Применение компактных образцов для определения механических характеристик сталей при расследовании аварий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат наук Хасанов Рим Наилевич

• Хасанов Рим Наилевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Хасанов Рим Наилевич

Введение

Глава 1 Аварии в нефтегазовой отрасли и расследование их причин

1.1 Катастрофические разрушения и их причины

1.2 Порядок расследования аварий

1.3 Определение механических характеристик сталей с применением компактных образцов

Выводы по главе

Глава 2 Объекты и методы исследования

2.1 Стандартные механические испытания

2.2 Испытание малым ударом

2.3 Испытание плоских тонких образцов

2.4 Усталостные испытания

2.5 Определение химического состава металлов

2.6 Определение толщины образцов

2.7 Определение твердости металлических образцов по методу

47

Роквелла

2.8 Алгоритм испытания металла с аварийного компенсатора

Выводы по главе

Глава 3 Определение механических свойств конструкционных сталей

методом Small Punch Test (SPT)

3.1 Использование компактных образцов типа SPT для определения механических характеристик

3.2 Оценка возможности использования компактных образцов для определения уровня накопления усталостных повреждений

Выводы по главе

Глава 4 Определение работы разрушения на плоских образцах

4.1 Разработка метода испытания плоских тонких образцов

4.2 Оценка влияния толщины испытуемых образцов на удельную работу разрушения

4.3 Природа зависимости удельной энергии разрушения от

толщины образца

Выводы по главе

Глава 5 Расследование причин аварии компенсатора

5.1 Компенсатор, как объект исследования

5.2 Результаты определения химического состава

5.3 Результаты измерения толщины образцов

5.4 Результаты проведения испытаний на растяжение плоских прямоугольных образцов

5.5 Результаты проведения испытаний на сжатие мини-образцов

5.6 Результаты измерения твердости

5.7 Определение удельной работы разрушения

5.7.1 Плоские прямоугольные образцы

5.7.2 Мини-образцы

Выводы по главе

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б Акты о внедрении

Приложение В Стандарт ФГБОУ ВО «УГНТУ» СТО

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение компактных образцов для определения механических характеристик сталей при расследовании аварий»

Актуальность работы

В России большое внимание уделяется обеспечению безопасности опасных производственных объектов (ОПО). Совершенствуется научно-методическая база прогнозирования рисков эксплуатации таких объектов. Многочисленные исследования в этой области обобщены в трудах Н.А. Махутова, В.В. Москвичева, А.М. Козлитина, В.И. Ларионова, В.Н. Пермякова и др. Однако аварии случаются, причем самого различного уровня сложности. Все виды оборудования в процессе эксплуатации испытывают статические и динамические нагрузки, которые приводят к накоплению повреждений на различных масштабных уровнях. Этот процесс накопления повреждений приводит к изменению физико-механических характеристик конструкционных материалов и обозначается термином деградация свойств.

Последствия аварий высшей сложности, таких как атомная станция Фукусима, Саяно-Шушенская ГЭС, для населения катастрофичны, наносят трудно поправимый ущерб окружающей среде, приводят к человеческим жертвам. На фоне крупномасштабных аварий не так заметны небольшие аварии, которые локализуются в масштабе предприятий. Однако их число существенно больше, чем крупных, а суммарный ущерб значителен. Обращает внимание на себя факт, что многие аварии протекают по сходному сценарию, а как главную причину определяют человеческий фактор.

Многие аварии носят каскадный характер и реализуются с вовлечением множества объектов. Расследование причин таких аварий методически реализовать очень сложно, поскольку разрушения охватывают десятки связанных между собой объектов. Очень трудно эпицентр таких разрушений идентифицировать из-за того, что фрагменты оборудования в зоне аварии сильно искажены, отбор проб для анализа затруднен. При этом из отобранных проб затруднительно изготовить стандартные образцы. Отсутствие возможности

изготовить стандартные образцы приводит к тому, что не всегда устанавливаются истинные причины разрушений и аварии повторяются.

В мировой практике для определения механических характеристик конструкционного материала при небольшом количестве проб и небольших фрагментах отобранного металла применяются компактные образцы в виде таблеток. Небольшие образцы с шевронными разрезами используются для определений коэффициента интенсивности напряжений. Эти исследования малочисленны для нефтегазовой отрасли и нет общего алгоритма проведения анализа с точки зрения оценки причин разрушения. В связи с этим разработка методики анализа металла с целью установления причин аварий с использованием компактных образцов является актуальной проблемой.

Степень разработанности проблемы

Последние пятнадцать лет проводится большой объем исследований по различным аспектам применения компактных образцов для оценки механических свойств различных металлов зарубежными (Zhao-Xi Wang, Hui-Ji Shi, Jian Lu, Pan Shi, Xian-Feng Ma, Hyde T.H., Sun W., Williams J.A., Blagoeva D.T., Hurst R.C., Khertsberg R.V., Gianola D.S., Eberl C., Chang Hee Suh, Yun-Chul Jung, Young Suk Kim и др.) и отечественными учеными (Самигуллин Г.Х., Наумкин Е.А., Рахимкулов Р.Р. и др.). Механические характеристики в основном определяют на SPT-образцах, представляющих собой диски различных диаметров и толщин, которые протыкаются индентором. При этом производится запись параметров разрушения, и определяются механические характеристики. Недостатком данного метода является то, что в зоне разрушения образца реализуется сложное напряженное состояние с различным соотношением деформаций среза, изгиба и растяжения. Это соотношение влияет на вид диаграммы разрушения и на значения, определяемых механических характеристик. В связи с этим для уточнения характера разрушения металла компактных образцов используют численные методы анализа напряженно-деформированного состояния. Физические и численные эксперименты в основном применяется для изучения

характеристик медицинского инструмента. В области промышленной безопасности, описанные выше методы, используются значительно реже, что является еще одним аргументом для более интенсивного изучения возможности использования компактных образцов для определения причин аварийного разрушения оборудования.

Соответствие паспорту заявленной специальности

Тема и содержание диссертационной работы соответствует пункту 9 паспорта специальности 05.26.03 «Исследование процессов протекания аварий, условий их каскадного и катастрофического развития, разработка методов оценки различных воздействий, проявляющихся в процессе развития аварий на нефтегазовых объектах».

Цель работы

Оценка уровня воздействия рабочих параметров и поражающих факторов на степень деградации конструкционного материала, отобранного из эпицентра аварии оборудования нефтегазовых технологий.

Задачи исследования:

1 Провести анализ существующих методов оценки степени деградации конструкционных материалов.

2 Разработать специальную оснастку и провести испытания компактных SPT- образцов с целью определения механических характеристик сталей.

3 Определить удельную работу разрушения (работу разрушения на единицу площади сечения) на тонких прямоугольных плоских стальных образцах.

4 Изучить особенности разрушения линзового компенсатора при реализации аварии на технологической установке.

5 Разработать алгоритм анализа образцов, отобранных с оборудования претерпевшего аварийное разрушение.

Научная новизна

1 Получена логарифмическая зависимость удельной работы разрушения от толщины тонких плоских испытуемых стальных образцов. Показано, что при

толщине образцов выше 4 мм удельная работа разрушения слабо зависит от толщины. Получены переходные коэффициенты для перевода значений предела текучести и предела прочности сталей, полученных на компактных образцах, к результатам стандартных испытаний.

2 Показано, что испытание конструкционного материала с различным уровнем накопления повреждений с использованием тонких прямоугольных и SPT образцов позволяет определить степень деградации материала. При этом выделено три области ресурса различающиеся по степени его исчерпания для образцов различной толщины: область проектного износа (А), область запроектного износа (Б) и область катастрофического исчерпания ресурса (В). В случае аварийного разрушения компенсатора непосредственно в зоне трещины работа разрушения составляет 200-500 Н/мм, что соответствует катастрофическому исчерпанию ресурса, а вне зоны разрушения 5500-6600 Н/мм, что соответствует области проектного износа. Полученные данные по измерению распределения химических элементов в металле в зоне разрушения, показали превышение содержания серы в металле на два порядка выше стандартных значений. Это указывает на то, что в нарушение проектного регламента на установке перерабатывалось сырье, содержание серы в которой было недопустимо высокое для используемого конструкционного материала. Это привело к интенсивному коррозионному износу, способствовавшему потере несущей способности конструкции при возникшей аварийной ситуации.

Теоретическая значимость работы

Значимость для теории проведенных исследований заключается в том, что применение компактных образцов для анализа металла с эпицентра разрушения оборудования на различном удалении от трещины, позволяет уточнить механизм и причины разрушения.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в использовании алгоритма оценки степени деградации конструкционных материалов с использованием

компактных образцов для определения удельной работы разрушения, которая использована при разработке стандарта ФГБОУ ВО «УГНТУ» СТО «Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза».

Основные результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «УГНТУ» при чтении лекций по дисциплине «Физические основы разрушения конструкционных материалов» для бакалавров, обучающихся по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование».

Методология и методы исследований

Методология исследования базируется на использовании стандартных и оригинальных методов анализа уровня деградации конструкционных материалов в эпицентре аварийного разрушения оборудования.

В диссертационной работе использовано для достижения цели построение диаграмм распределения удельной работы разрушения на образцах в состоянии поставки и их сравнение с диаграммами, полученными на образцах с накопленным повреждением в условиях эксплуатации и аварийного разрушения.

Положения, выносимые на защиту:

1 Алгоритм определения механизма аварийного разрушения элементов оборудования с использованием компактных образцов для оценки локальных механических характеристик конструкционного материала из эпицентра разрушения.

2 Метод оценки уровня деградации конструкционного материала с использованием в качестве определяющего параметра удельной работы разрушения компактных образцов.

3 Рекомендации по введению в практику расследования причин аварии обязательного химического анализа металла из эпицентра разрушения.

Степень достоверности и апробация результатов

Обеспечивается комплексным использованием современных методов экспериментальных исследований, осуществленных на оборудовании,

прошедшем государственную поверку, и согласованностью результатов лабораторных испытаний с современными представлениями о механизмах разрушения оборудования.

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на 9-й Международной молодежной научной конференции (Уфа, 2019), 45-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Уфа, 2018), 69-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2018), Международной научно-технической конференции, посвященной дню Химика и 40-летию кафедры химико-технологических процессов филиала УГНТУ в г. Салавате «Прикладная наука как инструмент развития нефтехимических производств» (Уфа, 2017).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК Министерства науки и высшего образования РФ, 4 статьи в международных базах Scopus и Web of Science.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 104 наименований, содержит 177 страниц машинописного текста, 74 рисунка, 33 таблицы.

Автор выражает благодарность научному консультанту кандидату технических наук Гафаровой Виктории Александровне за помощь в проведении исследований.

ГЛАВА 1 АВАРИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ И РАССЛЕДОВАНИЕ

ИХ ПРИЧИН

1.1 Катастрофические разрушения и их причины

Катастрофические разрушения случаются. Они случаются, несмотря на существование громоздкой системы проверки технического состояния особо опасных с этой точки зрения объектов. Нас будут интересовать разрушения объектов нефтегазовой отрасли, поскольку эти объекты пронизывают всю страну и поэтому опасны для населения. Нефтегазовую отрасль удобно рассматривать по всей цепочке: от добычи, транспорта, хранения, переработки углеводородов до их потребления. В каждом элементе этой системы есть свои особенности и потенциал угрозы для населения и окружающей среды.

На Рисунках 1.1 и 1.2 [1] показано распределение по годам опасных событий и смертельных случаев в нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической промышленности и объектах нефтепродуктообеспечения.

25 -| 20 -

5 15 —

I 10 Н

23

19 1219 1818 18 , штш

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

□ Число опасных событий в России

* Число несчастных случаев со смертельным исходом в России

Рисунок 1.1 - Динамика аварийности и производственного травматизма за 2007-2015 гг. в нефтегазодобывающей промышленности [1]

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 □ Число опасных событий в Россгш

■ Число несчастных случаев со смертельным исходом в России

Рисунок 1.2 - Динамика аварийности и производственного травматизма за 2007-2015 г.г. в нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической промышленности и объектах нефтепродуктообеспечения [1]

За редким исключением в стране происходит 10 и более событий в год, сопровождающихся смертельными случаями.

В мировой практике такие катастрофические события не так уж редки. На Рисунке 1.3 показана фотография катастрофического пожара на платформе «Пайпер Альфа», при ликвидации которого из 226 человек обслуживающего персонала погибло 167 [2]. Катастрофические разрушения в замкнутом пространстве наиболее опасны для обслуживающего персонала, поэтому так велико число погибших. В 1980 году авария на платформе ALEXANDER L. KIELL AND DRILLING RIG в Шотландии унесла жизни 123 человек из 212 обслуживающего персонала в марте 1980 года [2]. Буровая установка SEACREST DRILLSHIP 3 ноября 1989 года в результате шторма в Южно-Китайском море была сорвана с якоря и только 5 ноября была обнаружена перевернутой, при этом персонал в количестве 91 человек погиб.

На Рисунке 1.4 показана катастрофа на платформе Bombay High North, когда вспомогательное судно в результате сильного ветра столкнулось с

платформой и разрушило трубопровод для сбора газа, вызвало утечку газа и взрыв.

Рисунок 1.3 - Катастрофа на платформе «Пайпер Альфа» [2]

В результате аварии погибло 22 человека, было потеряно 120 тысяч баррелей нефти и 4,4 миллиона кубических метров газа. Это случилось в конце июля 2005 года, а компании потребовалось 7 лет для восстановления платформы.

Рисунок 1.4. - Катастрофа на индийской платформе Bombay High North [2]

Аварии на платформах в большей степени имеют сходство с авариями на НПЗ, чем на наземных объектах добычи, поскольку на НПЗ также наблюдается большая скученность оборудования с содержанием большого объема пожаро- и взрывоопасных веществ.

Авторы статьи [3] со ссылкой на электронный ресурс [4] показали, что в РФ функционируют 37 полноформатных НПЗ и 221 мини НПЗ, общая проектная мощность которых достигает 19 млн. тонн сырой нефти.

В работе [5] приведена Таблица 1.1, в которой показаны общие сведения по крупнейшим НПЗ, действующих на территории РФ.

Таблица 1.1 - Общие сведения по крупнейшим НПЗ, действующим на территории РФ

Характеристики крупнейших Российских НПЗ [51 НПЗ Основной акционер (ВИНК) Мощност и по переработке, млн. тн Глубина нефтепереработки, % Регион Год ввода в эксплуата цию

КиришиНОС Сургутнефтег аз 22 0,75 Ленинградская область, СЗФО 1966

Омский НПЗ Газпром нефть 19,5 0,85 Омская область, СФО 1955

Лукойл-НОРСИ Лукойл 19 0,66 Нижегородская область, ПФО 1958

Рязанский НПЗ Роснефть 17 0,62 Рязанская область, ЦФО 1960

ЯрославНОС Славнефть (50 % Газпром, 50 % 14 0,70 Ярославская область, ЦФО 1961

Роснефть)

Пермский НПЗ Лукойл 12,4 0,88 Пермская область, ПФО 1958

Московский НПЗ Газпром нефть 12,2 0,68 г. Москва, ЦФО 1938

Волгоградский НПЗ Лукойл 11 0,84 Волгоградская область, ЮФО 1957

Ангарская НХК Роснефть 9,71 0,75 Иркутская область, СФО 1955

Уфанефтехим Башнефть 9,5 0,80 Республика Башкортостан, ПФО 1957

Продолжение таблицы 1.1.

Характеристики крупнейших Российских НПЗ [5] НПЗ Основной акционер (ВИНК) Мощност и по переработке, млн. тн Глубина нефтепереработки, % Регион Год ввода в эксплуата цию

СалаватНОС Газпром 9,1 0,81 Республика Башкортостан, ПФО 1952

Нижнекамский НПЗ ТАИФ 8 0,70 Республика Татарстан, ПФО 2002

Новокуйбышевс кий НПЗ Роснефть 7,61 0,69 Самарская область, ПФО 1951

Уфимский НПЗ Башнефть 7,6 0,71 Республика Башкортостан, ПФО 1938

Комсомольский НПЗ Роснефть 7,76 0,60 Хабаровский край, ДФО 1942

Ачинский НПЗ Роснефть 7,46 0,62 Красноярский край, СФО 1982

Ново-Уфимский НПЗ (Новойл) Башнефть 7,1 0,8 Республика Башкортостан, ПФО 1951

Куйбышевский НПЗ Роснефть 6,67 0,57 Самарская область, ПФО 1945

ОрскНОС Русснефть 6,6 0,55 Оренбургская область, ПФО 1935

Сызранский НПЗ Роснефть 6,53 0,55 Самарская область, ПФО 1942

Саратовский НПЗ Роснефть 6,5 0,69 Саратовская область, ПФО 1934

Афипский НПЗ НефтеГазИнд устрия 4,8 нет данных Краснодарский край, ЮФО 1964

Туапсинский НПЗ Роснефть 4,51 0,53 Краснодарский край, ЮФО 1929

Хабаровский НПЗ НК Альянс 4,4 0,61 Хабаровский край, ДФО 1936

Сургутский ЗСК Газпром 4 нет данных ХМАО-Югра, УФО 1985

Антипинский НПЗ Холдинг 3,5 0,60 Тюменская 2006

"Нефтегазо-химические технологии" область, УФО

Астраханский ГПЗ Газпром 3,3 нет данных Астраханская область, ЮФО 1981

Ухтинский НПЗ Лукойл 3,2 0,71 Республика Коми, СЗФО 1933

Краснодарский НПЗ Русснефть 3 нет данных Краснодарский край, ЮФО 1911

Продолжение таблицы 1.1

Характеристики крупнейших Российских НПЗ [5] НПЗ Основной акционер (ВИНК) Мощност и по переработке, млн. тн Глубина нефтепереработки, % Регион Год ввода в эксплуата цию

Новошахтински й ЗНП АПХ "Юг Руси" 2,5 0,65 Ростовская область, ЮФО 2009

Марийский НПЗ частные лица 1,2 нет данных Республика Марий Эл, ПФО 1998

Ильский НПЗ Кубанская нефтегазовая компания 1 0,63 Краснодарский край, ЮФО 2000

Обращает на себя внимание, что только 4 завода были запущены в эксплуатацию после 2000 года, что может указывать на эксплуатацию оборудования с переработанным ресурсом. При этом указывается, что только 17% всех НПЗ отвечают всем требованиям по обеспечению промышленной безопасности. По данным [6] 27,7 процентов пожаров возникают на НПЗ, а наибольшая доля 48,3% приходится на распределительные нефтебазы. Такие сведения не прибавляют оптимизма, тем более что аварии на НПЗ разрушительны и вовлекают в процесс разрушения большое число единиц оборудования. На Рисунках 1.5 и 1.6 показаны результаты аварии на технологических установках НПЗ и химическом заводе Phillips. При такой картине массового разрушения возникает вопрос о достоверном расследовании причин аварий.

Многие разрушенные элементы не позволяют исследовать изменения механических свойств сталей, поскольку невозможно изготовить стандартные образцы для испытания.

На Рисунке 1.6 показан разрушенный коллектор АВО. Соединенные с ним трубы разрушены и не представляется возможным изготовить для испытания стандартные образцы.

На объектах нефтегазодобычи наблюдается иной набор аварий [7] (Рисунок 1.7). Наиболее часто имеют место такие аварии, как открытые фонтаны

и выбросы, взрывы и пожары, падение буровых вышек и некоторые другие виды с меньшей частотой встречаемости.

а) Падение вакуумной колонны в результате пожара; б) пожар на заводе Phillips; в) авария на Ачинском НПЗ; г) разгерметизация АВО Рисунок 1.5 - Аварии на заводах

Рисунок 1. 6 - Вторичные разрушения в результате аварии на аппарате

воздушного охлаждения

Открытые фонтаны и выбросы

Взрывы и пожары на объектах

Падение буровых (эксплуатационных) вышек, разрушете их частей

Падение талевых систем в глубоком бурении и подземном ремонте скважин

Прочие (разрушение технических

устройств, разливы

нефтес содержащей жидкости)

Всего авар«1

Рисунок 1.7 - Распределение аварий по видам на объектах нефтегазодобычи [7]

Среди часто встречающихся причин называется ошибки персонала, который нарушает технологию проведения работ и требования промышленной безопасности. Как правило, отказы в нефтяных и газовых скважинах приводят к остановке технологического процесса и являются следствием технологических нарушений и технических ошибок на различных стадиях жизненного цикла работы оборудования. Разрушения в трубопроводных системах в основном можно подразделить на разрушение линейной части трубопровода и разрушения резервуаров. Характер разрушений на трубопроводных системах дает обзор по авариям за восемь месяцев 2008 года (Таблица 1.2) [8].

На газопроводах большая часть аварии связаны с коррозией, а нефтепроводах - с несанкционированными врезками, механическими воздействиями и ошибками персонала. На Рисунке 1.8 показаны некоторые характерные виды пластического и хрупкого разрушения. Показанные разрушения приводят к большим потерям нефти и газа, к разрушению среды обитания.

Таблица 1.2 - Сведения об авариях на объектах магистрального транспорта

Виды трубопроводов Число аварий по годам

2007 2008

Газопроводы 9 16

Нефтепроводы 9 4

Нефтепродуктопроводы 2 -

Всего 20 20

Еще более серьёзные проблемы возникают при эксплуатации трубопроводов в условиях северных территорий [9]. Авторы [9] показывают большое разнообразие причин выхода из строя трубопроводов, которые обобщены на Рисунке 1.9. На этом фоне отмечается уменьшения доли выходов из строя за счет коррозионного износа. По данным авторов [10] до 50% аварий трубопроводов в средней полосе России происходят за счет коррозионного износа, а для условий северных территорий эта доля не превышает 12%, что объясняется длительной работой в условиях отрицательных температур, когда интенсивность коррозионных процессов падает [11-13].

а) пример вязкого разрушения трубопровода и б) стандартное хрупкое разрушение от внутреннего давления Рисунок 1.8 - Некоторые виды разрушения на трубопроводах

1 - брак строительно-монтажных работ; 2 - механические повреждения труб машинами и механизмами при земляных работах; 3 - нарушение материалов и конструкций, вызванных их длительной эксплуатацией; 4 - коррозия;

5 - локальная коррозия, вызванная блуждающими токами; 6 - металлургические дефекты труб; 7 - стихийные природные явления; 8 - потери устойчивости при геокриологических изменениях местности; 9 - нарушение требований эксплуатации и ошибки персонала Рисунок 1.9 - Структура причин аварийных ситуаций на МГ «СВГКМ-Мастах-Берге-Якутск» за период 2000-2010 гг. [9]

На промысловых нефтепроводах основной причиной разрушения является канавочный износ. Этот вид износа связан с расслоением системы нефть-вода и транспорт водой абразивных частиц по нижней образующей трубы [9,11]. Износ трубы может достигать скорости 2,5 мм в год и к моменту аварии из металла, отобранного из зоны разрушения, невозможно изготовить стандартные образцы для определения механических характеристик.

Наибольшее количество проблем возникает при эксплуатации резервуаров. На Рисунке 1.10 можно увидеть пожар в результате повреждения кровли. В работе [14] указывается на то, что общее число аварий в 3-5 раз больше регистрируемых, а частота аварийных разрушений достигает существенной

величины. При этом половина зарегистрированных аварий относятся к крупным или к катастрофическим. В диссертационной работе Воробьёва В.В. показано, что доля разрушившихся резервуаров объемом до 5000 м3 составила 85%, объемом (1-2)104 - 12,8%, а 3 104 - 2,2%.

Рисунок 1.10 - Пожар на резервуаре

Причины аварий постоянно повторяются, что позволяет сделать вывод о том, что аварии могут закладываться на всех этапах жизненного цикла [15]. В конечном итоге многие аварии в основе имеют человеческий фактор и требуют изменить систему подготовки специалистов [3, 16, 17-19].

Анализ различных аварий показывает, что не указываются причины локального разрушения объектов. Это не позволяет идентифицировать причины появления трещин и уровень деградации конструкционного материала.

1.2 Порядок расследования аварий

Все действия по регламентированию жизненного цикла опасных производственных объектов регламентируется Федеральным законом № 116 [20]. В частности, этот документ в п.2 раздела 8 указывает: «Отклонения от проектной

документации опасного производственного объекта в процессе его строительства, реконструкции, капитального ремонта, а также от документации на техническое перевооружение, капитальный ремонт, консервацию и ликвидацию опасного производственного объекта в процессе его технического перевооружения, консервации и ликвидации не допускаются. Изменения, вносимые в проектную документацию на строительство, реконструкцию опасного производственного объекта, подлежат экспертизе проектной документации в соответствии с законодательством Российской Федерации о градостроительной деятельности. Изменения, вносимые в документацию на консервацию и ликвидацию опасного производственного объекта, подлежат экспертизе промышленной безопасности» [20].

Однако нередко в ходе расследования выявляются отклонения от проекта, как по конструктивным особенностям, так и по применяемым материалам. Поэтому при проведении расследования необходимо определить показатели материалов в части механических свойств и химического состава. Также необходимо тщательно проанализировать заключение экспертизы промышленной безопасности, поскольку имеют место случаи, когда аварии случаются непосредственно сразу после проведения экспертизы.

Федеральный закон не регламентирует алгоритма проведения расследования аварий, поэтому с этой целью вводятся в действие руководящие документы.

Существует ряд нормативных документов, которые регламентируют порядок проведения аварий. Прежде всего, это РД 03- 293-99 [21]. Этот документ регламентирует создание комиссии по выяснению причин аварии, которая выясняет в ходе расследования следующие обстоятельства:

- производит осмотр, фотографирование, в необходимых случаях видеосъемки, составляет схемы и эскизы места аварии и составляет протокол осмотра места аварии;

- взаимодействует со спасательными подразделениями;

- опрашивает очевидцев аварии, получает письменные объяснения от должностных лиц;

- выясняет обстоятельства, предшествовавшие аварии, устанавливает причины их возникновения;

- выясняет характер нарушения технологических процессов, условий эксплуатации оборудования;

- выявляет нарушения требований норм и правил промышленной безопасности;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хасанов Рим Наилевич, 2021 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Хуснутдинова, И.Г. / Анализ аварийных ситуаций в нефтегазовой отрасли при возникновении дефектов в металлических элементах оболочковых конструкций / И.Г. Хуснутдинова, М.Г. Баширов, И.К. Бакиров // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2017. - №2 (108). - С.155-164.

2 Пожар на нефтяной платформе «Piper Alpha» [Электронный ресурс] ЬйрвУ/ш^Шре&а.ощ^Ш/Пожар на нефтяной платформе «Piper Alpha» (дата обращения 25.09.2018).

3 Воробьев, А.Е. Аварии на НПЗ и необходимость переподготовки специалистов / А.Е. Воробьев, Т.А. Фральцова, М.С. Томашев, Е.А. Гулан // Теория и практика современной науки. - 2017. - №8 (26). - С. 32-45

4 В России за 2015 год снизилось число техногенных аварий [Электронный ресурс] https://iz.ru/news/600735 (дата обращения

11.09.2018).

5 Крупнейшие НПЗ России [Электронный ресурс] http://мосдизель.рф/rymk_diztopHva/ krupneyshie_npz_rossii.php. (дата обращения 07.02.2020).

6 Статистика аварий, связанных с развитием пожара пролива [Электронный ресурс] https://allrefrs.ru/3-2359.html (дата обращения

15.04.2019).

7 Короткова, Т.Г. Статистика и причины аварий на объектах нефтегазодобычи / Т.Г. Короткова, К.С. Боженова // Научные труды КубГТУ. - 2019. - № 1. - С. 115-127.

8 Сведения об авариях и несчастных случаях на магистральных трубопроводах в 2008 г. / Информационный бюллетень Федеральной

службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. -2008. - №5 (38). - С.44-60.

9 Чухарева, Н.В. Анализ причин аварийных ситуаций при эксплуатации магистральных трубопроводов в условиях крайнего севера в период с 2000 по 2010 год / Н.В. Чухарева, Т.В. Тихонова, С.А. Миронов С.А. // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 3.- С. 231-243.

10 Лисанов, М.В. Анализ Российских и зарубежных данных по аварийности на объектах трубопроводного транспорта / М.В. Лисанов, А.В. Савина, Д.В. Дегтярев, Е.А. Самусева // Безопасность труда в промышленности. - 2010. - № 7. - С. 16-22.

11 Большаков, А.М. Разрушения и повреждения при длительной эксплуатации объектов нефтяной и газовой промышленности / А.М. Большаков, Н.И. Голиков, А.С. Сыромятникова, А.А. Алексеев, Р.П. Тихонов, Н.М. Литвинцев // Газовая промышленность. - 2007. - № 7. -С. 89-91.

12 Гилязов, А.А. Исследование несущей способности стареющих магистральных газопроводов в условиях Крайнего Севера / А.А. Гилязов, А.М. Большаков, Н.И. Голиков, А.А. Алексеев, С.А. Синцов, Р.П. Тихонов, А.Р. Иванов, Л.Н. Татаринов // Газовая промышленность. - 2006. - № 1. - С. 38-39.

13 Ермоленко, Ю.Г. О техническом состоянии магистральных газопроводов Якутии / Ю.Г. Ермоленко, А.М. Большаков, М.К. Черемкин, Р.Э. Туги // Безопасность труда в промышленности. - 2003. -№ 10. - С. 5-7.

14 Воробьев, В.В. Дополнительные защитные преграды для снижения пожарной опасности разлива нефти и нефтепродуктов при разрушении вертикальных стальных резервуаров [Текст]: дис. ... кан. техн. наук:

05.26.03 / В.В. Воробьев; Академия государственной противопожарной службы МЧС России. Москва, 2008.

15 Ревазов, А.М. Разработка и применение системы поэтапного обеспечения безопасности магистральных трубопроводов на этапах реализации жизненного цикла проекта / А.М. Ревазов, С.Т. Алекперова // Первый международный молодежный научно-практический форум «Нефтяная столица», 8-9 февраля 2018 г. - Сургут. - С. 140-147.

16 Проскура, В.С. К анализу причин возникновения аварийных ситуаций на объектах нефтехимического комплекса / В.С. Проскура, М.А. Галлямов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».

- 2016. - № 5. - С. 182-192.

17 Микаэлян, Э.А. Анализ причин аварий теплотехнического оборудования на производстве и практика проведения технической экспертизы / Э.А. Микаэлян, В.В. Седов // Химическая техника. - 2015.

- №10. - С. 29-34.

18 Глебова, Е. В. Совершенствование системы управления промышленной безопасностью в нефтегазовых компаниях на основе оценки профессиональных компетенций работников / Е.В. Глебова, А.Т. Волохина // Нефтяное хозяйство. - 2017. - № 1. - С.100-102.

19 Глебова, Е.В. Разработка нормативно-оценочных шкал для определения готовности персонала к выполнению работ повышенной опасности / Е.В. Глебова, А.Т. Волохина, Т.Н. Гуськова, М.А. Гуськов // Труды РГУ Нефти и Газа им. И.М. Губкина. - 2015. - № 4 (281). - С. 150-156.

20 Федеральный закон № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997. - 31 с.

21 РД 03-28-2008. Порядок проведения технического расследования причин аварий и инцидентов на объектах, поднадзорных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору

[Текст]. - М.: Ростехнадзор, 2008. - 15 с.

22 Приказ № 480. Об утверждении Порядка проведения технического расследования причин аварий, инцидентов и случаев утраты взрывчатых материалов промышленного назначения на объектах, поднадзорных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору [Текст]. - М.: Ростехнадзор, 2011. - 32 с.

23 СТО РусГидро 07.01.66-2017. Порядок расследования и учета аварий и инцидентов. нормы и требования [Текст]. - М.: РусГидро. - 52 с.

24 Авария на Саяно-Шушенской ГЭС [Электронный ресурс] https: //ru.wikipedia. о^/шМ/Авария_на_Саяно-Шушенской_ГЭС (дата обращения 13.10.2017).

25 РД ЭО 0027-2005. Инструкция по определению механических свойств металла оборудования атомных станций безобразцовыми методами по характеристикам твердости [Текст]. - 2006. - 53 с.

26 ГОСТ Р 55046-2012. Техническая диагностика. Оценка остаточного ресурса длительно эксплуатируемых стальных трубопроводов на основе результатов механических испытаний образцов. Общие требования [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2013. - 12 с.

27 Методика контроля и оценки механических свойств материалов конструкций зданий и сооружений (листовой и фасонный прокат, трубы, соединительные детали и др.) с нормативной обеспеченностью [Текст]. - Москва 2017. - 107 с.

28 СТО 22-04-02. Стандарт научно-производственного консорциума «Ресурс». Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств сталей в металлических конструкциях неразрушающим методом [Текст]. 2002. - 31 с.

29 ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при

пониженных, комнатной и повышенных температурах (с изменениями 1 и 2) [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2019. - 12 с.

30 РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов [Текст]. - М.: Госгортехнадзора. - 65 с.

31 Иванова, В.С. Синергетика и фракталы. Универсальности механического поведения материалов [Текст] / В.С. Иванова, И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная. - Уфа: УГНТУ, 1998. - 363 с.

32 Кузеев, И.Р. Физическая природа разрушения [Текст] / И.Р. Кузеев, Д.В. Куликов, М.М. Закирничная. - Уфа: УГНТУ, 1997. - 168 с.

33 Кузеев, И.Р. Совершенствование технологии и повышение долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья [Текст]: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.17.07, 05.04.09 / И.Р. Кузеев; Уфимский государственный нефтяной институт. - Уфа, 1987.

34 Кузеев, М.И. Закономерности накопления повреждений в сварных соединениях оболочек реакторов установок замедленного коксования [Текст]: дис. ... кан. техн. наук: 05.04.09 / М.И. Кузеев; Уфимский государственный нефтяной технический университет. - Уфа, 2000

35 Шанявский, А.А. Безопасной усталостное разрушения элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях [Текст] / А.А. Шанявский // Уфа: УГНТУ, 2003. - 803 с.

36 Зайнуллин, Р.С. Безопасное развитие трещин в элементах оболочечных конструкций [Текст] / Р.С. Зайнуллин, Е.М. Морозов. - СПб.: Недра, 2005. - 168 с.

37 Махутов Н.А. Конструкцилонная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Критерии прочности и ресурса [Текст] / Н.А. Махутов. -

Новосибирск: Наука, 2005. - 494 с.

38 Махутов, Н.А. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов [Текст] / Н.А. Махутов, В.Н. Пермяков. - Новосибирск: Наука, 2005. - 516 с.

39 Кузеев, И.Р. Особенности усталостной поврежденности конструкционных сталей / И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин, М.И. Кузеев // Материалы II Международного научного семинара: Развитие инновационной инфраструктуры университета, 01 января-31 декабря 2011 г. - Уфа, УГНТУ. - С. 7-8.

40 Наумкин, Е.А. Влияние последствий пожара на изменение микроструктуры и механические характеристики стали 20 / Е.А. Наумкин, М.И. Кузеев, В.В. Белозеров, Р.Р. Кудашев // Нефтегазовое дело. - 2012. - Т. 10. - № 1. - С. 100-105.

41 Тляшева, Р.Р. Оценка работоспособности в аварийных условиях оборудования нефтегазовой отрасли / Р.Р. Тляшева, Е.А. Гостенова, С.Н. Тропкин, М.И. Кузеев // Материалы II Международного научного семинара: Развитие инновационной инфраструктуры университета, 01 января-31 декабря 2011 г. - Уфа, УГНТУ. - С. 15-18.

42 Тляшева, Р.Р. Оценка и обеспечение взрывоустойчивости оборудования нефтегазовой отрасли / Р.Р. Тляшева, Е.А. Гостенова, С.Н. Тропкин, М.И. Кузеев // Башкирский химический журнал. - 2011. - Т. 18. - № 1. -С. 118-124.

43 Наумкин, Е.А. Изменение микроструктуры и механических характеристик стали 20 после имитации пожара и его тушения / Е.А. Наумкин, М.И. Кузеев, В.В. Белозеров, Р.Р. Кудашев // Башкирский химический журнал. - 2011. - Т. 18. - № 2. - С. 190-195.

44 Кузеев, И.Р. Анализ напряженно-деформированного состояния колонны. Верификация данных, полученных в ПК ABAQUS, с

результатами, полученными в ходе натурного эксперимента / И.Р. Кузеев, Р.Р. Тляшева, А.Н. Габдуллин, Е.А. Гостенова // Мировое сообщество: проблемы и пути решения. - 2009. - С. 62-66.

45 Гостенова, Е.А Динамическое поведение аппаратов колонного типа с трубопроводной обвязкой при взрывном воздействии ударной волны [Текст]: дис. ... кан. техн. наук: 05.26.03 / Е.А. Гостенова; Уфимский государственный нефтяной технический университет. - Уфа, 2010.

46 Гостенова, Е.А. Оценка влияния трубопроводной обвязки на взрывоустойчивость аппарата колонного типа / Е.А. Гостенова, Р.Р. Тляшева, И.Р. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2010. - № 1. - С. 1-11.

47 Решетников, А.А. Оценка степени воздействия взрывной волны на трубопроводные системы [Текст]: дис. ... кан. техн. наук: 05.26.03 / А.А. Решетников; Уфимский государственный нефтяной технический университет. - Уфа, 2009

48 Гостенова, Е.А. Обвязкой при штатном режиме работы и динамического поведения при воздействии ударной волны / Е.А. Гостенова, И.Р. Кузеев, Р.Р. Тляшева, С.Н. Тропкин // Мировое сообщество: проблемы и пути решения. - 2009. - С. 515.

49 Кузеев, И.Р. Исследование напряженно-деформированного состояния аппарата колонного типа с трубопроводной обвязкой при взрывном воздействии ударной волны / И.Р. Кузеев, Р.Р. Тляшева, Е.А. Гостёнова // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. -2009. - № 2. - С. 111-115.

50 Шерстобитова, Р.Т. Повышение безопасности РВС, длительно эксплуатируемых в условиях низких температур [Текст]: дис. ... кан. техн. наук: 05.26.03 / Р.Т. Шерстобитова; Уфимский государственный нефтяной технический университет. - Уфа, 2008

51 Шайбаков, Р.А. Расследование аварийных ситуаций: новые методы и подходы / Р.А. Шайбаков, Н.Х. Абдрахманов, И.Р. Кузеев, А.С. Симарчук, Ф.Р. Рахимов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2008. - № 3. - С. 110-121.

52 Реслер, И. Механическое поведение конструкционных материалов [Текст] / И. Реслер, Х. Хардерс, М. Бекер. - Долгопрудный: «Интеллект», 2011. - 504 с.

53 Грызунов, В.И. Механика материалов (методы механических испытаний материалов) [Текст] / В.И. Грызунов, Е.В. Пояркова, И.Р. Кузеев. Орск: ОГТИ, 2012. - 227 с.

54 Махутов, Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность [Текст] / Н.А. Махутов. М.: Машиностроение, 1981. - 272 с.

55 Гольцев, В.Ю. Методы механических испытаний и механические свойства материалов [Текст] / В.Ю. Гольцев. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - 228 с.

56 Херцберг, Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов [Текст] / Р.В. Херцберг. М.: Металлургия, 1989. - 576 с.

57 Рахимкулов, Р.Р. Разработка метода оценки критического коэффициента интенсивности напряжений сварного соединения из тонко листовой стали [Текст]: дис. ... кан. техн. наук: 05.02.13 / Р.Р. Рахимкулов; Уфимский государственный нефтяной технический университет. - Уфа, 2011

58 Рахимкулов, Р.Р. Сопоставление значений величины вязкости разрушения К1С, полученной на образцах с шевронной прорезкой и по стандартной методике для стали СтЗсп / Р.Р. Рахимкулов // Электронный журнал «Нефтегазовое дело». № 2, 2010. - С. 59-69.

59 Barker, L.M. Comparisons of Fracture Toughness Measurementsby the Short

Rod and ASTM Standard Method of Test for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials (E 399-78) / L.M. Barker, F.I. Baratta // Journal of Testing and Evaluation, JTEVA. - Vol. 8. - 1980. - pp. 97-102.

60 Дроздовский, Б.А. Шевронный надрез как средство уменьшения толщины образца при определении величины К1С / Б.А. Дроздовский, Т.В. Полищук, В.П. Волков // Заводская лаборатория. - 1987. - № 6. - С. 74-76.

61 Стоев, П.И. Определение механических свойств металлов и сплавов по твердости / П.И. Стоев, В.И. Мощенок // Вестник ХНУ им. Каразина. Т. 601. - 2003. - № 2. - С. 106-112

62 Кузеев, И.Р. Сложные системы в природе и технике [Текст] / И.Р. Кузеев И.Р., Г.Х. Самигуллин, Д.В. Куликов, М.М. Закирничная, Н.В. Мекалова. - Уфа: УГНТУ, 1997. - 227 с.

63 Шанявский, А.А. Моделирование Усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации [Текст] / А.А. Шанявский. - Уфа: Монография, 2007. - 500 с.

64 Small punch test evaluation of intergranular embrittlement of an alloy steel / Jai-Man Baik, J. Kameda, and O. Buck. Scripta Metallurgica, 17(12): 14431447, 12 1983.

65 Lucas G. E. The development of small specimen mechanical test techniques / G.E. Lucas // Journal of Nuclear Materials. - 1982. - № 7. - pp. 327-339.

66 Zhao-Xi Wang. Small punch testing for assessing the fracture properties of the reactor vessel steel with different thicknesses / Zhao-Xi Wang, Hui-Ji Shi, Jian Lu, Pan Shi, Xian-Feng Ma // Nuclear Engineering and Design. 238(12), 2008. - pp. 3186-3193.

67 Hyde, T.H. Requirements for and use of miniature test specimens to provide mechanical and creep properties of materials: a review / T.H. Hyde, W. Sun, J. A. Williams // International Materials Reviews. (43), 2007. - pp. 213-255.

68 Blagoeva, D.T. Application of the cen (european committee for standardization) small punch creep testing code of practice to a representative repair welded p91 pipe / D.T. Blagoeva, R. C. Hurst // Materials Science and Engineering A. Vol.510-511, 2009. - pp. 219-223.

69 Contreras M.A. Use of the small punch test to determine the ductile-to-brittle transition temperature of structural steels / M.A. Contreras, C. Rodriguez, F. J. Belzunce, C. Betegon // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 31(9), 2008. - pp. 727-737.

70 Махутов, Н.А. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Управление ресурсом эксплуатации высокорисковых объектов [Текст] / Н.А. Махутов и др. М.: Знание, 2015. - 600 с.

71 Махутов, Н.А. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Научные основы техногенной безопасности [Текст] / Н.А. Махутов и др. М.: Знание, 2015. - 936 с.

72 ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение [Текст]. М.: Изд-во стандартов, 2008. - 28с.

73 Самигуллин, Г.Х. Оценка поврежденности металлических элементов нефтегазовых объектов микрообразцовым методом / Г.Х. Самигуллин, М.Н. Назарова, Л.Г. Самигуллина, Г.А. Юсупов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Mining informational and analytical bulletin. - 2016. - № 6. - С.311-320.

74 Samigullin, G.H. Assessment of damage of metallic elements in oil and gas facilities using small punch test / G.H. Samigullin, A.M. Schipachev, L.G. Samigullina, V.G. Fetisov // International Journal of Applied Engineering Research. Vol. 12. № 21, 2017. - pp. 11583-11587.

75 Samigullin, G.H. Control of physical and mechanical characteristics of steel

by small punch test method / G.H. Samigullin, A.M. Schipachev, L.G. Samigullina // IOP Conference Series: Journal of Physics: Conf. Series 1118, Complex Equipment of Quality Control Laboratories. 2018. - 012038

76 Самигуллин, Г.Х. Применение микрообразцового метода для оценки поврежденности металлических элементов / Г.Х. Самигуллин, М.Н. Назарова, Л.Г. Самигуллина // Физика. Технологии. Инновации: материалы конференции. - 2016. - С. 490-492.

77 Самигуллин, Г.Х. Обеспечение безопасности и ресурса нефтегазовых трубопроводов на основе результатов испытаний мик-рообразцов: [Текст] / Г.Х. Самигуллин, А.М. Щипачев, А.В. Клейменов, Л.Г. Самигуллина. - СПб: ЛЕМА, 2020. - 101 с.

78 Inverse Methods on Small Punch Tests [Электронный ресурс]. - URL: http://cdn.intechweb.org/pdfs/12706.pdf (дата обращения: 23.05.2017).

79 Лопатина, Е.С. Механические свойства металлов: учебное метод.пособие [Текст]/ Е.С Лопатина, А.А. Ковалёва, В.И. Аникина, А.С. Надолько. - Красноярск: Сиб. федер. университет, 2008. - 192с.

80 СТО № 11-19. Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза [Текст]. Уфа: УГНТУ, 2019. - 45 с

81 Кривоносова, Е.А. Применение теории фракталов в металловедении [Текст] / Е.А. Кривоносова. Санкт-Петербург: Лань, 2020. - 96 с.

82 Верховодов, П.А. Рентгеноспектральный анализ: раздельный учет физических процессов [Текст] / П.А. Верховодов. - Киев: Н. Думка, 1992. - 232 с.

83 Клюев, В.В. Неразрушающий контроль. Том3. Ультразвуковой контроль [Текст] / В.В. Клюев. - М.: Машиностроение, 2004. - 864 с.

84 Геллер, Ю.А. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи [Текст] / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. - М.:

Металлургия, 1975. - 447 с.

85 ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю [Текст]. М.: Изд-во стандартов, 2007. - 40 с.

86 ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу [Текст]. М.: Изд-во стандартов, 2019. - 10 с.

87 ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77). Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу [Текст]. М.: Изд-во стандартов, 2019. - 60 с.

88 Самигуллин, А.В. Мультифрактальная параметризация результатов твердометрии материала оболочковой конструкции, подверженной циклическому нагружению / А.В. Самигуллин, Е.А. Наумкин, И.Р. Кузеев, А.Н. Тепсаев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2015. - № 2. - С. 323-338.

89 Херцберг, Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов [Текст] / Р.В. Херцберг. - М.: Металлургия, 1989. - 576 с.

90 Рахимкулов, P.P. Использование коротких образцов с шевронным надрезом для определения вязкости разрушения в условиях плоской деформации / Р.Р. Рахимкулов // Мировое сообщество: проблемы и пути решения. - 2009. - С. 19-28.

91 Khasanov R.N., Valiev A.S., Kuzeev I.R. Assessment of mechanical characteristics of steel subject to cyclic loads effect on non-standard compact specimens. MATEC Web of Conferences. 224, 2018. - pp. 04025.

92 Khasanov R.N., Valiev A.S., Kuzeev I.R. Assessment of steel mechanical characteristics of non-standard compact specimens under statistical tests. MATEC Web of Conferences. 224, 2018. - pp. 03010.

93 Abdulganiev M.R., Khasanov R.N., Gafarova V.A. Determination of Specific Failure Work on Compact Steel Samples. Materials Science Forum. Vol. 945. - pp 569-573.

94 Hasanov R.N., Valieva A.S., Kuzeev I.R. Development of the Algorithm for

Determination of Mechanical Properties of Steel 20 with Different Levels of Cumulative Fatigue Damage with the Application of Compact Samples. Solid State Phenomena Submitted. - Vol. 284. - pp 581-586.

95 Zhao-Xi Wang, Hui-Ji Shi, Jian Lu, Pan Shi, Xian-Feng Ma. Nuclear Engineering and Design Small punch testing for assessing the fracture properties of the reactor vessel steel with different thicknesses. 238 (12), 2008. - pp. 3186-3193.

96 Hyde T.H. Requirements for and use of miniature test specimens to provide mechanical and creep properties of materials: a review / T.H. Hyde, W. Sun, J.A. Williams // International Materials Reviews. 43, 2007. - pp. 213-255.

97 Blagoeva, D.T. Application of the cen (european committee for standardization) small punch creep testing code of practice to a representative repair welded p91 pipe / D.T. Blagoeva, R.C. Hurst // Materials Science and Engineering A. 510-511(C, 2009. 219-223.

98 Самигуллин, Г.Х. Обеспечение безопасной эксплуатации производственных сооружений нефтегазовых предприятий на основе критерия живучести [Текст]: дис. ... д-ра. техн. наук: / Г.Х. Самигуллин; Уфимский государственный нефтяной технический университет. - Уфа, 2016.

99 Abdulganiev, M.R. Determination of specific failure work on compact steel samples / M.R. Abdulganiev, R.N. Khasanov, V.A. Gafarova // Materials Science Forum. - Т. 945. - 2018. - pp. 569-573.

100 Хасанов, Р.Н. Использование компактных образцов при анализе причин разрушения компенсатора / Р.Н. Хасанов, В.А. Гафарова, Г.Б. Гафаров, И.Р. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». -2019. - № 3. - С. 31-45.

101 Кузеев, И.Р. Поверхность и поверхностные явления [Текст] / И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин, Ю.Н. Савичева, С.В. Попова. - Уфа:

Нефтегазовое дело, 2008. - 144 с.

102 Gianola, D.S. Micro- and nanoscale tensile testing of materials / D.S. Gianola, C. Eberl // JOM. - Vol.61. - № 3, 2009.

103 Chang Hee Suh. Effects of thickness and surface roughness on mechanical properties of aluminum sheets / Chang Hee Suh, Yun-Chul Jung, Young Suk Kim // Journal of Mechanical Science and Technology. 24 (10), 2010. - pp. 2091-2098.

104 Кузеев И.Р. Роль поверхности в механизмах образования и разрушения структур в системе углеводород-вода / И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин // Нефтегазовое дело. - 2003. - №1. - С. 365-371.

105 Хасанов, Р.Н. Особенности разрушения тонких стальных образцов при растяжении / Р.Н. Хасанов, В.А. Гафарова, В.Ю. Пивоваров, И.Р. Кузеев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2019. - № 2. -С. 94-111.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица А1 - Работа разрушения испытанных образцов

Толщина, мм Работа разрушения, нмм

Набор №1 Набор №2 Набор №3 Набор №4 Набор №5 Набор №6 Набор №7 Набор №8

0,03 Дефект 154 836 - - - - -

0,04 901 810 1683 - - - - -

0,05 714 Дефект 1673 - - - - -

0,06 921 2044 1818 - - - - -

0,07 1985 2330 2529 - - - - -

0,08 1588 3903 2464 - - - - -

0,09 1896 3536 4173 - - - - -

0,10 4641 5069 4071 - - - - -

0,15 5343 Дефект 7580 - - - - -

0,20 8578 10153 9775 - - - - -

0,25 12062 13104 13927 - - - - -

0,30 15373 15562 Дефект - - - - -

0,35 21824 14644 20131 - - - - -

0,40 23075 22765 22536 - - - - -

0,45 18750 25756 17242 - - - - -

0,50 31426 28419 33459 32460 35753 28802 35123 37789

0,55 - - - 40230 36835 43588 43251 36955

0,60 - - - 44572 41886 41782 42422 43512

0,65 - - - 48782 Дефект 43099 Дефект 47401

0,70 - - - 60917 48622 48102 Дефект Дефект

0,75 - - - 55003 45336 58313 Дефект 43974

0,80 - - - 53382 53648 68306 60658 51839

0,85 - - - Дефект 57198 64477 63452 50848

0,90 - - - 71877 59233 67420 Дефект 50848

0,95 - - - 82523 73437 Дефект Дефект Дефект

1,00 - - - 102999 88533 Дефект Дефект Дефект

Таблица А2 - Удельная работа разрушения испытанных образцов

Толщина, мм Удельная работа разрушения, н/мм

Набор №1 Набор №2 Набор №3 Набор №4 Набор №5 Набор №6 Набор №7 Набор №8

0,03 Дефект 401 2177 - - - - -

0,04 1760 1582 3287 - - - - -

0,05 1116 Дефект 2614 - - - - -

0,06 1199 2661 2367 - - - - -

0,07 2215 2600 2823 - - - - -

0,08 1511 3812 2406 - - - - -

0,09 1646 3069 3622 - - - - -

0,10 3626 3960 3180 - - - - -

0,15 2783 Дефект 3948 - - - - -

0,20 3351 3966 3818 - - - - -

0,25 3769 4095 4352 - - - - -

0,30 4003 4053 Дефект - - - - -

0,35 4871 3269 4494 - - - - -

0,40 4507 4446 4402 - - - - -

0,45 3255 4472 2993 - - - - -

0,50 4910 4440 5228 5072 5586 4500 5488 5905

0,55 - - - 5714 5232 6191 6144 5249

0,60 - - - 5804 5454 5440 5524 5666

0,65 - - - 5863 Дефект 5180 Дефект 5697

0,70 - - - 6799 5427 5369 Дефект Дефект

0,75 - - - 5729 4723 6074 Дефект 4581

0,80 - - - 5213 5239 6671 5924 5062

0,85 - - - Дефект 5257 5926 5832 4674

0,90 - - - 6239 5142 5852 Дефект 4414

0,95 - - - 6786 6039 Дефект Дефект Дефект

1,00 - - - 8047 6917 Дефект Дефект Дефект

Таблица А3 - Средняя удельная работа разрушения для различной толщины

Толщина, мм Удельная работа разрушения, н/мм

0,03 2177

0,04 2210

0,05 2614

0,06 2514

0,07 2546

0,08 3109

0,09 3346

0,10 3403

0,15 3366

0,20 3712

0,25 4072

0,30 4028

0,35 4211

0,40 4452

0,45 4472

0,50 5257

0,55 5706

0,60 5578

0,65 5580

0,70 5398

0,75 5902

0,80 5924

0,85 5879

0,90 6046

0,95 6039

Рисунок А1 - Значение удельной работы разрушения для образцов с различной

толщиной

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт о внедрении

Гафарова В. А Тел.:[phone]

ПРИЛОЖЕНИЕ В Стандарт ФГБОУ ВО «УГНТУ» СТО

Уфа 2019

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 2 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании» (с изм. от 09.05.2005, 01.05.2007, 01.12.2007, 23.07.2008, 18.07.2009), а правила применения стандартов организаций Федеральный закон от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации» (с изменениями и дополнениями).

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН на кафедре «Технологические машины и оборудование» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (ФГБОУ ВО «УГНТУ»), Разработчиками стандарта являются Чиркова А.Г. к.т.н., в.н.с. кафедры ТМО, Шерматов Д.Н. ассистент кафедры ТМО, Наумкин Е.А. д.т.н., профессор кафедры ТМО, Гафарова В.А. преподаватель кафедры ТМО, Хасанов Р.Н. соискатель.

2 ПРИНЯТ решением Научно-технического совета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» от « 6 » 2019 г., протокол №//-/3 .

ЗВВЕДЕН впервые.

РАЗРАБОТАЛ ПРОВЕРИЛ СОГЛАСОВАНО

Чиркова АД^|6ргн., в.н.с. Шерматов ДТТ, ассистент и^т- Наумкин Е.А. д-р техн. наук, профессор ГафароваВ<А, препод. Хасанов Р.Н., соискатель Начальник отдела со-гфовожденшиеерти-фикации — Р.Г. Шарафиев,' д-р техн. наук, проф. Ведущий инженер ОСС К.Э. Писаоенко Проректор по научной и инновационной работе P.A. Исмаков, д-р техн. наук, проф.

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГЪОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.3 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Содержание

Введение.

1 Область применения.......................................................

2 Нормативные ссылки......................................................

3 Термины н определения...................................................

4 Обозначения и сокращения..............................................

5 Расчет напряжений е квазнмногослойной оболочке в упругой постановке...................................................................

с.

4

5 5

7

8

10

6 Упругопластнческое деформирование квазнмногослойнон ооолочкн 20

7 Деформирование квазнмногосдойной оболочки в пластической области............................................................................................................................................................25

8 Определение предела прочности конструкционного материала при 27 температуре процесса с учетом времени наработки.....................

9 Металлографический анализ стали..................................................................................30

10 Определение фазового состава конструкционного материала..............31

11 Оценка распределения магнитных характеристик в трубах змеевика

и вероятности разрушения....................................................................................................33

12 Расчетно-экспернментальная оценка долговечности....................................37

13 Оценка прочности конструкционного материала с использованием

компактных образцов..................................................................................................................38

Список использованных источников............................................................................42

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ » Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.4 из 45 Ред. 1 Изм. 0

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий стандарт устанавливает методику оценки ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза.

В основу настоящего стандарта положен факт того, что сложность н многофакторность изменения напряженно-деформированного состояния в змеевиках печей пиролиза приводит к существенному отлнчню локальных напряжений и деформаций от номинальных значений. Наибольшую опасность с этой точки зрения представляют атомы углерода, водорода и серы, которые, проникая в металлы, снижают ресурс, являются причиной образования трещин н трудно предсказуемых разрушений. Особенно эти явления становятся опасными в условиях повышенных температур н циклического характера приложения нагрузок. Отложения носят как локальный характер, так и протяженный, н в пределе способствуют возникновению КЕазнмного-слойных оболочек с размытой границей раздела слоев. Такие оболочковые конструкции сложно рассчитывать на прочность и долговечность по причине изменения механических свойств во времени. Оценка ресурса таких конструкций осложняется тем, что в процессе эксплуатации и ремонта вынужденно сопрягаются узлы с различной наработкой н отличающимися свойствами.

Авторами предложен расчетно-экспернментальный метод определения прочности, устойчивости формы и ресурса квазнмногослойных оболочек в упругой, упрутопластнческой и пластической постановке, которая легла в основу стандарта предприятия Научно-исследовательского н проектного института «ПЕГАЗ» и используются при проектировании нагревательных печей на объектах нефтегазовой отрасли.

СТО УПГГУ Стандарт организации ФГЪОУ ВО «УГНТУ» Опенка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин б квазнмногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.5 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Данная методика, а также устройство для центрирования разнотол-шннных оболочек с целью снижения концентрации напряжений в узлах сопряжений используются членами Ассоциации «Башкирская Ассоциация экспертов» прн проведении технической диагностики на предприятиях нефтегазовой отрасли.

В основу настоящего стандарта положены результаты многочисленных исследований по определению прочности, долговечности, устойчивости н живучести конструкций, параметров магнитного поля, микроструктуры н фазового состава, мультнфрактального анализа, результаты моделирования и расчетов.

Настоящий стандарт разработан с целью совершенствования существующих методов обеспечения прочности, раннего диагностирования трещин в квазнмногослойных оболочках и оценки ресурса сложных технических систем.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на нефтегазовое оборудование и предназначен для проведения расчета на прочность н долговечность с учетом изменения механических свойств во времени, а также ранней диагностики трещнноподобных дефектов в квазнмногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки, на следующие документы которые были использованы в исследованиях:

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГЪОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 6 из 45 Ред. 1 Изм. 0

- ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение:

- ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость:

- ГОСТ 1778-70 Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений;

- ГОСТ 5639-82. Стали и сплаЕЫ. Методы выявления и определения величины зерна;

- ГОСТ 15150-69. Маптнны приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

- ГОСТ Р 55680-2013 Контроль неразрушаюшнй. Феррозондовый метод.

- ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств.

- СТО РК 4.2.2-2007. Руководство по качеству.

- СТО 00220302-002-2011. Методические указания по контролю технического состояния и оценке остаточного ресурса змеевиков трубчатых печей.

- СА-03-004-2009. Трубчатые печи, резервуары, сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Требования к техническому надзору, ревизии и отбраковке.

- СТО 00220302-002-2011. Методические указанич по контролю технического состояния и оценке остаточного ресурса змеевиков трубчатых печей.

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» О нею: а ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.7 из -5 Ред. 1 Изм. 0

3 Термины н определения*

В настоящем стандарте применяются следующие термины с соответствующими определениями:

Трещина (трещнноподобный дефект) - экстремальный дефект, представляющий собой области с полностью нарушенными межатомными связями (берега трещин) и частично нарушенными межатомными связями (вершина трещины).

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих под воздействием внешних сил.

Ресурс - наработка устройства (механизма) от начата его эксплуатации или после ремонта н до достижения им предельного состояния, определяемого нормативно-технической документацией.

Квазимногослойная оболочка (КМО) - оболочка, образованная за счет адгезионного взаимодействия углеводородов и металла а также диффузионного перераспределения углерода в результате воздействия внешней среды.

Напряжённость магнитного поля - векторная физическая величина равная разности вектора магнитной индукции В и вектора намагниченности.

Фрактал - множество, обладающее свойством самоподобня (объект, в точности или приближённо совпадающий с частью себя самого, то есть целое имеет ту же форму, что и одна или более частей).

Деформация- изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением друг относительно друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которых является упругое механическое напряжение.

СТО УППУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УППУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазюлногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 8 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Малоцикловая усталость (ЛЩУ) - разрушения при повторных упру-гопластнческнх деформациях.

*Все термины и определения приводятся в соответствии с [17-22,35]

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применяются следующие обозначения и сокращения:

Р - внутреннее давление, МПа; К-р - средний радиус оболочки, мм; Б - общая толщина КМО, мм; 01 - напряжения в основном слое, МПа; о: - напряжения в квазнслое, МПа;

ех не; - соответствующие этим напряжениям деформации, %;

От! - предел текучести основного слоя, МПа;

е?1 - деформация основного слоя, %;

Е;- модуль упругости квазнслоя, МПа;

пц - коэффициент упрочнения основного слоя;

Т - расчетная температура, °С;

оол, Об - условные пределы текучести и прочности при То = 20°С, МПа; Ош - предел пропорциональности, МПа;

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «У ГШ'У» Опенка рес\-рса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.9 из 45 Ред. 1 Изм. 0

(Зг, ра - константы материала;

5к - истинное сопротивление разрыву при температуре Т, МПа; а£- константа материала, а = 1,65 10 ;

- относительное сужение площади поперечного сечения, %; то - время при кратковременном статическом разрыве, с; г - рассматриваемое или текущее время нагруження, с; Нл - нормальная составляющая вектора напряженности постоянного магнитного поля, А м;

Н! - тангенциальная составляющая вектора напряженности постоянного магнитного поля, А м;

Нх - результирующая вектора напряженности постоянного магнитного,

Ам;

е> - амплитуда разрушающей упругопластнческой деформации, %; у, - относительное ужение в шейке образца при кратковременном нагруженнн при температуре I, %;

а. - предел выносливости при температуре г, МПа: Вз - фрактальная размерность структуры; Б^Б+э - скрытая упорядоченность структуры; Б« - степень однородности структуры; с= - амплитуда изменения напряжений, МПа; Ср. - рабочее напряжение эксперимента, МПа; От - предел текучести материала, МПа; V - относительное сужение, %;

К - коэффициент интенсивности напряжений (КИН), МПа.м12; р.1 - коэффициент Пуассона.

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Опенка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин б квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.10 из 45 Ред. 1 Изм. 0

5 Расчет напряжений в квазнмногослоиной оболочке в упругой постановке

4.1 Деформирование квазнмногослойной оболочки внутренним давлением

Различные аспекты деформирования и разрушения конструкций широко освещены в научной литературе [23-34].

Характер деформирования КМО будет зависеть от геометрического соотношения слоев и их фнзнко-механнческнх свойств. Будем рассматривать тонкостенную цилиндрическую оболочку, находящуюся под действием внутреннего давления. Уравнение равновесия оболочки приводит к известной формуле Лапласа:

01*1 + о; Яг = РБ, (1)

где 01 и С2 - кольцевые и меридиональные напряжения: Кл и & -соответствующие им радиусы: Р - давление; Б - толщина стенки.

Необходимо выяснить в какой степени появление квазнелоев изменит характер напряженно-деформированного состояния. В качестве объекта используем квазнтрехслойную оболочку, которая сформировалась в процессе эксплуатации. При этом механические характеристики квазнелоев будут отличаться от характеристик основного металла. На рисунке 1 показана схема квазнтрехслойной оболочки, где 1- основной металл, 2 - внутренний ква-знслой, 3 - внешний квазнслой, Еь От, гш - модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести, показатель упрочнения для 1-го слоя (11,2,3), Б -толщина оболочки, 51 - толщины квазнелоев, К-р - средний радиус оболочки, Р - давление.

Рисунок 2 - Этапы формирования квазимогослойных ооолочек

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 12 из 45 Ред. 1 Изм. 0

В такой постановке задача не ставилась ранее, поэтому представляет интерес оценить распределение напряжений в квазимногослойной оболочке (Рисунок 2а). Необходимо понять, почему- реализуются два варианта эволюции КМО.

По первому варианту7 в начале формирования науглероженного слоя происходит интенсивное отслоение внутреннего квазнслоя. Это приводит к необходимости заменять утонившиеся части оболочек на новые. При этом реализуется сопряжение разнотолшннных оболочек (Рисунок 2г). Однако реализуется и такой вариант, при котором квазнслой растет н может достигать половину толщины стенки оболочки (Рисунок 26^). При участии в деформировании оболочки слоя кокса реализуются различные виды потерн устойчивости формы. Общая потеря устойчивости, как это показано на Рисунке 2д, и различные виды локальной потери устойчивости. Особый интерес вызывает точечное выпучивание металла, поскольку этот дефект (Рисунок 2е) сопровождается образованием сетки мелких трещин.

Периодический выжиг отложившегося кокса приводит к накоплению усталостных повреждений в оболочках при термоснловом циклическом нагруженнн. Эта проблема детально изучена н имеются стандартизованные методы расчета усталостного разрушения конструкций [34]. Однако отбор проб металла труб змеевиков с различным сроком эксплуатации позволил провести анализ характера изменения механических свойств стали 20Х23Н18. Обращает на себя внимание наличие локального экстремума на временных зависимостях практически для всех механических характеристик после эксплуатации 4000 часов. Такой же экстремум наблюдается н на временной зависимости ударной вязкости. Это указывает на наличие особенностей в механизме накопления усталостных повреждений в КМО.

СТО УППУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослсйных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 13 из 45 Ред. 1 Изм. 0

По известным методикам расчет напряженно-деформированного состояния ведется при заданной геометрии слоев и заданных фнзнко-механнческнх свойствах материалов. В нашем случае, как отмечалось выше, многослойность формируется в процессе эксплуатации, а фнзнко-механнческне свойства возникших слоев заранее не определены.

Поскольку механические характеристики квазнслоев будут отличаться, при деформировании могут реализоваться различные состояния: упругие, упруго-пластические и пластические, как это показано на Рисунке 3.

вп ви ей

Деформация е, %

1 - основной слой, 2 - внутренний квазнслой, 3 - внешний квазнслой 4 - зависимость напряжения - относительные деформации для КМО

Рисунок 3 - Возможные варианты диаграмм одноосного растяжения материала квазнмногослойной оболочки

СТО УГНТУ Стандарт организашш ФГБОУ ВО «УГНТУ» Опенка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 14 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Упругое деформирование КМО на примере квазнтрехслойной оболочки определяется линией «а-а» на Рисунке 3. Из условия равновесия тонкой оболочки эквивалентные напряжения по условию текучести Треска (3 - теория предельного состояния) [1] определяются кольцевыми напряжениями:

Omas = Р Rcp / S, (2)

где Р - внутреннее давление, Rqj - средний радиус оболочки, S - общая толщина КМО.

Линейное распределение напряжений в оболочке позволяет предположить, что произведение номинального эквивалентного напряжения на общую толщину7 оболочки соответствует £ Si или с учетом (2):

PRqi =Cin3j:S = Ol S1+G2S2 + G3 S3. (3)

Соответствующие каждому7 квазнслою деформации определяются из закона Гука [2]:

е; = о 1/Е1; е: = с: Ез; ез = 03.Е3. (4)

Поскольку квазнслон деформируются совместно, это условие будет иметь вид:

ei= е2 = ез = е. (5)

Уравнения (4) и (5) позволяют найти связь между напряжениями в квазислоях, что можно использовать для определения зависимостей о = f(o О-

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин б квазюшогослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 15 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Эти зависимости представлены уравнениями:

о = o i(Si S - Е; Ei S; S - Ез Ei S3 S); 0 = 0 :(Ei Е: Si/S + S2/S + Ез Е2 S3/S); (6)

0 = 0 3(Ei Ез Si S - E: Ез S: S - S3 S).

Используя (6) и (4), можно получить зависимость о = f(e):

о = е Ei(Si S + Е2.Е1 S; S - Ез Ei S3 S). (7)

Введем следующие обозначения: (Bi= Si/S; Р:= S; S; Рз= S; S; E;i= Е; Ei; Esi= Ез Ei: Ец= Ei Е:; Ез;= Ез E;:Ei3=Ei Ез. Тогда сравнения (б) и (7) можно представить в виде:

oí = о (pi - Е21 р; + Е31 рз.й'1; 02 = o(Ei2 pi - р2 - Е32 рз )л ; (8)

аз = c(Ei3 pi - Е23 р2 + рз)-1 : а = еЕ1(р!+Е21р2^Ез1рз) (9)

или

о = е E2(Ei3 р1 + Е23 р2 + рз). (10)

Графическая интерпретация полученных зависимостей показана на Рисунках 4-6.

ннй в стенке КМО для различных соотношений ßi, Ei.

Рисунок 5 - Зависимость напряжений во внутреннем квазнслое (о;) от напряжений в стенке КМО для различных соотношений Е,.

ннй в стенке КМО для различных соотношений ßi, Ei.

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ » Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 20 из 45 Ред. 1 Изм. 0

Расчеты показывают, что в упругой области увеличение внутреннего квазислоя в наибольшей степени сказывается на напряжениях в тонких квазислоях. Напряжения в этих слоях в большей степени чувствительны к соотношению модулей упругости материалов слоев. Если соотношение Е21 <1, то во внутреннем квазнелое напряжения выше номинальных Чем меньше толщина слоя 2, тем при этом выше уровень напряжений и велика вероятность отслоения КЕазислоя на начальных стадиях его формирования. Это согласуется с наблюдениями за реальными системами.

Предел пропорциональности (интегральный) материала КМО также чувствителен к толщине внутреннего квазнслоя (Рисунок 7). Увеличение толщины внутреннего квазислоя приводит к увеличению интервала изменения значений предела пропорциональности.

6 Упругопластичеекое деформирование квазнмногослойной оболочки

Рассмотрим задачу о перераспределении напряжений в КМО; соответствующую случаю «б» на Рисунке 7, когда имеет место пластическое деформирование одного из слоев. Решим ее для квазндвухслойной оболочки, е которой примем, что внутренний слой деформируется упруго, а наружный в пластической области.

При реализации такого случая связь напряжений и деформаций будет иметь вид:

О! = От1 («/Ой)®1, (11)

СТО УППУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Опенка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр.21 из 45 Ред. 1 Изм. 0

02 = е^Е:, (12)

где 01 н о; - напряжения в основном слое и квазнслое соответственно, а ех и е; - соответствующие этим напряжениям деформации, с?1 - предел текучести основного слоя, а еТ1 - соответствующая ему деформация, Е: - модуль упругости квазнслоя, пи - коэффициент упрочнения основного слоя.

Разделим левую и правую части уравнения (11) на отх.. Тогда получим уравнение в безразмерных величинах

или

01' Ст1=(е1 егО*1

01 = е^1. Из уравнения (14) определим ех

(13)

(14)

ех= О!13:1

или

ех= е71(ох От1)1п:1 = Ог1 Е1(01 От1)1я:1. Из условия совместности деформации

(15)

(16)

е; = С1

или

(17)

а2/Е2 = 0тхЕ1(01 От!)1®1,

(18)

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «У1НТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин б квазимногослойных оболочках применительно к змеевика:.! печей пиролиза Стр. 22 из 45 Ред. 1 Изм. 0

откуда

о: = о71 Е: Е1 (01/ ел)1 т1 (19)

или

02=0т1Ел(01/0т1)1т1 , (20)

где Е21 = Е 3/ Еь

В предположении о линейном характере перераспределения напряжений в КМО запишем:

0181+0282 = 08 (21)

или

С2 - О р2 - 01 р12 , (22)

где р!2 = 81 82.

Совместно решая уравнения (15) и (16), получаем соотношение

о р2 - О! р!2= о?1 Е21 (01/ о,!)1 , (23)

из которого находим зависимость о =^01)

о = р; [01 р 12 + 0,1 Е21 (01/ СТ1)1 ш1]. (24)

Аналогично получаем зависимость о =£(02)

о = р1 [От1 (Е12 (оУ От!)11 + 02 Р21] , (25)

СТО УГНТУ Стандарт организации ФГБОУ ВО «УГНТУ» Оценка ресурса, прочности и ранней диагностики трещин в квазимногослойных оболочках применительно к змеевикам печей пиролиза Стр. 25 из 45 Ред. 1 Изм. 0

7 Деформирование квазимногослойной оболочки в пластической области

Рассмотрим случай, когда КМО деформируется в пластической области (Рисунок 9) на примере квазндвухслойной оболочки. Оба квазислоя оболочки будут пластически деформироваться, и НДС будет определяться уравнениями:

е; = ©II (С1/От1)1/,с1, е;.= е-2 (о; о?;)1 ^.

(27)