Технические науки / 2.Механика

Д. т. н. А.И. Айнабеков, д. т. н. У.С. Сулейменов, к.ф.-м.н. Г.Ш. Омашова, Л.С. Алдашева

Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, Казахстан

Методика оценки влияния длительности эксплуатации на механические свойства металла труб газопроводов

В настоящее время длительность эксплуатации большинства действующих магистральных трубопроводов составляет более 20 лет. В связи с этим возникает необходимость оценки их текущего состояния и прогнозирования остаточного ресурса.

Длительная эксплуатация трубопроводов приводит не только к появлению микродефектов, но и к изменению механических свойств металла трубы и сварных соединений.

При относительной простоте конструктивных решений трубопроводов на сегодня нет полной ясности относительно закономерностей влияния времени эксплуатации трубопроводов на механические свойства металла труб, не разработаны надежные методы мониторинга их несущей способности и долговечности.

В процессе эксплуатации труб происходит деградация металла, которая является одной из причин отказа трубопровода. Скорость деградации металла труб, естественно, зависит от природы материала, его структурного состояния и условий работы, а также режима нагружения.

Проведенный в работе [1] анализ эксплуатационной нагруженности труб линейного участка магистрального трубопровода показал, что давление в трубе изменяется циклически и является случайной величиной.

В течении срока службы трубопроводы испытывают более циклов, их разрушения носят типичный усталостный характер с длительным периодом стадии накопления повреждений.

Существует большое количество литературных источников, где рассматриваются способы оценки влияния длительности эксплуатации на повреждаемость металла труб [2,3]. Однако эти методы оценки влияния длительности эксплуатации, из числа тех которые основаны на реализации их без разрушения исследуемой конструкций, основаны на исследовании характеристик, которые в основном не используются в расчетных методах (твердость, повреждаемость и.т.д), а если и применяются то носят косвенный характер. Широко применяемые на практике различные варианты метода акустической эмиссии не могут дать сведений по механическим свойствам металла труб, требуют применения дорогостоящего оборудования, приборного обеспечения и сложной процедуры обработки результатов измерений. Метод твердости характеризуется недостаточной информативностью и низкой точностью, поскольку корреляция между твердостью и механическими свойствами (в нашем случае очень слабая и не всегда металла) в большинстве случаев очень слабая и всегда однозначная.

Вместе с тем, как показывает опыт эксплуатации газопроводов, длительность эксплуатации во многом влияет на пластические и вязкие свойства металла труб, а также приводят и смене механизма микроразрушения от вязкого к хрупкому [4,5].

Поэтому важным механическим показателем при исследований влияния длительности эксплуатации на механические свойства трубной стали является ударная вязкость. При этом, определение ударной вязкости не требует разрушения конструкций, а также с этой характеристикой коррелируются в той или иной мере другие механические свойства металла труб.

Как показали специально поставленные испытания образцов, более представительными в отношении оценки состояния структуры и вязкости материала следует считать не абсолютные значения определяемой характеристики материала, а некоторые производные от них, в частности рассеяние результатов измерений, выполненных на одинаковых образцах в идентичных условиях.

Физическое обоснование перспективности предложенной идеи состоит в том, что рассеяние механических характеристик, в том числе ударной вязкости, присуще всем материалам, а степень рассеяния сильно зависит от их структурного состояния. Следовательно, об изменении структурного состояния, в нашем случае изменение вязких свойств в заданных условиях работы, в частности вследствие влияния длительности эксплуатации и старения под нагрузкой, можно судить по рассеянию характеристик его вязких свойств.

Механический аспект практического использования этой идеи заключается в выборе параметра, интегрально характеризующего структурное состояние материала в отношении его гомогенности, и в обоснование рационального метода обработки результатов массовых испытаний на ударную вязкость с целью его определения.

Оценку изменения структурного состояния трубной стали при наличии достаточно большой совокупности данных о его вязких свойствах, которая отражает их рассеяние, можно провести только с привлечением методов математической статистики на основе физически обоснованных законов распределения. Очевидно, что нормальный закон распределения в данном случае неприемлем, так как он не исключает наличия образцов с отрицательной вязкостью, что физически невозможно.

Однако в настоящее время в механике имеется достаточный опыт, в частности при построении статистических теорий прочности, двух, трех параметрических распределений Вейбулла [6]. Основное соотношение этой теорий может быть записано в виде:

(1)

где -параметр масштаба, -коэффициент гомогенности, отражающий степень рассеяния характеристик исследуемого свойства.

Коэффициент гомогенности , можно определить по формуле Гумбеля [7], которая применительно к вязкости материала может быть записана в виде:

(2)

В формуле (2) величину определяют в зависимости от числа испытаний, а величину S () – по результатам – испытаний в соответствии с нижеследующей формулой:

(3)

где - среднее значение логарифмов ударной вязкости.

Большим значениям коэффициента гомогенности соответствует низкий уровень рассеяния характеристик ударной вязкости следовательно, низкий уровень изменения вязкости по отношению к исходному состоянию металла. Меньшим значениям коэффициента гомогенности наоборот, соответствует более высокий уровень изменения вязкости.

Отметим, что уровню рассеяния определяемого механического свойства, в нашем случае ударной вязкости, можно ставить в соответствие также такую статистическую характеристику как коэффициент вариации, показывающий, насколько велико рассеяние величин, составляющих рассматриваемый объем данных, по сравнению со средним значением ударной вязкости.

Расчетная формула при этом будет выглядеть следующим образом.

, (4)

где -среднее значение вязкости, - значение ударной вязкости по -му испытанию.

Таким образом, более информативными параметрами в оценке длительности эксплуатации на свойства трубной стали, а также достоверными можно считать характеристики рассеяния абсолютных значений ударной вязкости, массив сведений которых получен в одинаковых условиях испытаний. Из полученных данных следует, что такой характеристикой может служить коэффициент гомогенности Вейбулла или коэффициент вариаций . Предлагаемый метод оценки изменения свойств материала с течением времени прост, не требует значительных затрат и специальной подготовки инженера.

Литература

1. Сосновский Л.А., Воробьев В.В. Влияние длительной эксплуатации на сопротивление усталости трубной стали// Проблема прочности. 2000 №6. -С. 44-53.

2. Мэнсон, Энсайн. Успехи за последнюю четверть века в развитии методов корреляции и экстраполяции результатов испытаний на длительную прочность// Теорет. основы инж. расчетов. Сер. Д.-1979.-№ 4.-С. 9-18.

3. Махутов Н.А., Зацаринный В. В., Базарас Ж. Л. и др. Статистические закономерности малоциклового разрушения.-М.:Наука, 1989.-253с.

4. Котречко C.А., Красовский А. Я. и др. Влияние длительности эксплуатации на вязкость трубной стали 17ГС// Проблема прочности. 2002 №6. -С. 21-30.

5. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Омашова Г.Ш., Алдашева Л.С. Оценка влияния длительности эксплуатации на ударную вязкость трубной стали// Механика и моделирование процессов технологии г.Тараз 2010. №1.-С.156-159.

6. Weibul W. A statistical distribution function of wide applicability// J. Appl.Mech.-1951/-18/-No. 3. –P. 293-297.

7. Gumbel E.J. Statistical Theory of Extreme Values and some Practical Applications.-Washington: National Bureau of Standarts, 1954.-472 p.