способ изготовления образцов высоконагруженного металла нефтегазового оборудования для испытания на циклическую трещиностойкость

Формула изобретения

Способ изготовления образцов высоконагруженного металла нефтегазового оборудования для испытания на циклическую трещиностойкость, включающий выбор места вырезки, вырезку металла из бывшего в эксплуатации оборудования и нагружение его до получения в нем трещины, отличающийся тем, что предварительно проводят уточненный расчет на прочность и оценку напряженно-деформированного состояния исследуемого металла, по результатам которого определяют зону максимальных напряжений и деформаций и строят график их изменений, где отмечают пик максимальных деформаций и напряжений, который является центром образцов, при этом концентраторы напряжений расположены на необработанной стороне контактировавшего с рабочей средой оборудования, так, что один из них располагают в центре образца, а два других по сторонам от него.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к диагностированию нефтегазового оборудования, длительно эксплуатируемого в сероводородсодержащих средах, вызывающих коррозионное растрескивание металла, и может быть использовано для оценки несущей способности и остаточного ресурса нефтегазового оборудования при диагностировании с целью продления сроков их эксплуатации с учетом фактических характеристик циклической трещиностойкости металла.

Известен способ изготовления контрольного образца для дефектоскопии трубопроводов (Патент РФ № 2364850, опубл. 20.08.2009 г.), включающий вырезку образца и нагружение его в присутствии рабочей среды до получения в нем трещины. Вырезку образца осуществляют из бывшего в эксплуатации трубопровода в месте возможного развития трещины на его поверхности. Направление вырезки образца выбирают перпендикулярно действующей в трубопроводе циклической нагрузке, а нагружение образца проводят при катодной поляризации, обеспечивая соответствие потенциала эксплуатационному.

Недостатком известного способа является искусственное создание условий эксплуатации металла, что приводит к погрешности при проведении дефектоскопических обследований.

Техническим результатом изобретения является достоверная оценка прочности и ресурса нефтегазового оборудования при проведении испытания на циклическую трещиностойкость.

Техническая задача решается тем, что в способе изготовления образцов высоконагруженного металла нефтегазового оборудования для испытания на циклическую трещиностойкость, включающем выбор места вырезки, вырезку металла из бывшего в эксплуатации оборудования и нагружение его до получения в нем трещины, предварительно проводят уточненный расчет на прочность и оценку напряженно-деформированного состояния исследуемого металла, по результатам которого определяют зону максимальных напряжений и деформаций и строят график их изменений, где отмечают пик максимальных деформаций и напряжений, который является центром образцов, при этом концентраторы напряжений расположены на необработанной стороне контактировавшего с рабочей средой оборудования так, что один из них располагают в центре образца, а два других по сторонам от него.

Совокупность существенных отличительных признаков заявленного изобретения дает возможность достижения поставленной задачи за счет того, что образцы вырезают из бывшего в эксплуатации несущего элемента конструкции оборудования, что позволяет использовать металл, естественно подготовленный к трещинообразованию под действием механической нагрузки и сероводородсодержащей среды.

Известно, что структура поверхности металла конструкции под действием коррозионно-активной сероводородсодержащей среды в высоконагруженной области металла в ходе эксплуатации оборудования изменяется гораздо интенсивнее и становится нестойкой к зарождению и развитию трещиноподобных дефектов.

На фиг.1 показана схема расположения места вырезки образцов в объеме металла фланцевого соединения корпуса сосуда, на фиг.2 - распределение эквивалентных напряжений (по Мизесу) во фланцевом соединении корпуса сосуда, на фиг.3 - изменение расчетных эквивалентных деформаций в сечении фланца по линии А-Б, на фиг 4 - схема нанесения концентраторов напряжения на образцах, на фиг.5 - приспособление для испытания образцов на циклическую трещиностойкость.

Для изготовления образцов могут использоваться фрагменты конструктивных элементов нефтегазового оборудования, таких как штуцера, крышки, обечайки, фланцевые соединения и т.п.

Способ изготовления образцов высоконагруженного металла нефтегазового оборудования для испытания на циклическую трещиностойкость поясняется схемой расположения места вырезки образцов в объеме металла фланцевого соединения корпуса сосуда, где образцы располагают на обечайке 1 фланца 2, соединенных сваркой 3. Зона максимальных напряжений 4 в сечении фланцевого соединения хорошо видна по результатам расчета на прочность и оценку напряженно-деформированного состояния исследуемого металла. Испытания на циклическую трещиностойкость проводят с помощью приспособления, включающего опору 5, на которой помещают образец 6, и пуансон 7.

Место отбора проб определяется уточненным расчетом на прочность и оценкой напряженно-деформированного состояния (НДС) методом конечных элементов (МКЭ). На примере крепления фланца 2 к обечайке 1 на расчетной конечно-элементной модели представлены распределение эквивалентных напряжений по теории удельной энергии формоизменения (по Мизесу).

По результатам расчетов НДС МКЭ на поверхности, контактирующей с рабочей средой, выбирается расчетный путь А-Б. По выбранному расчетному пути строиться график изменения расчетных эквивалентных деформаций, на котором определяется расстояние (Н) от т.А до пика (т.М) максимальных деформаций. Т.е. в этой точке будет центр образцов 6 для испытаний. В ней будет искусственно созданная трещина. Это условие обеспечивает создание искусственного концентратора на образцах 6 в зоне максимальных напряжений и деформаций 4. Для обеспечения совпадения центра образцов 6 с областью максимальных напряжений и деформаций выдерживается условие l+L/2=H.

Размечается место расположения и необходимое количество отбираемых образцов 6. Вырезаются образцы 6. Для исключения перегрева заготовки образцов 6 режутся при минимальной скорости и с охлаждающей жидкостью.

Образцы 6 изготавливаются с тремя острыми надрезами, выполненными фрезой или эрозионной технологией. При этом искусственные концентраторы (трещины) располагаются по центру образцов в зонах максимальных напряжений и деформаций, а также на расстоянии а от них в растянутой зоне металла.

Для испытания образцов 6 применяется приспособление для испытания образцов на циклическую трещиностойкость. Опора 5 приспособления для проведения испытаний изготовлена из стали с пределом текучести не ниже 400 МПа. Образец 6 располагается на опоре 5, с приложением пульсирующей нагрузки по центру, которую осуществляет пуансон 7. При испытании каждого образца определяются кинетические кривые роста трещин.

Таким образом, по сравнению с прототипом возможно изготовление образцов высоконагруженного металла нефтегазового оборудования для испытания на циклическую трещиностойкость, позволяющих провести достоверную оценку прочности и ресурса нефтегазового оборудования.