Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения

Разработана и реализована методика численного анализа предельного состояния трубопроводных элементов с поверхностными геометрическими аномалиями типа локальной коррозионной потери металла с учетом вероятностного характера разрушения конструкций в сложном напряженно-деформированном состоянии исходя...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Великоиваненко, Е.А., Розынка, Г.Ф., Миленин, А.С., Пивторак, Н.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102039
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения / Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 2. — С. 12-18. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102039
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1020392016-06-10T03:03:17Z Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И. Научно-технический раздел Разработана и реализована методика численного анализа предельного состояния трубопроводных элементов с поверхностными геометрическими аномалиями типа локальной коррозионной потери металла с учетом вероятностного характера разрушения конструкций в сложном напряженно-деформированном состоянии исходя из предположения о преимущественно вязком механизме разрушения при этом. На примере элементов морских магистральных трубопроводов с дефектами различного размера были определены вероятностные параметры разрушения и исследованы особенности влияния различной степени поврежденности на несущую способность дефектных конструкций. Показана универсальность предложенного подхода, позволяющего с использованием современных методов численного анализа напряженно-деформированного состояния проводить необходимые расчеты вероятности аварийной ситуации на ответственных промышленных объектах. A procedure has been developed and realized for numerical analysis of limit state of pipeline elements with surface geometrical anomalies of the type of local corrosion loss of metal, allowing for probabilistic nature of structure failure in the complex stress-strain state, while proceeding from the assumption of predominantly viscous failure mode. The case of off-shore main pipeline elements with defects of various sizes was used to determine probabilistic failure parameters and to study the features of the influence of various extent of damage on load-carrying capacity of structures with defects. Versatility of the proposed approach was demonstrated, allowing application of modern methods of numerical analysis of the stress-strain state to perform the required calculations of the probability of emergency conditions in critical industrial facilities. 2014 Article Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения / Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 2. — С. 12-18. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102039 621.791:621.643.1/2 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И. Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Разработана и реализована методика численного анализа предельного состояния трубопроводных элементов с поверхностными геометрическими аномалиями типа локальной коррозионной потери металла с учетом вероятностного характера разрушения конструкций в сложном напряженно-деформированном состоянии исходя из предположения о преимущественно вязком механизме разрушения при этом. На примере элементов морских магистральных трубопроводов с дефектами различного размера были определены вероятностные параметры разрушения и исследованы особенности влияния различной степени поврежденности на несущую способность дефектных конструкций. Показана универсальность предложенного подхода, позволяющего с использованием современных методов численного анализа напряженно-деформированного состояния проводить необходимые расчеты вероятности аварийной ситуации на ответственных промышленных объектах.
format	Article
author	Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И.
author_facet	Великоиваненко, Е.А. Розынка, Г.Ф. Миленин, А.С. Пивторак, Н.И.
author_sort	Великоиваненко, Е.А.
title	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения
title_short	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения
title_full	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения
title_fullStr	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения
title_full_unstemmed	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения
title_sort	вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102039
citation_txt	Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения / Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, А.С. Миленин, Н.И. Пивторак // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 2. — С. 12-18. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT velikoivanenkoea veroâtnostnaâocenkasostoâniâtruboprovodnyhélementovsobnaružennymidefektamiutoneniâ AT rozynkagf veroâtnostnaâocenkasostoâniâtruboprovodnyhélementovsobnaružennymidefektamiutoneniâ AT mileninas veroâtnostnaâocenkasostoâniâtruboprovodnyhélementovsobnaružennymidefektamiutoneniâ AT pivtorakni veroâtnostnaâocenkasostoâniâtruboprovodnyhélementovsobnaružennymidefektamiutoneniâ
first_indexed	2025-07-07T11:44:51Z
last_indexed	2025-07-07T11:44:51Z
_version_	1836988437731737600
fulltext	12 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 УДК 621.791:621.643.1/2 ВЕРОяТНОсТНАя ОЦЕНКА сОсТОяНИя ТРУбОПРОВОДНыХ элЕмЕНТОВ с ОбНАРУЖЕННымИ ДЕфЕКТАмИ УТОНЕНИя Е. А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО, Г. Ф. РОЗЫНКА, А. С. МИЛЕНИН, Н. И. ПИВТОРАК Иэс им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Разработана и реализована методика численного анализа предельного состояния трубопроводных элементов с по- верхностными геометрическими аномалиями типа локальной коррозионной потери металла с учетом вероятностного характера разрушения конструкций в сложном напряженно-деформированном состоянии исходя из предположения о преимущественно вязком механизме разрушения при этом. На примере элементов морских магистральных трубо- проводов с дефектами различного размера были определены вероятностные параметры разрушения и исследованы особенности влияния различной степени поврежденности на несущую способность дефектных конструкций. Показана универсальность предложенного подхода, позволяющего с использованием современных методов численного анализа напряженно-деформированного состояния проводить необходимые расчеты вероятности аварийной ситуации на ответ- ственных промышленных объектах. библиогр. 17, табл. 2, рис. 6. К л ю ч е в ы е с л о в а : трубопровод, локальная потеря металла, предельное состояние, вязкое разрушение, вероят- ность аварийной ситуации, параметры Вейбулла Диагностика технического состояния сварных трубопроводов и сосудов давления, работаю- щих при существенных внешних нагрузках и в условиях агрессивных сред, является ключевым аспектом гарантирования их безопасной эксплу- атации [1–3]. Так как области применения таких конструкций (атомная и тепловая энергетика, тру- бопроводный транспорт) предполагают высокие требования к их долгосрочной надежности, важ- ным является точное определение предельного состояния исходя из известной степени эксплу- атационной поврежденности, к которой прежде всего следует отнести локальные поверхностные коррозионные потери металла [4]. Возникающие при этом трехмерные геометрические аномалии являются концентраторами напряжений, в ре- зультате чего предельная эксплуатационная на- грузка и соответствующий коэффициент запаса прочности конструкции могут выйти за пределы допустимых значений, определяемых требовани- ями актуальных нормативных документов [5, 6]. Характерными толстостенными конструкциями такого типа являются морские магистральные трубопроводы (ммТ), давление в которых может достигать 10…25 мПа. При этом наличие агрес- сивных сред как с внешней стороны трубопрово- да (морская вода), так и с внутренней (транспор- тируемые углеводороды с остаточной влагой и жидкой фазой), наряду с естественными трудно- стями при ремонтно-восстановительных работах на больших глубинах определяет необходимость минимально консервативных оценок допустимо- сти фактического и прогнозируемого состояний дефектных участков ммТ. снижение консервативности анализа состоя- ния рассматриваемых конструкций в сравнении с актуальными отечественными и зарубежными нормативными документами может быть достиг- нуто, в частности, минимальной схематизацией фактической геометрии участка трубопровода с обнаруженными дефектами, прогнозированием процессов разрушения с учетом фактических ха- рактеристик металла, моделированием напряжен- но-деформированного состояния в области гео- метрических аномалий. Кроме того, могут быть использованы вероятностные подходы оценки работоспособности конструкций как для описа- ния стохастического характера зарождения разру- шения, так и для учета требований риск-анализа в комплексе мероприятий по обеспечению безопас- ности промышленных объектов [7]. Целью настоящей работы является разработ- ка алгоритма вероятностной оценки состояния элементов трубопроводных систем с дефектами локального утонения стенок, основанного на чис- ленном анализе предельного состояния дефект- ной конструкции с учетом характерных механиз- мов разрушения. Нарушение сплошности металла конструкции под действием внешнего силового нагружения в общем случае инициируется на локальных струк- турных или физико-химических неоднородностях материала. численный анализ такого состояния должен учитывать различие пространственных масштабов процессов разрушения (микроуро- вень) и кинетики полей напряжений и деформа- ций под действием эксплуатационных нагрузок (макроуровень). Одним из подходов, позволяю- © Е. А. Великоиваненко, Г. ф. Розынка, А. с. миленин, Н. И. Пивторак, 2014 13ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 щих описать процесс зарождения разрушения конструкционных элементов в неравномерном поле механических напряжений, является вероят- ностный метод расчета по принципу слабого зве- на. В этом случае предполагается, что вероятность pi потери несущей способности конструкции в конкретной небольшой области (в которой значе- ние градиента напряжений невелико) описывается трехпараметрической функцией Вейбулла [8, 9]: 1 11 exp , , m i A p AB  σ -   = - - σ >      (1) где σ1 – главные напряжения; A, B, m – параметры Вейбулла. Интегрирование всего поля напряжений по площади S самого слабого поперечного сечения позволяет определить суммарную вероятность разрушения конструкции p исходя из следующего соотношения: 1 1 0 1 exp , , m S A dSp AB S  σ -   = - - σ >      ∫ (2) где S0 – константа материала, характеризирующая пространственный масштаб перехода микропо- вреждений в макродефект. Точность количественной оценки вероятно- сти согласно выражению (2) зависит от адекват- ности используемых коэффициентов Вейбулла конкретной задаче. соответственно, определение значений A, B, m может базироваться либо на ста- тистическом анализе данных большого количе- ства экспериментов по разрушению идентичного материала, либо на численном исследовании пре- дельного состояния конструкции по результатам ее технической диагностики. Второй подход яв- ляется менее трудоемким, хотя и более консер- вативным с точки зрения границ применимости численных методов определения напряженно-де- формированного и предельного состояний дефек- тной конструкции с учетом развития ее эксплуа- тационной поврежденности различной природы. Характерным механизмом разрушения толсто- стенных трубопроводов из высокопрочных сталей в отсутствие острых концентраторов является вяз- кое разрушение, обусловленное зарождением и развитием пор материала и состоящее из следую- щих последовательных этапов [10–13]: – зарождение пор вязкого разрушения при раз- витом пластическом течении металла конструк- ции в области геометрических концентраторов; – увеличение размеров пор при пластическом деформировании; – взаимодействие и объединение пор вязкого разрушения; – зарождение макродефекта и связанное с ним снижение несущей способности как дефектного участка, так и конструкции в целом; – развитие макродефекта. Указанные этапы вязкого разрушения имеют раз- личную физико-механическую природу, поэтому для определения характеристик предельного состоя- ния трубопроводного элемента необходимо постро- ение соответствующей комплексной модели. Принято считать, что зарождение пор в обла- сти структурных дефектов и неоднородностей (так называемые первичные поры) связано с су- щественным развитием пластических деформа- ций, которое может быть описано посредством параметра Одквиста [8]: ,p idκ = e∫ (3) где 2 3 p p p i ij ijd d de = e e ; p ijde – компоненты тензо- ра приращений пластических деформаций, i, j = = r, φ, z – пространственные координаты цилин- дрической системы координат (рис. 1). соответственно, условием зарождения пор с начальной объемной концентрацией f0 в рассма- триваемой области конструкции является превы- шение текущего значения параметра Одквиста критической величины κс. Дальнейший рост зародившихся пор зависит от жесткости напряженного состояния и интенсив- ности пластического деформирования металла и описывается законом Райса–Трейси, а именно [8]: ( )0 1 2exp ,p idf f K K R d σ = e (4) где f – текущая объемная концентрация пор вязко- го разрушения; R σ = σm/σi – параметр жесткости напряженного состояния; σm = (σrr + σφφ + σzz)/3 – мембранное напряжение; 0,5i ij ijσ = σ σ – ин- тенсивность напряжений; K1 = 0,28, K2 = 1,5 – кон- станты. Небольшие значения Rσ в рассматриваемой обла- сти конструкции (что типично для трубопроводных элементов с плавными геометрическими концентра- торами) и, как следствие, низкая скорость роста пор согласно (4), являются предпосылками для альтер- нативного механизма развития пористости, а именно появления вторичных несплошностей. согласно ма- териалам, представленным в [8], скорость зарождения вторичных сферических пор зависит от концентрации включений в металле конструкции и развития пласти- ческих деформаций по следующему закону: 0 exp ,i c f f f  κ′ = + - κ - κ  (5) где fi – объемная концентрация включений; κ′– кон- станта материала, характеризующая максимально возможное приращение параметра Одквиста. 14 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 Анализ напряженно-деформированного состо- яния конструкции с позиций вязкого разрушения в данной работе проводили на основе численного ре- шения краевой задачи упруго-пластического дефор- мирования среды переменного несущего нетто-се- чения путем прослеживания упруго-пластических деформаций и концентрации пор вязкого разруше- ния при нагружении конструкции до предельного состояния в рамках конечно-элементной модели [13, 14]. связь напряжений и деформаций определялась законом Гука и ассоциированным законом пластиче- ского течения исходя из следующих соотношений: * * ( ) ( / 3) 1 ( ) ( ) ,2 ij ij ij m ij m ij ij m m K f KG ∆e = Ψ σ - δ σ + δ σ + ∆ - - σ - δ σ + σ (6) где 1 2K E - ν = , ( )2 1 EG = + ν ; E – модуль Юнга; ν – коэффициент Пуассона; Ψ – функция состоя- ния материала, определяемая условием пласти- ческого течения согласно критерию мизеса с дополнительным учетом уменьшения несущего нетто-сечения конечного элемента в результате формирования несплошности в рамках модели Гурсона–Твергаарда: ( )2* * 3 1 2 1 , 2 3 1 2 cosh ;2 1 , ,2 ò ò åñëè åñëè i s m i s G q f q f q G Ψ = σ < σ = σ  = σ + -  σ  Ψ > σ ≥ σ (7) где q1 = 1,5, q2 = 1, q3 = 1,5 – константы; f * – эк- вивалентная объемная концентрация пор, учиты- вающая их взаимодействие в конечном элементе. Величина эквивалентной концентрации пор, фигурирующая в выражении (7), определяется из следующего соотношения, предложенного Твер- гаардом и Нидлманом [7]: ( ) * * , ; , , åñëè åñëè c u c c c c F c f f f f f f f f f f ff f ≤ = - + - > - (8) где fc – критическая концентрация несплошностей, до которой отдельные поры не взаимодействуют, принято считать fc = 0,15; fF – концентрация пор, при которой происходит разрушение конечного элемента; * 11uf q= . Предельное состояние каждого конечного элемента определяется двумя возможными ме- ханизмами разрушения [15] (пластической неу- стойчивостью в случае Ψ→∞ согласно условию макклинтока и микросколом) и может быть опи- сано следующим критерием: ( ) 1 1 2 1,5 , 1 2 3 f s K G T Sf ∗e - κ Ψ > +  σ κ σ >  - ïëàñòè÷åñêàÿ íåóñòîé÷èâîñòü; ðàçðóøåíèå ìèêðîñêîëîì. (11) Проверку точности изложенной методики про- водили с помощью данных экспериментальных исследований величины предельного давления толстостенных труб (D×t = 76,2×8,97 мм, сталь 20, σт = 336 мПа) с внешними дефектами утонения полусферической формы различного размера [16]. следует отметить, что рассматриваемые трубные образцы без дефектов выдерживают давление 0 max P = 110 мПа по экспериментальным данным (114 мПа согласно результатам расчета по из- ложенной методике). сравнение численных и экспериментально определенных значений мак- симального давления Pmax и снижения несущей способности / 0 max max P P образцов с изолирован- ными поверхностными дефектами утонения стен- ки показало небольшое относительное отклоне- ние около 7 % (табл. 1). Коэффициент A в выражениях (1), (2) характе- ризует возможность разрушения конечного эле- мента при относительно низких напряжениях. Теоретически существует ненулевая вероятность зарождения разрушений при напряжениях, близ- ких к нулю (A = 0), но для решения прикладных задач такой подход не является рациональным. Для снижения трудоемкости численного исследо- вания предполагается, что вероятностный харак- тер разрушения проявляется при напряжениях, превышающих напряжение пластического тече- ния σflow, которое зависит от прочностных свойств конкретного материала, а именно σflow=(σв + σт)/2. В свою очередь значение m для описания разруше- ния конструкционных сталей принимается равным 3…4. Таким образом, целью анализа полей на- пряжений в конструкции в предельном состоянии Рис. 1. схема участка трубопровода с внешним полуэллипти- ческим дефектом локального утонения стенки (с учетом пло- скостей симметрии) 15ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 является определение параметра В распределения Вейбулла, что позволит проводить необходимые количественные оценки вероятности аварийной ситуации на дефектном участке трубопровода. Предельное состояние дефектной конструк- ции характеризуется двумя этапами нарушения целостности, а именно зарождением микропор при развитом пластическом течении металла и началом разрушения конечных элементов (обра- зованием макродефектов) [10]. В первом случае вероятность аварийной ситуации принимается равной минимально возможной при типичных лабораторных исследованиях образцов на разрыв (р = 0,01…0,05), во втором случае состояние кон- струкции недопустимо (р = 0,95). В качестве примера использования данной ме- тодики для анализа вероятности аварийной си- туации был рассмотрен случай прямолинейного толстостенного трубопроводного элемента (сталь Х80) с внешним полуэллиптическим поверхност- ным дефектом. Его предельное состояние анали- зировалось варьированием внутреннего давления, критическим сечением принималось продольное сечение по оси симметрии дефекта (область мак- симального утонения стенки). Параметры расчета Предел текучести стали σт, мПа ..........................................560 Предел прочности стали σв, мПа .........................................630 Коэффициент Пуассона υ .......................................................0,3 модуль Юнга Е, ГПа .............................................................205 Толщина стенки трубы t, мм ...................................................39 Диаметр трубы D, мм ............................................................800 Коэффициент Вейбулла m .........................................................4 Коэффициент Вейбулла А, мПа ...........................................595 Критическое значение параметра Одквиста κс ..................0,01 Начальная концентрация пор при зарождении f0 ...............0,05 Константа материала S0, мм ......................................................1 с целью корректного определения параметра Вейбулла В провели комплекс расчетов предель- ного давления, которое может выдержать рас- сматриваемая труба с внешними поверхностны- ми дефектами различных размеров. На рис. 2, а приведен пример распределения главных напря- жений в критическом сечении трубы с дефектом длиной 100 мм, шириной 40 мм и глубиной 14 мм при внутреннем давлении 59,3 мПа, при котором появились первые макропоры (один из конечных элементов потерял несущую способность). Из по- казанных распределений видно, что область высо- ких напряжений (σ1 > А = 595 мПа) ограничена длиной дефекта, что является характерным разме- ром области ненулевых вероятностей локального разрушения согласно (1). соответственно, если считать, что это напряженное состояние соответ- ствует вероятности разрушения 0,95, то значение коэффициента В составляет 1580 мПа. Для аль- тернативного предположения, что предельное состояние характеризуется зарождением первых микропор, для которого вероятность разрушения равна 0,05, расчет показал В = 4300 мПа. Из это- го, в частности, следует вывод, что первый подход является более консервативным, поэтому исполь- зование этого критерия предельного состояния конструкции является более рациональным. В табл. 2 приведены результаты расчета коэф- фициентов Вейбулла В для такой же трубы, но с дефектами других размеров. Как видно из приве- денных данных, влияние изолированных геоме- трических аномалий в рассмотренных диапазонах варьирования на значение этого коэффициента невелико и связано со спецификой конечно-эле- ментного разбиения области дефекта. это под- тверждает тот факт, что коэффициент В является характеристикой материала для конкретного ха- рактера напряженного состояния и масштабности задачи. Рассмотренный диапазон изменения гео- метрических размеров поверхностных дефектов является достаточно репрезентативным для насто- ящего исследования, так как для менее глубоких дефектов влияние концентратора существенно Т а б л и ц а 1 . Сравнение результатов эксперименталь- ных и численных исследований влияния глубины поверх- ностного дефекта полусферического сечения на предель- ное давление в толстостенной трубе Глубинa дефекта, мм экспериментальные данные [16] Результаты моделирования Pmax, MПа / 0 max max P P Pmax, MПа / 0 max max P P 4,0 91,8 0,835 88,0 0,772 4,5 85,3 0,775 85,5 0,750 5,0 82,8 0,753 83,5 0,733 Рис. 2. Распределение главных напряжений: а – в обла- сти изолированного дефекта утонения стенки трубопрово- да D×t = 800×39 мм (сталь Х80) под действием предельного давления 59,2 мПа; б – в области множественного дефек- та утонения стенки трубопровода D×t = 1420×25 мм (сталь Х60) под действием предельного давления 14,4 мПа (0r – ось симметрии) 16 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 снижается и сравнимая по величине вероятность разрушения конструкции появляется на перифе- рии дефекта, а более обширные коррозионные повреждения можно отнести к общей коррозии и большее влияние на результат расчета будет ока- зывать масштабный эффект, а не концентрация напряжений. Поэтому для исследования вероят- ности разрушения могут быть рекомендованы минимальные значения коэффициентов, в рассма- триваемом случае это B = 1580 мПа. В качестве примера расчета вероятности разрушения дефек- тного участка ммТ на рис. 3 приведены зависи- мости вероятности разрушения от внутреннего давления вплоть до предельного для рассматрива- емого трубопровода с дефектами различной глу- бины при постоянных глубине и ширине, равных 150 и 40 мм соответственно. Для типичных рабочих диапазонов эксплуатационных нагрузок до 22 мПа величина вероятности разрушения не превышает 4·10–4, что является допустимым с точки зрения сум- марного риска аварийной ситуации ммТ. При ана- лизе предельного состояния на основе конкретного значения расчетной вероятности необходимо прини- мать во внимание два важных аспекта: – в расчет значений внутренних давлений в трубопроводе не включаются различные коэффи- циенты запаса, принятые в практике проектирова- ния трубопроводных систем, что должно учиты- ваться при определении предельно допустимой вероятности аварийной ситуации для конкретного участка ммТ в рамках соответствующих проце- дур риск-анализа; – в настоящем исследовании не учитывается возможность расположения дефекта в области окружных сварных швов, что может иметь допол- нительное негативное воздействие на предельное состояние конструкции; методика оценки влияния локального напряженно-деформированного со- стояния и накопленной в процессе сварки повре- жденности на особенности вязкого разрушения трубопроводов с поверхностными дефектами рас- смотрена авторами в работе [17]. Для оценки влияния прочностных характери- стик конкретной стали ммТ на процессы вязкого разрушения и вероятность аварийной ситуации был проведен комплекс аналогичных численных исследований для сталей различного класса проч- ности (предела прочности). это позволило опре- делить зависимость параметра Вейбулла B от пре- дела прочности используемой стали (рис. 4). При этом не было обнаружено существенного влияния величины дефекта или типоразмера труб на вели- чину этого коэффициента, из чего можно сделать вывод, что параметр B является характеристикой механических свойств материала трубопровода, а геометрический и масштабный факторы коррек- тно описываются интегральным функционалом решением задачи определения напряженно-де- формированного состояния конструкции. Как показано на рис. 5, класс прочности стали суще- ственно влияет на вероятность разрушения в об- Т а б л и ц а 2 . Значения коэффициента распределения Вейбулла В для дефектов различных размеров на поверхности трубопровода из стали Х80, D×t = 800×39 мм Глубина дефекта a, мм Условие предельного состояния по зарождению микропор (p = 0,05) для дефектов разной длины 2s, мм Условие предельного состояния по макроразрушению (p = 0,95) для дефектов разной длины 2s, мм 100 150 200 100 150 200 6 4660 4460 4630 1680 1650 1690 10 4210 4600 4780 1650 1650 1800 14 4300 4500 4640 1580 1830 1890 Рис. 3. Зависимость вероятности разрушения трубопровода (D×t = 800×39 мм, сталь Х80) с дефектами утонения стенки различной глубины от внутреннего давления Рис. 4. Зависимость консервативного значения параметра Вейбулла от предела прочности (класса прочности) стали трубопровода 17ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 ласти дефектов утонения: вероятность разруше- ния трубопроводных элементов D×t = 800×39 мм с внешним дефектом утонения стенки из сталей Х60 и Х80 может отличаться в 10 раз в зависимо- сти от приложенного внутреннего давления. При анализе состояния дефектных трубопрово- дных элементов со сложным многоочаговым по- вреждением, в частности, множественной язвен- ной коррозией, состоящей из нескольких близко расположенных полуэллиптических дефектов, ак- туальные стандарты предписывают схематизиро- вать множественный дефект как один, охватываю- щий всю поврежденность в целом. Разработанная методика вероятностной оценки рассматривает конструкцию в ее фактическом состоянии по- врежденности, учитывая переменную толщину стенки по всей области вероятного разрушения. В качестве примера сложного эксплуатационного повреждения рассматриваемой трубы ниже при- веден случай трех симметрично расположенных дефектов на различных поверхностях трубопро- вода, размеры которых одинаковы (длина 150 мм, глубина 10 мм, ширина 40 мм), что не ограничива- ет общности данного анализа. На рис. 2, б показа- ны поля главных напряжений для множественного дефекта при предельном давлении 14,4 мПа. Как видно из приведенных данных, взаимное распо- ложение дефектов таково, что наблюдается явное взаимодействие полей напряжений, которое вы- зывает формирование общей области существен- ного пластического течения, где зарождается по- врежденность как по вязкому механизму, так и по микросколу. При этом величина вероятности при различных давлениях (рис. 6) иллюстрирует раз- витие этого взаимодействия: чем выше давление, тем больше проявляется ослабление трубопро- вода в области наложения дефектов и тем более чувствительной является показанная зависимость к увеличению давления. При этом снижение несу- щей способности трубопровода с множественным коррозионным повреждением составило около 20 % по сравнению с одиночным дефектом тако- го же размера (предельное давление P max = 18,2) и более 30 % в сравнении с бездефектным состояни- ем (Pmax = 20,8 мПа). Выводы Предложен методологический подход числен- ной оценки вероятности разрушения толстостен- ных трубопроводных элементов с поверхност- ными дефектами локальной потери металла. В основу подхода положен анализ предельного со- стояния конструкции под действием внутреннего давления, исходя из предположения о преимуще- ственно вязком характере разрушения конструк- ции в области геометрической аномалии. Пока- зано, что консервативным условием достижения предельного состояния конструкции является формирование первых макропор. Получена зависимость параметра Вейбулла В, необходимая для количественной оценки веро- ятности разрушения трубопровода с локальным утонением стенки, от класса прочности (предела прочности) стали. Показано, что этот параметр является характеристикой механических свойств материала и может быть использован для веро- ятностного анализа состояния трубопроводов из труб различных типоразмеров и характера корро- зионной поврежденности. Исследовано предельное состояние трубопро- вода с многоочаговым коррозионным поврежде- нием внутренней и внешней поверхности трубы. Показано значительное влияние близко располо- женных дефектов как на несущую способность трубопровода, так и на характер предельного со- стояния и разрушения. это проявляется в форми- ровании общей области микроповрежденности металла по всей зоне коррозионного поражения и соответствующем влиянии масштабного фактора на вероятность разрушения. Рис. 5. сравнение зависимостей вероятности разруше- ния трубопровода с дефектом локальной потери металла 2s×a = 150×14 мм при различных прочностных свойствах стали конструкции: 1 – σв = 560 мПа; 2 – 630 Рис. 6. Зависимость вероятности разрушения трубопровода D×t = 1420×25 мм (сталь Х60) с многоочаговым дефектом утонения стенки от внутреннего давления 18 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014 1. Best practice for risk based inspection as a part of plant integrity management. Contract research report 363/2001 / B. Wintle, B. W. Kenzie, G. J. Amphlett et al. // Merseyside: Health and Safety Executive, 2003. – 186 p. 2. Muhlbauer Kent. W. Pipeline Risk Management Manual. Ideas, Techniques, and Resources. Burlington: Gulf Professional Publishing, 2004. – 422 p. 3. Bjornoy O. H., Marley M.J. Assessment of corroded pipelines: Past, Present and Future / Proc. of 11th Intern. Offshore and Polar Engineering сonf. Stavanger, Norway, June 17–22, 2001.– №1. – P. 93–101. 4. Janelle J. L. An overview and validation of the fitness-for- service assessment procedures for local thin areas. – Thesis for the degree Master of Science – Mechanical Engineering. The Graduate Faculty of the University of Akron, 2005. – 264 р. 5. ДСТУ-Н Б В.2.3-21:2008. Настанова. Визначення за- лишкової міцності магістральних трубопроводів з дефек- тами. – Київ: мінрегіонбуд України, 2008. – 91 с. 6. Fitness-for-Service. American Petroleum Institute. Recommended Practice 579. First edition. Washington: API Publications and Distribution, 2000. – 625 p. 7. Махненко В. И, Великоиваненко Е. А., Олейник О. И. Риск-анализ как средство формализации принятия реше- ний о внеплановом ремонте сварных конструкций // Ав- томат. сварка. – 2008. – № 5. – с. 5–10. 8. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability / J. of Applied Mechanics. – 1951. – № 9. – P. 293–297. 9. Local approach to fracture // C. Berdin, J. Besson, S. Bugat et al. – Paris: Les Presses de l’Ecole des Mines, 2004. – 89 p. 10. Ductile fracture initiation, propagation and arrest in cylindrical vessels / W. A. Maxey, J. F. Kiefner, R. J. Eiber et al. // Fracture Toughness, Proc. of the 1971 National Symp. On Fracture Mechanics, 31 Aug. – 02 Sept. 1971, Urbana- Champaign, USA. – Philadelphia: American Society for Testing and Materials, 1972. – P. 70–81. 11. Gurson A. I. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Part 1 – yield criteria and flow rules for porous ductile media // J. of Engineering Materials and Technology. – 1977. – №1 . – Р. 2–15. 12. Махненко В. И. Проблемы экспертизы современных сварных конструкций ответственного назначения // Ав- томат. сварка.– 2013. – №5. – с. 22–29. 13. Карзов Г. П., Марголин Б. З., Швецова В. А. физико-ме- ханическое моделирование процессов разрушения. – с.– Пб.: Политехника, 1993. – 391 с. 14. Махненко В. И. Расчетные методы исследования кинети- ки сварочных напряжений и деформаций. – Киев: Наук. думка, 1976. – 320 с. 15. Махненко В. И. Ресурс безопасной эксплуатации сварных соединений и узлов современных конструкций. – Киев: Наук. думка, 2006. – 618 с. 16. Wu D., Huang Z., Chen L. A study of the limit pressures of thick walled pipes with part-through slots on the outside surface // Int. J. Pres. Ves. and Piping. – 1985. – № 20. – P. 207–221. 17. Моделирование процессов зарождения и развития пор вязкого разрушения в сварных конструкциях / Е. А. Ве- ликоиваненко, Г. ф. Розынка, А. с. миленин и др. // Ав- томат. сварка. – 2013. – № 9. – C. 26–31. A procedure has been developed and realized for numerical analysis of limit state of pipeline elements with surface geometrical anomalies of the type of local corrosion loss of metal, allowing for probabilistic nature of structure failure in the complex stress-strain state, while proceeding from the assumption of predominantly viscous failure mode. The case of off-shore main pipeline elements with defects of various sizes was used to determine probabilistic failure parameters and to study the features of the influence of various extent of damage on load-carrying capacity of structures with defects. Versatility of the proposed approach was demonstrated, allowing application of modern methods of numerical analysis of the stress-strain state to perform the required calculations of the probability of emergency conditions in critical industrial facilities. 17 References, 2 Tables. K e y w o r d s : pipeline, local metal loss, limit state, ductile fracture, emergency probability, Weibull parameters Поступила в редакцию 12.01.2014 НОВА КНИГА Накладні вихрострумові перетворювачі подвійного диференціювання / В. М. Учанін. – львів: сПОлОм, 2013. – 268 с. монографія присвячена розробці вихрострумових перетворювачів (ВсП) подвійного ди- ференціювання. як утворювальний елемент для їх побудови розглянуто особливості анак- сіальних ВсП. Проаналізовано конструкції і механізми формування сигналів від дефектів у ВсП подвій- ного диференціювання. Подано результати досліджень, які засвідчують їх можливості для розв’язання найскладніших задач неруйнівного контролю. Для наукових співробітників і інженерів, що займаються дослідженням і розробкою ме- тодів і засобів неруйнівного контролю, а також аспірантів і студентів вузів зі спеціально- стей «методи неруйнівного контролю» і «Діагностика матеріалів і конструкцій».

Вероятностная оценка состояния трубопроводных элементов с обнаруженными дефектами утонения

Репозитарії

Схожі ресурси