжения тарелки фланца со ступицей (очерчена пунктирной линией на рис. 3.15 а). Как показано на (рис. 3.15 а), трещина является практически радиальной, т.е. поверхность трещины имеет наклон к плоскости радиального сечения ступицы фланца на угол не более 10° (см. рис. 3.15 а). Для исследования поверхностей трещины образец был надпилен и доломлен (рис. 3.15 б). Установлено, что строение поверхностей трещины (рис. 3.15 в) соответствует хрупкому излому.

Рисунок 3.15 – Зона расположения и ориентация трещины (а), образец для механических испытаний с трещиной после надпила и долома (б), вид поверхности трещины (в)

Проведен металлографический контроль образца с обнаруженными рыхлотами. Внешний вид поверхности металла образца с рыхлотами, а также с увеличениями в 50, 200, 400 раз показан на рисунке 3.16.

 

Рисунок 3.16 – Внешний вид поверхности металла образца с рыхлотами

 

Результаты металлографического контроля (рис. 3.16) показывают, что данный дефект (рыхлота) имеет грубую шероховатость и окисленную поверхность, образовавшуюся вследствие усадки при затвердевании металла отливки. Наличие рыхлот в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений на корпусах элементов фонтанных арматур может снижать их прочность, а также может служить возможной причиной образования и развития трещиноподобных дефектов.

Далее представлены результаты исследования трещины, выявленной в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) – рисунок 3.12 а.

Как показано на рисунке 3.17 а, из корпуса задвижки был вырезан фрагмент металла с трещиной, который по длине трещины был размечен и разрезан на образцы (рис. 3.17 б), затем каждый образец по аналогии с образцом на рисунке 3.15 б был надпилен и доломлен.

                                          

                          а)                                                                б)   

Рисунок 3.17 – Фрагмент металла (а) и образцы с трещиной (б): 1-6 – нумерация образцов

Для примера на рисунке 3.18, 3.19 представлены внешние виды образцов № 1 и № 2 с трещиной после их долома. Как показано на рисунке 3.18 в образце № 1 рядом с основной (рис 3.17 а) была обнаружена еще одна (соседняя) трещина.

После долома образцов были выполнены измерения длины трещины (L) и ее глубины (H1 и H2) с каждой стороны образца по схеме рисунка 3.19 в, расстояния (F1 и F2) от трещины до торца тарелки фланца c каждой стороны образца по схеме рисунка 3.21 а, результаты измерений представлены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Протяженность, глубина трещины и расстояние до тарелки фланца

Номер образца 1 2 3 4 5 6
Длина трещины по верхней образующей, L, мм 20,0 18,8 18,3 20,3 20,7 2,5
Глубина трещины, Н1 / Н2, мм 8,5 / 14 14 / 13 13 / 11,5 11,5 / 11 11 / 7 7 / 5
Расстояние от трещины до торца тарелки фланца, F, мм 8 / 9,9 9,9 / 11 11 / 14 14 / 16 16 / 16,7 16,7

 

 

Рисунок 3.18 – Образец №1: а) – общий вид (белой стрелкой указана еще одна трещина); б) – излом (вид А – излом образца №1, вид Б – излом образца №1);
в) – тоже, после очистки (1-место подпила; 2-долом; 3-поверхность трещины)

Рисунок 3.19 – Образец №2: а) – общий вид; б) – излом (вид А – излом образца №2, вид Б – излом образца №2); в) – тоже, после очистки (1-место подпила; 2- область долома; 3-поверхность трещины)

По данным результатов измерений (табл. 3.6) выполнена реконструкция положения трещины в плоскости поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца (рис. 3.20).

 

Рисунок 3.20 – Положение трещины в плоскости поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца: №1-№6 – номера образцов

На рисунке 3.20 наглядно показано, что трещина располагается по периферии плоскости поперечного сечения и ее глубина достигает половины толщины стенки. В соответствии с общими положениями механики растрескивания и разрушения [107, 108, 110 и др.] образование и развитие такой трещины становится возможном в случаях, когда в периферийной части сечения до ее середины действуют нормальные осевые растягивающие напряжения (т.е. вдоль продольной оси ступицы (патрубка) фланца и перпендикулярно плоскости ее поперечного сечения), а от середины к внутренней части в сечении действуют нормальные осевые сжимающие напряжения. Как показано на рисунке 3.21, характерным случаем такого нагружения ступицы (патрубка) фланца является нагружение ее распределенным по периметру сечения изгибающим моментом (М), возникающим при действии сил (FП и FШ) от затяжки крепежных элементов (шпилек) фланцевого соединения.

 

Рисунок 3.21 – Схема нагружения фланцевого соединения: FП – сила обжатия прокладки; FШ – сила затяжки шпильки; М – распределенный изгибающий момент в сечении ступицы (патрубка) фланца

Выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов, по результатам которого получено распределение осевых напряжений в сечении фланцевого соединения задвижки от действия рабочего давления и сил затяжки шпилек (см. рис. 3.22 а). На рисунке 3.22 б представлена эпюра осевых нормальных напряжений в сечении ступицы (патрубка) фланца по линии А-Б, нанесенной в области нахождения выявленной трещины (см. рис. 3.12 и 3.17).

а) 

б)

Рисунок 3.22 – Распределение осевых напряжений во фланцевом соединении (а), эпюра осевых нормальных напряжений по линии А-Б в области расположения выявленной трещины (б)

Результаты расчетов, представленные на рисунке 3.22 наглядно показывают, что от затяжки шпилек фланца в периферийной (наружной) части сечения, примерно, до ее середины действуют нормальные (осевые) растягивающие напряжения (см. положительные значения напряжений на рис. 3.22 а, б), а от середины к внутренней части в сечении действуют нормальные осевые сжимающие напряжения (см. отрицательные значения напряжений на рис. 3.22 а, б). Это соответствует условию возникновения выявленной трещины.

Таким образом, одним из возможных факторов, повлекших возникновение и развитие выявленной трещины в соответствии с местом ее положения по периферии поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца, является воздействие осевых растягивающих напряжений от распределенного изгибающего момента по периметру сечения, возникающего от действия сил затяжки крепежных элементов (шпилек) фланцевого соединения.

Поскольку в корпусе изначально включенного в выборку элемента фонтанных арматур – задвижки 41/16² – были выявлены трещины, в соответствии с алгоритмом (рис. 2.2, глава 2) в эту выборку были включены еще две аналогичные задвижки 41/16² – «Задвижки №2» и «Задвижки №3», а также другие типовые элементы фонтанных арматур UPETROM – колонная головка 135/8", трубная головка 135/8" ´ 9², спец. фланец (адаптер) 9²×71/16², задвижки 71/16² и 21/16², крестовина 71/16²×41/16², переводник (буфер) 71/16², промежуточный фланец 41/16², глухой фланец 41/16². Корпуса этих элементов были исследованы по аналогии с корпусом первой задвижки (рис. 3.11 – 3.13).

Ниже представлены некоторые результаты контроля.

По результатам визуально-измерительного контроля на наружной поверхности корпусов «Задвижки №2» и «Задвижки №3» также были выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость и др. дефекты отливок. Некоторые из дефектов представлены на рисунке 3.23.

             

Рисунок 3.23 – Некоторые дефекты наружной поверхности корпусов «Задвижки №2» и «Задвижки №3»: 1 – недоливы; 2 – грубая шероховатость

Кроме этого, также как и в случае с «Задвижкой №1» по результатам магнитопорошкового контроля на корпусе «Задвижки №2» были выявлены сразу несколько (четыре) поверхностных трещин металла длиной от 16 до 102 мм в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком). Внешний вид результатов магнитопорошкового контроля одной из трещин представлен на рисунке 3.24 а, дефектограмма результатов контроля представлена на рисунке 3.24 б.

Затем, также как и в случае с «Задвижкой №1» (рис. 3.17 а) из корпуса «Задвижки №2» был вырезан фрагмент металла с трещиной (рис. 3.25 а) и выполнены его ультразвуковые исследования (на рис 3.25 а – I-IV – проекция трещин на торец образца). Дефектограмма результатов ультразвукового исследования представлена на рисунке 3.25 б.

 а)

 б)

Рисунок 3.24 – Трещина в корпусе «Задвижки №2» в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком): а) – внешний вид результатов контроля;
б) – дефектограмма: I-IV – поверхностные трещины (размерными линиями показаны протяженность трещин и их положение относительно плоскости тарелки фланца)

   
а) б)

Рисунок 3.25 – Образец из корпуса «Задвижки №2» с трещиной (показаны проекции трещин на торец образца) (а) и дефектограмма результатов ультразвукового исследования (б): I-IV – трещины

При сравнении дефектограмм разрушающего (см. рис. 3.25) и неразрушающего (см. рис. 3.24) контроля «Задвижки №2» видно, что после вырезки фрагмента металла с трещиной и его ультразвуковых исследований протяженность трещины I составляет 137 мм, а не 102 мм, как было выявлено при неразрушающем контроле. Это свидетельствует о неполной объективности одного вида контроля, необходимости дополнительных исследований обнаруженных дефектов другими видами контроля и проведения разрушающих исследований выборочных элементов фонтанных арматур.

В металле корпуса «Задвижки №3» по результатам визуально-измерительного и магнитопорошкового контроля наружной поверхности дефектов типа трещин и несплошностей не выявлено. Для контроля внутренней поверхности корпус был разрезан на четыре части. В металле корпуса «Задвижки №3» в плоскости разрезки по результатам визуально-измерительного и магнитопорошкового контроля обнаружены восемь трещин протяженностью от 2 до 6 мм. Некоторые результаты контроля представлены на рисунке 3.26. Это также подтверждает необходимость выборочного разрушающего контроля типовых элементов фонтанных арматур.

 

Рисунок 3.26 – Трещины в корпусе «Задвижки №3» в зоне сопряжения тарелки со ступицей (патрубком) фланца (показан один из фрагментов (1/4 часть задвижки после ее разрезки))

По аналогии с задвижками №1, №2 и №3 был выполнен неразрушающий контроль корпусов наружной поверхности других выбранных элементов фонтанных арматур – колонной головки 135/8², трубной головки 135/8²×9², спец. фланца (адаптера) 9²×71/16², задвижки 71/16², задвижки 21/16², крестовины 71/16²×41/16², переводника (буфера) 71/16², промежуточного фланца 41/16², глухого фланца 41/16².

В результате выполненного неразрушающего контроля обнаружено:

– на колонной головке в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей обнаружены трещины в количестве 21 шт., протяженностью до 17,0 мм;

– на трубной головке обнаружены 8 раковин размером до 10,0 мм, глубиной до 6,0 мм, четыре трещины протяженностью до 18,0 мм и зона трещин размером 25×25 мм;

– на спец. фланце (адаптере) обнаружены 9 раковин размером до 15,0 мм глубиной до 5,0 мм, две трещины протяженностью до 17,0 мм;

– на задвижке 71/16" обнаружена раковина размером 4×9 мм глубиной 2,0 мм, трещины в количестве 16 шт., протяженностью до 11 мм;

– на задвижке 21/16" обнаружены два дефекта литья (недоливы) размером до 39 мм глубиной до 3,0 мм, пора диаметром 1,0 мм глубиной 5,5 мм, раковина диаметром 1,5 мм глубиной 3,0 мм.

– на наружной поверхности задвижки №3 41/16², крестовины 71/16²×41/16², переводника (буфера) 71/16², промежуточного фланца 41/16², глухого фланца 41/16² недопустимых дефектов не обнаружено.

Для контроля внутренней поверхности корпуса выбранных типовых элементов фонтанных арматур согласно алгоритму (рис. 2.3) были разрезаны. В результате выполненного контроля внутренних поверхностей и поверхностей плоскостей реза на колонной головке 135/8", трубной головке 135/8" ´ 9², задвижках 71/16² и 21/16² были выявлены поверхностные и внутренние дефекты отливок (недоливы, заливы, грубая шероховатость, раковины, рыхлоты), поверхностные и внутренние трещины металла длиной до 200 мм, глубиной до 50% от толщины стенки. Большинство трещин выявлены в зонах сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком). Техническое состояние исследованных элементов с выявленными трещинами не соответствует нормативным требованиям, элементы выбракованы. На остальных элементах поверхностных и внутренних дефектов отливок не обнаружено.

На рисунке 3.27 проиллюстрированы некоторые примеры обнаруженных трещин на внутренней поверхности и поверхностях плоскостей реза исследуемых элементов фонтанных арматур.

 

Рисунок 3.27 – Трещины на внутренней поверхности и поверхностях плоскостей реза: а) – колонной головки; б) – задвижки 71/16"; в) – задвижки 21/16"; I¸VIII – трещины

На основании вышеизложенных результатов исследований была проведена отработка технологии неразрушающего контроля (визуально-измерительного и магнитопорошкового) металла высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений элементов фонтанных арматур. На рисунке 3.28 пунктирными линиями показано расположение возможных дефектов в зоне высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений на корпусах элементов фонтанных арматур, на примере корпуса задвижки.

Рисунок 3.28 – Зона высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений корпуса задвижки: _ _ _ _ _ – расположение возможных поверхностных трещиноподобных дефектов (ВПТД)

До начала проведения контроля поверхность корпусов элементов фонтанных арматур должна быть очищена от снега, воды, грязи, масла и продуктов коррозии. Удаление с контролируемых элементов лакокрасочного покрытия без видимых дефектов не производится. В случае обнаружения дефектов лакокрасочного покрытия в виде отслоений, трещин, выпучин и т.п. лакокрасочное покрытие в дефектной области удаляется до основного металла.

Для обеспечения объективности при проведении контроля, его отдельные этапы подлежат фотографированию:

- до начала проведения контроля должны быть сделаны фотографии общего вида фонтанных арматур не менее чем с двух сторон. Места расположения фотоаппаратуры следует отметить на местности;

- в процессе проведения визуально-измерительного контроля фотографированию подлежат области, с выявленными дефектами лакокрасочного покрытия и металла (после удаления лакокрасочного покрытия в дефектной области);

- в процессе проведения магнитопорошкового контроля подлежат фотографированию все индикаторные рисунки (вне зависимости от наличия / отсутствия в них признаков выявленных дефектов);

- после проведения контроля с тех же мест (ракурсов) должны быть сделаны фотографии общего вида проконтролированной фонтанной арматуры не менее чем с двух сторон. Фотографии следует делать таким образом, чтобы были видны места проведения контроля, окрашенные белым контрастным фоном магнитопорошкового неразрушающего контроля;

- подтверждать фотографированием отсутствие дефектов не требуется.

Корпуса элементов фонтанных арматур (100% поверхности) подвергается визуально-измерительному контролю для выявления трещиноподобных проявлений на поверхности лакокрасочного покрытия. Особое внимание должно быть уделено зонам расположения высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений (см. рис. 3.7 – 3.9, разд. 3.2).

Неразрушающему магнитопорошковому контролю подвергается наружная поверхность входного и выходного патрубков (ступиц) фланцев, отмеченная на рисунках 3.28 и 3.29. Выделенные зоны должны быть проконтролированы по всей окружности 0…360º.

При подготовке к проведению магнитопорошкового контроля на контролируемую зону наносится белая контрастная краска. После ее высыхания контролируемая зона делится на участки, количество которых равно количеству стягивающих фланцы шпилек, но не менее восьми, контроль проводится последовательно по этим участкам. Перестановка магнитов и раздельное проведение магнитопорошкового контроля по участкам обеспечивает требуемую напряженность магнитного поля в контролируемой зоне и чувствительность метода.

Рисунок 3.29 – Зоны для магнитопорошкового контроля задвижки (а), колонной (б), трубной (г), промежуточной (д) головок, переводника (буфера) (в), спец. фланца (адаптера) (е, ж) и углового штуцера (з)

После установки магнитов дефектоскопа (рис. 3.30), на очередной контролируемый участок наносится магнитопорошковая суспензия, выполняется осмотр и фотографирование индикаторного рисунка. При фотографировании блестящей (мокрой) поверхности индикаторных рисунков рекомендуется принудительно отключить вспышку для исключения явления "засветки" части снимка. Автоматическая настройка фокуса цифрового фотоаппарата работает лучше, если на фотографируемой поверхности имеется контрастный объект: линейка с делениями, лист бумаги с контрастным рисунком, номером скважины или номером элемента.

Порядок проведения магнитопорошкового контроля на примере задвижки поясняет рисунок 3.30. При нанесении магнитопорошковой суспензии и осмотре индикаторного рисунка особое внимание должно быть уделено поверхности металла, непосредственно примыкающей к фланцу, в том числе участкам, расположенным за гайками.

Рисунок 3.30 – Магнитопорошковый контроль верхней (а, б) и нижней (в, г) частей патрубка

При магнитопорошковом контроле, для наиболее результативного выявления трещин, экспериментально обосновано применение дефектоскопа МДПМ-1 (Россия), контрастной белой краски и чёрной магнитной суспензии В103 (BabbCo, Франция) с размером частиц 0,5-20,0 мкм, определены места установки полюсов магнитопорошкового дефектоскопа (см. рис. 3.30), требования к напряженности магнитного поля.

 

3.4 Определение, оценка соответствия нормируемых свойств и анализ кинетики снижения пластичности металла

Определение, оценка соответствия нормируемых свойств и анализ кинетики снижения пластичности металла элементов фонтанных арматур выполнен на основе сравнительного анализа значений исходных и фактических механических свойств металла

Для определения механических свойств металла элементов фонтанных арматур UPETROM в исходном состоянии использовались данные технических паспортов на их комплекты для 32-х скважин Комсомольского месторождения. Каждый паспорт содержит сертификаты на материал. Пример данных механических испытаний и химического состава металла, содержащихся в сертификатах, представлен на рисунке 3.31. Всего объем выборки этих данных был собран для 323-х элементов фонтанных арматур.

Нормативные требования к химическому составу и механическим свойствам материалов корпусов элементов фонтанных арматур установлены в п. 4.16 ГОСТ Р 51365 [32]. В соответствии с таблицей 12 ГОСТ Р 51365 [32] для корпусов фонтанных арматур на давление 21 МПа металл, применяемый для их изготовления, должен соответствовать группе прочности К248, К310. Механические свойства материалов для групп прочности К248 и К310 приведены в таблице 3.7, где: s0,2 – предел текучести, sВ – временное сопротивление, δ – относительное удлинение, ψ – поперечное сужение, НВ – твердость, KV – среднее значение энергии удара при минимальной температуре. Требования к химическому составу материалов корпусов из углеродистой стали установлены п. 4.16.4 ГОСТ Р 51365 [32] и приведены в таблице 3.8, где: С – углерод, Mn – марганец, Si – кремний, Р – фосфор, S – сера, Ni – никель, Cr – хром, Мо – молибден, V – ванадий.

 

Рисунок 3.31 – Сведения о свойствах металла из сертификатов

 

Таблица 3.7 – Минимально допустимые нормативные механические свойства материалов корпусов фонтанных арматур [32]

Группа прочности s0,2, МПа sВ, МПа δ, % ψ, % НВ KV, Дж
не менее
К 248 248 483 21 - 140 20
К 310 310 483 19 32 140 20

 

Таблица 3.8 – Нормативные требования к химическому составу материала корпусов фонтанных арматур [32]

Химический элемент С Mn Si P S Ni Cr Mo V
Массовая доля,
% не более
0,45 1,8 1,0 0,040 0,040 1,00 2,75 1,50 0,30

По результатам анализа данных сертификатов установлено, что нормируемые свойства металла в исходном состоянии (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, поперечное сужение, твердость, энергия удара (табл. 3.13), химический состав) соответствовали нормативным требованиям ГОСТ Р 51365 [32].

Для определения фактических свойств металла были выполнены анализ химического состава, структуры и механические испытания образцов металла, вырезанных из зон высоконагруженных конструктивных концентраторов выбранных типовых элементов (разд. 3.2). Отбор образцов выполнялся в соответствии с ГОСТ 7564-73 [134].

Анализ химического состава металла (спектральный анализ металла) осуществлен с помощью прибора SPECTROPORT-F. Анализ проводился на десяти представленных для исследования элементах фонтанных арматур. Результаты спектрального анализа представлены в таблице 3.9.

По результатам проведенного спектрального анализа элементов фонтанных арматур установлено соответствие химического состава металла стали 35ХМЛ по ГОСТ 977-88 [144] и химическому составу стали Т32MoCrNi08R, указанному в паспорте завода-изготовителя фонтанных арматур. Содержание основных химических элементов металла корпусов всех представителей соответствует паспортным значениям и нормативным требованиям (см. табл. 3.8).

Таблица 3.9 – Результаты выполненного спектрального анализа материала

Наименование элемента Массовая доля элементов, %
С Si Mn Cr Mo Al P S Cu Ni
Задвижка 41/16² №1 0,31 0,35 0,95 0,61 0,22 0,016 0,003 0,002 0,19 0,61
Задвижка 41/16² №2 0,29 0,33 0,80 0,86 0,21 0,01 0,02 0,017 0,2 0,64
Задвижка 41/16² №3 0,32 0,31 0,71 0,73 0,21 0,008 0,018 0,021 0,17 0,65
Колонная головка 135/8² 0,40 0,43 0,66 0,90 0,20 0,040 0,016 0,019 0,30 0,67
Трубная головка 135/8²×9² 0,29 0,24 0,65 0,70 0,17 0,041 0,016 0,015 0,40 0,67
Спец. фланец (адаптер) 9²×71/16² 0,39 0,28 0,54 1,68 0,21 0,015 0,017 0,019 0,18 1,46
Задвижка 71/16² 0,35 0,31 0,71 0,62 0,21 0,028 0,016 0,014 0,25 0,72
Задвижка 21/16² 0,32 0,42 0,87 0,93 0,24 0,034 0,016 0,017 0,30 0,62
Крестовина 71/16²×41/16² 0,33 0,37 0,78 1,06 0,16 0,018 0,016 0,017 0,11 0,18
Переводник (буфер) 71/16² 0,4 0,31 0,53 0,87 0,30 0,026 0,018 0,017 0,15 0,30
Промежуточный фланец 41/16² 0,39 0,28 0,54 1,68 0,21 0,015 0,017 0,019 0,18 0,015
Глухой фланец 41/16² 0,24 0,37 0,64 1,02 0,18 0,024 0,014 0,016 0,15 0,16

Металлографический анализ структуры металла проводился в соответствии с ГОСТ 5639-82 [139], ГОСТ 8233-56 [141], ГОСТ 1778-70 [138], ГОСТ 5640-68 [140] с помощью микроскопа Nikon Epiphot-TME с последующим фотографированием микроструктуры. В ходе металлографического исследования определялись величина зерна в баллах, наличие или отсутствие неметаллических включений, наличие или отсутствие дефектов внутри и по границам зерен. Примеры микроструктур образцов металла представлены на рисунке 3.32.

По результатам лабораторных металлографических исследований установлена дефектная микроструктура стали крестовины 71/16²´41/16² в виде игольчатых включений вдоль границ зерен перлита (рис. 3.32 б), характерна для перегрева и ускоренного охлаждения в процессе литья. Крестовина выбракована, микроструктура металла корпусов остальных представителей оценена как недефектная.

 

Рисунок 3.32 – Примеры микроструктур образцов металла (нетравленый и травленый шлиф): а) – задвижки 71/16²; б) – крестовины 71/16"´41/16", 100×, 200× – кратность увеличения.

Измерения твердости металла непосредственно на элементах фонтанных арматур выполнялась с помощью твердомера HBX-0,5 методом ударного отпечатка по ГОСТ 18661-73 [157]. Дополнительные измерения твердости проводились на вырезанных образцах в процессе подготовки их к металлографическому исследованию и механическим испытаниям с помощью стационарного твердомера HBRV-187,5 по Бринеллю по ГОСТ 9012‑59 [137] при комнатной температуре +20°С и с помощью твердомера «Equotip Piccolo 2» при температурах –40°С и –60°С. Результаты измерений твердости представлены в таблице 3.10.

По результатам измерения твердости установлено, что полученные значения твёрдости соответствуют требуемым нормативным значениям ГОСТ Р 51365 [32] (см. табл. 3.7).

Для проведения механических испытаний на растяжение и ударный изгиб из металла выбранных типовых элементов фонтанных арматур были вырезаны образцы: для испытаний на растяжение – тип III по ГОСТ 1497‑84 [135] – по три образца из каждого элемента, для испытаний на ударный изгиб с V-образным надрезом – тип 11, с U-образным надрезом – тип 1 по ГОСТ 9454‑78 [136] по три образца каждого типа для каждой температуры испытаний.

 

Таблица 3.10 – Результаты измерений твердости металла элементов фонтанных арматур

Наименование элемента Твердость при температуре (среднее значение), НВ
+20°С –40°С –60°С
Задвижка  41/16² №1 216 229 249
Задвижка  41/16² №2 230 252 262
Задвижка  41/16² №3 235 244 251
Колонная головка 135/8² 218 233 246
Трубная головка 135/8²×9² 179 205 214
Спец. фланец (адаптер) 9²×71/16² 226 247 258
Задвижка 71/16² 195 210 222
Задвижка 21/16² 200 217 230
Крестовина 71/16²×41/16² 173 206 220
Переводник (буфер) 71/16² 215 235 244
Промежуточный фланец 41/16² 210 225 239
Глухой фланец 41/16² 215 229 251
Диапазон значений 173÷235 205÷252 214÷262

 

Выполнена статистическая обработка результатов механических испытаний по ГОСТ 8.207-76 [158], ГОСТ Р 5077.21-2004 [159] с использованием методических положений [160 – 162] и с применением разработанных программных модулей в пакетах Microsoft Excel, MathCad с учетом рекомендаций [161 – 163 и др.]. В таблице 3.11 представлены диапазоны и выборочные средние значения фактических механических свойств при растяжении для исследуемых типовых элементов фонтанных арматур.

Механические испытания на ударный изгиб выполнены при температурах образцов -60ºC, -45ºC, -40ºC, -20ºC, 0ºC, +20ºC. Определены ударная вязкость образцов с U-образным концентратором (KCU) и ударная вязкость образцов с V-образным концентратором (KCV). В таблице 3.12  представлены средние значения ударной вязкости (верхнее значение KCV / нижнее – KCU) для металла типовых элементов фонтанных арматур.

 

Таблица 3.11 – Диапазоны и выборочные средние значения фактических механических свойств при испытании на растяжение

Наименование элемента σВсредн, МПа σ0,2средн, МПа δсредн, % ψсредн, %
min - max средние min - max средние min - max средние min - max средние
Задвижка 71/16" 751¸803 781 535¸623 596 10¸17,8 14,8 13,0¸53,0 28,5
Крестовина 71/16 "×41/16" 519¸528 522 363¸372 366 16,3¸17,2 16,7 12,4¸21,0 17,5
Адаптер 9"×71/16" 693¸747 721 548¸606 578 15,6¸16,7 16,2 19,0¸30,1 24,6
Трубная головка 135/8"×9" 514¸591 554 357¸403 378 23,8¸26,1 24,8 18,6¸41,3 28,1
Фланец промежуточный 41/16" 659¸679 668 511¸533 521 12,3¸18,7 16,1 23,6¸28,0 25,4
Задвижка 21/16" 616¸638 624 465¸488 474 21,0¸24,3 23,0 25,8¸31,6 29,2
Переводник 71/16" 683¸693 687 537¸547 542 16,1¸21,4 19,1 15,6¸27,3 22,3
Фланец глухой 41/16" 500¸537 518 343¸382 362 19,3¸23,4 21,3 27,4¸40,0 34,7
Колонная головка 135/8" 804¸807 806 609¸630 620 10,0¸17,0 13,9 16,0¸19,1 17,0
Задвижка 41/16" №1 727¸772 754 478¸591 553 8,4¸16,9 13,3 13,0¸41,3 29,2
Задвижка 41/16"№2 743¸790 768 576¸630 600 12,0¸17,2 15,3 27,9¸30,0 28,6
Задвижка 41/16"№3 762¸781 772 588¸613 597 14,1¸16,8 15,3 27,7¸28,4 28,0

 

Таблица 3.12 – Средние значения ударной вязкости (Дж/см2) в зависимости от температуры испытания

Наименование элемента Температура испытания
-60°С -45°С -40°С -20°С 0°С +20°С
Задвижка 41/16² №1 20,1 19,3 25,6 35,8 71,2 75,9
25,6 18,5 40,0 78,8 80,0
Задвижка 41/16² №2 27,1 21,8 23,3 39,9 72,7 73,0
19,0 23,5 48,4 68,9 70,2
Задвижка  41/16² №3 16,3 28,9 19,8 33,6 75,0 72,6
20,2 21,7 34,8 65,8 67,2
Колонная головка 135/8² 51,5 55,3 56,5 46,5 84,7 62,0
38,8 48,8 58,5 68,0 70,0
Трубная головка 135/8²×9² 30,0 35,4 37,2 31,4 51,5 49,0
34,5 43,2 45,5 55,2 53,0
Спец. фланец (адаптер) 9²×71/16² 35,0 47,2 51,2 50,5 65,1 70,4
52,9 59,1 56,7 74,3 68,1
Задвижка 71/16² 27,7 36,4 39,2 46,3 51,5 55,7
36,2 42,7 49,8 60,3 64,2
Задвижка 21/16² 37,9 46,4 49,2 50,9 66,8 56,3
44,9 49,1 58,5 62,9 71,2
Крестовина 71/16²×41/16² 5,4 5,9 6,0 7,3 9,1 13,5
6,6 7,1 22,1 39,1 45,8
Переводник (буфер) 71/16² 34,6 42,4 45,0 44,0 58,7 62,7
50,5 61,5 55,5 83,4 74,0
Промежуточный фланец 41/16² 30,0 35,5 37,3 38,9 48,7 57,1
49,1 60,6 54,4 66,6 62,4
Глухой фланец 41/16² 34,8 41,1 43,2 41,0 53,7
55,1 53,9 56,3 73,0

Обобщенные данные об исходных, фактических и нормативных свойствах металла для всей совокупности выбранных элементов фонтанных арматур представлены в таблице 3.13, где: d – относительное удлинение; KV-60 – работа удара при -60°С на образцах 10´10 мм; HB – твердость по Бринеллю; СКО – среднеквадратическое отклонение. Согласно требований ГОСТ Р 51365 [32] указаны минимальные допустимые нормативные значения механических свойств металла для групп прочности К248 и К310.

Исходные механические свойства металл корпусов определены по данным сертификатов на примененный для их изготовления металл, содержащихся в паспортах фонтанных арматур (см. столбцы голубого цвета в табл. 3.13). Фактические механические свойства (см. столбцы зеленого цвета в табл. 3.13) определены по результатам механических испытаний образцов, вырезанных из высоконагруженных зон (рис. 3.7 – 3.9), в которых не были выявлены дефекты, корпусов всех представителей – по три образца для испытаний на растяжение (тип III по ГОСТ 1497‑84 [135]) и по три образца для испытаний на ударный изгиб с V-образным надрезом (Шарпи) (тип 11 по ГОСТ 9454‑78 [136]). В результате были получены выборки значений исходных механических свойств металла корпусов для каждого представителя типовых элементов фонтанных арматур и для их совокупности, а затем выполнена статистическая обработка этих выборок по ГОСТ 8.207-76 [158], ГОСТ Р 50779.21–2004 [159], а также с использованием методических положений [160 – 162].

Таблица 3.13 – Исходные (     ), фактические (      ) и нормативные свойства металла

Статистические
 параметры
σ0,2, МПа σВ, МПа δ, % Ψk, % KV-60, Дж HB
Объем выборки 323 36 323 36 323 36 323 36 36 108
Диапазон значений, min-max 353-755 336-630 519-951 490-810 15-27 8,4- 26,1 25- 67 12,4-53 4,0-55,4 166 - 241
Выборочное среднее 568 505 705 669 19,1 17,5 43,1 26,1 26,6 208
СКО 56,7 95,4 55,5 103 1,7 4,3 7,3 9,0 9,7 17,5
Границы 90% доверительного интервала min 474 348 613 500 16,3 10,5 31,0 11,4 10,7 179
max 661 662 796 838 21,9 24,5 55,2 40,8 42,6 237
Требования ГОСТ Р 51365 > 310 > 483 > 19 > 32 > 20 > 140

Анализ соотношения исходных, фактических и нормативных свойств металла (табл. 3.7 – 3.13) показывает: исследуемый металл обладал достаточно низкими исходными пластическими свойствами – минимальные исходные d и yk (15 и 25%) менее требуемых нормативных (>19 и >32%) и выборочное среднее d (19,1%) практически равно минимально допустимому нормативному; за прошедший 20-ти летний период эксплуатации механические свойства (σ0,2, σВ, δ, Ψk) снизились, рассеяние их значений увеличилось – см. соотношение соответствующих границ диапазонов, доверительных интервалов, выборочных средних, СКО в голубых и зеленых столбцах; фактические пределы прочности, текучести – σ0,2, σВ и твердость – HB соответствуют нормативным требованиям, фактические пластические свойства (δ, Ψk, KV-60) не соответствуют нормативным требованиям – см. соотношение соответствующих границ диапазонов, доверительных интервалов и выборочных средних в зеленых столбцах с требованиями ГОСТ Р  51365 [32].

Полученные результаты исследований (табл. 3.13) наглядно показывают, что предусмотренный традиционными методами диагностирования контроль твердости не позволяет выявить изменение и несоответствие пластических свойств металла элементов фонтанных арматур после их длительной эксплуатации.

Таким образом, исследованиями установлено, что образование и развитие выявленных трещин (растрескивание) металла обусловлено низкими исходными пластическими свойствами и их снижением (кинетика снижения пластичности может достигать 10 – 60% за 20 лет эксплуатации (см. табл. 3.13)), наличием исходных дефектов отливки и структуры металла, деформированием металла при отрицательных температурах эксплуатации от действия внутреннего давления и сил затяжки шпилек фланцевых соединений в диапазоне отрицательных температур при длительной эксплуатации.

 

3.5 Определение критерия трещинообразования (разрушающей пластической деформации) – в сечении стенки с дефектом

С использованием полученных результатов исследований выполнены расчеты параметров и критериев теоретически обоснованной деформационной модели растрескивания (трещинообразования) – рисунок 2.4 (раздел 2.3) для исследуемых представителей типовых элементов фонтанных арматур. Результаты расчетов разрушающей пластической деформации представлены на примере сечения ступицы фланца исследуемого корпуса задвижки 41/16² с исходным дефектом отливки (рис. 3.35 а).

Минимальные фактические механические свойства материала корпуса исследуемой задвижки 41/16" определены экспериментально и представлены в разделе 3.4. Для выполнения расчетов в качестве исходных данных использованы значения предела текучести – σ0,2 = 478 МПа и относительного сужения – Ψk = 25,6% при +20°С.

Для определения критической температуры хрупкости в соответствии с ПНАЭ Г-7-002-86 [77] были использованы результаты испытаний на ударный изгиб образцов металла из корпуса с V-образным надрезом при различных температурах испытания в диапазоне -60¸+20ºC (не менее трех образцов на одну температуру испытания) – таблица 3.12. С использованием данных испытаний построен график зависимости ударной вязкости КСV от температуры испытания (см. рис 3.33). Критериальное значение ударной вязкости ([КCV]) по ГОСТ Р 51365 [32] составляет 25 Дж/см2. На графике ударная вязкость – температура на оси ординат (ось КСV) отложено критериальное значение ударной вязкости ([КCV]). Через полученную точку проведена линия, параллельная оси абсцисс, до пересечения с кривой ударной вязкости. Опущенный из точки их пересечения перпендикуляр к оси абсцисс (оси температур) определил значение критической температуры хрупкости – tк (рис. 3.33).

 

Рисунок 3.33 – Зависимость ударной вязкости (КСV) от температуры испытания (Т), где:  – значения ударной вязкости при различных температурах испытания;  ‑ средние значения ударной вязкости при различных температурах испытания;  – линия соответствующая критериальному значению ударной вязкости критической температуре хрупкости

Как видно из графика на рисунке 3.33, критическая температура хрупкости – tк для материала исследуемой задвижки составила – -35ºC.

Далее проведен расчет напряженно-деформированного состояния сечения ступицы фланца исследуемой задвижки с выявленным дефектом отливки методом конечных элементов. В расчете использована осесимметричная постановка задачи при билинейной модели упруго-пластического деформирования металла с учетом его фактических свойств при минимальной температуре эксплуатации tmin = -60ºС. При этом в расчетной модели учтены размеры исходного дефекта отливки (позиция 4 на рис. 3.35 а) на ступице фланца обнаруженного при разрушающем контроле.

Механические характеристики материала исследуемого элемента фонтанной арматуры при минимальной температуре эксплуатации (tmin =-60ºС) рассчитаны по формулам (2-10) раздела 2.3. Расчетные значения предела текучести и относительного сужения при tmin составили – σ0,2 tmin = 490 МПа и
Ψktmin = 11,8%.

Параметры диаграммы деформирования материала корпуса исследуемой задвижки определены в соответствии с [99, 101, 104]. Модель диаграммы деформирования металла представлена на рисунке 3.34.

 

Рисунок 3.34 – Расчетная модель диаграммы деформирования материала корпуса исследуемой задвижки (по оси ординат – напряжения, в МПа, по оси абсцисс – относительные деформации, в относительных единицах)

Конструктивные размеры расчетной модели ступицы фланца исследуемой задвижки приняты по данным документации на элементы фонтанных арматур фирмы-изготовителя UPETROM с учетом результатов визуально-измерительного контроля.

В качестве основных расчетных нагрузок, действующих на ступицу фланца исследуемой задвижки в соответствии с [32, 34, 77, 151, 164], принято внутреннее статическое избыточное давление Р=21 МПа и усилия, возникающие от затяжки шпилек фланцевых соединений, определенных по методике [32, 34] (см. табл. 3.14).

Таблица 3.14 – Расчетные усилия, действующие во фланцевых соединениях задвижки 41/16"

Номинальный размер фланца, мм (дюймы) Усилие на прокладке, кН Усилие на шпильках, кН
103 (41/16) 704 1071

 

В качестве критерия достижения предельного состояния по механизму хрупкого разрушения в соответствии с [77] использовалось условие  превышения значения коэффициента интенсивности напряжений (КI) в вершине условного трещиноподобного дефекта (несплошности) в металле, его допускаемых значений, установленных в [77] (КI ≤ [КI]).

Расчеты [КI] выполнены с использованием методик, представленных в [32, 34, 77, 151, 164], а также метода конечных элементов и программных комплексов решения инженерных задач «COSMOS/M 2.8» (лицензия №0611200358074851), Ansys.

Результаты расчетов, представленных на рисунке 3.35 б, показывают что, условие образования исходной трещины в исходном дефекте отливки (по линии А–Б) реализуется при максимальных расчетных деформациях в вершине дефекта – eL = emax = 6,0 %.

Рисунок 3.35 – Сечение ступицы фланца задвижки с дефектом отливки и трещиной (а), распределение расчетных деформаций – e и результаты расчетов параметров и критериев деформационной модели растрескивания (б), где: 1 и 2 – тарелка и ступица фланца; 3 и 4 – исходные дефект отливки и трещина; e и emax – расчетная деформация по линии А–Б и максимальная расчетная деформация в вершине дефекта; KI – расчетный коэффициент интенсивности напряжений при росте условной исходной трещины из вершины дефекта (точка А) по линии А-Б; [KI] и [L] – допустимые коэффициент интенсивности напряжений и глубина трещины

С учетом значений механических свойств при минимальной температуре эксплуатации tmin =-60ºC расчетная разрушающая деформация для гладкого образца по формуле (1) раздела 2.3 составляет – eк=12,6 %.

Через отношение расчетных значений разрушающей деформации для реальной конструкции (eL) к значению разрушающей деформации для гладкого образца (eк) получен коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя (kр), т.е.:

kр= eL/eк.

Для рассматриваемого примера коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя составляет – kр = 0,48.

Допустимый коэффициент интенсивности напряжений [KI] для минимальной температуры эксплуатации tmin, с учетом ранее определенной критической температурой хрупкости (tк), определен согласно ПНАЭ Г-7-002-86 [77] по формуле из условия T = tmin

 

и составляет – [KI] = 23 МПа×м1/2.

Для определения допустимого размера трещины [L] в построенную ранее расчетную модель в вершине исходного дефекта заложена условная трещина исходной глубиной – L0=3 мм. Методом конечных элементов выполнен расчет НДС и определен коэффициент интенсивности напряжений (КI). Поэтапным увеличением глубины трещины (L0=L0+1 мм) и расчетом КI построен график (эпюра) изменения KI при росте условной трещины по линии А-Б (см. рис. 3.35 б) на каждом этапе. Из условия КI = [КI] определен допустимый размер трещины [L]. На данном примере допустимый размер трещины [L] при минимальной температуре эксплуатации tmin =-60ºC составляет [L]=9,0 мм.

В результате проведенных аналогичных расчетов для других исследуемых представителей типовых элементов с выявленными трещинами в вершинах дефектов и конструктивных концентраторах установлены диапазоны значений коэффициента снижения пластических свойств поверхностного слоя kP в зависимости от его исходного состояния (табл. 3.15), соответствующие условию растрескивания с учетом фактических значений Ψk.

Таблица 3.15 – Значения kPв различном состоянии исходной поверхности металла

Исходное состояние
поверхностного слоя металла
Коэффициент снижения пластических свойств kP
Дефекты отливки (недоливы, заливы, грубая шероховатость) 0,4¸0,6
Галтели и конструктивные переходы без обработки точением 0,6¸0,8
Галтели и конструктивные переходы после механической обработки 0,8¸1,0

Таким образом, по результатам выполненных расчетно-экспериментальных исследований обоснованы методы определения параметров и критериев теоретически обоснованных деформационной модели растрескивания (трещинообразования), модели контроля технического состояния и прогнозирования ресурса элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.

Выводы.

1. В соответствии с обоснованными моделями, критериями, методами и алгоритмами (глава 2) прогнозирования работоспособности фонтанных арматур выполнено расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров, критериев предельного состояния фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла и кинетики их изменения.

2. Для проведения лабораторного контроля были выбраны элементы фонтанных арматур UPETROM Румынского производства 32-х скважин Комсомольского месторождения, эксплуатирующихся > 20 лет. Корпуса их элементов изготовлены из литой заготовки, на эти фонтанные арматуры приходится наибольшее число растрескиваний металла.

3. На основе анализа статистики отказов и результатов диагностирования для проведения лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля была выбрана задвижка 4 1/16² UPETROM на рабочее давление 21 МПа Задвижки такого типа за предшествующий период эксплуатации имели наибольшие количество отказов и выявленных дефектов.

4. Выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния корпусов типовых элементов фонтанных арматур UPETROM и определены зоны их высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений, являющиеся наиболее вероятными местами зарождения и развития трещин металла.

5. Выполнен неразрушающий контроль наружной поверхности корпуса выбранной задвижки и внутренней поверхности после разрезки корпуса ленточной пилой. При визуальном и измерительном контроле на наружной и внутренней поверхности выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость, при магнитопорошковом контроле в зоне сопряжения тарелки с патрубком фланца и в зоне сопряжения стакана корпуса с патрубком фланца выявлены трещины длиной 98 мм и 15 мм соответственно. Трещины также были выявлены на вырезанных образцах для проведения механических испытаний.

6. Для дальнейших исследований были выбраны еще две аналогичные задвижки, а также по одному каждого из типовых элементов – колонной и трубной головки, адаптера, задвижек 7² и 2², крестовины, переводника, промежуточного и глухого фланца. В результате исследований в корпусах всех задвижек, колонной и трубной головок, спец. фланца (адаптера) выявлены поверхностные и внутренние дефекты отливок, а также поверхностные и внутренние трещины металла длиной до 200 мм, глубиной до 50% от толщины стенки. Большинство трещин выявлены в зонах сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком). Выявлены дефекты микроструктуры стали крестовины.

7. По результатам исследований для наиболее результативного выявления трещин при магнитопорошковом контроле в полевых условиях было экспериментально обосновано применение дефектоскопа МДПМ-1 (Россия), контрастной белой краски и чёрной магнитной суспензии В103 (BabbCo, Франция) с размером частиц 0,5-20 мкм, определены места установки полюсов магнитопорошкового дефектоскопа, требования к напряженности магнитного поля для типовых элементов фонтанных арматур.

8. Исследованиями установлено, что металл выбранных элементов фонтанных арматур обладал низкими исходными пластическими свойствами – минимальные исходные d и yk (15 и 25%) менее требуемых нормативных (> 19 и > 32%) и выборочное среднее d (19,1%) практически равно минимально допустимому нормативному. За 20-ти летний период эксплуатации пластические свойства - d и yk снизились, рассеяние их значений увеличилось. Фактические пределы текучести, прочности и твердость соответствуют нормативным требованиям, фактические пластические свойства (d, yk, KV-60) не соответствуют нормативным требованиям.

9. Исследованиями установлено, что растрескивание металла фонтанных арматур обусловлено его низкими исходными пластическими свойствами и их снижением (кинетика снижения пластических свойств составила 10-60% за 20 лет эксплуатации), а также наличием исходных дефектов отливки и структуры металла, длительной эксплуатацией и деформированием металла в низкотемпературных климатических условиях Севера. Применяемый при диагностировании контроль твердости не позволяет выявить изменение и несоответствие пластических свойств металла после длительной эксплуатации.

10. Выполнен расчет параметров и критериев трещинообразования с использованием обоснованной деформационной модели растрескивания и результатов лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля для сечения ступицы фланца задвижки 4² с исходным дефектом отливки. По результатам расчетов установлено, что условие образования исходной трещины реализуется при максимальных расчетных деформациях – emax = 6%. Расчетная разрушающая деформация составляет – ek = 12,6%, а коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя отливки – kP = 0,48. Допустимая глубина трещины – [L] составляет 9 мм. Определены значения коэффициентов снижения пластических свойств поверхностного слоя – kP для различного состояния поверхности.



[1] Рыхло´та – дефект в теле отливки в виде скопления мелких усадочных раковин.