Анализ отказов вследствие образования сквозных трещин хрупких и вязких разрушений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Анализ отказов вследствие образования сквозных трещин хрупких и вязких разрушений

Содержание

металл разрушение трещина

Введение

1. Образование и рост трещин

2. Хрупкость

3. Запас вязкости металлов

4. Разрушения металлоконструкций

5. Расчетная часть

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Трещина в металле труб является самым опасным дефектом из-за острого угла у вершины. Кроме того, любое разрушение металла труб нефтепровода в конечном итоге происходит в результате образования и роста трещин. Поэтому изучение закономерности возникновения и роста трещин является весьма актуальной задачей надежности эксплуатации нефтепроводов. Причин, вызывающих коррозионные разрушения магистральных трубопроводов много, но к основным следует отнести следующие: опоздание с вводом средств электрохимической защиты. В настоящее время практически все магистральные трубопроводы сдаются с электрохимической защитой. Несоблюдение правил эксплуатации электрохимической защиты. Невысокое качество применяемых изоляционных и оберточных материалов. Нарушение при строительстве технологических требований по изоляции, укладке и засыпке трубопроводов. Невысокое качество очистки трубопроводов перед изоляцией, что снижает адгезию покрытия. Несовершенство методов и приборов пооперационного и сдаточного контроля изоляции. Применение в течение многих лет для изоляции магистральных трубопроводов большого диаметра битумных покрытий. Неправильный выбор изоляционных материалов для горячих участков трубопроводов. Неучет факторов биологической коррозии трубопроводов и биодеградации изоляционных материалов. Слабый контроль за состоянием изоляции на действующих трубопроводах, отсутствие надежных методов технической диагностики изоляции. Недостаточный объем ремонта изоляции. Отсутствие охлаждающих устройств на компрессорных станциях и транспорт газа при повышенных температурах. Объективная сложность обеспечения стабильного качества изоляционных покрытий, наносимых в полевых условиях. Известно, что трубы магистральных нефтепроводов имеют двукратный запас по прочности. Основные виды разрушения труб связаны с циклическими, вернее, повторно-статистическим погружением нефтепровода. Циклические разрушения весьма чувствительны к трещинам и трещевидным дефектам. Разрушение металла труб бывает либо хрупким, либо вязким. По внешнему виду излома можно судить о характере разрушения. Волокнистый излом свидетельствует о вязком разрушении. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» разрушением вязкой трещины. Хрупкое разрушение происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической информации. Очагом хрупкого разрушения являются микротрещины или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной вязкой трещиной разрушения, а не ее зарождением.

1. Образование и рост трещин

Плоскость скольжения расположена под углом 45 °С к направлению главных нормальных напряжений. Большинству реальных материалов присуще как вязкое, так и хрупкое разрушение. Характерным признаком вязкого разрушения является энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины, поверхность излома и скорость распространение трещины. При образовании вязкой трещины затрачивается большая работа. Для развития вязкой трещины необходим непрерывный внешний подвод энергии расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоления возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственного разрушения.

При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации. При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транс кристаллический характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах имеет межкристаллический характер.

Излом при вязком разрушении имеет волокнистый характер без металлического блеска, которое обнаруживается с помощь. Электронно-микроскопического исследования. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений, поэтому в случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. Существует ряд моделей дислокационного механизма зарождения трещины. Согласно общей модели Зинера, краевые дислокации движутся по плоскости скольжения к препятствию. Если при подходе они не могут одолеть этот «непрозрачный» барьер, то образуется нагромождение дислокаций, возникает концентрация напряжений. При этом в этой зоне напряжение может превысить приложенное напряжение.

Когда напряжения превзойдут силы межа томной связи материала, возникает микро трещина. Следующей стадией разрушения является подрастание зародышевой микро трещины до трещины критического размера, когда будет достигнута критическое соотношение между действующим напряжением и длинной трещины. Росту трещины способствует взаимодействие полей напряжение у вершины. Таким образом, стадии зарождения микротрещины и ее подрастание до критического размера являются следствием движения дислокаций, т. е. пластической деформацией металла.

Дефекты типы трещин являются концентраторами напряжений, которые тем больше чем острее трещина и больше ее длина. В случае достаточно острой и длинной трещины напряжение вблизи ее вершины могут достигать значений, превышающих разрушающее напряжение материалов даже при сравнительно малом приложенном напряжении. Чтобы предсказать поведение трещины необходимо провести метод напряженного состояния вблизи вершины трещины. При продвижении трещины имеют место процессы: высвобождения упругой энергии, запасенной системой и затрата энергии на образование новых поверхностей трещины. Хрупкая тонкая пластина единичной толщины находится под действие внешних сил, которые создают напряжение металлоконструкции. Поведение трещины в растягиваемой пластине зависит от того, в какую сторону будет меняться общая энергия пластины при малом превращении длины трещины. Если с ростом трещины энергия пластины будет уменьшаться, то трещина будет расти без внешнего дополнительного воздействия, т. е. самопроизвольно. Рост трещины связан с пластической деформацией идущей впереди вершины трещины. При плоской деформации зона пластической деформации значительно меньше, чем в случае плоского напряженного состояния. Вязкая трещина определяется относительным развитием нормально и наклонно участков разрушения. У достаточно толстых образцов с высоко развитой поверхность нормально разрушения вязкость разрушения приближается к предельному значению в условиях плоской деформации. Знания вязкости разрушения позволяет определять максимально допустимые напряжения конструкции при наличии трещин определенной длины. Установлено, что участки магистральных нефтепроводов могут испытывать в среднем 320-350 и более циклов повторных нагружений в год, вызванных различными технологическими и эксплуатационными факторами. За амортизационный срок (30-33 года) суммарное число циклов нагружения внутренним давлением может составлять в среднем примерно 10і циклов. Во ВНИИСПТнефть был проведен анализ с целью с целью определения основных видов разрушения трубопроводов Урало-Сибирского Управления с 1950 по 1980г. Установлено, что основными видами разрушения труб являются разрушения их вдоль сварного соединения по линии сплавления и основному металлу. Причем наибольшее число случаев разрушений за 30 лет зарегистрировано во втором десятилетии этого периода. Почти все разрушения имели один и тот же характер, а именно: разрыв вдоль образующей трубы в околошовной зоне продольного шва или по основному. металлу Общим для всех случаев является отсутствие заметного уменьшения толщины стенки трубы у кромок разрыва, а также отсутствие остаточной деформации по периметру трубы (рис 1).

Рис. 1. Аварийная катушка нефтепроводов:

а - Нижневартовск - Курган - Куйбышев (2221 км); б - Альметьевск - Горький (подводный переход через Волгу); в - Туймазы - Уфа(119 км); г- Тихорецк - Лисичанск (221 км)

2. Хрупкость

Хрупкость - свойство материала разрушаться при небольшой (преимущественно упругой) деформации под действием напряжений, средний уровень которых ниже предела текучести. Образование хрупкой трещины и развитие процесса хрупкого разрушения связано с образованием малых зон пластической деформации. Относительная доля упругой и пластической деформации при хрупком разрушении зависит от свойств материала (характера межатомных или межмолекулярных связей, микро- и кристаллической структуры) и от условий его работы. Приложение растягивающих напряжений по трём главным осям (трёхосное напряжённое состояние), концентрация напряжений в местах резкого изменения сечения детали, понижение температуры и увеличение скорости нагружения, а также повышение запаса упругой энергии нагруженной конструкции способствуют переходу материала в хрупкое состояние. Хрупкое разрушение - очень быстрое распространение трещины после незначительной пластической деформации или без нее. После начала роста трещины при хрупком поведении металла скорость ее распространения равно примерно трети скорости распространения звука в металле. Условием роста хрупкой трещины является нарушение равновесия между освобождающейся при этом энергией упругой деформации и приращением полной поверхностной энергии, включая и работу пластической деформации тонкого слоя, В линейной теории механики упругого разрушения вводится константа материала K1c (вязкость разрушения), характеризующая сопротивление развитию трещины в условиях плоской деформации. Хрупкая трещина распространяется с большой скоростью (около 1000 м/сек в стали, что составляет примерно 1/5 от скорости распространения упругой волны сдвига). Склонность материала к хрупкому разрушению оценивают обычно по температурным зависимостям работы разрушения или характеристик пластичности, позволяющих определить критическую температуру хрупкости Ткр, т. е. температуру перехода из пластического состояния в хрупкое. Чем выше Ткр, тем более материал склонен к хрупкому разрушению. При рассмотрении макроскопических закономерностей хрупкого разрушения необходимо учитывать две независимые характеристики -- сопротивление пластической деформации (предел текучести s) и сопротивление хрупкому разрушению (хрупкая прочность, сопротивление отрыву Soт). При понижении температуры испытания, введении надрезов -- концентраторов напряжения, увеличении скорости деформации s возрастает быстрее, чем Soт, вследствие чего происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому. Представление о возникновении хрупкого разрушения как результате небольшой предварительной пластической деформации лежит в основе дислокационной теории разрушения. Зарождение хрупких трещин связывают с плоским скоплением линейных дефектов кристаллической решётки -- дислокаций -- перед каким-либо препятствием, которым могут служить границы зёрен или субзёрен, различные включения и т. п. При этом возникает высокая концентрация напряжений, пропорциональная касательному напряжению от внешней нагрузки и длине скопления дислокаций. Исследования поверхности разрушения (фрактография) указывают на то, что трещина хрупкого разрушения в металлах и сплавах распространяется вдоль простых кристаллографических плоскостей (скола) либо по границам зёрен.

3. Запас вязкости металлов

Запас вязкости - это интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцом для разных температур и строят кривую в зависимости ударной вязкости от температуры испытания. Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно различить по виду излома. Порог хладноломкости определяют по проценту волокна матовой, волокнистой составляющей в изломе. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а зависит от его структуры, условий испытания наличия концентраторов напряжения. Чем выше прочность номинального напряжения, тем выше порог хладноломкости. Разрушение металла под действие повторный или знакопеременных напряжений называют усталостью металла. Трещина чаще всего возникает на поверхности. Сопротивление металла характеризуется наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за большое число циклов. Для определения приделов выносливости испытывают не менее 10 образцов. Начиная с первого образца и до последующего, каждый раз снижают или повышают на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, вызывающих разрушение первого образца. Результаты испытаний наносят на диаграмму в зависимости напряжения от числа циклов и определяют, сломался образец или нет. Предел выносливости резко снижается при наличии концентраторов напряжении.

С увеличением размера образца предел выносливости уменьшается. Чем тщательнее обработана поверхность образца (детали), тем выше предел выносливости. Сильно понижает предел выносливости коррозия. При изучении механизма и кинетики разрушения анализ излома с помощью фактографии дает возможность определять характер разрушения (хрупкое, вязкое, внутризеренное) и относительную скорость процесса, а также изменение этих характеристик по мере развития трещины. Образование вязкой трещины связано с реальным строением металлов - наличием различно ориентированных зерен, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. В этих условиях при ракетной средней величине напряжений, не превышающей значение придела упругости, фактические напряжения в металле распределяются не равномерно. Трещины являются сильными концентраторами напряжений и из них образуются микротрещины, далее соединяющиеся в общую трещину, постепенно распространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в результате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения. В отдельных перенапряженных зернах происходит пластическая деформация (рис. 2, 3).

Свойства стали определяются размером действительного зерна. Увлечение его размеров сравнительно мало влияет на предел прочности, но резко снижает вязкость и повышает критическую температуру хрупкости. Следовательно, перегретая сталь с крупным зерном имеет пониженные механические свойства, особенно пластичность и вязкость, т. е. склонна к хрупкому разрушению.

Рис. 2. Кромки разрушенных труб

Рис. 3. Разрушение участка трубы:

ЛС - линия сплавления сварного шва с основным металлом; Т, - трещина, идущая вдоль ЛС; Т2 - трещина, перпендикулярная к оси трубы

4. Разрушения металлоконструкций

Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца вместе концентратора напряжения. Ударная вязкость является интегральной характеристикой, содержащей работу зарождения трещины и работу распространения вязкой трещины. Склонность к разрушению трещины в первую очередь определяется работой распространения трещины. Чем больше работа распространения вязкой трещины, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. В настоящее время существует ряд методов раздельного определения работы зарождения трещины и работы распространения вязкой трещины.

Многие металлы, имеющие кристаллические решетки в зависимости от температуры могут разрушаться вязко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.

Температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому получила название критической температуры хрупкости (порог хладноломкости). Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости. В качестве примера рассмотрим несколько отказов. Нефтепровод Тихорецк-Лисичанск был введен в эксплуатацию в 1976г. Разрушение стенки трубы произошло в июне 1980г. Труба диаметром 720 мм, толщиной 11 мм Харцызского трубного завода изготовлена из стали 17ГС. Разрыв трубы длиной 1730 мм произошел вблизи заводского шва. Трещина распространяется по линии сплавления сварного шва с основным металлом трубы. Справа от очага разрушения на расстоянии 600 мм трещина переходит на основной металл трубы. Характер излома в очаге разрушения - хрупкий. Очагом разрушения явился продольный заводской шов, наличие непровара и несплавления. Нефтепровод Нижневартовск-Курган-Куйбышев был введен в эксплуатацию в 1975г. Разрушение металла трубы произошло в сентябре 1979г. Труба диаметром 1220 мм и толщиной стенки 12 мм Челябинского трубопрокатного завода изготовлена из стали 17ГС. Разрыв трубы в одну сторону от поворотного стыка прошел по зоне термического влияния шва, а затем по телу трубы. Характер излома по периметру - вязкий, а в очаге разрушения - хрупкий. Очагом разрушения явилась зона пересечения продольного заводского сварного и кольцевого монтажного швов. Причиной отказа явилось некачественное выполнение монтажного шва в месте пересечения. Нефтепровод Альметьевск-Горький III был введен в эксплуатацию в 1973г. Разрушение металла трубы произошло в 1984г. Труба диаметром 720 мм и толщиной 10 мм Харьковского трубного завода изготовлена из стали 14ХГС. Разрыв произошел по линии сплавления заводского продольного сварного шва и основного металла с переходом через шов на другую сторону на расстоянии 820 мм от очага разрушения (рис.1). Характер излома в очаге разрушения является хрупким. Разрушение трубы, изготовленной с дефектами, происходило от гидравлического удара в том месте, где было наибольшее утончение сварного соединения и где образовались в процессе эксплуатации усталостные трещины при воздействии коррозионной среды (рис. 4, 5).

Рис. 4. Разрушенный участок трубы НП: - кромка разрыва по телу трубы; продольный сварной шов

Рис. 5. Макроструктуры кромки разрыва аварийной трубы:

а - вдоль сварного шва (стрелкой показана трещина в области подрезов внутреннего шва); б через сварное соединение

Все рассмотренные случаи разрушения стенки труб происходили при средних рабочих давлениях, значение которых в 2-2,5 раза ниже по сравнению с расчетным разрушающим давлением при однократном нагружении. Все эти данные показывают, что в процессе эксплуатации происходит локальное охрупчивание трубных сталей вблизи концентраторов напряжения под действием повторно-статистических нагрузок. При изучении излома можно выявить зоны, где наиболее не благоприятно сочетались условия нагружения, что нельзя выявить другими методиками. А так же получить сведения о том, как протекал процесс разрушения. Поэтому в настоящее время для фактографии используют электронные микроскопы. Для изучения атомно-кристаллической структуры твердых тел применяют рентгенографические методы исследования. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять степень совершенства кристаллов, величину микронапряжений, а так же дает возможность изучать те структурные изменения, которые происходят при пластической деформации и концентрации дефектов. Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Магнитный анализ широко применяют при решении задач, исследовании влияния на структуру режимов термической обработке деформации.

5. Расчетная часть

Для примера исследуем трубопровод: труба диаметром 720 мм, толщиной 11 мм Харцызского трубного завода изготовлена из стали 17ГС. Разрыв трубы длиной 1730 мм.

H - толщина трубопровода, 11мм

R - радиус трубопровода, 360мм

l - длина трещины, 1730мм

Р - давление в трубе 100МПа

K1c - вязкость разрушения 70МПа

Материал - сталь 17ГС

Из книги учебные курсы, механика разрушения

K1 = унv(1 + 1.16(l2/RH))П*l = 100*0,36/0,011v(1 + 1,16*(1,732/0,36*0,011))3.14*1.73 = 225978МПа

ун = PR/H

Так как К1>К1с, данный дефект не допустим и трубопровод следует заменить.

Заключение

Подводя итог, можно сделать вывод, что сквозные трещины хрупких и вязких разрушений образуются, в основном, вблизи или на стыке сварных швов. Хрупкие и вязкие разрушения очень опасны, и при их образовании необходимо приостановить эксплуатацию участка нефтепровода с данными разрушениями так, как возникает риск образования сквозной трещины, что повлечет за собой сбой всей системы нефтепровода, утечку передаваемого топлива, загрязнение окружающей среды и большие финансовые потери. Для предотвращения аварии на установке необходимо: более тщательно проводить проверку сварных швов и соединений, чаще исследовать эксплуатируемый нефтепровод на наличие дефектов и трещин, своевременно производить ремонт или замену поврежденного участка. Вовремя и качественно выполненные профилактические меры по обеспечению нормальной работы нефтепровода, могут предотвратить серье6зные последствия аварии.

Размещено на Allbest.ru