2.5.2 Учет коррозионного износа трубопроводов и теплоэнергетического оборудования.
Трубопроводные системы теплоснабжения работают в условиях, когда транспортируемая по ним горячая вода обладает коррозионной активностью.
По действующим нормам в прочностных расчетах этих трубопроводов учитывается работа под статической нагрузкой при отсутствии коррозии, проектирование же защиты от почвенной коррозии ведут без учета механических напряжений и структурно чувствительных свойств стали. Однако в реальных условиях вышеназванные трубопроводы и их сварные узлы испытывают действия как статических, так и динамических нагрузок от колебаний давления, температуры и вибрации при одновременном действии коррозионной среды (внутренней и внешней), приводящих в совокупности к коррозионной усталости металла. Раздельный подход к механике и коррозии игнорирует хорошо известный факт, что совместное действие коррозии и переменных механических напряжений неизбежно вызывает механохимические явления, отсутствующие при коррозии ненапряженного металла или при механическом нагружении без воздействия коррозионной среды: значительное увеличение скорости коррозии напряженного и деформированного металла по сравнению с ненапряженным (механохимическая коррозия) и потеря металлом сопротивляемости нагрузкам, намного меньшим стандартных предела прочности или предела усталости.
Влияние напряжений на коррозию многократно усиливается в местах резких изменений геометрической формы поверхности, являющихся концентраторами напряжения (сварные швы, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т.п.), что вызывает неравномерность коррозии и ее локализацию. В результате этого возникает коррозионная усталость металла, характеризующаяся развитием коррозионного процесса в вершине коррозионно-механической трещины, приводящей к разрушению. Факты, приведенные в некоторых работах подтверждают коррозионно-усталостную природу возникновения трещин при разрушениях на ряде теплопроводов.
Для определения скорости коррозии на практике используются испытания на образцах-свидетелях, установленных в действующие трубопроводы. Однако, получаемые при таких испытаниях результаты, не учитывают влияния напряженного состояния, возникающего в стенках, на скорость коррозии.
Изменение скорости коррозии под действием механических напряжений можно определить, используя зависимость:
где:
- скорость коррозии металла при действии механических напряжений
- скорость коррозии ненапряженного металла
- мольный объем металла;
- напряжение испытываемое материалом стенок
- универсальная газовая постоянная;
- абсолютная температура.
Из уравнения (2.53) видно, что с увеличением величины повышается скорость коррозии. Таким образом, в зонах концентрации напряжений металл будет корродировать быстрее.
Переменный характер действующей на трубопровод нагрузки и другие факторы могут привести к образованию микротрещин в материале стенок. На концах микротрещин напряжения будут близки к разрушающим, поэтому с течением времени размеры микротрещин будут увеличиваться, расширяя зону коррозии. При этом, максимальная скорость коррозии будет на тех участках, на которых напряжения будут близки к прочности материала .
Расчеты по формуле (2.54) показывают, что для трубопроводов из низкоуглеродистой стали с величина , т.е. скорость коррозии увеличивается почти в 5 раз. Этот результат согласуется с результатами натурных наблюдений.
Если исключить различные дефекты, наиболее уязвимым звеном трубопроводов является зона сварного соединения.
В работе [10] приведены результаты испытаний по симметричному циклу при чистом изгибе образцов из стали 17 Г1С, иллюстрирующие влияние внутреннего и наружного шва на долговечность соединений по сравнению с долговечностью металла трубы. Также в работе [10] показано, что долговечность образцов со сварными швами в четыре с лишним раза меньше образцов без сварных швов, а коррозионно-активная среда (3% хлорид натрия, имитирующий пластовые воды) во всех случаях снижает долговечность более чем на 30 %. И хотя эти экспериментальные данные не полностью подтверждают результаты оценок увеличения скорости коррозии, приведенных выше - это стоит отнести к временному фактору, а именно к тому, что испытания на усталость образцов вырезанных из трубопровода проводились в течение короткого промежутка времени с частотой нагружения чистым изгибом 50 циклов в минуту [10].
Учитывая, что большинство трубопроводов работает при рабочих давлениях, вызывающих напряжения в материале трубы до 0,4-0,5 от предела текучести - 8т, реальное уменьшение срока службы трубопровода при воздействии переменных нагрузок можно оценить в восемь-десять раз, т.е. при расчетном сроке эксплуатации 30-40 лет, реальный срок жизни трубопровода до разрыва не превысит 5-6 лет. Для реальной оценки допустимой составляющей от динамической нагрузки на трубопровод можно использовать результаты исследований приведенные в работе [10].
Элементы трубопроводов перекачивающих станций, наряду с указанным нагружением, испытывают воздействие высокочастотной составляющей переменных составляющих относительно малой амплитуды. Амплитуда составляет 4-7 МПа при частотах 280-350 Гц на перекачивающих насосных станциях (ПСН) [9].
Очень важным является вопрос возможности зарождения и распространения усталостных трещин в трубопроводах при переменных напряжениях малой амплитуды.
Результаты исследований, приведенные в работе [6], показывают, что при плоском напряженном состоянии и отношении главных напряжений (что характерно для трубопроводов), а также при наличии остаточных напряжений в сварных швах максимальная предельная амплитуда изменения напряжения для низкоуглеродистых сталей не превышает 10 МПа при общем числе циклов нагружения N=105 и статической составляющей порядка 0,7-0,8 от .
С учетом изложенного, представляется целесообразным для трубопроводных систем теплоснабжения в условиях коррозионного износа ограничить допустимую динамическую составляющую напряжения в стенке трубопровода из-за воздействия волновых и вибрационных процессов величиной 2-3 МПа.
В процессе эксплуатации трубопроводных систем теплоснабжения, неизбежно возникают достаточно интенсивные волновые (колебания давления, гидроудары и т.п.) и вибрационные процессы из-за включения или отключения дополнительных циркуляционных насосов, подпиточных насосов, аварийных отключений электропитания, ошибочных действий обслуживающего персонала и т.п., которые приводят к возникновению, с течением времени, усталостных и коррозионно-усталостных трещин в местах сварных соединений или каких либо дефектов, являющихся концентраторами напряжений (царапины, задиры, заводские дефекты и пр.)
Все эти факторы, как правило, не учитываются при проектировании трубопроводных систем. В большинстве нормативных документов, в лучшем случае, регламентируются допустимые уровни вибрации трубопроводов, а требования к пульсациям давления в этих документах отсутствуют. Необходимо отметить, что в нормативных документах многих отраслей промышленности отсутствуют не только ограничения на колебания (пульсации) давления в трубопроводах, но и ограничения на уровень вибрации. Следствием этого является высокая и постоянно возрастающая аварийность на трубопроводном транспорте (на 7-9 % ежегодно).
Достарыңызбен бөлісу: |
