Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические основы оценки прогнозируемого ресурса (долговечности) стальной запорной арматуры 01
1.1. Качественные критерии безопасности трубопроводной арматуры 10
1.2. Особенности технологической наследственности при производстве современных конструкций шаровых кранов 13
1.3. Оценка статической прочности корпусов шаровых кранов 22
1.3.1. Инженерные расчеты 22
1.3.2. Расчет методом конечных элементов 29
1.4. Модели оценки долговечности изделий 43
Выводы по главе 1 48
2. Экспериментальные методы исследований... 50
2.1. Комплекс экспериментальных методов изучения технологической наследственности 50
2.2. Цифровая двухэкспозиционная голографическая интерферометрия 58
2.3. Метод магнитной памяти металла 67
2.4. Стандартные и нестандартные разрушающие испытания 73
2.5. Метод индентирования и металлографический анализ 77
Выводы по главе 2 80
3. Влияние технологической наследственности на безопасность запорной арматуры 82
3.1. Влияние технологической операции обжима на напряженно- деформированное состояние и механические свойства металла 82
1.1. Выявление технологических дефектов методом голографической интерферометрии 82
1.2. Влияние технологической операции обжима на напряженно-деформированное состояние металла 85
1.3. Влияние технологической операции обжима на механические свойства металла 96
2. Влияние технологической операции пробоя отверстия на механические свойства металла 100
3. Влияние совокупности технологических операций на напряженно-деформированное состояние и механические свойства металла 104
Выводы по главе 3 108
Влияние вероятностного разброса, связанного с технологической наследственностью, на безопасность запорной арматуры ПО
1. Оценка статистических характеристик технологической наследственности 110
2. Способ прогнозирования ресурса (долговечности) корпуса запорной арматуры на этапе производства 112
3. Оценка ресурса (долговечности) корпуса запорной арматуры с учетом технологической наследственности 122
Выводы по главе 4 123
Основные выводы 125
Библиографический список использованной литературы
- Особенности технологической наследственности при производстве современных конструкций шаровых кранов
- Цифровая двухэкспозиционная голографическая интерферометрия
- Влияние технологической операции обжима на напряженно-деформированное состояние металла
- Способ прогнозирования ресурса (долговечности) корпуса запорной арматуры на этапе производства
Особенности технологической наследственности при производстве современных конструкций шаровых кранов
Различные аспекты промышленной безопасности трубопроводной арматуры обобщены в работах В.А. Ананьевского, В.Т. Доможирова, СВ. Луговского, В.В. Макарова, И.Т. Тер-Матеосянца, О.А. Токмакова, Н.П. Тютюнника и др. [3, 4,56,117]. В работе [3], в частности, приводятся общие критерии промышленной безопасности применительно к конструкциям запорной арматуры газораспределительных сетей: - вероятность безопасной работы, определяемая в соответствии с руководящими документами [102, 103]; - конструктивная прочность, которая характеризуется распределением напряженно-деформированного состояния конструкции, определяемого расчетами с помощью программных комплексов и методами неразрушающего контроля (НК); - расчетный остаточный ресурс, являющийся критерием технического состояния по признаку долговечности; - герметичность затвора, оцениваемая методами НК.
Последний критерий касается безопасности работы ЗА по назначению и относительно легко определяется экспериментально при подготовке производства новых изделий или испытаниях выборки из крупной заводской партии. Для этого используют количество наработок на отказ (до разгерметизации или выхода затвора из строя).
Гораздо сложнее оценить конструктивную прочность корпусных изделий, хотя ее значение велико, поскольку в случае разрушения корпуса риски увеличиваются и помимо неконтролируемого выброса взрывоопасной среды ЗА теряет функциональное назначение. Существует достаточно много количественных критериев, характеризующих прочность изделий при воздействии различных факторов. Так, в настоящей работе для сравнения теоретических и экспериментальных НДС конструкции на разных стадиях производства использованы критерий Мизеса, условный предел текучести (оод), временное сопротивление ( тв) и запас пластичности ( 7од/ав). Различные критерии прочности отражают особенности поведения конструкции под воздействием различных факторов. Например, широко используются критерии малоцикловой и многоцикловой усталости металла, отражающие периодичность воздействий на конструкцию.
Аналогичные сложности возникают при прогнозе ресурса (долговечности) конструкции. Модели долговечности по сути основаны на используемых критериях прочности. В частности, модель постепенного накопления повреждений использует значения эквивалентных напряжений, достигающих предела текучести или величины временного сопротивления. Модель определения долговечности по пластичности отражает изменения механических свойств металла - отношения предела текучести к временному сопротивлению.
Таким образом, корректное решение задачи сравнения корпусной прочности ЗА или определения ее долговечности требует однозначного решения вопросов о физическом характере воздействующих факторов, диапазоне их изменения, периодичности воздействия и относительном вкладе в суммарное воздействие.
Ниже приведены сведения по возможным условиям эксплуатации КШГ [68], из которых следуют представления о наиболее значимых эксплуатационных факторах.
Условия эксплуатации КШГ - это комплекс технологических, климатических и гидрогеологических факторов, влияющих на надежную и безопасную работу изделий.
Под технологическими факторами понимают характеристики рабочей среды: - физико-химический состав газа (природный газ в соответствии с требованиями ГОСТ 5542, сжиженные углеводородные газы в соответствии с требованиями ГОСТ 20448, ГОСТ Р 52087 и ГОСТ 27578) [29 - 32]; рабочее давление (максимальное для природного газа до 1,2 МПа, максимальное для сжиженных углеводородных газов до 1,6 МПа).
Установка запорной арматуры может быть предусмотрена как в надземном, так и в подземном исполнении. Рассмотрим возможные варианты условий эксплуатации КШГ в сетях газораспределения.
Надземное исполнение: для эксплуатации на открытом воздухе: линейная часть надземных газопроводов (вне поселений, на территории поселений); газопровод-ввод (вблизи с фасадом здания); для эксплуатации в закрытых объемах с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий: оборудование шкафных газорегуляторных пунктов (ШРП) (неотапливаемые); для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями: внутренние газопроводы производственных, общественных и жилых зданий (перед газоиспользующим оборудованием); технологические газопроводы газорегуляторных пунктов.
Подземное исполнение: для эксплуатации в помещениях (объемах) с повышенной влажностью: линейная часть подземных газопроводов (в колодцах); линейная часть подземных газопроводов (в грунте, с выводом управления под ковер). Итак, эксплуатация КШГ осуществляется в вариантах надземной и подземной установки под влиянием окружающей среды, при этом возможно воздействие высокой коррозионной агрессивности, механических и вибрационных нагрузок и т.п. Большое разнообразие сочетаний факторов затрудняет выделение ведущего параметра.
По этой причине в настоящее время все заключения о прочности либо величине прогнозируемого ресурса (долговечности) конструкций носят оценочный характер за исключением случаев, когда один из эксплуатационных факторов является доминирующим.
Цифровая двухэкспозиционная голографическая интерферометрия
Поставленные в первой главе задачи подразумевают изучение безопасности конструкции на этапе изготовления и прогнозную оценку долговечности при эксплуатации. Их можно переформулировать как поиск ответов на следующие вопросы. Насколько существенно изменяется начальная прочность изделий КШГ при использовании конструктивного решения с плавными переходами диаметра и соответствующей технологической цепочкой изготовления, влияющей на свойства металла? Каковы пределы статистических колебаний эквивалентных напряжений, порожденных технологической наследственностью? Возможна ли разработка способа сравнения готовых изделий по прочности в заводских условиях?
Предполагается, что для конструкции КШГ существующая и прогнозируемая теоретически деформации поверхности под действием внутреннего давления могут существенно различаться. Это не удивительно, поскольку в реальности под действием технологических операций (особенно операции создания радиусных переходов) металл приобретает анизотропию механических свойств, что делает расчет на основе теории упругости ограниченно применимым. Подобные ситуации хорошо известны, в частности, в монографии Н.А. Махутова [82] указывается, что «к сожалению, принимаемые расчетные схемы, начальные и граничные условия являются лишь некоторым приближением к реальным условиям нагружения, в результате чего действительные значения напряжений, усилий и распределения температур в элементах конструкции могут существенно отличаться от расчетных, особенно для случаев аварийных ситуаций, сложных конструкций, наличия многофазных сред и многопараметрической истории нагружения». В качестве критериев, характеризующих прочность конструкции, обычно используют напряжения, деформации, либо величины, связанные с появлением и развитием конкретного типа дефектов (трещина и т.п.). При существующем многообразии экспериментальных методов исследования металла каждая из этих величин может быть получена различными способами. В настоящее время номенклатура видов и методов неразрушающего контроля включает ПО наименований [33]. При этом в соответствии с документами в области стандартизации [34 - 39, 85] для неразрушающего контроля НДС выделяется семь основных типов методов: ультразвуковой, радиационный, магнитный, вихретоковый, визуально-измерительный, оптический, тензометрический.
По мнению автора, обязательным условием достаточной и полной информации об изучаемом объекте является сочетание результатов нескольких, дополняющих друг друга экспериментальных методов. Пример подобного подхода описан в работе [4], где требовалась очень высокая точность оценок в связи с ответственностью заключений о состоянии атомной электростанции (АЭС). Исследования прочностных критериев технического состояния нагруженных деталей запорной арматуры АЭС базировались на компьютерном моделировании напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов, уточнении потенциально опасных точек конструкций методами акустической эмиссии (АЭ) и магнитной памяти металла (МПМ) и сопоставлении результатов с требованиями отраслевых нормативных документов атомной промышленности [100]. При этом в качестве «эталонных» экспериментальных результатов принимались характеристики напряженно-деформированного состояния, полученные с использованием информационно-измерительной тензометрической системы. Результат обследования задвижки методом АЭ выявил ряд методических и аппаратных проблем, связанных с необходимостью снижения собственных и фоновых шумов тензометрического метода. Метод МПМ показал возможность выявления субмикротрещин и характерных для таких дефектов, зон концентрации напряжений. При этом указано на необходимость идентификации полученных данных с результатами расчета НДС и других методов.
Приведенный пример показывает, что эффективное заключение о безопасности промышленного объекта достигается при использовании комплекса разнородных экспериментальных методов и расчетов по принятой модели.
Для обоснованного выбора оптимального экспериментального комплекса необходимо сформулировать общие основные требования к условиям измерений:
В настоящей работе основополагающим методом является двухэкспозиционная ГИ, на основе результатов которой делаются выводы о принципиальных отличиях расчетных и экспериментальных оценок НДС в конструкции. Очевидно, что наиболее надежную информацию, учитывающую взаимное влияние различных частей конструкции, легче получить с использованием равномерно распределенной внутренней нагрузки. Это условие удобнее всего реализовать путем подачи в изучаемый объект внутреннего давления. Для запорной арматуры газораспределительных сетей его максимальная величина при эксплуатации составляет 1,2 МПа. Поскольку обобщенный закон Гука справедлив до момента достижения предела текучести металла (в случае 09Г2С - примерно 340 МПа), то в диапазоне внутренних давлений до 32 МПа можно определять напряжения в металле с достаточной точностью. При этом оценка упругой составляющей радиальной деформации цилиндра (г = 42,5 и /7 = 4,0 мм) по формуле (1.11) составляет около 58 мкм. Таким образом, необходимо регистрировать НДС со всей поверхности конструкции при внутреннем давлении до 3,5 МПа.
В данном случае к абсолютным преимуществам двухэкспозиционной ГИ в цифровом варианте можно отнести возможность проведения измерений при деформациях в микронном диапазоне, визуализацию всей поверхности конструкции, расположенной напротив фотоприемника, и минимальное влияние микропластических деформаций поверхности. Последнее условие особенно важно для выделения упругой составляющей деформации поверхности на фоне возможных небольших деформаций объекта в исходном состоянии.
Сравнение метода ГИ с другими рекомендуемыми методами определения НДС (ультразвуковой, магнитный, вихретоковый, тензометрический), по мнению автора, возможно только по укрупненным позициям. Наиболее близким по возможностям регистрации НДС является тензометрический метод. Оба метода регистрируют деформации поверхностей тела и имеют сопоставимую чувствительность (порядка 1 мкм). Однако неоспоримым преимуществом ГИ является визуализация информации на интерферограмме.
Перечисленные методы (в том числе ГИ) находятся на этапе развития и к ним во многом можно отнести характеристику ультразвукового метода, приведенную в монографии [62]: «Время покажет, является ли универсальным ультразвуковой метод измерения напряжений, переживающий период становления. Сегодня можно с уверенностью утверждать только то, что в определенных технических ситуациях его применение уже приносит немалые выгоды. Однако в каждом конкретном случае его применению должно предшествовать детальное лабораторное исследование, призванное ответить, в первую очередь, на вопросы: достижима ли соответствующая точность измерений, все ли источники погрешностей приняты во внимание».
Влияние технологической операции обжима на напряженно-деформированное состояние металла
Рассмотрим результаты измерений, полученных на заготовках корпусов, представляющих собой цилиндры с переходами диаметра на торцах, которые выполнены операцией механического обжима. При измерениях каждого образца проводили четыре экспозиции с поворотом примерно на 90, что позволяло свести к минимуму систематическую погрешность за счет влияния возможных неоднородностей поверхности металла. Таким образом, экспериментальные данные объединяют обработку шести интерферограмм трех базовых образцов, изготовленных при усилиях обжима 320, 390 и 420 кН.
При обработке интерферограмм на ось координат «х» (вдоль продольной оси симметрии) наносилось расстояние от края радиусного перехода до геометрического центра /-ой интерференционной полосы. По оси координат у, направленной перпендикулярно поверхности цилиндра, откладывалась величина подъема поверхности Wr относительно границы радиусного перехода (сопряжения оболочек), т.е приращение радиального перемещения поверхности. Для вычисления текущего значения Wr номер полосы от начала радиусного перехода умножался на 0,32 мкм (см. формулу (2.6)). При этом принималось, что на границе радиусного перехода подъем поверхности в радиальном направлении равен нулю и соответственно интерференционная полоса имеет нулевой номер.
На рисунке 3.4 приведены примеры обработки (для цилиндрической части образцов) интерферограмм для заготовок корпусов, полученных при постоянной нагрузке внутренним давлением 3,5 МПа, но отличающихся величиной усилия механического обжима при создании радиусных переходов.
Рисунок 3.4 демонстрирует повышение радиального перемещения поверхности по мере снижения усилия механического обжима. Это обстоятельство подтверждает известные качественные представления об упрочнении конструкции, прошедшей предварительную холодную пластическую деформацию [63, 81, 94]. Действительно, снижение величины радиального перемещения поверхности образца при прочих равных условиях означает снижение эквивалентного напряжения, т.е. упрочнение конструкции. a)
Расстояние от края цилиндра до центра интерференционной ПОЛОСЫ, ГЛГЛ Рисунок 3.4 - Эпюры радиального смещения поверхности под действием внутреннего давления 3,5 МПа для цилиндров с переходами диаметра, полученные при усилиях механического обжима 420 кН (а), 320 кН (б)
Для сравнения прочности металла конструкций использован критерий Мизеса, при этом эквивалентные напряжения рассчитывались по формуле: W - радиальное перемещение поверхности цилиндра; г - средний радиус цилиндрической части конструкции; /и = 0,3 - коэффициент Пуассона для стали 09Г2С; =2ДхЮ5 МПа - модуль упругости стали 09Г2С; ам=ак/2 меридиональные напряжения цилиндрической оболочки.
По результатам обработки интерферограмм получены следующие значения для максимальных радиальных перемещений поверхности под действием внутреннего давления 3,5 МПа в цилиндрической части заготовок корпуса: (3,0 ± 0,1) мкм при усилии обжима Pi = 420 кН; (9,6 ± 0,3) мкм при Р2= 390 кН; (13,3 ± 1,8) мкм при Рз = 420 кН. Экспериментальные данные приведены для 95 %-ного доверительного интервала при числе параллельных измерений одного образца п = 4. Полные максимальные радиальные перемещения поверхности составили соответственно 9,1 мкм (420 кН), 12,3 мкм (390 кН) и 15,7 мкм (420 кН).
Корреляционная связь максимальных значений радиального перемещения поверхности в центре цилиндра и усилий механического обжима Рисунок 3.5, также как рисунок 3.4, качественно подтверждает известную в технике тенденцию увеличения прочности (снижения максимального эквивалентного напряжения) с ростом степени пластической деформации. Линейная аппроксимация этой зависимости с использованием метода наименьших квадратов позволяет получить приближенную формулу для расчета максимального радиального перемещения в мкм (что эквивалентно оценке максимального эквивалентного напряжения в центре цилиндра) в зависимости от величины технологического параметра
Для использованных образцов, изготовленных из стали 09Г2С, значения констант равны а = - 0,93 мкм/кН, Ъ = 43,88 мкм. Заметим, что линейная аппроксимация на рисунке 3.5 не является в рассматриваемом случае адекватной математической моделью, описывающей корреляцию изменений усилий обжима и перемещения поверхности. Количество экспериментальных точек мало, а прямая линия не попадает в значения доверительных интервалов для двух точек. По-видимому, выражение (3.3) является более сложной зависимостью. Однако ее подробное изучение требует гораздо большего набора специально изготовленных образцов и выходит за рамки задач данной работы.
Формула (3.3) касается исключительно оценки максимального подъема поверхности Wrmax над цилиндрической частью конструкции и соответствует продольной координате хо в центре цилиндра. Она отражает общую тенденцию снижения эквивалентных напряжений в цилиндре с переходами диаметра при увеличении усилия механического обжима.
Следующий шаг использует экспериментальные данные для восстановления явного вида зависимости радиального перемещения поверхности Wr от продольной координаты «х»: Wr = F(x, Р). Для решения этой задачи необходимо сравнить профили изгиба поверхностей (рисунок 3.4), образующиеся при различающихся усилиях механического обжима. Формат исходных экспериментальных данных был преобразован в форму, удобную для сравнения. Для этого функция Wr = F(x, Р) и координаты «х» переведены в относительные единицы.
Способ прогнозирования ресурса (долговечности) корпуса запорной арматуры на этапе производства
Для прояснения информации о прочностных свойствах корпуса КШГ получены результаты исследований механических свойств различных зон методом индентирования, стандартными и нестандартными разрушающими испытаниями.
Результаты исследований методом индентирования на макроуровне определили на поверхности металла в зоне горловины восстановление механических свойств до значений ат = 370 МПа и аъ = 530 МПа. Однако более подробные измерения микротвердости в той же зоне показали, что значения на внешней поверхности больше на 45 %, чем на внутренней, что характеризует неоднородность распределения механических свойств металла по толщине сечения. Стандартные разрушающие испытания металла зоны горловины КШГ № 1 показали результат оъ = 636 МПа, а в металле цилиндра корпуса оъ = 515 МПа. Для КШГ № 2 в зоне горловины аъ = 553 МПа, в металле цилиндра корпуса аъ = 706 МПа. Заметим, что, как и в случае заготовок корпуса, площадка текучести отсутствовала, что говорит о низкой пластичности металла.
При нестандартных разрушающих испытаниях внутренним гидравлическим давлением оба образца КШГ разрушились при одинаковой нагрузке, характеризующейся ав=561 МПа. При этом образец № 1 разрушился в цилиндрической части корпуса, а образец № 2 - в зоне горловины (рисунок 3.16). а) образец КШГ № 1; б) образец КШГ № 2 Рисунок 3.16- Место разрушения корпусов КШГ внутренним давлением
Установлена тенденция снижения упругих напряжений и деформаций предварительно деформированной заготовки корпуса КШГ при повышении усилия обжима в диапазоне от 320 до 420 кН, при этом распределение напряжений адекватно математической модели упругого цилиндра с жестким креплением торцов, что позволяет уточнять прогноз ресурса при заданном усилии механического обжима.
Механические свойства металла изменяются по мере удаления от кромки отверстия в предварительно деформированном цилиндре в соответствии с закономерностями а02 = 1,66х 1 о3хе--056Х и JB = 1,43х 1 о3 хе 0039Г. При этом технологическая операция пробоя в предварительно деформированном цилиндре увеличивает на кромке отверстия условный предел текучести на 75 %, временное сопротивление на 50 % и снижает запас пластичности металла на 50 %.
Местные напряжения, являющиеся следствием технологической наследственности, возникают симметрично горловине на поперечном сечении корпуса КШГ и создают локальные зоны разгрузки или напряженности металла, характеризующиеся эффективным коэффициентом концентрации в диапазоне от 0,7 до 1,2.
Технологическая наследственность изделий формируется под воздействием многих случайных факторов и определяет статистический характер напряженно-деформированного состояния. Вероятность негативного проявления технологического разброса возрастает для конструкций сложной формы, при изготовлении которых используется значительное количество операций. К подобным изделиям относится запорная арматура сетей газораспределения, в частности цельносварные (не подлежащие ремонту) шаровые краны типа КШГ. Оценка статистических характеристик возможных отклонений напряженно-деформированного состояния на этапе производства позволяет повысить безопасность эксплуатации за счет объективного учета статистических колебаний прогнозируемого ресурса (долговечности) изделий.
Для определения статистических характеристик технологического разброса НДС использовались экспериментальные данные об относительном радиальном перемещении поверхности цилиндрической части корпусов КШГ и специально изготовленных базовых образцов (цилиндров с переходами диаметров, воспроизводящих основную форму изделия (рисунок 3.6)). Сравнение проводилось с использованием модели радиального перемещения длинной цилиндрической оболочки с жестко закрепленными торцами в относительных координатах (формула (3.3)). Результаты сравнения показаны на рисунке 4.1.
Наблюдается увеличение статистического разброса экспериментальных данных относительно базовых образцов (рисунок 4.1, б), что связано с технологическим влиянием на напряженно-деформированное состояние готовой конструкции.
Поскольку конструкция в сборе содержит базовый элемент сравнения, то для оценок можно использовать выборочную дисперсию воспроизводимости относительного изгиба (Si2) после создания переходов диаметров и выборочную дисперсию воспроизводимости (S22), характеризующую совокупное влияние всех технологических операций. Для исключения неоднородности крайних значений при вычислениях статистических характеристик использован интервал Ху от 0,2 до 0,8 и от 1,2 до 1,8. Получены значения S\2= 0,003 и »%2 = 0,031, отличающиеся на порядок, что демонстрирует доминирующее влияние операций изготовления отверстия, сборки и сварки на безопасность изделия. В заданном интервале относительную погрешность воспроизводимости напряженно-деформированного состояния можно оценить на уровне 26 % для готовых изделий и 8 % - для базовых образцов.
Дополнительными количественными характеристиками технологического разброса являются погрешности относительно усредненных экспериментальных данных. Процедура усреднения экспериментальных данных для базовых образцов и шаровых кранов проведена сглаживающим полиномом 4-ой степени. Для корпусов кранов относительно базовых образцов было получено повышение 5 с 7,2 % до 12,2 % и снижение R с 0,94 до 0,87. Одновременно наблюдается увеличение ширины распределения {Лхц =0,1 на уровне у у = 0,5), что можно объяснить снижением остаточных напряжений за счет технологических операций (прежде всего изготовления отверстия).
Таким образом, на основании данных ГИ установлены закономерности и статистические характеристики влияния технологических операций на напряженно-деформированное состояние корпусов КШГ. Полученные результаты позволяют уточнять инженерные расчеты НДС корпусов КШГ. Для выбранной модели деградации металла появляется возможность оценки статистического разброса прогнозируемого ресурса (долговечности) безопасной эксплуатации корпусов КШГ сетей газораспределения.
Для решения поставленной во введении задачи исследовано влияние технологической наследственности на прочностные и магнитные свойства металла корпуса КШГ [74]. В качестве прочностных характеристик использованы результаты нестандартных испытаний до разрушения внутренним гидравлическим давлением, характеризующие предельную работу металла конструкций [106]. В данном случае автором предложен критерий предельного состояния металла для конкретного вида изучаемой конструкции (сгфакті/сгисх), где Сфакті - напряжение, характеризующее разрушение конструкции корпуса /-ого готового изделия, сгисх - напряжение, характеризующее разрушение заготовки конструкции корпуса без технологической обработки (с предельно низким уровнем технологических дефектов). На практике важно, что этот учет может быть сделан экспериментально без привлечения справочных параметров металла и дополнительных предположений.
В качестве магнитных характеристик использован градиент собственного магнитного поля рассеяния металла (метод МПМ), характеризующий аномалии структурных свойств, в частности зоны концентрации механических напряжений.