способ определения ресурса металла трубопровода или корпуса сосуда

Формула изобретения

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 - ресурс металла, год;

V_M - объем металла в стенке трубы или корпуса сосуда, м ³;

[ ] - 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;

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

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

Описание изобретения к патенту

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 [ ], предел прочности _B, по этим характеристикам определяют зависимости текущей меры повреждения Р :

и критерия повреждения:

Сравнивая значения текущей меры повреждения Р 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;

- ядро повреждений;

t - текущее время;

(t) - функция процесса нагружения;

⁰ - заданное постоянное напряжение;

( ) - расчетное повреждение;

- 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 , ударной вязкости образцов a_H с круглыми KCU и острыми KCV надрезами) механических свойств термообработанного металла;

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

Y_H - нормативное значение параметров ( , 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 T ₁ 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 - ресурс металла, год;

V_M - объем металла в стенках трубопровода или корпуса сосуда, м ³;

[ ] - 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/м ²;

- 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 металла стенок трубопровода или корпуса сосуда. Она отражает во времени процесс ослабления энергии [ ] 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 натекания потока на поверхность стенки.

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

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

Это влияние зависит от угла натекания потока на поверхность стенки. Оно выражается произведением Е Sin , величина которого тем больше, чем больше угол . При =90° влияние расхода энергии Е на уменьшение энергии [ ] связей между частицами металла максимально. С уменьшением величины угла натекания потока соответственно снижается и влияние расхода энергии Е на уменьшение энергии [ ] связей между частицами металла. Необходимо отметить то, что угол натекания 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 небольшая и находится в пределах от 1*10 ^-9 до 1*10^-3 градуса.

На снижение энергии [ ] 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/м ³ 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 металла в секундах. В связи с тем, что год содержит 3,1536*10 ⁷ секунд, эта величина находится в знаменателе, и определяемая величина ресурса металла по данной формуле обозначается в годах.

Формула достаточно объективно отражает процесс уменьшения энергии [ ] связей между частицами металла во времени (т.е. его деградацию), поэтому при определении по ней ресурса 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 [ ]=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*10 ⁶ Па (Н/м²) на входе газопровода; давление газа P₂=3,4*10 ⁶ Па на выходе газопровода; температуру газа T ₁=288 К на входе газопровода; температуру газа Т ₂=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 =8*10^-5 град натекания потока на поверхность стенки.

Наружное давление окружающей среды над газопроводом P₀=1,02*10 ⁵ 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 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 [ ]=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*10 ⁶ Па (Н/м²) на входе нефтепровода; давление Р₂=2,9*10⁶ Па на выходе нефтепровода; плотность =750 кг/м³; коэффициент загрязненности потока K=1,11; величину угла =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 нефтепровода определяется по формуле