Evaluation of remaining operating life of oil depots equipment in agroindustrial complex by results of technical condition diagnostics

Full Text

Одна из основных задач по обеспечению надежности резервуаров нефтескладов АПК на стадии их эксплуатации - выполнение установленных соответствующей нормативно-технической документацией требований [1-3], касающихся проведения своевременного технического обслуживания в предусмотренном объеме и, в случае необходимости, текущего ремонта оборудования. В последнее время интенсивно внедряются техническое освидетельствование оборудования на стадии эксплуатации и последующая оценка остаточного ресурса [4, 5]. Наиболее перспективны методики определения эксплуатационного ресурса оборудования, основанные на оценке остаточного запаса пластичности металла Λр. В качестве меры повреждаемости металла в процессе эксплуатации в данном случае используется величина Λi, определяющая степень деформации сдвига на наиболее нагруженном и ослабленном коррозией участке конструкции [6, 7]. Исчерпание рабочего ресурса емкостного оборудования, т.е. его разрушение, происходит в момент достижения величиной Λi ее предельного значения Λр, характеризующего запас пластичности материала при определенных условиях эксплуатации конструкции. В соответствии с данным подходом для оценки остаточного рабочего ресурса конструкции, т.е. определения срока эксплуатации до разрушения τ = τр, необходимо знать характер накопления повреждаемости металла Λi(τ) на наиболее нагруженном участке в период эксплуатации конструкции (рис. 1, кривая 1) и характер изменения запаса пластичности металла Λр(τ) за тот же период времени (кривая 2). Практическое использование этого способа прогнозирования остаточного эксплуатационного ресурса емкостного оборудования (резервуара) предполагает построение кривой Λр = Λр(τ) по дискретным значениям Λрi , полученным в результате испытания образцов, вырезаемых из конструкции (как правило, в период ремонта или замены поврежденных коррозией участков) [8]. Основные трудности, возникающие при использовании рассматриваемого подхода, связаны с экспериментальным определением величин Λрi , что сопряжено с испытанием значительного числа образцов с концентраторами, обеспечивающими в процессе нагружения заданные значения показателя жесткости П и вида напряженного состояния νσ [8]. При этом следует отметить, что в настоящее время накоплен значительный объем информации о влиянии эффектов старения металлов, сопровождающих процесс эксплуатации металлоконструкций емкостного оборудования, на их механические характеристики ( , , , ) для широкого класса используемых при изготовлении материалов. В данной работе предлагается подход, позволяющий на основе информации о механических свойствах материала конструкций (сертификатных данных материала, кривых деформирования и т.п.) оценить запас пластичности металла при различных условиях нагружения (П и νσ) и, не прибегая к испытаниям вырезаемых образцов, в рамках существующей методики прогнозирования определить остаточный рабочий ресурс оборудования - вертикальных цилиндрических резервуаров и т.п. В основу предлагаемого решения положен анализ упругопластического нагружения образцов с V-образным концентратором, при этом принято допущение о возможности описания диаграмм пластичности материала экспоненциальными зависимостями типа: , где Λ0 - запас пластичности материала при чистом сдвиге, т.е. при П = 0. В результате получено соотношение, позволяющее по таким параметрам аппроксимированной кривой деформирования материала , как показатель упрочнения материала m, модуль упругости Е и предел текучести , а также по значениям параметров П и νσ, определяющих схему и характер нагружения металлоконструкции оболочкового типа, оценить запас пластичности металла на наиболее опасном участке: , (1) где . Отметим, что величина νσ зависит от геометрической формы оболочки, характера ее нагружения в процессе эксплуатации и в конечном счете определяется показателем двухосности нагружения в стенке конструкции [9]: , где . Величина П, определяющая жесткость напряженного состояния на наиболее нагруженном участке конструкции, зависит от целого ряда факторов, например от степени ослабления стенки оболочковой конструкции за счет коррозии, уровня эксплуатационного давления и т.п. Она также определяется параметром двухосности нагружения стенки на рассматриваемом участке конструкции: . Основные показатели механических свойств материала конструкций, необходимые для оценки рабочего ресурса, - это предел текучести , модуль упругости Е и показатель упрочнения материала mi. Данные характеристики на стадии технической диагностики могут быть определены с использованием методики, основанной на упругопластическом контактном взаимодействии индентора с поверхностью металлоконструкции [8]. Такая методика позволяет определить предел текучести материала и косвенную характеристику пластических свойств - модуль упрочнения Eтi. Величина модуля упрочнения служит основой для пересчета в искомую характеристику mi с использованием известного соотношения, полученного для конструкционных материалов: . Способ определения предела текучести материала представляет собой модификацию метода М.П. Марковца и основан на корреляционной связи этой характеристики с диаметром отпечатка при известном усилии вдавливания шарового индентора. При измерении предела текучести в поверхность детали вдавливают индентор диаметром 10 мм, фиксируют усилие вдавливания F, Н, и измеряют диаметр полученного отпечатка d, мм. Величину предела текучести материала определяют по выражению: , где индекс «у» указывает на параметры, относящиеся к «условному» материалу: = 1 МПа; d0Fу = 0,29 мм; Fу = 1 Н. Способ определения модуля упрочнения материала Eтi основан на корреляционной связи этой характеристики с диаметром отпечатка и пределом текучести материала при известном усилии вдавливания конического индентора с углом при вершине 120° [10]. При измерении модуля упрочнения в поверхность детали вдавливают конический индентор, фиксируют усилие вдавливания F, Н, и измеряют диаметр полученного отпечатка d, мм. Величину модуля упрочнения материала определяют по выражению: , где Eту = 1 МПа; = 1 МПа; d0Fу = 3,23 мм; Fу = 1 Н. При определении предела текучести и модуля упрочнения материала используется стандартное оборудование для измерения твердости. Вдавливание индентора осуществляется при фиксированных усилиях 588,4; 981 и 1471,3 Н. Диаметр отпечатка измеряется с точностью до 0,01 мм. Для определения значений Пi и необходимо знать величины главных нормальных напряжений и в стенке конструкции на наиболее нагруженном участке на стадии диагностики. С этой целью используется разработанный метод измерения, основанный на упругопластическом вдавливании шарового индентора и электронно-оптической регистрации деформированного состояния поверхности вокруг отпечатка [4]. Принцип измерения основан на использовании установленной взаимосвязи между параметрами деформированного состояния поверхности и механическими напряжениями в стенке металлоконструкции. В результате измерений получают данные о величинах компонент тензора главных напряжений в точке поверхности, совпадающей с центром отпечатка. Основное разрешающее уравнение метода имеет вид: , где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений, отвечающих направлениям главных нормальных напряжений и (рис. 2); - предел текучести материала поверхностного слоя детали; Wmax - величина нормального перемещения на контрольном расстоянии rmax от центра отпечатка для ненагруженного материала стенки емкостного оборудования; ΔW - разность между полученной при измерении напряжений величиной нормального перемещения в контрольной точке (точки А и В) и базовым перемещением Wmax. Практические измерения нагруженности металлоконструкций выполняются с использованием измерительной оптико-электронной установки на базе метода электронной спекл-интерферометрии [8, 10]. Таким образом, с использованием соотношения (1) по информации, снимаемой на стадии технической диагностики металлоконструкции емкостного оборудования (mi , , Пi , ), строится кривая изменения запаса пластичности материала конструкции на наиболее нагруженном участке (см. рис. 1). Другая, не менее сложная задача - установление взаимосвязи между локальной повреждаемостью металла конструкции на ее наиболее нагруженном участке Λi(τ), характером и условиями нагружения в процессе всего цикла эксплуатации. Сложность обусловлена наличием ряда случайных факторов, возникающих в процессе эксплуатации. Отсутствие достоверной информации об истории нагружения конструкции существенно сдерживает использование фундаментальных подходов при оценке ее рабочего ресурса. Предлагается подход, позволяющий отказаться от учета указанных случайных факторов. Для этого, используя нелинейный закон суммирования повреждений и распространяя его на двухстадийный процесс накопления локальных повреждений в металлоконструкции рассматриваемого объекта (1 - стадия эксплуатации, 2 - процесс испытаний), установим взаимосвязь между рассматриваемыми параметрами Λi(τ) и Λр(τ), соответствующими одному и тому же периоду времени tр: , (2) где a1, a2 - некоторые параметры закона нелинейного суммирования повреждений, отвечающие этапам эксплуатации и испытаний [11]. , (3) где a0 - постоянная материала, определяемая из кривой его деформирования [9]; П1,2 - показатель жесткости напряженного состояния на наиболее нагруженном участке конструкции, отвечающий данным стадиям нагружения. При использовании соотношения (2) с предположением, что ; и, следовательно, , кривая 2 (см. рис. 1) перестраивается в кривую 1, и методом экстраполяции находится их точка пересечения, т.е. значение τ =τр , отвечающее рабочему ресурсу металлоконструкции. Дефекты и конструкционные несовершенства металлоконструкций емкостного оборудования способствуют повышению уровня напряженности в стенке конструкции и, как следствие, прогрессивному развитию процессов коррозии металла (так называемый механохимический эффект), что, в свою очередь, приводит к снижению рабочего ресурса конструкции. В связи с этим в рамках предлагаемого подхода следует ввести корректировку на механохимический эффект с учетом соотношения [12]: , (4) где и - соответственно рабочий ресурс, определяемый по предлагаемой методике (см. рис. 1), и рабочий ресурс, скорректированный с учетом механохимического эффекта; Kук - коэффициент усиления коррозии от действия напряжений. , (5) где Kст - механохимический параметр, определяемый экспериментально (для углеродистых сталей Kст = 5...6, для низколегированных сталей Kст = 6...7); mi - показатель упрочнения материала; Ku - константа материала, ; V - молярный объем стали; R - универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура; Ai - константа деформационного упрочнения материала. . (6) Таким образом, использование разработанной методики существенно упрощает процедуру оценки рабочего ресурса емкостного оборудования нефтескладов АПК за счет исключения необходимости проведения испытаний вырезаемых из конструкций образцов и сбора информации о накоплении локальных повреждений в металлоконструкциях. Кроме того, к достоинствам предложенной методики следует отнести учет механохимического эффекта, вызванного наличием концентрации напряжений и прогрессивным развитием процессов коррозии стенок конструкции.

About the authors

V. V Yerofeyev

Chelyabinsk State Agroengineering Academy

Email: ervv52@mail.ru

A. G Ignatyev

Chelyabinsk State Agroengineering Academy

S. V Yerofeyev

Center of Science-Based Technologies, Non-Profit Partnership

R. G Sharafiyev

Ufa State Petroleum Technological University

References

Supplementary files