1.2 Анализ появления микротрещин в трубопроводе

Основными источниками повреждений трубопроводов, сосудов и аппаратов, находящихся в эксплуатации на объектах нефтяной, газовой и нефтехимической промышленности, являются зоны концентрации механических напряжений.

Явное описание поверхности трещины при выполнении условия разрушения приводит к некоторым особенностям и ограничениям при использовании тех или иных критериев разрушения.

Одной из характерных особенностей методов с явным определением поверхности трещины является то, что при выполнении условия разрушения необходимо «скорректировать» значение параметра поврежденности в этой точке (рисунок 1.1).

а б

Рисунок 1.1. Корректировка значения параметра поврежденности:

а – поврежденность достигла критического значения; б – поврежденность превысила критическое значение

Это необходимо для того, чтобы избежать повторного срабатывания критерия разрушения в этом месте на следующем шаге по времени и имеет под собой реальное физическое обоснование: при возникновении трещины поврежденность, как правило, локализуется в достаточно узкой области, которая и становится плоскостью трещины. Если принять область (рисунок 1.1) за характерный объем, а в качестве условия разрушения взять наличие ми кротрещины определенной длины, то видно, что после разделения материал на берегах трещины имеет остаточное значение параметра поврежденности, меньше критического (рисунок 1.2, а–в).

а б в

Рисунок 1.2. Процесс образования микротрещины: а – рост поврежденности, например, образование микротрещин; б – локализация поврежденности в магистральную трещину; в – поврежденность достигла критического значения

В НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова ведется разработка промышленного образца локатора микротрещин, основанного на эффектах нелинейной акустики. Результаты теоретических работ академических институтов и совместные испытания макета локатора в НИИИС и ИПФ РАН подтверждают возможность обнаружения реальных трещин (микротрещин, колоний трещин) на фоне других типов дефектов на расстояниях до 2 метров и более. Работы по возбуждению высокочастотной ультразвуковой волны в трубах из нержавеющей стали малого диаметра (до 8 мм), подтверждают возможность обнаружения дефектов на расстоянии до двух метров как при локации на «отражение», так и при локации на «просвет». Используя существующие методы возбуждения низкочастотных изгибных колебаний в стержнях, можно осуществлять модуляцию трещин. Полученные в результате данные можно использовать для разработки технических средств по обнаружению трещин в трубах парогенераторов, импульсных трубках системы контроля технологических параметров трубопроводов первого и второго контуров ядерных энергетических установок. Использование непрерывных ультразвуковых волн диапазона сотен килогерц, определение изменения их параметров (амплитуды, фазы) при низкочастотной вибрации, после механического удара, показывают возможность создания аппаратуры интегральной диагностики трещин и изменения структуры металла в многоэлементных, сложных металлоконструкциях ядерных энергетических установок.

Элементы машин, механизмов, конструкции и трубопроводы испытывают во времени целый ряд труднопредсказуемых изменений, приводящих к варьированию их напряженного состояния вследствие изменения нагрузок, колебаний температуры в течение суток, года (лето – зима). Особенно опасны локальные колебания температуры весной, когда открытые части металлоконструкции (например, трубопроводы) интенсивно прогреваются, в то время как закрытые мерзлым грунтом части жестко закреплены. Оттаивание грунта в условиях многолетней мерзлоты приводит к его непредсказуемым деформациям как вертикальным, так и горизонтальным и, соответственно, к деформациям протяженных металлоконструкций, к появлению значительных напряжений. Действия этих напряжений совместно с внутренними и рабочими напряжениями создают предпосылки для разрушения труб и возникновения аварий. Учесть эти факторы расчетными методами не всегда удается как в случае разрушения Московского аквапарка и конструкций аэропорта в Париже. Все это подчеркивает важность контроля напряженного состояния участков трубопроводов, например, в местах перехода через водные преграды, дороги, в местах образования промывов и провисания трубопровода, в местах выпучивания труб в геодинамических зонах и на участках неодинакового промерзания грунта, обусловленного неоднородностью его теплопроводности, изменения ледовой и снеговой нагрузки.

Другим, практически не изученным фактором, который может сказаться на надежности металлоконструкций, является медленно изменяющиеся напряжения на фоне статически действующей нагрузки. Хотя эти напряжения много меньше предела текучести, роль их велика в механизме возникновения усталостных трещин, а в конечном итоге в поломке элемента конструкции. Динамические напряжения, действующие на фоне статических, согласно современным представлениям, являются одним из факторов, приводящих к стресс-коррозионному разрушению металла МТ.

Разрушение детали под действием циклических нагрузок начинается с образования в зоне повышенных напряжений микротрещин, которые, постепенно развиваясь, проникают вглубь металла и ослабляют несущее сечение до уровня, при котором происходит разрушение.

Требует также своего изучения и влияние зон пластичности, возникающих как при изготовлении, так и эксплуатации металлоконструкций и трубопроводов, на их надежность в условиях напряженного состояния, обусловленного действием суммарных сил (внешними сжимающими или растягивающими напряжениями, внутренними напряжениями).

Элементы конструкции предназначены для того, чтобы выдерживать заданную нагрузку. Эти нагрузки рассчитываются на этапе конструирования. Для этого необходимо знать источники механических напряжений, иметь эквивалентный математический аппарат для вычисления. Однако оценки напряжений с помощью расчетов в ряде случаев сильно расходятся из-за неопределенностей в исходных данных, выбора методики расчета и изменяющихся в процессе эксплуатации конструкции условий. Реальные условия эксплуатации металлоконструкций чрезвычайно разнообразны, и учесть их расчетами в полной мере невозможно, что доказывает разброс значений коэффициента запаса прочности в различных теориях.

Поэтому разработка новых методов является актуальной, позволяющей косвенно осуществлять оперативное определение напряжений приборными (в идеале дистанционно) средствами, таким образом, становится понятным, почему уделяется столь большое внимание во всем мире разработке неразрушающих методов и средств измерения напряжений.