Способ диагностики металлоконструкций сосудов и аппаратов давления и определения их остаточного ресурса

 

Изобретение относится к диагностике и прогнозированию состояния материала в металлоконструкциях и может быть использовано для оценки остаточного ресурса металлоконструкций, сосудов и аппаратов давления в строительной, энергетической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Сущность: в способе осуществляется определение прочности конструкции, при котором учитываются как коррозионные процессы, приводящие к уменьшению толщины элементов конструкций, так и изменение механических свойств материалов, обусловленное возникновением и распространением трещин. В N контрольных точках металлоконструкции определяют скорость v_к коррозии металлоконструкции. Производят отбор M проб металла механическим путем в областях наибольшей опасности повреждения металлоконструкции, для каждой из проб определяют величину и скорость v_Δ смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости. По значению v_к определяют изменение во времени максимального значения напряжения S_max(t) в областях наибольшей опасности повреждения металлоконструкции. По значению v_Δ определяют изменение критического значения напряжения S_кр(t), вызывающего разрушение металлоконструкции. Остаточный ресурс эксплуатации металлоконструкции определяют по формуле Δt = t₁-t₀, где t₀ - момент обследования металлоконструкции, t₁ - момент времени, при котором S_max(t) = S_кр(t). 1 ил.

Изобретение относится к диагностике и прогнозированию состояния материала в металлоконструкциях и может быть использовано для оценки остаточного ресурса и периодичности обследования металлоконструкций сосудов и аппаратов давления в строительной, энергетической, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

В технике известны различные методы исследования состояния материалов металлоконструкций, работающих в условиях воздействия таких эксплуатационных факторов, как повышение температуры и давления, агрессивные среды. Эти методы заключаются в определении изменений прочностных свойств материала. Известен способ диагностики состояния материала, заключающийся в определении его твердости. Однако недостатком известного метода является его недостаточная информативность, поскольку прочностная характеристика металла - твердость не учитывает изменение других важных механических свойств материалов и не является комплексной характеристикой состояния конструкции, по которой можно определить ее долговечность.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ диагностики металлоконструкций, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации проводят замеры ее толщины в N контрольных точках, сопоставляют полученные результаты замеров толщин с их исходными значениями, вычисляют скорость V_k коррозии металлоконструкции, по которой вычисляют ее остаточный ресурс.

Недостаток известного способа, являющегося стандартной методикой определения долговечности металлоконструкции, заключается в том, что при определении прочности конструкции учитываются лишь коррозионные процессы, приводящие к уменьшению толщины элементов конструкции, а следовательно, и к уменьшению остаточного ресурса.

Однако в реальных условиях эксплуатации, при которых работают металлоконструкции, сосуды и аппараты давления, изменяются механические свойства металла, включающие не только прочностные его свойства, но и характеристики трещиностойкости, в том числе критический коэффициент интенсивности напряжения. Поэтому определение долговечности металлоконструкции лишь по коррозионному износу в ряде случаев приводит к ошибочным результатам, так как иногда в процессе их эксплуатации не наблюдается заметной коррозии, либо коррозия полностью отсутствует, но в то же время наблюдается заметное снижение характеристик трещиностойкости материалов, которые существенно влияют на остаточный ресурс конструкции.

Цель изобретения - повышение достоверности диагностики и точности определения остаточного ресурса металлоконструкции за счет не только учета коррозионных процессов в металле, но и изменения их характеристик трещиностойкости под действием эксплуатационных факторов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе диагностики металлоконструкций, сосудов и аппаратов давления, заключающемся в том, что производят замеры толщин металлоконструкций в N контрольных точках, сопоставляют полученные результаты замеров толщин с их исходными значениями, вычисляют коррозионный износ, определяют скорость V_kкоррозии, из полученных N значений скорости V_k коррозии выбирают максимальное, дополнительно в металлоконструкции определяют области наибольшей опасности повреждения, в выбранных областях производят отбор M проб металла механическим путем, для каждой из М проб металла определяют величину смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости из полученных М значений величины смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости выбирают максимальное значение, по которому определяют скорость V_Δ смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости за период эксплуатации, по значению скорости V_k коррозии металла определяют изменение во времени максимального значения напряжения S_max (t) в областях наибольшей опасности повреждения металлоконструкции, по скорости V_Δ смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости определяют изменения критического значения напряжения S_кр (t), вызывающего разрушение металлоконструкции, а остаточный ресурс эксплуатации металлоконструкции определяют по формуле: Δ t = t₁ - t_o, где t_o - момент обследования металлоконструкции, t₁ - момент времени, при котором S_max (t) = S_кр (t).

В соответствии с изобретением критерием оценки остаточного ресурса является условие возникновения трещин или распространения уже имеющихся трещин в наиболее напряженных объемах металла с учетом развития процессов коррозии и деградации механических свойств металла сварных соединений. В процессе эксплуатации оборудования в момент обследования определяют области наибольшей опасности повреждения. Эти области характеризуются повышенной температурой, неоднородностью строения материала в участках сварных соединений и наибольшим силовым напряжением. В этих областях вырезают М образцов металла или путем скола, среза, спила отбирают М микропроб металла. Полученные образцы подвергают испытанию для определения степени охрупчивания металла к моменту обследования. Степень охрупчивания металла зависит как от состояния внутри зерен, так и от строения и химического состава границ зерен. Эксплуатационные факторы (температура, давление, агрессивность среды) в существенной степени влияют на состояние и химический состав границ зерен и по величине могут в несколько раз превышать эффект охрупчивания от изменения металла внутри зерен. По строению изломов образцов устанавливают степень f_m межзеренного охрупчивания, обусловленную ослаблением границ зерен. Для каждого из М образцов или проб металла на момент обследования определяют зависимость характеристик трещиностойкости металла от температуры. В качестве таких характеристик могут быть выбраны критический коэффициент интенсивности напряжения К_1С, величина критического раскрытия трещины δ_C, критическая величина джи интеграла J_1C и другие силовые и деформационные характеристики. Информационным параметром для прогнозирования долговечности исследуемого оборудования является величина смещения характеристики трещиностойкости по оси температур за период эксплуатации, т.е. за время от момента ввода объекта в эксплуатацию до момента обследования. Определение этого параметра возможно осуществить двумя путями: 1. Сравнивают полученную на момент обследования характеристику трещиностойкости с исходной характеристикой, определенной на момент ввода оборудования в эксплуатацию и вычисляют величину ее температурного смещения Δ Т (см. чертеж).

2. Определение величины Δ Т температурного смещения характеристики смещения возможно и по скорости охрупчивания металла. Для этого исследуют кристаллические изломы отобранных М микропроб, по строению изломов устанавливают долю Е_m межзеренного разрушения в кристаллическом изломе. Тогда величина смещения Δ Т определяется по формуле: Δ Т = Δ Т_о + k Δ F_m, где Δ Т_о - прирост критической температуры хрупкости за счет деформационного старения.

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида межзеренного разрушения.

Δ F_m - прирост доли межзеренного разрушения за время эксплуатации на поверхности разрушения, исключая участки ямочного вязкого разрушения.

Величина температурного смещения Δ Т характеристики трещиностойкости существенным образом зависит от степени развития процессов обратимой отпускной хрупкости, тепловой хрупкости, коррозионного растрескивания, наводораживания металла и других охрупчивающих факторов. Анализируют полученные М значения величин Δ Т смещений и из них выбирают максимальное значение Δ Т, предоставляющее наибольшую вероятность хрупкого разрушения.

Выбранное значение величины смещения Δ Т характеристики трещиностойкости сопоставляют с длительностью эксплуатации конструкции и определяют скорость V_Δ смещения характеристики трещиностойкости за время эксплуатации по формуле V_Δ = Δ T_max/t_o, где t_o - время эксплуатации.

Долговечность конструкции определяется как скоростью изменения критических значений силовых или деформационных характеристик трещиностойкости, так и скоростью изменения напряженно-деформационного состояния конструкции, обусловленной коррозионным износом. Для определения скорости V_k коррозии измеряют толщину стенок металлоконструкции в основных силовых ее зонах, сравнивают полученные значения с исходными значениями на момент ввода конструкции в эксплуатацию и определяют скорость коррозионного износа Н элементов конструкции. Из полученных значений выбирают максимальное значение Н_max(из соображений выбора наиболее опасной ситуации с точки зрения разрушения) и, учитывая длительность t_o эксплуатации, определяют скорость коррозии V_k металла по формуле: V_k = Н_max/t_o Условием разрушения металлоконструкции (а значит, и критерием оценки остаточного ресурса) является достижение расчетной силовой или деформационной характеристикой трещиностойкости ее критического значения в наиболее напряженных объемах металлоконструкции. В качестве этого условия может быть достижение максимального напряжения S_max (t) уровня критического напряжения S_кр (t), т.е.

S_max(t) = S_кр(t), а) S_max(t) = σ_o˙γ_o/γ (t) γ (t) = γ_o - V_{k ˙}t , где γ_o - толщина наиболее напряженного расчетного сечения металлоконструкции на момент обследования;
V_k - скорость коррозии;
t - текущее время;
σ_o - приложенное напряжение
б) S_кр(t) = S_кр(Т_э - V_Δ ˙t);
Т_э - температура эксплуатации;
S_кр (t) - температурная зависимость критического значения силовой или деформационной характеристики трещиностойкости;
V_Δ - скорость смещения S (t);
t - текущее время.

Таким образом, остаточный ресурс металлоконструкции определяется по формуле
Δ t = t₁ - t_o, где t_o - момент обследования металлоконструкции;
t₁ - момент времени, при котором S_max(t) = S_кр(t).

Таким образом, учет изменения механических свойств, характеристик трещиностойкости позволяет не только повысить точность и надежность определения остаточного ресурса оборудования, но и проводить его определение даже в том случае, когда в оборудовании практически не наблюдается коррозии. Как правило, наиболее опасными являются хрупкие разрушения конструкций, когда охрупчивание металла связано с визуально не выявляемыми изменениями в структуре, строении и химическом составе границ зерен конструкционных материалов. К числу таких опасных явлений относится тепловая хрупкость, водородная хрупкость, коррозионное растрескивание под напряжением, щелочная и хлоридная хрупкость и т.д.

Формула изобретения

СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СОСУДОВ И АППАРАТОВ ДАВЛЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА, заключающийся в том, что производят замеры толщин металлоконструкции в N контрольных точках, сопоставляют полученные результаты замеров толщин с их исходными значениями, вычисляют коррозионный износ, определяют скорость V_к коррозии металлоконструкции, из полученных N значений скорости V_к коррозии выбирают максимальное и вычисляют остаточный ресурс металлоконструкции, отличающийся тем, что в металлоконструкции определяют области наибольшей опасности повреждений, в выбранных областях производят отбор M проб металла механическим путем, для каждой из M проб металла определяют величину смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости, из полученных M значений величины смещения выбирают максимальное значение, по которому определяют скорость V_Δ смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости за период эксплуатации, по значению скорости V_к коррозии металла металлоконструкции определяют изменение во времени максимального значения напряжения S_max(t) в областях наибольшей опасности повреждения металлоконструкции, по скорости V_Δ смещения температурной зависимости характеристик трещиностойкости определяют изменение критического значения напряжения S_кр(t), вызывающего разрушение металлоконструкции, а остаточный ресурс Dt эксплуатации металлоконструкции определяют по формуле
Δt = t₁-t_o,
где t_о - момент обследования металлоконструкции;
t₁ - момент времени, при котором S_max(t)=S_кр(t).

РИСУНКИ

Рисунок 1