книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

- виброметрии (акселерометры, механические, оптические, электромеха­ нические, лазерные, ультразвуковые виброметры).

Для определения состояния дефектов используются стандартные, унифици­ рованные и специальные методы дефектоскопии и дефектометрии:

-визуальные и оптические;

-ультразвуковые;

-токовихревые;

-рентгеновские и беттатронные;

-магнитные и магнитопорошковые;

-люминесцентные и жидкостные;

-акустические;

-акустоэмиссионные;

-термовизионные;

-голографические;

-электрофизические.

Конечными результатами оценки технического состояния и дефектности являются количественные значения расчетных параметров, используемых для оценкиостаточного ресурса и живучести.

4.4. ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО КРИТЕРИЯМ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

4.4.1.Основы метода

Всоответствии с настоящей методикой остаточный ресурс и живучесть для критических элементов оборудования, в которых при оценке технического со­ стояния обнаружены дефекты, недопустимые и допускаемые нормами контроля, при однократном нагружении определяются:

-по критическим температурам хрупкости и минимальным температурам металла несущих элементов при эксплуатации;

-по критическим коэффициентам интенсивности напряжений или дефор­ маций и по коэффициентам интенсивности напряжений или деформаций для соответствующих расчетных дефектов и эксплуатационных напряжений.

Если для стадии проектирования оборудования СТС проводился расчет ис­ ходной трещиностойкости при однократном нагружении в соответствии с дей­ ствующей нормативно-технической документацией, то в рамках настоящей ме­ тодики должна быть дана оценка повреждений, накопленных за предшествую­ щий период эксплуатации и по ним приближенно определено изменение харак­ теристик трещиностойкости, определяющих остаточный ресурс.

Уточненный расчет остаточного ресурса по характеристикам трещиностой­ кости при однократном нагружении элементов конструкций для заданных усло­ вий эксплуатации (число циклов, асимметрия цикла, максимальная и минималь­ ная температура) проводится по критериям хрупкого, квазихрупкого и вязкого

142 Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

разрушения с учетом обнаруженных при контроле дефектов типа трещин, тем­ ператур эксплуатации и кинетики повреждений вследствие внешней и внутрен­ ней нестационарности процессов деформирования и изменения структурно­ механических состояний металла в предшествующий эксплуатации период.

Оценка остаточного ресурса и живучести по характеристикам трещиностойкости (критическим температурам и коэффициентам интенсивности напря­ жений или деформаций) проводится расчетным путем, а также по результатам испытаний стандартных лабораторных образцов на растяжение и ударную вяз­ кость, лабораторных образцов с трещинами, моделей, узлов или натурных эле­ ментов конструкций при однократном нагружении (с учетом конструктивных форм штатных изделий, материалов и технологии изготовления, числа циклов нагружения в эксплуатации, температуры и времени).

Уточненный расчет исходного и остаточного ресурса по критериям трещиностойкости, также как и при циклическом нагружении (см. гл. 3), производится на основе анализа общих и местных деформаций (или напряжений) и темпера­ тур элементов конструкций по расчетным кривым трещиностойкости или по данным механических испытаний лабораторных образцов (гладких, с надрезами и трещинами) из материала конструкции в исходном состоянии или в состоянии на данном этапе эксплуатации.

Расчет остаточного ресурса и живучести по настоящей методике выполня­

ется в местных условных упругих напряжениях а*, равных произведению мест­

ных упругих или упругопластических деформаций е на модуль упругости Е1 при заданной температуре L Условные упругие напряжения позволяют вести расчет по деформационным критериям в форме, принятой в инженерных расче­ тах прочности по напряжениям. Величины условных упругих напряжений ис­ пользуются при определении коэффициентов интенсивности условных упругих напряжений.

Определение местных напряжений и деформаций в элементах конструкций СТС производят по данным упругого или упругопластического расчета для ис­ ходного и наиболее опасных последующих циклов и времени эксплуатации или по данным измерений деформаций на моделях и на натурных конструкциях для заданных эксплуатационных нагрузок и температур (см. гл. 3).

В расчетах остаточного ресурса и живучести по настоящей методике учи­ тываются числа циклов нагружения, температуры, нестационарность нагруже­ ния, остаточные напряжения от сварки, исчерпание пластичности при техноло­ гических и монтажных операциях, снижение пластичности за счет предвари­ тельного циклического нагружения и деформационного старения в процессе эксплуатации, наличие сварных швов и наплавок.

В результате уточненного расчета остаточного ресурса по критериям тре­ щиностойкости при однократном нагружении определяются:

- коэффициенты запаса по деформациям (напряжениям), критическим температурам и коэффициентам интенсивности напряжений;

- допускаемые числа циклов или время последующей эксплуатации при выбранных запасах прочности, долговечности и трещиностойкости.

Полученные в расчете коэффициенты запаса прочности по критическим температурам и коэффициентам интенсивности напряжений должны быть не ниже требуемых (по действующим нормам, руководящим документам или по настоящей методике).

Снижение запасов по сравнению с требуемыми должно обосновываться бо­ лее точными методами расчета и испытаниями лабораторных образцов, модель­ ных или натурных элементов конструкций и деталей оборудования СТС.

При определении остаточного ресурса по критериям трещиностойкости при однократном нагружении учитываются:

-механические нагрузки (внутреннее и наружное давление, собственный вес изделия и его содержимого, вес других присоединенных элементов, реакции опор итрубопроводов, монтажные усилия);

-температурные воздействия;

-вибрации;

-сейсмические нагрузки

-нагрузки аварийных режимов.

В расчете учитываются остаточные напряжения от сварки однородных и неоднородных материалов; остаточные напряжения от сварки и наплавок сум­ мируются с напряжениями от указанных выше нагрузок.

Уточненный расчет остаточного ресурса и живучести производится с уче­ том реальных или расчетных дефектов по условным упругим напряжениям (см. гл. 3).

При определении величины условных упругих напряжений как для оценки остаточного ресурса, так и для оценки исходного ресурса и живучести, учиты­ ваются:

-номинальные мембранные напряжения от механических нагрузок;

-мембранные напряжения в зонах действия внешних сосредоточенных нагрузок и в местах присоединения фланцев, днищ патрубков и т.д.;

-изгибные номинальные напряжения;

-местные напряжения от механических, вибрационных, сейсмических и аварийных нагрузок;

-температурные напряжения (номинальные, местные, изгибные), возник­ шие в результате неравномерного распределения температур или из-за различия коэффициентов термического расширения;

-напряжения компенсации.

При определении местных максимальных условных упругих напряжении в зонах концентрации (в отверстиях, резьбах, пазах, галтелях, буртах, усилениях сварных швов и т.д.) учитываются указанные напряжения. Местные темпера­ турные напряжения (вне зон действия краевых сил), возникающие в оболочках только вследствие радиальных градиентов температур и разности коэффициен­

144 Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

тов линейного расширения основного металла и антикоррозионных наплавок, определяются с учетом концентрации и градиентов температур.

При расчете остаточного ресурса по характеристикам сопротивления цик­ лическому нагружению, а также при наличии напряжений компенсации, когда приведенные условные упругие максимальные напряжения превышают предел

текучести о^, определение величин приведенных напряжений (ст*)пр произво­

дится по компонентам деформаций, устанавливаемым экспериментально или из упругопластического расчета (при первом случае возникновения пластических деформации используется диаграмма статического растяжения при расчетной температуре). Если размахи напряжений превышают удвоенный предел текуче­

сти, определение амплитуд напряжений (су„р )0 производится экспериментально

или расчетом по величинам деформаций, устанавливаемым по диаграмме цик­ лического деформирования. При отсутствии диаграмм циклического упругопла­ стического деформирования в расчет вводится условная диаграмма циклическо­ го деформирования, получаемая расчетом по кривой статического растяжения при расчетной температуре.

При известных из упругого, упругопластического расчета или эксперимента величинах главных деформаций е\, <?2, <?з (<£\ ^ е2> е3) и главных фактических (или условных упругих) напряжений <ii, сг2, а 3 (а, > а 2 > а 3) значения приведен­

ных условных упругих напряжений определяются по теории наибольших каса­ тельных напряжений.

Определение характеристик трещиностойкости несущих элементов СТС производится с использованием критериев и уравнений линейной и нелинейной механики разрушения в виде температурных зависимостей критических значе­ ний коэффициентов интенсивности напряжений и скоростей роста трещин в за­ висимости от коэффициентов интенсивности напряжений и деформаций.

4.4.2. Основные понятия и определения

Рабочий цикл - изменение во времени основных параметров (давления, температуры) от одних крайних значений до других и обратно.

Цикл изменения деформаций (напряжений, температур) - изменение де­ формаций (напряжений, температур) от исходной величины с переходом через максимальное и минимальное алгебраическое значение до первоначальной; в течение рабочего цикла может быть один или несколько циклов изменения де­ формаций (напряжений, температур).

Расчетная температура - максимальная температура рассчитываемого эле­ мента для заданного цикла напряжений.

Режим нагружения - процесс изменения деформаций (напряжений), харак­ теризуемый определенными уровнями расчетной температуры и циклических деформаций (напряжений).

4.4.3. Расчет характеристик трещиностойкости для оценки остаточного ресурса

4.43.1.Определение значений напряжений

Значения приведенных условных упругих напряжений о* для оценки оста­ точного и исходного ресурса и живучести устанавливают по данным об эксплуа­ тационных механических и температурных нагрузках, зависящих от конструк­ ции, режима нагружения и технологической наследственности по п. 3.4.3.

Если приведенные ст*1ах/ и главные а 1шах/ местные условные упругие на­

пряжения определены по данным расчетов аналитическими или численными методами (например, методом конечных элементов) либо по данным испытаний модельной либо натурной конструкции при эксплуатационных /-режимах на­ гружения, то концентрация деформаций и напряжений в расчетах не учитывает­ ся и расчет живучести по характеристикам трещиностойкости ведется по ука­ занным выше местным напряжениям (см. п. 3.4.3.2).

Для определения (сг*шх)|ф и 0Г|тах используется диаграмма статического

(для исходного нулевого полуцикла) или циклического (для последующих полуциклов) деформирования; значения этих напряжений определяют по результа­ там вычисления размахов напряжений в полуциклах нагружения, составляющих принятую последовательность режимов работы при эксплуатации с использова­ нием диаграмм циклического деформирования (см. п. 3.4.3.3).

Характеристики сопротивления развитию трещин устанавливаются с уче­

том температурных зависимостей модуля упругости Е1, пределов текучести

Оо2 и прочности OQ , относительного сужения ц/^ и предела выносливости

о^ для расчетных температур.

При расчете трещиностойкости конструкций, изготавливаемых из материа­ лов с пониженной пластичностью в интервале эксплуатационных температур (при температурах деформационного старения), характеристики пластичности

принимаются для температур, соответствующих минимальным значениям у'к .

Повышение величин а{, 2, с'в и за счет старения в приближенных расчетах

не учитывается.

Коэффициенты асимметрии г* и г цикла напряжений а* и ст при

атах — 2 определяются по выражениям п. 3.4.3.5. При положительных коэф­

фициентах г* и г для данного режима нагружения используются временные за­ висимости температур несущих элементов в наиболее нагруженных зонах.

Учет накопления повреждений при нестационарных силовых и температур­ ных нагрузках для различных режимов производится по правилу линейного суммирования (для критериев квазистатического и усталостного разрушения) на основе п. 3.4.3.6.

146Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Вусловиях, вызывающих старение, коррозионные, эрозионные и другие повреждения, значения характеристик механических свойств принимаются с учетом влияния этих факторов по экспериментальным данным для эксплуатаци­ онных условий (среда, время, температура).

При отсутствии необходимых экспериментальных данных по п. 3.4.4.4 в расчетах живучести используются расчетные обобщающие данные о влиянии сред на трещиностойкость.

Врасчетах трещиностойкости специальные условия нагружения отражают­ ся через изменение критических температур хрупкости.

Остаточные напряжения о0 от сварки и других технологических операций

(гибка, правка, наклеп) учитываются на основе п. 3.4.4.2.

Остаточные пластические деформации е„ (независимо от их направления) от технологических операций учитываются по п. 3.4.4.3.

Остаточные напряжения и деформации учитываются также изменением критических температур хрупкости.

4.4.4.Определение характеристик трещиностойкости

4.4.4.1.Расчетные случаи ирасчетные схемы

Проверку трещиностойкости по характеристикам сопротивления хрупкому, квазихрупкому и вязкому разрушению элементов оборудования СТС производят для всех режимов эксплуатации (включая нарушение нормальных условий экс­ плуатации и аварийную ситуацию) и для механических, пневматических и гид­ равлических испытаний.

Одним из основных путей обеспечения сопротивления хрупкому разруше­ нию с учетом наличия в элементах оборудования дефектов типа трещин техно­ логического и эксплуатационного повреждения являются правильный выбор материала с повышенными характеристиками трещиностойкости, коррозионной стойкости, устойчивости к деградации; надлежащий дефектоскопический кон­ троль на стадиях изготовления и эксплуатации; снижение местной напряженно­ сти в зонах концентрации и дефектов; термическая обработка сварных соедине­ ний.

Расчет сопротивления разрушению проводится для двух основных случаев: - после изготовления и дефектоскопического контроля по действовавшим и действующим нормам элементы оборудования не подвергаются дефектоскопи­

ческому контролю в процессе испытаний и последующей эксплуатации; - на стадиях изготовления, испытаний и периодически в процессе эксплуа­

тации элементы оборудования подвергаются дефектоскопическому контролю. Для оборудования, не подвергающегося дефектоскопическому контролю в

процессе испытаний и эксплуатации, определение сопротивления хрупкому, квазихрупкому и вязкому разрушению производится для расчетного' дефекта, принимаемого различным в зависимости от рассчитываемой зоны (рис. 4.1):

Рис. 4.1. Схемы расчетных дефектов типа трещин в сосудах и шпильках

-поверхностный дефект типа трещины полуэллиптической формы с от­ ношением полуосей эллипса На = 2/3 и глубиной /, равной заданной доли от толщины стенки s (например, 0,25) для гладких частей (вне зон концентрации) цилиндрических, сферических, конических и плоских элементов (рис. 4.1, а);

-поверхностный дефект типа трещины в форме 1/4 эллипса с отношением полуосей эллипса На = 1/1 и глубиной /, равной 1/4 толщины стенки s - для зон концентрации, вызываемой наличием отверстий и патрубков (рис. 4.1, б);

-поверхностный дефект типа трещины полуэллиптической формы с от­ ношением полуосей Па = 2/3 и глубиной /, равной сумме 1/4 толщины стенки 5 и 1/3 радиуса закругления г, но не более 1/3 минимальной толщины стенки 5 - для зон концентрации, вызываемой изменением толщин при наличии фланцев, опорных буртов и т.п. (рис. 4.1, в);

-поверхностный кольцевой дефект типа трещины глубиной / г 0,2 диа­ метра^ болта или шпильки (рис. 4.1, г).

Для оборудования, контролируемого при изготовлении и в эксплуатации, расчет сопротивления разрушению проводится:

-по расчетным размерам дефектов типа трещин в соответствии с нормами контроля, если фактические размеры дефектов не превышают допускаемых по этим нормам;

-по фактическим размерам дефектов, возникших при изготовлении и в эксплуатации.

148 Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Расчетным при этом принимается поверхностный полуэллиптический де­ фект как являющийся наиболее опасным. Расчетная глубина / этого дефекта оп­ ределяется для различных зон оборудования по рис. 4.1, исходя из площади Fg

эквивалентного дефекта (или скоплений дефектов), по нормам или по результа­ там контроля:

Если по результатам дефектоскопического контроля На < 0,2, то при расче­ тах принимается Па, равное нулю. В первом приближении, идущем в запас, для элементов оборудования, удовлетворяющих требованиям норм контроля, допус­ кается принять расчетную глубину / равной 8 мм (но не более 1/4 толщины стенки s) для дефектов по рис. 4.1, а - в и 5 мм (но не более 0,8 шага резьбы) для дефектов по рис. 4.1, г.

Уточненный поверочный расчет на трещиностойкость проводится для ис­ ключения возможности образования:

- хрупкого разрушения оборудования (как наиболее опасного) с большими скоростями распространения трещин при малых размерах зон пластических де­

формаций, не превышающих 1/2 Иу-1/2 расчетной длины трещины / , где лт - запас по пределу текучести, равный 1,5;

-квазихрупкого разрушения оборудования с большими скоростями рас­ пространения трещин при размерах зон пластических деформаций, превышаю­ щих 1/2...3/2 расчетной длины трещины;

-вязкого разрушения (или образования течи) с пластическими деформа­ циями по всему рассматриваемому сечению элемента оборудования.

Уточненные поверочные расчеты прочности и трещиностойкости при нали­ чии исходных дефектов проводят с использованием:

-первых главных напряжений (по гипотезе наибольших нормальных на­ пряжений);

-коэффициентов интенсивности напряжений К] линейной механики раз­

рушения при анализе хрупких разрушений, когда напряжения в зоне дефектов ниже предела текучести;

- условных коэффициентов интенсивности напряжений К] при анализе

квазихрупких разрушений, когда напряжения в зоне дефектов равны или пре­ вышают предел текучести;

- условных коэффициентов интенсивности напряжений К] при анализе

вязких разрушений, когда напряжения в зоне дефектов превышают предел теку­ чести;

- первых tkx и вторых tk2 критических температур хрупкости, разделяю­

щих вязкие и квазихрупкие разрушения ( tkX), квазихрупкие и хрупкие разруше­

ния (/*2 )• Расчетное определение возможности осуществления требуемых режимов

при испытаниях и в эксплуатации устанавливается по диаграмме допускаемых

коэффициентов интенсивности [К]] и температур [/] с введением соответст­

вующих запасов.

Расчет на трещиностойкость по характеристикам сопротивления хрупкому разрушению допускается не проводить для следующих, контролируемых по со­ ответствующим нормам контроля элементов оборудования, не подвергающихся коррозии:

-изготовленных из коррозионно-стойких хромоникелевых сталей аусте­ нитного класса или цветных сплавов;

-изготовленных из термообработанных после сварки с применением ни­

кельсодержащих сталей с толщиной стенки менее 10 мм при 400<а02 <600 и

ц/>45 (низколегированные стали) и температурах не ниже комнатной.

4.4.4.2. Основные расчетные зависимости для определения напряжений

Расчет трещиностойкости производят по условным коэффициентам интен­

сивности напряжений К*, устанавливаемым расчетом (с использованием урав­

нений механики разрушения, численных методов, например метода конечных элементов и др.) или экспериментально (методом фотоупругости, малобазных тензорезисторов и др.) и приведенных максимальных главных напряжении

Для проведения расчетов допускается использовать выражения

где / - расчетная или фактическая глубина дефекта по п.4.4.4.1; f lk - безраз­

мерная функция, зависящая от способа нагружения, размеров рассчитываемого элемента и дефекта.

Приведенные (по первой гипотезе прочности) напряжения в металлоконст­ рукциях, сосудах, трубопроводах, крышках и т.п. для дефектов вне зон концен­ трации (см. рис. 4.1, а) определяют по критериям напряжений для данного мо­ мента времени по выражению

где сгм - главные мембранные напряжения, равномерно распределенные по се­

чению; <ги - общие изгибные напряжения; стМ1| - местные изгнбные напряже-

150 Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ния; а, - общие температурные напряжения; сгм, - местные температурные на­

пряжения; ии, ими, п, , лм/ - коэффициенты приведения напряжений к мембра­

нам, зависящие от категории напряжений и относительных размеров дефектов (//s):

В категорию стм/ следует вносить остаточные напряжения от сварки и на­

плавки.

Приведенные напряжения для зон концентрации (рис. 4.1, б), вызываемой галтелями, отверстиями, присоединением патрубков в сосудах, трубопроводах, крышках вычисляются по выражению

где К* - коэффициент концентрации условных упругих напряжений.

При этом приведенный теоретический коэффициент концентрации упругих напряжений определяют по выражению

“а..^ m + 4 ^ (gHK)+aaM4,[(gMA H )+h M ) +K tf/^)]

к ) п Р=-

(4.4)

нА / " и ) А А и ) + ( ^ / " , ) + к А !

где а а ,а а - теоретические коэффициенты концентрации напряжений от рас­

тяжения (мембранных) а м и изгиба сти; а 0м - приведенный теоретический ко­

эффициент концентрации для напряжений стми, а ,, а м/; г\т, г\н , г|м - безраз­

мерные коэффициенты, зависящие от формы зоны концентрации и размеров де­ фекта.

Значения коэффициентов а СТ( допускается определять по величине а Ст с