CC BY
83РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
Оригинальная статья / Original article УДК: 620.171: 621.039.548.58
ПРИМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ОЦЕНКЕ РЕСУРСА ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
л
© А.П. Черепанов1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Не менее 91% технических устройств нефтехимического производства по окончанию назначенного срока службы не утрачивают проектных запасов прочности и работоспособности. Многофакторная система оценки ресурса и система оценки запасов прочности открывает новые возможности для совершенствования методов прогнозирования ресурса. Методы. Рассмотрено применение показателя коррозии и коррозионной стойкости - на момент изготовления и первого диагностирования, затем на момент второго и последующего диагностирования - и изменение показателя при деградации свойств материала под воздействием агрессивных сред, перепадов температуры и давления. Для их определения на любом отрезке жизненного цикла предложено условие, которое применено при оценке ресурса технических устройств. Показан метод оценки ресурса с учетом показателя коррозионной стойкости металла, объемов технического диагностирования и вероятной степени риска в случае отказа или разрушения вследствие снижения толщин стенок ниже допустимых величин или появления в стенках коррозионных дефектов в процессе эксплуатации технического устройства. Результаты. Показатели коррозии и коррозионной стойкости материала определяют периодически в условиях эксплуатации, учитывая их зависимость от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, вида и величины механических напряжений. Коррозионную стойкость характеризуют количественными показателями, выбор которых определяется видом коррозии по стандартным методикам; кроме того, учитывается время достижения допустимой степени коррозионного поражения металла в условиях эксплуатации. Заключение. По изменению показателей коррозионной стойкости и времени достижения допустимой глубины коррозионного поражения рассчитывают ресурс и определяют срок службы технического устройства.
Ключевые слова: износ, коррозия, коррозионная стойкость, ресурс, техническое устройство.
Формат цитирования: Черепанов А.П. Применение показателя коррозионной стойкости материала при оценке ресурса технических устройств // XXI век. Техносферная безопасность. 2016. Т. 1. № 2. С. 106-118.
MATERIAL CORROSION RESISTANCE IN ASSESSING THE SERVICE LIFE OF TECHNICAL DEVICES A.P. Cherepanov
Irkutsk National Research Technical University, 83. Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. As much as 91% of all worn out technical devices used in oil and gas industries preserve working capacities. Multifactor service life and load factor assessment systems open up new possibilities for improving service life forecasting methods. Methods. The article analyses the role of a corrosion factor and corrosion resistance (at the moment of production and first diagnosis, and second and subsequent diagnostics), and corrosion factor modification as a result of material properties degradation caused by corrosion environment, temperature, and pressure differences. To determine the corrosion factor and corrosion resistance at any period of the service life, the author suggests the condition used when assessing the service life of technical devices. The article suggests service life assessment method based on the metal corrosion resistance, technical diagnostics scope, and probable risk degree in case of breakdown or destruction resulted from the wall thickness reduction below acceptable values or corrosion defects when operating the technical device. Results. Corrosion factors and corrosion resistance are determined on a time basis taking into account their dependence on the chemical composition and metals structure, medium composition, temperature, type and value of the mechanical stress. Corrosion resistance is characterized by quantitative values selected by the corrosion type based on standard methods. Besides, the time of achieving the acceptable level of corrosion damage has to be taken into account. Conclusion. The service life of technical devices depends on the corrosion resistance and the time of achieving the ac-
Черепанов Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроительные технологии и материалы», e-mail: [email protected]
Cherepanov A.P.,Doctor of Technical Sciences, Professor of Machine Building Technologies and Materials Department, e-mail: [email protected]
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
ceptable level of corrosion damage.
Keywords: wear and tear, corrosion, corrosion resistance, resource, technical device
For citation: Cherepanov A.P. Application of material corrosion resistance when evaluating technical devices service life. XXI Century. Technosphere Safety. 2016, vol. 1, no. 2, pp. 106-118. (in Russian).
Введение
Экспертиза промышленной безопасности технических устройств (ТУ) нефтехимических производств показала, что не менее 91% сосудов по окончанию назначенного срока службы в пределах 20 лет не исчерпали проектных запасов прочности и работоспособны. Около 9% из них требовали ремонта мест язвенных поражений, усиления или замены отдельных элементов, например, патрубков, и только единицы достигли предельного технического состояния (ТС). При среднем сроке эксплуатации 36,2 года, рабочем давлении до 10 МПа и температуре до 300°С преобладает коррозионный износ, которому подвержены 95,13% сосудов при взаимодействии с различными химически активными средами [1 .а.1.1].
Правила проведения экспертизы промышленной безопасности [2] предусматривают экспертизу ТУ до начала их применения на опасном производственном объекте и далее - в процессе эксплуатации до достижения предельного ТС. Однако нормативы, например [3], не содержат требований к оценке ресурса технических устройств в исходном состоянии, т.е. до ввода в эксплуатацию, что и определяет актуальность совершенствования методов оценки ресурса.
Многофакторная система оценки ресурса [4] и система оценки запасов прочности [5] открывают новые возможности для совершенствования методов прогнозирования ресурса. Метод, предложенный патентами [6, 7], предусматривает прогнозирование исходного ресурса при изготовлении, диагностировании текущего и остаточного ресурса по коррозионному износу, степени опасности разрушения и объемам технического диагностирования ТУ. Предусматри-
вается необходимость проведения ресурсно-прочностных исследований (РПИ) по результатам технического диагностирования (ТД), учет влияния на ресурс группы или класса их опасности для окружающей среды, разработку рекомендаций по усилению или замене изношенных элементов ТУ. При определении толщин и сечений основных элементов корпуса учитывается также изношенность сопряженных с ним элементов (патрубков, штуцеров, отводов и т.п.), которые при износе могут быть заменены или усилены обоснованием напряженно-деформированного состояния в зонах их сопряжения с основными элементами корпуса [8].
Материал и методы
В [9] представлен метод оценки ресурса по коррозионному износу, объемам ТД и степени опасности при разрушении, основанный на фундаментальных научных исследованиях и практических результатах работ. В [3], например, коррозионный износ применен в качестве показателя, необходимого для прогнозирования ресурса сосудов при снижении толщин стенок элементов или появления в них коррозионных дефектов. Назначаемый срок безопасной эксплуатации до очередного ТД определяют с учетом тяжести последствий возможного отказа по критериям [4], норм и методов расчета на прочность [9] и выбором расчетных параметров для оценки ресурса [11]. В описаниях изобретений [6, 7] предложено проводить оценку полного, расчетного и остаточного ресурса от момента ТД при изготовлении до достижения предельного ТС по преобладающим факторам износа. При этом предусмотрен учет дефектов, объемов ТД, степени ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показателя корро-
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
зии и коррозионной стойкости материалов, эксплуатационной скорости снижения запаса прочности.
Для представления коррозионного износа стенка сосуда разделена на отдельные составляющие, на рис. 1 показаны обозначения величин, входящих в расчет толщины стенки.
В качестве примера приведем определение расчетной толщины стенки цилиндрической обечайки согласно [9]:
S - PD
р = 2[ff\v-P '
(1)
Минимальная толщина стенки, которая может выдержать нагрузку от внутреннего давления, определена формулой:
S . =
иmin
Р• D
2 О? •(р-Р
(2)
Например, при диаметре обечайки, внутреннем давлении Р = 0,92 МПа и температуре среды 170°С расчетная толщина, определенная формулой (1), равна = 7,9 мм; минимальная толщина, которая может выдержать нагрузку от внутреннего давления, определенная формулой (2), составит Бт[п = 5,26 мм. Прибавка к расчетной толщине для компенсации износа (коррозии) Сд/ = ТэЧ. задается исходя из условия назначаемого ресурса ТЭ = 20 лет и скорости коррозии Vk = 0,1 мм/год. Исходная (проектная) толщина стенки определена формулой:
5и - Sp + Cdi + Ск
(3)
где Ск - конструктивная прибавка, которая, по сути, является избыточностью исходной толщины стенки.
Smin - минимальная толщина стенки обечайки, которая сможет выдержать нагрузку от внутреннего давления / the minimum thickness of the feedwell wall able to sustain internal pressure loading;
Sp - расчетная толщина стенки / estimated wall thickness; 5и - исходная толщина стенки / initial wall thickness; Sk - фактическая толщина стенки на момент k-го ТД / existent wall thickness by the time of k-th TD;
max - максимальная фактическая толщина / maximum existent thickness;
$фmin - минимальная фактическая толщина / minimum existent thickness;
$k+1 = Ski - фактическая толщина стенки на момент последующего ТД / existent wall thickness by the time of the subsequent TD ;
ASk - коррозионный износ стенки на момент k-го ТД / corrosion wall wear by the time of k-th TD;
ASk+1 =ASki - коррозионный износ стенки на момент последующего ТД / corrosion wall wear by the time of the subsequent TD; ds(+) - верхнее предельное отклонение на толщину листа / the upper maximum deviation at a sheet thickness; ds(_) - нижнее предельное отклонение на толщину листа / the lower maximum deviation at a sheet thickness; Dk+ и Dk - максимальная и минимальная ошибка измерения, учитывающая качество подготовки зон контроля, погрешности приборов и измерительных датчиков / the lower maximum deviation at a sheet thickness. Рис. 1. Величины, входящие в расчет толщины стенки Fig. 1. Values for wall thickness calculation
M 108
Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
Отношение расчетной толщины (1) к минимальной толщине (2) принято в качестве нормативного запаса толщины стенки на момент наступления предельного ТС, определяемое формулой:
пН = = — = 1,5 ,
(4)
аналогично нормативному запасу прочности, определяемому, как известно, отношением предела текучести материала стенки к допускаемому напряжению пн = ^ = 1,5.
Изобретениями впервые предложено учитывать показатель коррозии и коррозионной стойкости материала при оценке запасов толщины стенки на любом отрезке жизненного цикла ТУ. При эксплуатации запасы толщины стенки, как и запасы прочности в процессе износа стенки, снижаются, а их фиксированные значения за интервалы времени между первым (¿1), вторым (¿2), ..., /-м (¿/) при к = 1... /, определяют по результатам РПИ при ТД.
Рассмотрим порядок расчета запасов толщины стенки на различных отрезках жизненного цикла ТУ, как принято в [8].
Отношение исходной толщины (3) к расчетной толщине (1) принято в качестве запаса толщины стенки от момента изготовления до наступления ПТС:
с
< = Чт-
йр
(5)
Отношение исходной толщины (3) к минимальной толщине (2) принято в качестве запаса толщины стенки от момента изготовления до момента разрушения:
пр = Ч:
(6)
Принятием взамен исходной толщины 5и текущих значений толщины 5к, определяемых через интервалы времени от первого тД, до второго (¿2) Тд и далее
до /—го (¿/) ТД, при к = 1. /, предложены формулы для оценки фактического (текущего) запаса толщины стенки на любом отрезке жизненного цикла ТУ. При этом учтен показатель коррозии и коррозионной стойкости материала.
Рассмотрим расчет запаса толщины стенки на момент первого ТД при изготовлении (к = 1). Отношением толщины стенки Бк1 к расчетной толщине 5р до наступления предельного ТС запас толщины определен формулой:
nsk=1
Чк=1
sk=l
(7)
Отношением толщины стенки 5к=1 к минимальной толщине Бт[п до вероятного разрушения запас толщины определен формулой:
1
П
раз
= Чк=1-
(8)
где цк=1 - показатель коррозии и коррозионной стойкости материала, определяемый на момент первого ТД согласно [2].
Аналогично формулам (6), (7) и (8) рассчитывают запасы толщины стенки на момент второго ТД (к = 2) и последующего ТД (к = /). Как известно, на любом отрезке жизненного цикла ТУ его несущие элементы при статической нагрузке должны иметь запасы прочности выше нормативных пн > 1,5, и, соответственно, запасы толщины стенок должны быть не ниже запасов прочности, установленных для статических условий нагружения, то есть не ниже пН > 1,5. Таким образом, формулы (6), (7) и (8), по мнению автора, могут быть применимы для оценки прочностного резервирования на любом отрезке жизненного цикла ТУ.
Рассмотрим показатель коррозии и коррозионной стойкости материала, также определяемый согласно [2].
Коррозионная стойкость зависит от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, гидро- и
л к
Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
к109 Jt
rn^M
s
р
s
и
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
аэродинамических условий, вида и величины механических напряжений, а также от типа коррозии (сплошная, язвенная, меж-кристаллитная, коррозионное растрескивание и усталость). Показатели коррозии и коррозионной стойкости металла находят в заданных условиях, учитывая назначение ТУ и их зависимость от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, гидро- и аэродинамических условий, вида и величины механических напряжений. Коррозионную стойкость характеризуют количественными показателями, выбор которых определяется видом коррозии. При этом учитывается время достижения заданной (допустимой) степени коррозионного поражения металла в условиях эксплуатации. С учетом изменения показателей коррозионной стойкости, в первую очередь временем до достижения допустимой глубины коррозионного поражения, во многих случаях определяются сроки службы и, как показано далее, рассчитывается ресурс ТУ.
При линейной зависимости коррозионного эффекта от времени соответствующий скоростной показатель также находят отношением изменения коррозионного эффекта за интервал времени между первым (¿1), вторым (¿2), ..., /-м ТД при к = 1..., / к величине этого интервала. При нелинейной зависимости коррозионного эффекта от времени скоростной показатель коррозии находят как первую производную по времени графическим или аналитическим способом. Показатели коррозионной стойкости для сплошной коррозии, коррозии пятнами, питтинговой и межкристаллитной коррозии определяют из временной зависимости соответствующего интегрального показателя коррозии графическим способом или аналитически из его эмпирической временной зависимости у = находя для допустимого (заданного) значения удоп соответствующую величину ¿доп.
При наличии двух или более видов коррозии на одном образце или ТУ каждый
вид коррозии характеризуют собственными показателями. Коррозионную стойкость в этом случае оценивают по показателю, определяющему работоспособность ТУ. Допустимые показатели коррозии и коррозионной стойкости установлены в нормативно-технической документации на материал или ТУ.
В настоящей работе показатели коррозии и коррозионной стойкости металла предложено определять на момент изготовления и первого ТД величиной цк=1, второго - цк=2 и последующего - цк=[. Такой подход учитывает изменение коррозии и коррозионной стойкости металла при де-градационных процессах, которые появляются в металле под воздействием агрессивных сред, перепадов температуры и давления. Для их определения на любом отрезке жизненного цикла с учетом коррозии и коррозионной стойкости металла предлагается условие:
Чк = [(Дщ; ДЯк; М; в; I; тт1; т1), (9)
где Дmi - потеря массы на единицу площади за ьй интервал времени; AL - изменение размеров по потере массы с учетом геометрии образца; G - степень поражения поверхности металла коррозией пятнами; L - суммарная длина торцов с трещинами для каждого образца; т^ - время до уменьшения массы на единицу площади на допустимую величину за ьй интервал времени Дmi; т - время проникновения на допустимую (заданную) глубину ) за ьй интервал времени; ДSk - коррозионный износ стенки на момент к-го ТД.
Сплошная коррозия определяется потерей массы на единицу площади поверхности, которую вычисляют по формуле:
Am =
m0-mx F '
(10)
где т0 - масса образца до испытаний; т1- масса образца после испытаний и уда-
110
Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
Л? Ш
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
ления продуктов коррозии; F - площадь поверхности образца.
Изменение размеров по потере массы с учетом геометрии образца, например, изменение толщины плоского образца, вычисляют по формуле:
(11)
к р
где р - плотность металла.
Степень поражения поверхности металла коррозией пятнами в процентах вычисляют по формуле:
G =
У- F-yt=i ri
100,
(12)
где F¡ - площадь /-го пятна; п - количество пятен.
Допускается при коррозии пятнами определять степень поражения поверхности коррозией с помощью сетки квадратов. Максимальную глубину проникновения пит-тинговой коррозии определяют:
- измерением механическим индикатором, когда размеры питтинга позволяют осуществлять свободное проникновение игольчатого щупа к его дну;
- микроскопически, после удаления продуктов коррозии измерением расстояния между плоскостью устья и дном питтинга (метод двойной фокусировки);
- микроскопически на поперечном шлифе при соответствующем увеличении;
- последовательным механическим удалением слоев металла заданной толщины, например, по 0,01 мм до исчезновения последних питтингов.
Учитывают питтинги с поперечником устья не менее 10 мкм. Суммарная площадь рабочей поверхности должна быть не менее 0,005 м2. Шлиф для измерения максимальной глубины проникновения питтин-говой коррозии вырезают из области расположения наиболее крупных питтингов на рабочей поверхности или обрабатывают шлифованием эту область непосредственно на стенке ТУ. Линия разреза шлифа должна проходить через возможно большее
число таких питтингов. Максимальную глубину проникновения питтинговой коррозии находят как среднее арифметическое измерений наиболее глубоких питтингов в зависимости от их количества (п) на поверхности: при п < 10 измеряют 1-2 питтинга, при п < 20 измеряют 3-4 питтинга, при п > 20 измеряют 5 питтингов. Максимальный размер поперечника питтинга определяют с помощью измерительных инструментов или оптических средств. Степень поражения поверхности металла пит-тингами выражают долей поверхности, занятой питтингами, в процентах. При наличии большого числа питтингов с поперечником более 1 мм рекомендуется степень поражения определять, например, изменением толщины плоского образца Ди.
Глубину межкристаллитной коррозии определяют металлографическим методом на травленом шлифе, изготовленном в поперечной плоскости образца, на расстоянии от кромок не менее чем 5 мм при увеличении 50 и более. Изменение механических свойств металла при межкристаллитной коррозии - временного сопротивления разрыву, относительного удлинения, ударной вязкости - определяют сравнением свойств образцов металла, подвергавшихся и не подвергавшихся коррозии. Механические свойства образцов металла, не подвергавшихся коррозии, принимают за 100%.
При коррозионном растрескивании и коррозионной усталости трещины выявляют визуально, с применением оптических или других дефектоскопических средств контроля.
Степень поражения поверхности при расслаивающей коррозии выражают долей в процентах площади с отслаиваниями на каждой поверхности образца. Суммарную длину торцов с трещинами для каждого образца (и) в процентах вычисляют по формуле:
У? ь
100, (13)
где и - длина участка торца, пораженного
л к
Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
111
m^rn
F
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
трещинами; П - периметр образца.
Основные количественные показатели коррозионной стойкости против сплошной коррозии при отсутствии специальных требований определяют по таблице.
При сплошной коррозии, образующейся с постоянной скоростью, показатели коррозионной стойкости определяют по формулам:
(14)
Т -ASn
(15)
где Vm - скорость убыли массы; тт - время до уменьшения массы на единицу площади на допустимую величину Лт; ^ - линейная скорость коррозии за ¿-й интервал времени.
В качестве подобных показателей коррозии с учетом ее вида и механизма могут быть использованы:
- количество выделившегося и (или) поглощенного металлом водорода;
- количество восстановившегося (поглощенного) кислорода;
- увеличение массы образца (при сохранении на нем твердых продуктов кор-
розии), изменение концентрации продуктов коррозии в среде (при их полной или частичной растворимости);
- увеличение электрического сопротивления, уменьшение отражательной способности, коэффициента теплопередачи, изменение акустической эмиссии, внутреннего трения и др.
При щелевой и контактной коррозии показатели коррозии и коррозионной стойкости выбирают в соответствии с видом коррозии (сплошная или питтинговая) в зоне щели (зазора) или контакта. Для одного вида коррозии допускается характеризовать результаты коррозионных испытаний несколькими показателями коррозии [12].
Результаты и их обсуждение
Рассмотрим влияние показателя коррозии и коррозионной стойкости на запас толщины стенки. По формуле (7) определим запасы толщины стенки при ее снижении от = 16 мм до Sm¡n = 5,26 мм. Показатель коррозионной стойкости, изменяющийся за ¡-й интервал времени ^¡), зададим условно равным qk = 1,0 и qk = 0,8. Данные сведем в табл. 1 и на рис. 2 покажем зависимости запаса толщины стенки при ее уменьшении с учетом qk.
Расчет запасов толщины стенки при ее уменьшении Calculation of wall thickness reservation when reduced
Таблица 1 Table 1
m
Толщина стенки, мм / Wall thickness, mm Ski 16,0 14,0 10,0 7,9 5,26
Запас толщины при qk = 1,0 / Thickness reservation when qk = 1,0 nsk 2,03 1,77 1,27 1,0 0,67
Запас толщины при qk = 08 / Thickness reservation when qk = 0,8 nsk 1,6 1,4 1,01 0,8 0,53
Запас толщины до разрушения / Thickness reservation before destruction np 3,04 2,66 1,90 1,5 1,0
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
3.50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50
^ЛГ
Зона риска при эксплуатации ■
-• полный запас толщины стенки
-•-Избыточный запас толщины пенки при
-•-Избыточный
запас толщины 'к стенки при
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Толщина стенки, мм
q=0,í
Рис. 2. Зависимости запаса толщины стенки при ее уменьшении Fig. 2. Dependencies of wall thickness reservation when reduced
Как видно из табл. 1, запасы толщины стенки в процессе ее износа снижаются по мере уменьшения толщины. Нижняя граница запаса толщины будет при qk{<1. Зависимости (рис. 2) показывают, что, по мере износа стенки, запас толщины достигает ее нормативной величины п££ = 1,5. В этом случае эксплуатация ТУ должна быть прекращена и принято решение по усилению или замене изношенных элементов и продолжении эксплуатации либо о замене всего ТУ.
Если в процессе эксплуатации произойдет снижение толщины стенки до вк = Бт/п = 5,25 мм, ее запас составит п^ ы = 1,0, при котором высока вероятность разрушения ТУ.
С принятием запаса толщины стенки отпадает необходимость использования показателя скорости коррозии,
как это было принято в [3] из-за отсутствия на них нормативов для различных конструкционных материалов в зависимости от рабочих сред. В том случае, если при эксплуатации развивались деградаци-онные процессы, связанные с появлением локальных дефектов, необходимо проведение РПИ по запасам прочности и запасам толщин стенок с учетом предельных отклонений и ошибок измерения, в том числе по запасам устойчивости, например, для аппаратов колонного типа и резервуаров. В авторской работе [9] запасы толщин стенок приняты в качестве основного показателя для прогнозирования ресурса. Для удобства представления основных параметров ресурса по всем этапам жизненного цикла ТУ в табл. 2 показана их разбивка.
Таблица 2
Разбивка основных параметров ресурса на всех этапах жизненного цикла ТУ
Table 2
Breakdown of key service life parameters at all stages of life cycle of the technical device
Ресурс / Resource Толщина / Thickness Запас толщины / Thickness reservation Запас прочности / Safety factor
Проектный Тп / Desing Sn nsn Пп
Исходный Ти / Initial Su < Пи
Текущий Tk / Current Sk nsk Пк
Остаточный To / Residual s Up nSH Пн
ШШ
Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
,113 Jt
m^rn
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
Рис. 3. Схема модели прогнозирования ресурса на основе закономерности перехода исходного технического состояния к предельному техническому состоянию Fig. 3. Service life forecasting model scheme based on the regularity of transition of the initial technical condition to the limit technical condition
Разбивкой получено условие снижения ресурса в зависимости от снижения запасов толщины при достижении соответствующего ТС на интервалах времени эксплуатации в зависимости от снижения основных параметров, влияющих на ресурс ТУ:
- толщины стенки
Ts > Ts > Ts > Ts > Ts —
1 п — 1 и — lk — lo — 1 пред _
= f(sn>sw>sk>sp>smin), (16)
- запасов толщины стенки
Ts > Ts > Ts > Ts > Ts —
1 п — 1 и — lk — 1 o — 1 пред _
= Г{пП >ПИ1>П^>ПН1> пПред), (1 7)
- запасов прочности
Тп > Ти > Tk > То > Тпред =
= ЯПп >Пи>Пк>Пн> Ппред). (1 8)
При ЭПБ ресурс может назначаться ниже, чем это определено условиями (17) и (18) на величину:
TH = min ((Тп, Тш, То)- Тсн), (19)
где ТСн - снижение ресурса, определяемое проектировщиком или экспертной организацией по результатам дополнительных исследований или по экспертной оценке параметров, которую не представляется возможным подтвердить расчетами прочности и ресурса заменяемых или усиливаемых элементов ТУ.
На рис. 3 показана схема модели прогнозирования ресурса ТУ на основе закономерности перехода от исходного и фактического к предельному ТС. Используя результаты первичного ТД, проводят РПИ и определяют параметры исходного ТС, исходные запасы прочности или запасы толщины стенки на момент изготовления, по которым определяют, а затем назначают исходный ресурс. По окончанию назначенного ресурса параметры фактического ТС устанавливают последующим ТД. При этом выявляются дефекты; путем проведения РПИ определяются: фактический запас прочности или запас толщины стенки, опасность дефектов и прогнозируемое
114
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
время до разрушения. Переход к предельному ТС реализуется принятием на момент окончания остаточного ресурса минимально допустимых запасов прочности или запасов толщины, ориентируясь на нормативный запас прочности или запас толщины, выявляется необходимость ремонта или замены изношенных элементов ТУ.
Запас прочности и запас толщины стенки по мере износа определяются как фиксированные величины на конкретные моменты времени эксплуатации. Если за обобщенную характеристику для определения ресурса принять степень износа, которая характеризует изменение запасов прочности от различных видов нагружения, воздействующих на элементы, и запасов толщины при износе стенок в процессе эксплуатации ТУ, то степень износа будет показывать изменение запасов прочности и запасов толщины на заданном отрезке времени эксплуатации. Полная степень износа станет определять их снижение на весь период эксплуатации, а текущая - за периоды между ТД.
Например, разность между исходным и текущим запасом толщины стенки
Лп5к = пИ -пк показывает его снижение за период времени от начала эксплуатации до текущего ТД, тогда отношение пк/Апк показывает величину запаса на износ стенки при дальнейшей эксплуатации, которое можно рассчитать по формуле:
v-s _ J4 _ Кк = —
äni
1и-пк
(20)
Величина Кк показывает, какой износ стенки до достижения предельно допустимого запаса ее толщины возможен при эксплуатации, и эта величина может быть принята в качестве коэффициента безопасности [4]. С использованием К£ в [1] предложена нелинейная квадратичная зависимость для прогнозирования ресурса. Применив формулу (20) в качестве подкоренного выражения, получим нелинейную квадратичную зависимость в виде безразмерной величины ресурса от пуска ТУ в
эксплуатацию до момента текущего ТД, представленную формулой:
п =
1и-пк
(21)
При достижении нормативного запаса толщины стенки наступает предельное ТС и эксплуатация сосуда должна быть прекращена до принятия решения о проведении ремонта, усиления, замены изношенных элементов или вывода из эксплуатации.
Известно, что сочетание двух и более методов, применяемых при ТД, увеличивает достоверность результатов ТД. Рассмотрим эффективный объем ТД [13], определяемый формулой:
™к = Ук^к, (22)
где Ук - объем контроля, выполненный при ТД; шк - параметр, зависящий от уровня технической оснащенности лаборатории неразрушающего контроля на момент проведения ТД, который можно принять в пределах 0,5-1,0.
Используя коэффициент дефектности, степень опасности ТУ в случае разрушения, эффективный объем ТД и подставив их в формулу (21) в качестве понижающих коэффициентов, получим зависимость для расчета текущего ресурса
Текущий ресурс ТУ в безразмерных величинах при снижении от исходной до текущей толщины стенки определен формулой:
У
Wk • ßk • [qk •
t
(23)
Л к
где рк - коэффициент дефектности, определяемый в случае обнаружения дефектов.
Зависимостью (23) определяется закономерность перехода от ИТС и ФТС к ПТС по степени коррозионного износа, дефектности, степени опасности разрушения, объемов ТД и предусматривается возможность оценки ресурса замененных и усиленных элементов ТУ.
В качестве примера на рис. 4 показаны зависимости остаточного ресурса ТУ
Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
..115 Jt
m^rn
n
к
n
к
n
к
n - n
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
Koi.k,^j 16
1 1.09 1.18 1.27 1.36 1.45 1.55 1.64 1.73 1.82 1.91 2
1 к,к,к,к 2 Текущий запас прочности
Рис. 4. Зависимость остаточного ресурса сосудов 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой групп опасности
в безразмерных величинах Fig. 4. Dependence of the residual service life of vessels of the first, second, third and fourth hazard groups
in dimensionless values
типа сосудов 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой групп опасности в безразмерных величинах. Текущие значения запаса толщины варьировались в пределах 1 < пк < 2,1; ресурс безопасной эксплуатации t = 20 лет; степень дефектности в = 0,8; эффективный объем ТД равен = 0,4; запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине стенки на момент изготовления (пуска в эксплуатацию) п = 2,0.
Заключение
В заключение можно сказать, что ресурс необходимо оценивать по наибольшему количеству элементов, которые содержит ТУ, а также по наибольшему количеству факторов, вызывающих износ ТУ. При оценке ресурса требуется обработка большого объема информации, которая возможна только при создании компьютер-
ных комплексов обработки результатов ТД и проведения РПИ [14].
Показана возможность оценки ресурса по запасу толщины стенки, определяемому с учетом показателя коррозии и коррозионной стойкости, а не только по скорости коррозии, на которую отсутствуют нормативы для различных конструкционных материалов в зависимости от рабочих сред.
Показано, что по запасам толщин стенок возможно определение прочностного резерва элементов и по наиболее слабому из них - оценка ресурса ТУ.
В дальнейшем результаты работы могут быть направлены на обеспечение надежности и промышленной безопасности котлов, трубопроводов и резервуаров опасных производств и на решение задачи проектирования ТУ на заданный ресурс.
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Остаточный ресурс безопасной эксплуатации инфраструктур / Под общ, ред. Махутова Н.А. М.: Знание, 2013, 512 с.
2. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности». Утв. Приказом Ростехнадзора от 14.11.2013 № 538. (Зарегистрированы в Минюсте России 26.12.2013 № 30855).
3. РД 03-421-01. Методические указания по проведению технического диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. М.: Промышленная безопасность, 2002. 136 с.
4. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2 ч. Новосибирск: Наука, 2005. Ч. 1. Критерии прочности и ресурса. 494 с. Ч. 2. Обоснование ресурса и безопасности. 610 с.
5. Москвичев В.В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений: В 3 ч. Новосибирск: Наука, 2002. Ч. 1: Постановка задач и анализ предельных состояний, 2002.106 с. ISBN 5-02-032016-1 (в пер.).
6. Пат. № 2436103. РФ. МПК G01N35/00. Способ прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности / Черепанов А.П. Опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
7. Пат. № 2454648. РФ. МПК G01M15/00, G01N3/00. Способ прогнозирования ресурса технических
ий список
устройств / Черепанов А.П. Опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18.
8. Черепанов А.П., Колмаков В.П. Современные методы прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов и их сравнительный анализ // Безопасность труда в промышленности. 2011. № 7. С. 42-48.
9. Черепанов А.П. Концепция методических рекомендаций оценки ресурса сосудов и аппаратов на основе ресурсно-прочностных исследований // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011. № 11. С. 45-48.
10. ГОСТ Р 52857.1-2007 - ГОСТ Р 52857.12-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность [Электронный ресурс]. URL: libgost.ru (27.03.2016).
11. Cherepanov A.P., Poroshin Y.V. Estimating service life of technical devices with due regard for efficiency of their diagnosis, Chemical and Petroleum Engineering, vol. 46, no. 1-2, May 2010, pp. 103-108 (6), DOI: 10.1007/s10556-010-9300-2.
12. ГОСТ 9.908-85. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости [Электронный ресурс]. URL: libgost.ru (27.03.2016).
13. Cherepanov A.P. Selection of indicators for assessment of overall, computed, and remaining service lives of production equipment, Chemical and Petroleum Engineering, vol. 46, no. 9-10, 2011, pp. 624-630 (7).
14. Колмаков В.П., Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Комплекс компьютерной обработки результатов технического диагностирования // Безопасность труда в промышленности. 2010. № 7. С. 59-63.
References
1. Bezopasnost' Rossii. Pravovye, sotsial'no-ekonomicheskie i nauchno-tekhnicheskie aspekty. Ostatochnyi resurs bezopasnoi ekspluatatsii infrastruktur [Safety of Russia. Legal, social and economic, and scientific and technical aspects. Residual resource of safe infrastructure functioning], Moscow, Znanie Publ., 2013, 512 p.
2. Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoi bezopasnosti «Pravila provedeniya ekspertizy promyshlennoi bezopasnosti» [Federal norms and rules in industrial safety "Industrial safety assessment procedures"], Moscow, Rostekhnadzor Publ., 2013, no. 538.
3. Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu tekhnich-eskogo diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya i opredeleniyu ostatochnogo sroka sluzhby sosudov i apparatov [Methods of carrying out technical diagnostics of technical conditions and determining residual service life of vessels and devices], Moscow, Promysh-lennaya bezopasnost' Publ., 2002. 136 p.
4. Makhutov N.A. Konstruktsionnaya prochnost', resurs i tekhnogennaya bezopasnost' [Constructional durabil-
ity, resource and technogenic safety], Novosibirsk, Nauka Publ., 2005, 1098 p.
5. Moskvichev V.V. Osnovy konstruktsionnoi prochnosti tekhnicheskikh sistem i inzhenernykh sooruzhenii [Bases of constructional durability of technical systems and engineering constructions], Novosibirsk, Nauka Publ., 2002, 106 p.
6. Cherepanov A.P. Way of forecasting of a resource of objects of the increased danger, Patent of Russian Federation, no. 2436103, 2011.
7. Cherepanov A.P. Way of forecasting of a resource of technical devices, Patent of Rossisky Federation, no. 2454648, 2012.
8. Cherepanov A.P., Kolmakov V.P. Sovremennye metody prognozirovaniya resursa sosudov i apparatov i ikh sravnitel'nyi analiz [Modern methods of forecasting of a resource of vessels and devices and their comparative analysis], Bezopasnost' truda v promyshlen-nosti - Industrial Labor Safety, 2011, no. 7, pp. 42-48.
9. Cherepanov A.P. Kontseptsiya metodicheskikh rek-omendatsii otsenki resursa sosudov i apparatov na os-
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
РИСКОЛОГИЯ RISKOLOGY
nove resursno-prochnostnykh issledovanii [Theory of recommendations of vessel and device resource assessment on the basis of resource and strength researches], Khimicheskoe i neftegazovoe mashi-nostroenie - Chemical and oil and gas machine building, 2011, no. 11, pp. 45-48.
10. GOST R 52857.1-2007 - GOST R 52857.12-2007. Sosudy i apparaty. Normy i metody rascheta na prochnost' [State Standard 52857.1-2007 - 52857.122007. Vessels and devices. Norms and methods of durability calculation], Available at: libgost.ru (accessed 27 March 2016).
11. Cherepanov A.P., Poroshin Y.V. Estimating service life of technical devices with due regard for effi-ciency of their diagnosis, Chemical and Petroleum Engineering, vol. 46, no. 1-2, May 2010, pp. 103-108 (6),
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Поступила 22.04.2016
DOI 10.1007/s10556-010-9300-2.
12. GOST 9.908-85. Metally i splavy. Metody opredele-niya pokazatelei korrozii i korrozionnoi stoikosti [State Standard 9.908-85. Metals and alloys. Methods of corrosion values and corrosion resistance calculation], Available at: libgost.ru (accessed 27 March 2016).
13. Cherepanov A.P. Selection of indicators for assessment of overall, computed, and remaining service lives of production equipment, Chemical and Petroleum Engineering, vol. 46, no. 9-10, 2011, pp. 624-630 (7).
14. Kolmakov V.P., Cherepanov A.P., Poroshin Yu.V. Kompleks komp'yuternoi obrabotki rezul'-tatov tekhnicheskogo diagnostirovaniya [Computer processing of technical diagnostics results], Bezopasnost' truda v promyshlennosti - Industrial Labor Safety, 2010, no. 7, pp. 59-63.
Conflict of interest
The author declare no conflict of interest.
Received on 22.04.2016
Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
