НАН УКРАЇНИ

ТОРОП ВАСИЛЬ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 539.4

оЦІНКА ГРАНИЧНОГО СТАНУ

ТРУБОПРОВОДІВ, РЕЗЕРВУАРІВ І ПОСУДИН ТИСКУ

НА ОСНОВІ РОЗРОБЛЕНОЇ ЕКСПЕРТНОЇ СИСТЕМИ

05.02.09 - динаміка і міцність машин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИЇВ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі фізичних основ міцності і руйнування Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (ІПМіцн. НАНУ).

Науковий консультант: | член-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Красовський Арнольд Янович
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка

НАН України, головний науковий співробітник |

Офіційні

опоненти: |

академік НАН України, доктор технічних наук,

професор Лобанов Леонід Михайлович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, завідувач відділу

член-кор. НАН України, доктор технічних наук,

професор Стрижало Володимир Олександрович
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка

НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук, професор

Чаусов Микола Георгійович

Національний університет “Сільськогосподарська академія України”, завідувач кафедри.

Провідна установа: Національний технічний університет України "КПІ"

Захист відбудеться "26" жовтня 2006 р. о 9 годині 00 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 при Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України у приміщенні конференц-залу Інституту за адресою: 01014, Київ, вул. Тимірязєвська,2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

Автореферат розісланий "06" вересня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01

доктор технічних наук, професор _________________ Карпінос Б.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В енергетиці, енергомашинобудуванні, хімічному машинобудуванні, нафтохімії, трубопровідному транспорті широко використовуються трубопроводи, резервуари та посудини тиску. Найчастіше це великогабаритні зварені металеві конструкції, що забезпечують збереження або транспортування екологічно небезпечних речовин у рідкому чи газоподібному стані. Умови експлуатації таких конструкцій характеризуються впливом зовнішніх силових факторів (навантаження, температура, середовище і т.п.), що періодично змінюються в часі, деградацією фізико-механічних властивостей металу з часом, зародженням і розвитком в них дефектів. Ці фактори є визначальними при оцінці граничного стану і прогнозуванні залишкового ресурсу елементів конструкцій з дефектами (тріщинами).

Існуюча практика комплексної технічної діагностики і аналізу безпечної експлуатації трубопроводів, резервуарів та посудин тиску не повністю (фрагментарно) враховує відзначені особливості. У зв'язку з цим виникає необхідність створення методології міцнісного супроводу безаварійної експлуатації відповідальних елементів конструкцій, що грунтується на апробованих критеріях оцінки граничного стану, прогнозує крихкий, змішаний (квазікрихкий) та в’язких характер руйнування, найбільш повно враховує фактичні умови експлуатації, наявність прогресуючих дефектів і що використовує сучасні технології збору, збереження, обробки і представлення інформації. В основу такої методології має бути покладений інженерний аналіз безпечної експлуатації посудин тиску, резервуарів та трубопровідних систем, що використовує знання різних дисциплін: механіки деформівного твердого тіла, системного аналізу, інформаційних технологій, тощо. До цього обсягу знань пред'являються вимоги достовірності, можливості реалізації задач у реальному часі, відповідності прогнозованого результату досвіду експлуатації. Накопичені під час створення та експлуатації конструкцій досвід і знання можуть бути формалізовані до рівня алгоритмів вирішення задач, а швидкодіючі електронно-обчислювальні процесори дозволяють одержувати рішення (з урахуванням зміни факторів) у реальному часі, оперуючи при цьому величезними масивами даних.

Тому вирішення проблеми безпечної експлуатації таких конструкцій принципово стало можливим завдяки створенню та впровадженню експертних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота з даної тематики належить до планових досліджень, що виконуються в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України у рамках держбюджетних наукових тем: 1.3.4.67 “Розробка уніфікованої експертної системи для розрахунку на ПЕОМ граничного стану і довговічності елементів конструкцій різного функціонального призначення за критеріями механіки руйнування” (термін виконання 1992-1995 роки), 1.3.4.105 “Розробка теоретичних та експериментальних методів технічної експертизи руйнування відповідальних елементів конструкцій” (1995-1998 роки), 1.3.4.205 “Розробка методології розрахунків на міцність трубопровідних систем з довільними дефектами (1999-2002 роки)” та темі “Розробка програмно-методичного комплексу для супроводження безаварійної експлуатації складних трубопровідних систем” (проблема 1.10.2 цільової програми НАН України з пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки “Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних і гуманітарних наук” на 2003 - 2006 роки).

Крім того, здобувач перебував представником України в Робочій групі №2 Програми МАГАТЕ “IAEA Extrabudgetary programme on mitigation of intergranular stress corrosion cracking in RBMK reactors” (2000-2002 роки), брав участь у виконанні міжнародних проектів наукового та технічного співробітництва країн ЄС з країнами Центральної та Східної Європи: COPERNICUS (1995-1996 роки), INCO-COPERNICUS “LIMATOG” (1997-1999 роки), CIPA-CT94-0194 (1994-1996 роки), був відповідальним виконавцем проекту “Управління довговічністю магістральних нафто- та газопроводів, яке базується на нових результатах матеріалознавства”, що виконувався на підставі Угоди між Урядом України та Урядом Угорської Республіки про співробітництво у сфері науки від 12.02.1999р. та наказу Міністерства України у справах науки і технологій №153 від 18.06.1999р., проекту УНТЦ “Розробка голографічної техніки та методів для безконтактної діагностики конструкцій атомних електростанцій” (1997рік); науковим керівником конкурсного проекту 4.4/441 Державного Фонду фундаментальних досліджень “Інформаційні технології в міцнісному супроводі безаварійної експлуатації конструктивних елементів, що містять дефекти” (1997-1998 роки). Здобувач є науковим керівником проекту 6.1. “Створення методології і комп’ютерної експертної системи для поточного моніторингу технічного стану і забезпечення цілісності магістральних трубопроводів з метою подовження їх ресурсу та оптимізації періодичності і об’єму діагностичних і ремонтних робіт” програми “Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин” (2004-2006 роки, розпорядження Президії НАН України №682 від 25.11.2003р.).

Мета дослідження - розробка методології оцінки граничного стану елементів конструкцій з дефектами в області можливих крихких, змішаних і в’язких руйнувань та реалізація її за допомогою розробленої експертної системи міцнісного супроводу безпечної експлуатації трубопроводів, резервуарів та посудин тиску.

Відповідно до поставленої мети робота включає наступні задачі:

1) Дослідження однопараметричних критеріїв і розробка двокритеріальних діаграм оцінки руйнування тріщиномістких елементів конструкцій;

2) Створення експериментальної установки, розробка методик та експериментальне визначення характеристик тріщиностійкості і критичних температур крихкості сталей трубопроводів, резервуарів і посудин тиску;

3) Виконання комплексу матеріалознавчих досліджень поверхні руйнування у поєднанні з оцінкою напруженого стану, конструкційної міцності та залишкового ресурсу трубопроводів з метою встановлення механізму їх руйнування та вивчення впливу тривалої експлуатації трубопроводів на можливість деградації механічних властивостей, характеристик тріщиностійкості та зсув критичних температур крихкості для сталей та зварних з’єднань;

4) Розробка методології, створення та впровадження експертної системи міцнісного супроводу безпечної експлуатації трубопроводів, резервуарів та посудин тиску.

Об’єкт дослідження – магістральні та промислові трубопровідні системи, резервуари, посудини тиску з тріщиноподібними дефектами; зразки без тріщин або з тріщинами для експериментальних досліджень механічних властивостей, критичних температур крихкості та характеристик тріщиностійкості сталей та їх зварних з’єднань.

Предмет дослідження – граничний стан трубопроводів, резервуарів і посудин тиску при їх крихкому, змішаному та в’язкому руйнуванні.

Методи дослідження – двокритеріальна методологія визначення граничного стану трубопроводів, резервуарів та посудин тиску при їх крихкому, змішаному та в’язкому руйнуванні, яка реалізована за допомогою розробленої експертної системи, що включає відповідним чином структуровані розрахункові модулі аналітичного і чисельного визначення напружено-здеформованого стану, коефіцієнтів інтенсивності напружень, граничного навантаження в’язкого руйнування, імовірнісного аналізу руйнування та бази даних елементів конструкцій, дефектів, навантажень, властивостей матеріалів, що визначаються обгрунтованими методиками експериментального визначення характеристик тріщиностійкості та критичних температур крихкості. Металографічні, фрактографічні дослідження та методи спектрального аналізу поверхонь руйнувань використані для встановлення причин і механізмів появи та розвитку дефектів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) Розроблено та реалізовано методологію оцінки граничного стану елементів конструкцій з дефектами, що здатна прогнозувати їх крихке, змішане і в’язке руйнування. Вона базується на апробованому двокритеріальному підході, для реалізації якого запропонований спосіб побудови діаграми оцінки руйнування і її розгорток, суттєвими особливостями яких є використання коефіцієнтів запасу міцності та розмежування на граничній кривій ділянок крихкого, квазікрихкого (змішаного) і в’язкого руйнування за допомогою критичних температур крихкості;

2) Запропоновано методологію та створено експертну систему міцнісного супроводу безпечної та надійної експлуатації трубопроводів, резервуарів та посудин тиску;

3) Отримано аналітичні залежності для визначення критичних температур крихкості в зразках та конструктивних елементах і встановлені вимоги до геометричних розмірів зразків для коректного визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів та їх зварних з’єднань на основі встановленого взаємозв’язку механічних властивостей, характеристик тріщиностійкості та критичних температур крихкості;

4) Встановлені механізми руйнування, вплив тривалої експлуатації на деградацію характеристик міцності, пластичності, тріщиностійкості та зсув критичних температур крихкості певних класів сталей та їх зварних з’єднань на основі виконаного комплексу матеріалознавчих досліджень поверхонь руйнування у поєднанні з оцінкою напруженого стану, конструкційної міцності та залишкового ресурсу відповідальних конструкцій.

Практична цінність роботи полягає в наступному:

1) Розроблено архітектуру, алгоритми і технологію впровадження експертної системи міцнісного супроводу безаварійної та надійної експлуатації трубопроводів, резервуарів і посудин тиску. Для реалізації двокритеріального підхода в експертній системі розроблено програмно-методичні комплекси: “Розрахунок напружено-здеформованого стану”, “Розрахунок коефіцієнтів інтенсивності напружень”, “Розрахунок граничного навантаження вязкого руйнування” та “ Імовірнісний аналіз руйнування”, що дозволяють виконати оцінку граничного стану трубопроводів, резервуарів та посудин тиску в детерміністичній та імовірнісній постановках;

2) Встановлено вимоги до геометрії зразків та умов проведення експериментальних досліджень для коректного визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів та критичних температур крихкості. Отримано нові експериментальні дані щодо характеристик тріщиностійкості сталей і зварних з'єднань трубопроводів, резервуарів і посудин тиску. Створено базу даних механічних властивостей та характеристик тріщиностійкості понад 5000 конструкційних матеріалів та сплавів;

3) Для конструктивних елементів (ділянки нафто-, газо- та продуктопроводів, просторові трубопровідні системи, резервуари для збереження нафтопродуктів, корпуси газостатичних установок), що містять тріщиноподібні дефекти оцінено конструкційну міцність і залишковий ресурс їх безпечної експлуатації;

4) Для забезпечення безаварійної експлуатації трубопровідних систем, резервуарів і посудин тиску створено комп’ютерну експертну систему, яку впроваджено та використовують в УДП “Укрхімтрансаміак” (м. Київ), ДК “Укртрансгаз” (м. Київ), Чорнобильська АЕС (м. Славутич), ТОВ “ЛатРосТранс” (м. Даугавпілс, Латвія), СУ “Леноргенергогаз” ДВАТ “Оргенергогаз” (м. Санкт-Петербург, Росія) та інш

Достовірність результатів роботи забезпечується відповідністю прогнозу руйнувань зразків різної геометрії, труб і посудин тиску даним модельних і натурних експериментів, проведених за участю здобувача, а також результатам обробки опублікованих іншими авторами даних; їх узгодженням з даними обчислювальних експериментів; відповідністю результатів визначення характеристик тріщиностійкості, отриманих по оригінальних методиках на різних зразках і на різних випробувальних машинах літературним даним.

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідалися на нарадах "Руйнування металів і конструкцій при низьких температурах " (м. Санкт-Петербург, Росія, 1986 р. та 1987р.), засіданнях науково-методичної комісії СРСР по стандартизації в області механіки руйнування (1985-1989 р.м.), VIII Всесоюзній науково-технічній конференції "Створення компресорних машин і установок, що забезпечують інтенсивний розвиток галузей паливно-енергетичного комплексу" (м. Суми, 1989 р.), Всесоюзній науково-практичній конференції "Прогрес і безпека" (м. Тюмень, Росія, 1990), науково-технічній конференції "Живучість і безпека конструкцій технічних систем" (м. Красноярськ, Росія, 1991 р.), 8-й міжнародній конференції по механіці руйнування (м. Київ, 1993 р.), 10-й Європейській конференції по механіці руйнування (м. Берлін, Німеччина, 1994 р.), міжнародному спеціальному семінарі "Течія перед розривом у реакторних трубопроводах і посудинах тиску" (м. Ліон, Франція, 1995 р.), міжнародній конференції по втомі зварних з’єднань та конструкцій SF2M (м. Сенліс, Франція, 1996 р.), засіданні міжнародної програми AMES "Property-property corelation" (м. Петен, Голандія, 1996 р.) 2-й, 3-й і 4-й Міжнародних конференціях по наукових проблемах матеріалознавства устаткування АЕС на стадії виготовлення та експлуатації (м. Санкт-Петербург, Росія, 1992, 1994, 1996 року), Міжнародних ділових зустрічах “Діагностика-2000” (м. Лімасол, Кіпр), “Діагностика-2002” (м. Анталія, Туреччина), “Діагностика-2003” (м.Сан-Джуліан, Мальта), Міжнародних конференціях “Зварні конструкції-2000”, “Ресурс-2000”, “Ресурс-2003” (м. Київ), міжнародних практичних конференціях “Проектування, будівництво та ремонт резервуарів для нафти і нафтопродуктів” (м. Київ, 24-25 жовтня 2000р., м. Алмати, 3-4 жовтня 2001р.), загальних зборах Українського товариства з механіки руйнування матеріалів (м. Львів, 07 червня 2002р.), науково-практичних семінарах “Забезпечення експлуатаційної надійності систем трубопровідного транспорту” (м. Київ, 25-27 квітня 2005р., 10-13 квітня 2006р.), секції “Загальна методологія оцінки стану об’єктів тривалої експлуатації. Методи та засоби технічної діагностики” Науково-координаційної та експертної Ради з питань ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин при Президії НАН України (м. Київ, 21 червня 2002р. та 20 лютого 2006р.), семінарах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (1998- 2006р.) і інш.

Публікації та особистий внесок здобувача. За темою дисертації опубліковано 65 наукових праць, з них 40 статей у фахових наукових вітчизняних та зарубіжних журналах [1-36] і тематичних збірках [37-40], 16 доповідей у збірках праць міжнародних конференцій [41-56], 3 препринти [57-59], 3 нормативні документи [60-62], 2 авторськi свідотства [63-64] і 1 патент України [65].

Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно [11, 18, 24, 27, 30, 35, 36, 42, 44, 51, 52]. У публікаціях, що видані в співавторстві з науковим консультантом, чл.-кор. НАН України, професором А.Я. Красовським та співробітниками відділу фізичних основ міцності і руйнування Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України здобувачем запропоновано основні ідеї щодо розробки методології для створення експертних систем [40, 42, 58, 59] з метою визначення технічного стану та забезпечення міцнісного супроводу безпечної експлуатації трубопровідних систем [29, 31-33, 49, 50], резервуарів [23, 45, 51] та посудин тиску [25, 26, 55]. Здобувачем створена оригінальна експериментальна установка [24] на якій реалізовані запатентовані способи [63-65] коректного визначення характеристик тріщиностійкості конструкційних матеріалів [37, 39, 44], досліджені методичні особливості визначення характеристик тріщиностійкості [1, 2, 5, 37-39, 43] та критичних температур крихкості [4, 6, 14, 16] на різних типах зразків, розроблений інженерний метод оцінки конструкційної міцності і залишкового ресурсу на основі двокритеріального підходу [3, 7, 9-12, 57]. Здобувачу належить ідея створення, постановка задач, участь у розробці алгоритмів, апробації і тестуванні запропонованих рішень для комплекса розрахунково-аналітичних модулів, технологічних задач та баз даних експертної системи “Міцність” [40-42, 58, 59], як складової системи забезпечення цілісності трубопровідних систем, резервуарів та посудин тиску [53, 54, 56]. Під його керівництвом та за його участю був проведений комплекс матеріалознавчих досліджень з метою встановлення причин руйнувань та механізмів зародження та розвитку дефектів [48-50], сформульовані окремі алгоритми програмно-методичних комплексів для визначення поточних параметрів навантаженності конструкційних елементів з дефектами: коефіцієнтів інтенсивності напружень [13, 15, 46], граничного навантаження в’язкого руйнування [8, 19-22] і оцінки напружено-здеформованого стану трубопроводів, резервуарів та посудин тиску в реальних умовах експлуатації [28]. Здобувач брав участь у розробці нормативних документів [60-62].

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, бібліографії з 395 найменувань, 12 додатків і викладена на 361 сторінці машинописного тексту, містить 143 рисунки, 17 таблиць.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтовано актуальність і мету роботи, відзначена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, коротко викладені основні результати роботи і наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

Перший розділ присвячений не тільки огляду та обґрунтуванню вибору критеріїв міцності, але і описує особливості запропонованого здобувачем двокритеріального підходу до оцінки граничного стану елементів конструкцій з дефектами (тріщинами) (ЕКЗТ). В даний час можна з упевненістю говорити про безсумнівні успіхи лінійної механіки руйнування у випадку опису напружено-здеформованого стану (НДС) біля вершини тріщини і прогнозуванню крихкого руйнування елементів конструкції з тріщинами. І хоча в цій області знань існує цілий ряд проблем (в основному таких, що стосуються техніки розв’язування сформульованих задач), все-таки основна увага приділяється встановленню границь коректного застосування названих методів механіки тріщин і можливості їх поширення на випадок пружно-пластичного деформування ЕКЗТ. Останнє стимулювало розробку методів нелінійної механіки руйнування (J- інтеграл (Г.П. Черепанов, J.R. Rice), KI    коефіцієнтів інтенсивності деформацій (М.А. Махутов, Ю.Г. Матвієнко) COD - розкриття вершини тріщини (В.В. Панасюк, М.В. Леонов, Г.І. Баренблатт, D.S. Dugdale), TJ - модуль роздиру (P.C. Paris, J.D. Landes, H.A. Ernst)), визначення їх розрахункових значень для конкретних ЕКЗТ та обґрунтування методів коректного визначення характеристик тріщиностійкості JIc, KIc, Ic і т.п. В даному розділі виконано стислий критичний аналіз вищезгаданих однопараметричних критеріїв руйнування ЕКЗТ з позицій інженерної практики їхнього використання найбільш авторитетними фірмами світу в розрахунках на міцність реальних конструкцій.

Особливе місце в даному розділі відведено двокритеріальному підходу, що отримав розвиток в роботах В.В. Панасюка, Є.М. Морозова, A.R. Dowling, C.M.A. Towhley, B.J.L. Darlaston, I.Milne, A. Miller, R.A. Ainsworth, G.G. Chell, J.C. Newman і є своєрідним мостом між класичними теоріями міцності (особливо, теорією граничного стану) і критеріями лінійної механіки руйнувань. Цей підхід розмежовує області застосування методів механіки руйнування і методів, що базуються на теорії граничного пластичного стану, введенням критичних температур крихкості. Він дозволяє встановити реальні коефіцієнти запасу міцності, прогнозувати характер руйнування (крихкий, змішаний, в’язкий) даного ЕКЗТ, описати вплив температури, швидкості навантаження, довжини тріщини на характер руйнування даного ЕКЗТ, установити граничний стан і прогнозувати залишковий ресурс ЕКЗТ.

Основу двокритеріального підходу складає діаграма оцінки руйнування (ДОР), що припускає інтерполяційний взаємозв'язок між двома граничними випадками руйнування за допомогою узагальненого рівняння:

, | (1)

де Kr - міра схильності до крихкого руйнування ЕКЗТ; KI -розрахункове значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) біля вершини тріщини відриву (тип I); KIС - характеристика тріщиностійкості матеріалу (в’язкість руйнування); = - міра пластичного стану нетто-перерізу ЕКЗТ; Р  значення узагальненого прикладеного зусилля; - граничне значення Р при цілком в'язкому руйнуванні (граничне навантаження в'язкого руйнування).

На рис. 1 наведена ДОР, яка у загальному випадку являє собою деяку граничну область II, що відбиває розсіяння механічних властивостей і характеристик тріщиностійкості матеріалу, а також умов експлуатації, що, у свою чергу, відокремлює область безпечної експлуатації конструкційних елементів із тріщиною I від області руйнування III. В області II виділимо граничну ламану лінію АБВГ, для того, щоб, по-перше, спростити і виконати інженерну оцінку граничного стану ЕКЗТ, по-друге,

мати можливість прогнозу-вати крихкий (промінь 01 перетинає ділянку АБ граничної лінії ДОР на рис.1), квазікрихкий або змішаний (промінь 02 перетинає ділянку БВ граничної лінії ДОР на рис.1) та в’язкий (промінь 03 перетинає ділянку ВГ граничної лінії ДОР на рис.1) характер руйнування.

Рис. 1. Двокритеріальна діаграма оцінки руйнування

Руйнування відбувається крихко при дотриманні умови:

(2)

де Рі – зовнішні прикладені сили, що інтегрально дорівнюють Р та врівноважуються номінальними напруженнями в нетто-перерізі; – коефіцієнт, що враховує ступінь впливу поточних значень на критичні значення KIС ; - граничне значення Р, що еквівалентне границі текучості матеріалу та відповідає переходу нетто-перерізу в пластичний стан.

У разі перетину променем навантаження O3 граничної кривої праворуч від точки В(м,1), маємо в'язке руйнування:

, | (3) | де  0,60,7 – коефіцієнт впливу поточних значень KI на критичні значення номінальних напружень =, що в разі одновісного розтягу дорівнюють границі міцності .

Область граничної кривої, обмеженої точками Б і В, є областю крихко-в'язкого переходу в конструкціях. При цьому, в залежності від механічних властивостей і характеристик тріщиностійкості матеріалу, умов експлуатації і геометрії ЕКЗТ, точки на граничній ламаній лінії Б і В(=KI/KIС 0,60,7;1) можуть в залежності від умов руйнування переміщуватися вздовж осі абсцис і ординат відповідно, і тим самим збільшувати або зменшувати перехідну ділянку граничної кривої ДОР між точками Б і В. Форма перехідної ділянки вимагає додаткових досліджень і в першому наближенні може бути прийнята у вигляді прямої лінії.

Гранична зона І на рис. 1 є областю безпечної експлуатації ЕКЗТ, що визначається з урахуванням допустимого коефіцієнта запасу міцності k, який регламентується відповідними нормами та правилами експлуатації конструкцій. Зона ІІ на рис. 1 є областю субкритичного контрольованого підростання тріщини, а зона ІІІ – недопустима область експлуатації ЕКЗТ. Білим кольором на рис.1 виділена область “шумів” IV, що визначається координатами та =, де – порогове значення КІН при циклічному навантаженні, – границя втоми. Ця область відповідає стадії зародження та розвитку дефектів до розмірів, що контролюються законами механіки руйнування та можуть бути ідентифіковані засобами неруйнуючого контролю.

Запропоновано геометричну інтерпретацію ДОР у вигляді розгорток та розглянуто перспективи щодо застосування ДОР і її розгорток для аналізу й обґрунтування норм дефектів, що допускаються, вироблення й обґрунтування рекомендацій з вибору матеріалу для ЕКЗТ, а також установлення безпечної області температур їхньої експлуатації.

Рис. 2 є прикладом навантажувально-температурної розгортки ДОР. Ділянка АБ на кривій , температурної залежності нормованої характеристики тріщиностійкості, відповідає ділянці АБ граничної лінії ДОР на рис. 1. Тут =(Рi = 1,Г,) – поточне значення КІН від одиничного узагальненого навантаження Рi=1 для заданої геометрії ЕКЗТ (розмірність , наприклад, 1/мм3/2); Г – параметри геометричних розмірів ЕКЗТ; – довжина тріщини. Ділянка БВ на рис.2 відповідає ділянці БВ граничної лінії ДОР на рис.1.

Рис. 2. Навантажувально-температурна розгортка ДОР

Для стандартизованих зразків поточне значення КІН визначається рівнянням:

(4) | а граничне навантаження можна розрахувати за формулою: |

(5)

Наприклад, для компактного СТ-зразка функція f(l/b) визначається рівнянням

Підставляючи (4) і (5) в (2) отримаємо вимогу щодо розмірів плоских зразків в плані для виконання умови їх крихкого руйнування та коректного визначення характеристики тріщиностійкості КІС :

| (6)

де b – характерний розмір зразка або ЕКЗТ в плані; - функція, що враховує геометричні особливості зразка або ЕКЗТ.

Умова (6) для тонкостінного циліндра має вигляд:

, | (7) | де безрозмірна Г-функція має максимум, що відповідає найбільшій схильності даного ЕКЗТ при заданих співвідношеннях до крихкого руйнування.

Представлений на рис. 1 та рис.2 спосіб побудови ДОР та її температурної розгортки був застосований, зокрема, для визначення критичних температур крихкості як міри тріщиностійкості матеріалів.

Враховуючи пропорційність величин, що розраховуються, навантаженню, що прикладається, на практиці Тх можна встановити з наступного рівняння: |

(8) | де (Рi = 1,Г,) – номінальне напруження в небезпечному перерізі від дії одиничної сили Рі = 1 для заданої геометрії ЕКЗТ; (Тх) – границя текучості при температурі Тх; KIС(Тх) – критичне значення КІН при температурі Тх.

Аналогічно температуру переходу від квазікрихкого руйнування до в'язкого TB визначаємо з рівності:

, | (9) | де – функція, що враховує пластичні властивості ЕКЗТ в залежності від граничного навантаження РП, параметрів пластичних властивостей матеріалу П, що відображають специфіку деформаційної поведінки матеріалу за границею текучості.

Для стандартних зразків згідно з (8) формулу для визначення Тх в неявному вигляді можно записати так:

| (10)

де L - характерний розмір тіла (для стандартних зразків - це b, h або l для СИ, ДКБ і пластини Гріффітса, відповідно; для циліндричних зразків їх діаметр D); - швидкість зміни КІ в часі; - швидкість деформування гладкого зразка; t - товщина зразка або ЕКЗТ; - радіус надрізу.

Для критичної температури крихкості Тх в пластині Гриффітса в явному вигляді отримано наступний вираз:

, |

(11) | де (0) – умовна границя текучості при Т=0К; Т* – гіпотетична температура, при якій ln= 0; K0 і Т0 –емпіричні постійні; ? – довжина тріщини.

Для критичної температури крихкості Тх в СИ-зразках, що випробовуються на триточковий зосереджений згин:

, |

(12) | де b ширина СИ-зразка; А – константа, яка чисельно дорівнює (0); – Г-функція для СИ-зразка.

Для критичної температури крихкості Тх в ДКБ-зразках, що випробовуються на позацентровий розтяг:

,

(13) | де tH – нетто-переріз по товщині ДКБ-зразка, що враховує наявність бічних надрізів; h – його напівширина; ц(h/) – функція, що враховує поправку на нежорсткість закладення плечей ДКБ-зразка.

Для стандартних зразків згідно з (11), (12) та (13) формулу для визначення Тх запишемо так:

|

(14)

З формули (14) випливає, що Тх залежить не тільки від характерного розміру тіла і механічних властивостей матеріалу та характеристик його тріщиностійкості, але і від конфігурації зразків, про що свідчить функція в рівнянні (14). Тому беззастережне перенесення критичних температур крихкості, отриманих випробуванням зразків натурної товщини, на конструкцію без врахування залежності (14) неправомірне.

В роботі також проаналізовано взаємозв'язок (T), KIС(T), критичних температур крихкості та встановлені вимоги до властивостей матеріалу, що гарантують відсутність крихкого руйнування тонкостінного циліндра з поверхневими та наскрізними тріщинами осьової орієнтації, які знаходяться під внутрішнім тиском. Практична апробація ДОР і їх розгорток представлена в цьому розділі не тільки результатами численних випробувань зразків, але і даними натурних експериментів по руйнуванню труб і посудин тиску. На рис. 3 наведено приклад експериментальної апробації ДОР та її температурної розгортки за даними, що були отримані на СИ-зразках товщиною 20мм в інтервалі температур 77...293К.

Рис. 3. ДОР для СИ-зразків товщиною 20 мм зі сталі 15Х2НМФА, випробовуваних в інтервалі температур 77...293К – (а) та її температурна розгортка – (б)

В роботі також наведені дані по апробації ДОР за результатами випробувань СИ-зразків із сталі 15Х2НМФА товщиною: 20 мм, 25 мм, 40 мм, 100 мм, 150 мм при температурі 293К; зразків з поверхневими тріщинами при температурі 293К, виготовлених зі сталі 15Х2НМФА: пластин на розтяг 150х600 мм, дискових зразків 400 мм і 650 мм та товщиною 150 мм; компактних СТ-зразків та СИ-зразків зі сталі 15Х2МФА, що випробовувались при –200С і –600С. Крім того, за результатами обробки експериментальних даних по руйнуванню повномасштабних труб (ВНИИСТ (м. Москва), A.R. Daffi, W.A. Maxey, R.J. Eiber, J.F. Kiefner) та посудин тиску (G.T. Hahn, H.Kihara, F. Nikolsson, D.L. Gets, H. Calvert, R.B. Anderson та інш.) з поверхневими та наскрізними дефектами, що виготовлялись з різних матеріалів та випробовувались в широкому інтервалі температур, показана задовільна оцінка за допомогою ДОР і їх розгорток як граничного стану так і відповідного характеру (крихкого, змішаного, в’язкого) руйнування (приклад див. на рис.4).

Рис. 4. ДОР (а) за результати обробки даних R.B. Anderson, T.L. Sullivan по руйнуванню посудин тиску із сплаву 2014-Т6, що випробовувались при: +200 С – (1), –1960 С – (2) та – 2530 С – (3) і навантажувально-температурна розгортка ДОР (б) за даними натурного експерименту A.R. Daffi по випробуванню труб однієї плавки RR з наскрізними загостреними пазами довжиною 272 мм в діапазоні температур -96 ... +180С

В останьому підрозділі викладено методологічні основи щодо подовження ресурсу експлуатації ЕКЗТ. Вони базуються на тому, що надійність і ефективність функціонування конструкції можна весь час підтримувати на належному рівні, якщо питання економічної доцільності вирішене. Таким чином, подовження ресурсу експлуатації ЕКЗТ є процес використання всіх наявних даних, отриманих за допомогою моніторингу, проведених оцінок, покращувальних дій для вироблення та впровадження довготермінової системи забезпечення цілісності. Результати цього процесу використовуються для визначення найбільш ефективної стратегії для майбутніх дій по проведенню моніторингу, оцінок технічного стану та покращувальних заходів.

Другий розділ присвячений деяким методичним доробкам здобувача по визначенню характеристик тріщиностійкості конструкційних матеріалів. В даному розділі описана універсальна експериментальна установка підвищеної жорсткості (рис. 5), що була створена здобувачем та реалізує запатентовані способи визначення характеристик тріщиностійкості сталей на стадії старту, поширення і зупинки тріщини при статичному, циклічному і ударному навантаженні. Вона дозволила дослідити ряд методичних особливостей експериментального визначення характеристик тріщиностійкості та критичних температур крихкості, проілюструвати концепцію модуля роздиру, отримати коректні значення характеристик тріщиностійкості сталей та їх зварних з’єднань в широкому інтервалі температур з урахуванням старіння матеріалів, що використовувались в експертній системі (ЕС) “Міцність” (див. Розділ 3) для розрахунку міцності та прогнозування довговічності магістральних трубопроводів, резервуарів та посудин тиску (див. Розділ 4).

Рис. 5. Схема випробувальної установки: основа (1); навантажувач (2); механізм стопорення зворотно-поступального ходу навантажувача (3); демпфер (4); зразок (5); циліндричні опорні пальці (6); фіксуючий (7) і навантажуючий (8) диски; розвантажуючі шпильки (9); тензопідсилювач (10); джерело постійного струму (11); магнітний багатоканальний реєструючий прилад (12); запам'ятовуючий осцилограф або комп’ютер (13); посудина з охолоджувальною сумішшю (14)

В другому розділі описано методичні особливості щодо визначення КI на ДКБ-зразках при навантаженні їх клином і гвинтом, встановлені вимоги щодо геометричних розмірів різних типів зразків в плані (при умові виконання вимоги плоскої деформації). Методичні особливості впливу тривалої експлуатації на можливість деградації механічних властивостей та характеристик тріщиностійкості досліджувались на прикладі сталі 17ГС, що використовувалась для магістральних нафтопроводів та сталей трубопровідних систем атомних електростанцій. Відповідно до отриманих даних для сталі 17ГС збільшення на 15% границі текучості призводить до відповідного зменшення коефіцієнта в'язкості і, як результат, спричиняє зміщення зразка Шарпі майже на 40К в область більш високих температур. Встановлені закономірності впливу тривалої експлуатації на коефіцієнт в'язкості при величині пластичної деформації, що дорівнює двом відсоткам () і рівень напружень мікросколу сталі 17ГС () дозволили оцінити міру зниження її тріщиностійкості після тридцятирічної експлуатації. Тривала експлуатація не позначається на рівні і практично не впливає на величину показника деформаційного зміцнення, але в середньому п’ятнадцятивідсоткове зменшення в'язкості сталі повинно призводити до майже двократного зниження її тріщиностійкості.

Запропоновано новий підхід до оцінки стану металу трубопроводів і обладнання атомних електростанцій з реакторами киплячого типу та водо-водяних реакторів після ста тисяч годин експлуатації, який дозволяє виключити або мінімізувати вирізку металу і принциповими особливостями якого є:

·

·

·

Перераховані особливості дозволяють виключити всі недоліки традиційного підходу і істотно оптимізувати дослідження властивостей металу конструкцій після тривалої експлуатації. Разом з тим, підхід, що пропонується пред'являє жорсткі вимоги до методик, що враховують застосування експрес-методів, їх випробуванню і відшуканню коректних кореляційних залежностей між властивостями металу.

Проведено комплекс металографічних, фрактографічних і мікрорентгеноспектральних досліджень поверхонь руйнування вирізаних темплетів із трубопроводів Ду300 систем безпеки енергоблоку №3 Чорнобильської АЕС виявили вузьку (до 1мм) зону сенсибілізації металу, яка розташовувалася вздовж лінії сплавлення (зона більш великого зерна аустеніту). У цій зоні спостерігалося утворення сітки карбідів Сг23С6 вздовж границь аустенітних зерен. У підтвердження цьому мікрорентгеноспектральним аналізом виявлений підвищений (до 38%) вміст хрому у вузькій зоні на границях аустенітних зерен, в той час як в тілі зерна вміст хрому становив 11-13%. Встановлено, що в основі процесу міжкристалітного корозійного росту тріщини в зварних з’єднаннях трубопроводів з аустенітних сталей в реакторах киплячого типу, лежать три основні чинники, без наявності хоч би одного з яких саме явище міжкристалітного корозійного росту тріщини неможливе. Ці чинники такі:

1. Досить високий рівень розтягуючих напружень. У зварних з’єднаннях трубопроводів Ду300 Чорнобильської АЕС цей чинник забезпечується, насамперед, за рахунок високого рівня залишкових зварювальних напружень, які на внутрішній поверхні труби в околиці кореневого шва є такими, що розтягують і досягають порядку величини границі текучості. Додатковим стимулюючим чинником є робочі розтягуючі напруження, що виникають в області зварних з’єднань від дії результуючих осьових зусиль і згинаючих моментів.

2. Сенсибілізація границь зерен сталі за рахунок їх збіднення атомами хрому, що зв'язуються в карбіди Cr23C6 надмірним вуглецем. В умовах зварювання кільцевих швів областю сенсибілізації матеріалу виявляється вузька (декілька сот мікронів) смужка зони термічного впливу, прилегла до лінії сплавлення. Для запобігання цього явища сталь стабілізують добавками титана або ніобія, однак, як показують результати на прикладі сталі 08Х18Н10Т, добитися повної стабілізації за рахунок добавок титана не вдається.

3. Наявність агресивного корозійного середовища. У реакторній воді основною причиною міжкристалітного корозійного росту тріщини є кисень у вигляді молекул О2 і перекису водню О2Н2, при чому останнє з'єднання є більш агресивним.

У третьому розділі сформульовано основні принципи функціонування ЕС “Міцність”, як основної складової системи забезпечення цілісності, що дозволяє оцінювати конструкційну міцність і прогнозувати залишковий ресурс, проводячи розрахунки в інформаційно-довідковому, оперативному і експертному режимах для індивідуальних дефектів в трубопроводах, резервуарах, посудинах тиску і інших конструктивних елементах циліндричної форми на стадіях проектування, будівництва і експлуатації з урахуванням різноманіття умов навантаження і локалізації дефектів. Система забезпечення цілісності являє собою розподілену програмну систему, створену за модульним принципом, що складається з:

· Інформаційно-пошукової та географічної інформаційної системи;

· Автоматизованої системи оперативного та звітного документообігу;

· Модулю інтеграції з системою телеконтролю/телекерування;

· Системою актуалізації баз даних, розподілених територіально та безпеки і розподілення доступу до інформації ;

· Експертної системи з оцінки міцності, надійності та залишкового ресурсу (ЕС “Міцність”).

Виходячи з основного завдання системи забезпечення цілісності – підтримка прийняття рішень з питань безпечної та надійної експлуатації ЕКЗТ, ЕС “Міцність” можна назвати “інтелектуальною верхівкою” системи забезпечення цілісності в цілому. Функціонування ЕС “Міцність” в єдиному інформаційному просторі системи забезпечення цілісності надає можливість своєчасного та скоординованого прийняття рішень спеціалістами служб експлуатації по визначенню технічного стану та прийняття рішення щодо покращувальних заходів для безпечної експлуатації трубопровідних систем, резервуарів та посудин тиску. В процесі прийняття рішень, що забезпечують безаварійну експлуатацію ЕКЗТ на всіх етапах його життєвого циклу, потрібно використати системний підхід, який дозволяє врахувати всі чинники і взаємозв'язки реальної ситуації. Крім цього, міцнісний супровід потрібно орієнтувати на багаторівневе відображення життєвого циклу розвитку дефекту від його зародження до оцінки наслідків аварії, викликаної поширенням цього дефекту. Таким чином, створена методологічна площина досліджень в координатах "Життєвий цикл конструкції" і "Життєвий цикл розвитку дефекту" може претендувати на реалізацію принципу повноти в плані методичного забезпечення міцнісного супроводу безаварійної експлуатації ЕКЗТ. Засоби технічної діагностики (дефектоскопії) використовують вказане методичне забезпечення для оцінки небезпеки виявлених дефектів при обстеженні магістральних трубопроводів, резервуарів, казанів і посудин тиску за їх місцем знаходження. Тому третьою координатою, що відстежує рух вказаної методичної площини, є "Ідентифікація потенційно-небезпечних перерізів".

Точність оцінок, які формуються ЕС “Міцність”, цілком залежить від якості інформаціі, що створює набір її вхідних даних. Тому впровадження та повноцінне використання ЕС “Міцність” на підприємстві можливе тільки в складі системи забезпечення цілісності, яка є середовищем зберігання та обробки інформації.

ЕС “Міцність” складається з наступних блоків: система управління базами даних (СУБД) “Інформаційна модель об’єкта діагностики”; комплекс розрахунково-аналітичних модулів (КРАМ); технологічні задачі та рекомендації. Кожний з блоків має модульну архітектуру, що ілюструє функціонально-структурна блок-схема ЕС “Міцність” на рис. 6.

Функціонування ЕС “Міцність” підтримується СУБД “Інформаційна модель об'єкта діагностики”, що є основою інформаційного забезпечення ЕС “Міцність” та включає в себе програмно-методичний комплекс “Просторове положення, який в свою чергу складається з керуючої оболонки і баз даних (БД) “Об'єкти” та “Дефекти”, а також БД “Властивості”, БД “Навантаження”, локальних баз даних, що містять відомі рішення задач для типових дефектів і визначення КІН, граничного навантаження в'язкого руйнування , файли даних з визначення НДС, КІН, , звітів, тощо.

Рис. 6. Функціонально-структурна блок-схема ЕС “Міцність”

Основною частиною ЕС “Міцність” є КРАМ, що складається з програмно-методичних комплексів (ПМК), метою яких є реалізація у замкненому вигляді алгоритмів рішення задач міцності і довговічності відповідно до вибраних методик. Кожний ПМК, як правило, містить препроцесор (програмний модуль зв’язку з базами даних СУБД “Інформаційна модель об’єкту діагностики” ЕС “Міцність”) процесор (пакети прикладних програм, кожний з яких являє собою один із алгоритмізованих методів реалізації поставленої задачі) та постпроцесор (графічно-аналітичний інтерпретатор отриманих результатів). Критерієм вибору методик служить їх достовірність, апробація не тільки на зразках, але і на натурних виробах. Здобувачу належить ідея створення КРАМ ЕС “Міцність”, розробка архітектури КРАМ ЕС “Міцність”, постановка задач, створення, тестування та впровадження ПМК “Розрахунок НДС, ПМК “Розрахунок КІН, ПМК “Розрахунок ”, ПМК “ДОР”, ПМК “Імовірнісний аналіз руйнування”, що становлять основу КРАМ ЕС “Міцність”.

Роль ПМК “Розрахунок НДС” полягає в тому, що він встановлює систему координат для прив'язки іншої важливої інформації про стан трубопроводу (матеріали і їх властивості, дефекти і т.д.) з рівнем розрахованих напружень в кожному конкретному перерізі, точці трубопроводу, резервуару або посудини тиску. На основі інформації СУБД “Інформаційна модель об’єкту діагностики” (даних про планово-висотне та просторове положення ЕКЗТ, діючі зовнішні силові чинники (внутрішній тиск, температура, опір фундаментів або опор, взаємодія з іншими