Способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда

Способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда относится к методикам оценки ресурса металла труб трубопроводов и корпусов аппаратов и может быть использован в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение точности. Способ включает определение основных механических, геометрических параметров (предела текучести металла, внутреннего и внешнего диаметров, толщины стенки), основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры на входе и выходе трубопровода или сосуда, угла натекания потока на стенку, загрязненности механическими примесями) и определение ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда по расчетной формуле.

 

Изобретение относится к методикам оценки ресурса металла труб трубопроводов и корпусов аппаратов, используемых в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения ресурса металла (патент РФ № 2139515 от 10.10.99 года, МПК⁷ G01N 3/00). Способ заключается в том, что часть образцов металла подвергают отжигу, термоупрочнению или операции нагартовки, все образцы подвергают испытаниям растяжением, по результатам механических испытаний строят кривые деформирования , для всех образцов и для всех состояний образцов определяют предел текучести [σ], предел прочности σ_B, по этим характеристикам определяют зависимости текущей меры повреждения Р_σ:

и критерия повреждения:

Сравнивая значения текущей меры повреждения Р_σ с критерием Р_r=const, определяют запас по ресурсу, а меру повреждения металла в момент времени t определяют по формуле

,

где - ядро повреждений в начальный момент времени;

Π - ядро повреждений;

t - текущее время;

σ(t) - функция процесса нагружения;

σ⁰ - заданное постоянное напряжение;

σ(τ) - расчетное повреждение;

τ - время интегрирования,

сравнивая расчетное значение меры повреждений P(t) с критерием повреждений Р=const, определяют полный ресурс или оставшуюся долю ресурса конструкции из данного металла.

В процессе механических испытаний измеряют физические параметры образцов металла методами неразрушающего контроля, также этими методами исследуют конструкцию из данного металла для определения текущей меры повреждения Р и критерия повреждения Р_r.

Основным недостатком данного способа является то, что при определении ресурса металла не учитываются газогидродинамические и термодинамические параметры среды, которая на него будет воздействовать во время эксплуатации. В связи с этим определение ресурсного состояния металла данным способом не дает объективной оценки.

Более близким к заявляемому способу по технической сущности является способ определения ресурса металла магистрального трубопровода (Патент РФ 2226681 С1 от 19.08.02, МПК⁷ G01N 3/00). Способ заключается в изготовлении образцов из металла труб, проведении механических испытаний и определении остаточного ресурса, причем образцы делят на две равные группы, одну из которых предварительно подвергают термообработке, а остаточный ресурс определяют по формуле

где T₁ - время эксплуатации труб;

P_C - среднее давление, при котором эксплуатировались трубы;

Р_H - давление, при котором будут эксплуатироваться трубы;

Y₀ - значение параметров (относительного удлинения δ, ударной вязкости образцов a_H с круглыми KCU и острыми KCV надрезами) механических свойств термообработанного металла;

Y₁ - значение параметров (δ, a_H KCU, a_H KCV) механических свойств металла трубы на момент определения остаточного ресурса;

Y_H - нормативное значение параметров (δ, a_H KCU, a_H KCV) механических свойств металла труб.

В описанном способе учитываются средние величины давления Р_C, которое действовало на металл при эксплуатации трубопровода, и Р_H, которое будет действовать на металл при дальнейшей эксплуатации трубопровода, а также время T₁ эксплуатации трубопровода. Это повышает объективность оценки ресурса металла по сравнению с аналогом.

Однако данный способ определения ресурса металла не учитывает воздействие на него основных параметров потоков текучих сред. К этим параметрам относятся расход, давление и температура в начале трубопровода или на входе сосуда, а также на их выходе, угол натекания потока на рабочую поверхность, загрязненность механическими примесями потока. Общеизвестно, что указанные параметры потоков текучих сред разрушающе действуют на металл трубопроводов и корпуса сосудов. В связи с этим описанный выше способ определения ресурса металла не отражает объективную реальность и не является точным.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности определения ресурса металла трубопроводов и корпусов сосудов.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда, включающем определение основных механических, геометрических параметров (предела текучести металла, диаметров внутреннего и внешнего, толщины стенки) и определение ресурса, дополнительно определяют основные параметры текучей среды (расход, давление и температуру на входе и выходе трубопровода или сосуда, угол натекания потока на стенку, загрязненность механическими примесями), а ресурс определяется по формуле

где τ - ресурс металла, год;

V_M - объем металла в стенках трубопровода или корпуса сосуда, м³;

[σ] - энергия связей между частицами металла, числено равная напряжению металла на разрыв, Н/м²;

3,1536*10⁷ - количество секунд в году;

K - коэффициент загрязненности потока (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

U - напряжение металла под действием избыточного внутреннего давления в трубопроводе или корпусе сосуда, Н/м²;

α - величина угла натекания потока на поверхность стенки, градус;

Е - расход энергии на течение потока среды через трубопровод или сосуд, Дж/с.

Дополнительное определение основных параметров текучей среды (расхода, давления и температуры на входе и выходе трубопровода или сосуда, угла натекания потока на стенку, загрязненности механическими примесями) позволяет учесть энергию потока, действующую на металл трубопровода или корпуса сосуда.

Формула

является выражением ресурса τ металла стенок трубопровода или корпуса сосуда. Она отражает во времени процесс ослабления энергии [σ] связей между частицами металла (численно равной напряжению металла на разрыв), находящегося в объеме V_M стенок трубопровода или корпуса сосуда, в зависимости от:

- напряжения U металла, находящегося под действием избыточного внутреннего давления в трубопроводе или корпусе сосуда;

- расхода Е энергии на течение потока среды через трубопровод или сосуд;

- загрязненности K потока механическими примесями;

- величины угла α натекания потока на поверхность стенки.

Напряжение U металла, находящегося под действием избыточного внутреннего давления среды, уменьшает энергию [σ] связей между частицами металла, что выражается разностью величин [σ] и U в числителе.

Расход энергии Е на течение потока среды через трубопровод или сосуд влияет на уменьшение энергии [σ] связей между частицами металла, т.е. на его деградацию и, в конечном итоге, на его разрушение.

Это влияние зависит от угла α натекания потока на поверхность стенки. Оно выражается произведением Е Sinα, величина которого тем больше, чем больше угол α. При α=90° влияние расхода энергии Е на уменьшение энергии [σ] связей между частицами металла максимально. С уменьшением величины угла α натекания потока соответственно снижается и влияние расхода энергии Е на уменьшение энергии [σ] связей между частицами металла. Необходимо отметить то, что угол натекания α присутствует даже в потоке среды, движущейся параллельно поверхности трубы или корпуса сосуда, т.к. всегда имеются шероховатость поверхности, некоторая ее волнообразность, конусности прямая и обратная, а также прочие дефекты механической обработки. Конечно, в этом случае величина угла α небольшая и находится в пределах от 1*10^-9 до 1*10^-3 градуса.

На снижение энергии [σ] связей между частицами металла влияет загрязненность текучей среды механическими примесями, особенно абразивами. Загрязненность учитывается коэффициентом К. Коэффициент K=1, если среда чистая и не имеет абразивных частиц. Если среда загрязнена абразивными частицами, то величина коэффициента K>1. Причем чем больше в процентном отношении абразива, тем больше коэффициент К. Например, при наличии песка в газовом потоке от 1 до 3 мг/м³ K=1,1-1,11.

Кроме коэффициента K и остальные учитываемые параметры являются физическими величинами, которые имеют соответствующие размерности. Объективная закономерность, выраженная взаимосвязью этих параметров в формуле, приводит к определению времени ресурса τ металла в секундах. В связи с тем, что год содержит 3,1536*10⁷ секунд, эта величина находится в знаменателе, и определяемая величина ресурса металла по данной формуле обозначается в годах.

Формула достаточно объективно отражает процесс уменьшения энергии [σ] связей между частицами металла во времени (т.е. его деградацию), поэтому при определении по ней ресурса τ металла достигается точность, достаточная для инженерных расчетов. Расхождение расчетных величин с опытными данными не превышает 3%.

Авторам не известны из существующего уровня техники способы определения ресурса металла трубопроводов и корпусов сосудов, в которых увеличение точности достигалось бы указанным выше способом.

Практическая реализация предлагаемого способа определения ресурса металла трубопроводов и корпусов сосудов представлена двумя примерами для газопровода и нефтепровода.

ПРИМЕР 1

Предлагаемый способ определения ресурса металла газопровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры газопровода: энергия связей между частицами металла, численно равная напряжению металла на разрыв [σ]=5*10⁸ Н/м²; внешний диаметр D₁=0,529 м; внутренний диаметр D₂=0,513 м; толщину стенки S=0,008 м; длину L=2850 м; объем металла V_M=37,2994 м³ в стенке газопровода.

Дополнительно определяют основные параметры текучей среды: расход газа G=400 кг/с; газовую постоянную R=514 Дж/(кг К); показатель адиабаты k=1,29; давление газа Р₁=3,6*10⁶ Па (Н/м²) на входе газопровода; давление газа P₂=3,4*10⁶ Па на выходе газопровода; температуру газа T₁=288 К на входе газопровода; температуру газа Т₂=286 К на выходе газопровода; коэффициент загрязненности потока К=1,11 (наличие от 1 до 3 мг механических примесей на 1 м³ газа); величину угла α=8*10^-5 град натекания потока на поверхность стенки.

Наружное давление окружающей среды над газопроводом P₀=1,02*10⁵ Па.

Напряжение U металла газопровода под действием избыточного внутреннего давления рассчитывается по формуле

Расход Е энергии на течение потока газа через трубопровод рассчитывается по формуле

Ресурс τ металла газопровода определяется по формуле

ПРИМЕР-2

Предлагаемый способ определения ресурса металла нефтепровода осуществляется следующим образом.

Определяют основные механические и геометрические параметры нефтепровода: энергия связей между частицами металла, численно равная напряжению металла на разрыв [σ]=5*10⁸ Н/м²; внешний диаметр D₁=0,529 м; внутренний диаметр D₂=0,513 м; толщину стенки S=0,008 м; длину L=2850 м; объем металла V_M=37,2994 м³ в стенке нефтепровода.

Дополнительно определяют основные параметры текучей среды (нефти): расход G=800 кг/с; давление Р₁=3,5*10⁶ Па (Н/м²) на входе нефтепровода; давление Р₂=2,9*10⁶ Па на выходе нефтепровода; плотность ρ=750 кг/м³; коэффициент загрязненности потока K=1,11; величину угла α=1,8*10^-6 град натекания потока на поверхность стенки.

Напряжение U металла нефтепровода под действием избыточного внутреннего давления рассчитывается по формуле

Расход Е энергии на течение потока нефти через нефтепровод рассчитывается по формуле

Ресурс металла τ нефтепровода определяется по формуле

Способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда, включающий определение основных механических, геометрических параметров (предела текучести металла, внутреннего и внешнего диаметров, толщины стенки) и определение ресурса, отличающийся тем, что дополнительно определяют основные параметры текучей среды (расход, давление и температуру на входе и выходе трубопровода или сосуда, угол натекания потока на стенку, загрязненность механическими примесями), а ресурс определяется по формуле

где τ - ресурс металла, год;

V_M - объем металла в стенке трубы или корпуса сосуда, м³;

[σ] - энергия связей между частицами металла, численно равная напряжению металла на разрыв, Н/м²;

3,1536·10⁷ - количество секунд в году;

K - коэффициент загрязненности потока (чистый поток K=1; загрязненный поток K>1);

U - напряжение металла под действием избыточного внутреннего давления в трубопроводе или корпусе сосуда, Н/м²;

α - величина угла натекания потока на поверхность стенки, град.;

Е - расход энергии на течение потока среды через трубопровод или сосуд, Дж/с.