Прогнозирование остаточного ресурса сосуда

6.4. Прогнозирование ресурса сосуда, работающего в условиях ползучести материала

6.4.1. Остаточный ресурс с учетом ползучести материалов (длительной прочности) определяется для сосудов, работающих при повышенных температурах, когда в расчетах на прочность допускаемое напряжение определяется по пределу длительной прочности или 1% предела ползучести для заданного срока эксплуатации (10 ч). Если нет таких данных, то температура, когда учитывается ползучесть, принимается равной и выше 380 °С для углеродистых сталей, 420 °С – для низколегированных сталей, 525 °С – для аустенитных сталей.

6.4.2. Остаточный ресурс сосудов, работающих при непрерывном режиме нагружения, определяется по формуле

,

где – фактическая минимальная толщина стенки элемента, мм;

– расчетная толщина стенки элемента, определенная по допускаемым напряжениям, учитывающим предел длительной прочности материала элемента (1% предела ползучести) для планируемого срока службы, мм;

– скорость равномерной коррозии (эрозионного изнашивания), мм/год.

Скорость равномерной коррозии (эрозии) определяется в соответствии с подразд.6.1 настоящих Методических указаний.

Предел длительной прочности (1% предел ползучести) или допускаемое напряжение для планируемого срока службы определяется по нормативной документации (например, по #M12291 1200004365ГОСТ 14249-89#S, ОСТ 108.031.08-85, ПНАЭ Г-7-002-86). Если в указанных НД нет таких данных, то предел длительной прочности для планируемого остаточного срока эксплуатации может быть определен в соответствии с рекомендациями подразд.7.9 настоящих Методических указаний.

6.4.3. Если имеется какой-либо установленный фактический размер диаметра сосуда или другого фиксированного размера в кольцевом направлении в местах с наиболее высокой температурой и при очередном диагностировании (не более 4 лет) выявлена остаточная деформация ползучести, то ресурс сосуда может быть определен по следующей зависимости:

,

где – скорость установившейся ползучести, %/год.

Остаточный ресурс сосуда в этом случае определяется по формуле

,

где – продолжительность эксплуатации от начала до последнего обследования.

Скорость установившейся ползучести определяется по формуле:

,

где , – фактический размер диаметра сосуда или другого фиксированного линейного размера в кольцевом направлении при первом и втором обследованиях соответственно, мм;

– время между первым и вторым обследованиями, лет;

– коэффициент, учитывающий отличие средней ожидаемой скорости ползучести от гарантированной скорости ползучести с доверительной вероятностью =0,7-0,95;

– коэффициент, учитывающий погрешность определения скорости ползучести по линейному закону, от скорости ползучести, рассчитанной по более точным нелинейным законам изменения контролируемого параметра.

Значения коэффициентов и следует принимать в пределах: =0,5-0,75; =0,75-1,0. При этом большие значения , принимаются при незначительной скорости ползучести (меньше 0,05% в год) и при общей остаточной деформации меньше 0,5%; меньшие значения , принимаются при значительной скорости ползучести (более 0,05% в год) и при общей остаточной деформации, превышающей 0,5%.

6.4.4. Если после проведения очередного диагностирования имеются три значения контролируемого параметра , , , полученные в моменты времени , , , то для определения скорости ползучести проводятся следующие вычисления. Вычисляются величины:

; ;

; .

После этого скорость ползучести определяется по формуле

.

6.4.5. Если число измерений контролируемого параметра ) больше или равно четырем (4), то расчет остаточного ресурса проводится в соответствии с нормативно-технической документацией [16].

6.4.6. Прогнозирование остаточного ресурса при циклических нагрузках в условиях ползучести проводится, если аппарат работает при температурах, вызывающих ползучесть, и при этом нагружается повторными тепловыми или механическими усилиями. В этом случае элементы аппарата должны быть рассчитаны на длительную циклическую прочность.

Расчеты на длительную циклическую прочность проводятся по нормам ПНАЭ Г-7-002-86 с помощью тех же формул, что и расчеты на циклическую прочность при температурах, не вызывающих ползучести. При этом в формулах вместо кратковременных механических характеристик материала используются механические характеристики, полученные при испытаниях на длительную статическую прочность (, , ).

– предел длительной прочности при максимальной температуре цикла нагружения за время .

– равномерное сужение поперечного сечения при длительном статическом разрушении;

– относительное удлинение образца при длительном статическом разрушении.

Остаточный ресурс определяется в соответствии с рекомендациями подразд.6.2.

6.5. Прогнозирование ресурса сосудов по критерию хрупкого разрушения

6.5.1. Определение остаточного ресурса по критерию хрупкого разрушения (трещиностойкости) проводится в следующих случаях.

1. Минимальная температура стенки сосуда при рабочих режимах эксплуатации или при гидроиспытании может быть меньше минимальной температуры, предусмотренной для применения стали в #M12291 1200001077Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-115-96)#S.

2. Сталь или сварные соединения при рабочих режимах эксплуатации или испытаний имеет ударную вязкость ниже значений, предусмотренных табл.8 #M12291 1200001077Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-115-96)#S, например, в результате наводораживания сталей.

3. При проведении дефектоскопии сосуда обнаружены дефекты, выходящие за пределы норм, установленных #M12291 1200028359Правилами проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных (ПБ 03-384-00)#S и ОСТ 24.201.03-90 “;Сосуды и аппараты стальные высокого давления. Общие технические требования”;. При этом проведение ремонта дефектных мест связано с большими техническими трудностями.

4. При проведении дефектоскопии выявлены отдельные трещины, которые после выборки были заварены и места ремонта проконтролированы на отсутствие дефектов.

6.5.2. Условие сопротивления хрупкому разрушению проверяется выполнением следующего соотношения:

,

где – коэффициент интенсивности напряжений;

[] – допускаемый коэффициент интенсивности напряжений.

Коэффициент интенсивности напряжений определяется в соответствии с нормами, изложенными в ПНАЭ Г-7-002-86.

Для первого случая п.6.5.1 (при отсутствии информации о дефекте) при определении , принимается условная поверхностная трещина глубиной =0,25 и полудлиной =1,5.

Для первого случая при оценке хрупкой прочности можно провести расчет по критерию “;течь перед разрушением”;.

Использование критерия “;течь перед разрушением”; предусматривает выполнение условия, при котором процессу неконтролируемого роста трещины (хрупкому разрушению) предшествует образование сквозного дефекта на стадии ее медленного подрастания, то есть значение критического размера дефекта больше, чем толщина стенки элемента сосуда, в котором имеется дефект:

.

Критический размер дефекта рассчитывается по формуле

,

где – критический коэффициент интенсивности напряжений в материале сосуда;

– параметр, зависящий от конструкции сосуда, формы трещины и напряженного состояния;

– максимальное напряжение в зоне дефекта.

Параметр определяется по справочной литературе.

Условие трещиностойкости по критерию “;течь перед разрушением”; может быть записано в следующем виде:

,

где – коэффициент запаса по критическому размеру дефекта.

Учитывая, что коэффициент запаса прочности по коэффициенту интенсивности напряжений равен 2, значение коэффициента следует принимать =4.

Если снижение температуры по сравнению с требованиями #M12291 1200001077Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-115-96)#S, не более 20 °С, то проверку на хрупкое разрушение можно провести на основании выполнения расчетов на прочность при пониженных допускаемых напряжениях. При толщине стенки меньше 36 мм и проведении термообработки сосуда допускаемое напряжение, определяемое по #M12291 1200004365ГОСТ 14249-89#S, должно быть понижено в 1,35 раза. При отсутствии термообработки допускаемое напряжение снижается в 2,85 раза.

Для третьего случая, рассмотренного в п.6.5.1, когда в процессе дефектоскопии обнаружены недопустимые один или несколько дефектов, расчет проводится для трещиноподобного дефекта. Размеры дефекта и его глубина залегания определяются по результатам дефектоскопии. Учитывая, что коэффициент интенсивности напряжений зависит от размеров дефекта и величины напряжений, в расчете (при наличии нескольких дефектов), рассматривается наихудшее их сочетание и определяется максимальная возможная интенсивность напряжений.

Для четвертого случая, рассмотренного в п.6.5.1, когда в процессе дефектоскопии обнаружены отдельные трещины, расчет коэффициента интенсивности напряжений проводится для фактических размеров трещины, обнаруженной в сосуде.

Допускаемый коэффициент интенсивности напряжений определяется по формуле

,

где – критический коэффициент интенсивности напряжений;

– коэффициент запаса прочности по трещиностойкости. Для рабочих условий =2; для условий испытаний =1,5.

Критический коэффициент интенсивности напряжений может определяться на основании результатов испытания материала на хрупкое разрушение в соответствии с требованиями #M12291 1200004652ГОСТ 25.506-85#S [22] для рабочих условий эксплуатации или условий испытаний. Если проведение таких испытаний невозможно, то значение допускаемого коэффициента интенсивности напряжений рекомендуется определять по ПНАЭ Г-7-002-86. При определении допускаемого коэффициента интенсивности напряжений по ПНАЭ Г-7-002-86 за критическую температуру хрупкости материала следует принимать минимальную температуру применения сталей, предусмотренную #M12291 1200028359Правилами проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных (ПБ 03-384-00)#S и ОСТ 24.201.03-90 “;Сосуды и аппараты стальные высокого давления. Общие технические требования”;.

6.5.3. Определение остаточного ресурса.

Остаточный ресурс определяется в зависимости от первоначального расчетного срока , от объема контроля при техническом диагностировании и от вероятности хрупкого разрушения сосуда.

Остаточный ресурс определяется по формуле

,

где – расчетный срок службы сосуда. Если в паспорте сосуда срок не указан, то принимается 20 лет;

– коэффициент, определяемый по рис.6.1 в зависимости от объема контроля при техническом диагностировании.

Рис.6.1

Для первого, второго и четвертого случаев п.6.5.1 коэффициент определяется по кривой I рис.6.1. Для третьего случая п.6.5.1 – по кривой II.

6.6. Определение гарантированного (гамма-процентного) и среднего остаточных ресурсов сосудов и аппаратов

В заключении, подготавливаемом по результатам диагностирования сосудов и аппаратов, должен указываться допускаемый срок их безопасной эксплуатации или гарантированный остаточный ресурс.

Этот ресурс должен рассчитываться для возможного наименее благоприятного режима предстоящей эксплуатации с учетом максимальной возможной погрешности контроля параметров, определяющих техническое состояние сосуда (аппарата).

В тех случаях, когда указанные факторы определяются в детерминированных значениях (однозначно), то гарантированный остаточный ресурс определяется по минимальным (либо максимальным) значениям установленных при диагностировании сосуда параметров.

Например, если при периодическом контроле скорости коррозии стенок сосуда установлены максимальная скорость коррозии , минимальная толщина стенки сосуда , определенная при последнем диагностировании, расчетная толщина стенки , то в этом случае остаточный гарантированный ресурс сосуда по критерию коррозионной стойкости определяется по формуле

. (6.8)

В тех случаях, когда прогнозирование ресурса осуществляют по результатам выборочного контроля параметров, имеющих некоторый естественный разброс (см. подразд.4.2), то при определении остаточного ресурса рассчитывают средний и гамма-процентный остаточные ресурсы.

Средний ресурс представляет собой наиболее вероятное (ожидаемое) значение ресурса сосуда, по которому можно планировать необходимые затраты на ремонт или замену сосуда. Гамма-процентный ресурс определяет минимальное значение ресурса, которое способен отработать сосуд при обеспечении нормативных запасов прочности с доверительной вероятностью , достаточно близкой к единице. При этом остается некоторая вероятность (1-) выхода контролируемых параметров за пределы нормативных значений; при реализации этой вероятности потребуется остановка сосуда для проведения внепланового диагностирования.

В соответствии с #M12291 1200006317Методическими указаниями по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России (РД 09-102-95)#S [23], при определении гамма-процентного ресурса рекомендуется принимать значение 90%.

Формулы для вычисления гамма-процентного и среднего остаточного ресурса сосудов и аппаратов для различных вариантов исходных данных по параметрам технического состояния приведены в Методике прогнозирования остаточного ресурса безопасной эксплуатации сосудов и аппаратов по изменению параметров технического состояния [16].

Если в процессе эксплуатации исходные характеристики материала сосуда могут изменяться под воздействием среды или минусовых температур, то предельное состоя