СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ (ПНЕВМАТИЧЕСКИХ) ИСПЫТАНИЙ СОСУДОВ И ТРУБОПРОВОДОВ ДАВЛЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ПОЛНУЮ НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01M3/12 G01M3/00 

Способ относится к области технического обслуживания (освидетельствования) и эксплуатации сосудов и трубопроводов давления.

Гидравлические (пневматические) испытания (далее ГИ) широко используются в практике эксплуатации для проверки прочности и плотности сосудов и трубопроводов, их деталей и сборочных единиц, нагружаемых давлением. Области применения: атомная, тепловая энергетика, газо-, нефтепроводы, продуктопроводы, нефтехимическая промышленность, сосуды-хранилища, другие сосуды и трубопроводы, все элементы, работающие под внутренним давлением.

Гидравлические (пневматические) испытания проводят:

- после изготовления предприятием-изготовителем оборудования или

элементов трубопроводов, поставляемых на монтаж;

- после монтажа оборудования и трубопроводов;

- в процессе эксплуатации оборудования и трубопроводов, нагружаемых давлением воды, пара и пароводяной смеси или других жидкостей и газов.

Допускается вместо гидравлических испытаний проводить пневматические испытания оборудования и трубопроводов, нагружая их давлением газа.

Известен способ гидравлических (пневматических) испытаний сосудов (трубопроводов) давления (Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М.: Госатомэнергонадзор СССР. Информационный бюллетень 3(10), 1989, стр.49-60), по которому с периодичностью, установленной эмпирическим путем и определяемой действующими нормативными документами, сосуды и трубопроводы, работающие под давлением, нагружают давлением воды или воздуха Р_ги, превышающим рабочее давление Р_р на величину К≥ 1, выдерживают сосуды и трубопроводы под давлением не менее 10 минут, после чего давление снижают и проводят осмотр сосудов (трубопроводов) давления в течение времени, необходимого для осмотра. Давление нагружения выбирают на основе действующих нормативных документов (в нормативных документах величины давлений указаны на основании сложившейся практики). Минимальная допустимая температура при испытаниях и выдержке определяется по нормам расчета на прочность. Сосуды и трубопроводы считаются выдержавшими гидравлические (пневматические) испытания, если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей и разрывов металла, в процессе выдержки падение давления не выходило за пределы, указанные в нормативных документах, а после испытаний не выявлено новых остаточных деформаций.

Недостаток известного способа в том, что как давление Р_ги, так и периодичность ГИ определяют без учета фактического уровня надежности сосуда или трубопровода давления, достигаемого за счет ГИ, и его изменения во времени. Поэтому, несмотря на проведение гидравлических (пневматических) испытаний, сосуд или трубопровод давления может не доработать до следующих ГИ и его эксплуатация может быть прервана из-за образования течи или разрушения, что приводит, как правило, к большим экономическим убыткам и, возможно, человеческим жертвам.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в правильном выборе периодичности нагружения в режиме испытания и режима испытания, что, в свою очередь, приведет к гарантированной надежности и безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления.

Данный технический результат достигается тем, что сосуды (трубопроводы), работающие под давлением, периодически нагружают давлением жидкости или газа, превышающим рабочее давление, выдерживают сосуды (трубопроводы) под давлением, после чего давление снижают и проводят осмотр сосудов (трубопроводов) давления, при этом их считают выдержавшими гидравлические (пневматические) испытания, если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей и разрывов металла, в процессе выдержки падение давления не выходило за установленные в нормативных документах пределы, а после испытаний не было выявлено новых остаточных деформаций. При этом режим испытания выбирают таким, чтобы размеры трещин семейства трещин критического размера, соответствующих режиму испытания, были меньше размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации (а,с)крги

<(а,с)крр, периодичность испытания выбирают такой, чтобы время между гидравлическими (пневматическими) испытаниями не превышало времени увеличения (подрастания) размеров трещин семейства критических трещин, соответствующих режиму гидравлических (пневматических) испытаний до размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации (температуре, давлению и другим воздействиям) Т[(а,с)крги→_{(а,с)крр], (где (а,с)крги - размеры трещин семейства трещин критического размера, соответствующих режиму испытания, а (а,с)крр - размеры трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации, Т - период времени между испытаниями).}

Изобретение проиллюстрировано чертежами, где

фиг.1 - схема нагружения сосуда давления;

фиг.2 - расположение подповерхностных трещин в сосуде давления, продольная трещина шириной 2а и длиной 2с;

фиг.3 - расположение подповерхностных трещин в сосуде давления, кольцевая трещина шириной 2а и длиной 2с;

фиг.4 - семейства всех возможных поперечных подповерхностных трещин критических размеров в режиме гидроиспытания и рабочем режиме;

фиг.5 - семейства всех возможных продольных подповерхностных трещин критических размеров в режиме гидроиспытания и рабочем режиме;

фиг.6 - развитие трещин во времени;

фиг.7 - график развития трещины во времени;

фиг.8 - изменение размеров трещин, критических для давления в режиме ГИ за счет роста во время эксплуатации;

фиг.9 - кривые критических размеров подповерхностных поперечных (тангенциальных) трещин в сосуде давления при действии различных давлений Р1<Р2<Р3<Р4;

фиг.10 - кривые критических размеров подповерхностных продольных трещин в сосуде давления при действии различных давлений Р1<Р2<Р3<Р4;

фиг.11 - схема испытываемого трубопровода энергетической установки с внутренним диаметром 500 мм (Ду500);

фиг.12 - результаты расчетов размера критических трещин для давления испытаний 140 кг/см² и рабочих условий, продольные трещины;

фиг.13 - результаты расчетов размера критических трещин для давления испытаний 140 кг/см² и рабочих условий, поперечные трещины.

фиг.14 - результаты расчета безопасного числа циклов нагружения для трещины продольной ориентации;

фиг.15 - результаты расчета безопасного числа циклов нагружения для трещины поперечной ориентации.

Из механики разрушения известно, что нестабильное (быстрое лавинообразное разрушение, которое уже невозможно остановить) разрушение наступает в момент достижения дефектом сплошности критических размеров. Любой дефект консервативно можно смоделировать трещиной, а любую трещину можно описать эллипсом с полуосями: короткой а и длинной с. Чем выше давление и ниже температура, тем меньше размеры критических трещин.

Семейство трещин - это совокупность всех возможных трещин в данном элементе конструкции, в том числе по ориентации и по месту расположения в данном элементе конструкции, по размерам, по форме. Для данного конкретного нагружения в данном семействе трещин можно выделить две части - трещины, не приводящие к разрушению для данного нагружения, и трещины, которые приводят к разрушению. Границей между этими совокупностями трещин являются трещины критического размера.

Семейство трещин критического размера - это совокупность всех возможных трещин критического размера по типам: по ориентации и по месту расположения в данном элементе конструкции, по форме. Если выделить трещины критического размера, плоскость которых проходит поперек цилиндрической части сосуда давления или трубопровода, то такую трещину можно назвать поперечной (или тангенциальной), если плоскость трещины проходит через осевую линию трубопровода или сосуда давления, то такая трещина называется осевой. На фиг.2 и 3 представлены схемы расположения подповерхностных трещин в сосуде давления. Так как в сосуде давления или трубопроводе стенки находятся при плоском напряженном состоянии с главными напряжениями, ориентированными вдоль оси или в тангенциальном направлении, то всю возможную совокупность трещин критических размеров можно схематизировать осевыми и поперечными трещинами (на фиг.2 и 3 показаны продольная трещина шириной 2a₁ и длиной 2с₁ и поперечная (тангенциальная) трещина с шириной 2а₂ и длиной 2с₂, S - толщина стенки сосуда, D - внутренний диаметр сосуда давления (трубопровода)) и графически представить в координатах а; с (фиг.4 и 5). При этом соотношение между размерами а-критическое и с-критическое такое, что чем больше а, тем меньше с, и наоборот (эти зависимости известны из механики разрушения [1]). Кроме того, чем выше уровень нагрузки, тем меньшие размеры критических трещин.

Во время эксплуатации трещины могут подрастать и увеличивать свои размеры. На фиг.6 изображено развитие трещины во времени: 1 - исходный дефект, 2 - трещина критического размера для давления в режиме ГИ, 3 - трещина критического размера для нагружения в рабочем режиме эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. На фиг.7 изображен график развития трещины во времени. Обозначим исходные размеры дефекта с₀ и а₀. С течением времени эксплуатации, если трещина растет, то меняются размеры а и с, при достижении критических размеров трещина переходит в нестабильное состояние и происходит полное или частичное разрушение конструкции. На фиг.7 промежуток времени от момента успешного проведения нагружения испытания Ф_ГИ до момента времени, соответствующего достижению трещиной размеров, равных размерам трещины критического размера рабочего режима эксплуатации, соответствует времени безопасной эксплуатации Ф_без.

Подрастание всей совокупности трещин определенной ориентации можно представить графически - фиг.8. Если в момент начала эксплуатации трещины характеризуются кривой 1 - это семейство трещин критического размера для давления ГИ, то через определенные моменты времени за счет развития трещин кривые займут положение кривых 2, 3 и 4, кривая 5 характеризует трещины критических размеров для рабочего режима эксплуатации. Кривые 2 и 3 отражают безопасные условия эксплуатации (вероятность разрыва сосуда давления равна нулю), в момент соприкосновения кривой 4 с кривой 5 вероятность разрыва становится отличной от нуля.

Размер всех критических трещин зависит от величины нагрузки, например давления. На фиг.9 и 10 приведены кривые семейств трещин критических размеров подповерхностных поперечных (тангенциальных) (фиг.9) и осевых (фиг.10) трещин при различных давлениях Р1, Р2, Р3, Р4, причем Р1<Р2<Р3<Р4. Кривая 1 соответствует давлению Р1, кривая 2 - давлению Р2, кривая 3 - давлению Р3 и кривая 4 - давлению Р4. Чертежи наглядно иллюстрируют - чем выше давление, тем меньше размеры критических трещин.

Если условия нагружения в режимах ГИ и рабочем режиме эксплуатации таковы, что размеры критических трещин в режиме гидроиспытаний меньше, чем в рабочем режиме, то в этом случае гидроиспытания обеспечивают безопасность последующей эксплуатации. Такая систуация для трещин продольной и поперечной ориентации представлена на фиг.4 и 5. Если же в режиме гидроиспытаний трещины критических размеров, все или часть из всей возможной совокупности (семейства трещин) равна или превышает критические размеры трещин в рабочем режиме эксплуатации, то в этом случае ГИ не обеспечивают полную безопасность последующей эксплуатации (безопасность по критерию разрыва ), т.е. в этом случае имеется вероятность частичного или полного разрушения элемента конструкции.

Таким образом, для того чтобы ГИ обеспечивали безопасность последующей эксплуатации, давление должно быть выбрано таким, чтобы все возможные трещины критических размеров во время ГИ были меньше всех возможных трещин критических размеров в рабочем режиме (такая ситуация указана на фиг.4 и 5). При этом, чем больше расстояние между размерами критических трещин в рабочем режиме и режиме ГИ, тем на более длительный срок эксплуатации обеспечивается безопасность.

При этом важное значение имеет то, что в режиме ГИ сосуд или трубопровод не разрушились. Эти, успешно проведенные ГИ означают, что в испытываемой конструкции отсутствуют трещины, размеры которых больше или равны размерам трещин критических размеров в режиме ГИ. Но в то же время в конструкции могут присутствовать трещины меньших размеров, в том числе и как угодно близкие к критическим размерам в режиме ГИ. Однако для режима рабочей эксплуатации эти трещины не опасны.

Во время эксплуатации эти трещины могут подрастать. Однако до тех пор, пока эти трещины будут меньше критических размеров трещин в рабочем режиме эксплуатации, возможность разрушения исключена. Но как только эти трещины достигнут критических размеров в рабочем режиме эксплуатации, может произойти разрушение.

Таким образом, время, в течение которого семейство критически трещин в режиме ГИ может подрасти до критических размеров в рабочем режиме, является временем безопасной эксплуатации. Исходя из этого периодичность ГИ, обеспечивающая полную безопасность, выбирается как время подрастания размеров трещин семейства критических трещин, соответствующих давлению в режиме ГИ, до размеров трещин семейства критических трещин, соответствующих рабочему режиму эксплуатации - фиг.7 и 8. Время развития трещины определяется по известным методам механики разрушения. Например, по формуле Периса при циклическом нагружении.

При выборе давления ГИ определяется семейство трещин критических размеров, соответствующих давлению в рабочем режиме (по формулам механики разрушения), затем назначается давление ГИ, которое должно превышать давление в рабочем режиме, для этого давления ГИ также строится семейство трещин критических размеров. Если все трещины для давления в режиме ГИ меньше, чем критические трещины для рабочего режима, то это давление может быть реализовано на практике. Если же размеры всех критических трещин или их части для давления в режиме ГИ равны или больше критических размеров трещин для давления в рабочем режиме, то тогда назначают еще большее давление ГИ и для нового давления также проводят расчет трещин критических размеров. И так до тех пор, пока все трещины критических размеров для давления в режиме ГИ не станут меньше всех трещин критического размера для рабочего режима. Это давление выбирается как давление для проведения ГИ.

Для выбранного таким образом давления ГИ определяют время следующего нагружения как время подрастания критических трещин для давления в режиме ГИ до критических трещин для давления в рабочем режиме эксплуатации.

В трубопроводах и сосудах давления помимо напряжений, вызванных давлением, действуют также общие или местные изгибные напряжения, величина которых различна в рабочем режиме и в режиме ГИ. Величина изгибных напряжений определяется весовой и температурными нагрузками, а также возможными нестационарными термосиловыми воздействиями в рабочем режиме.

Рассмотрим способ на конкретном примере для трубопровода энергетической установки, схема которого приведена на фиг.11. Внутренний диаметр трубопровода 500 мм (Ду500), толщина стенки S - 32 мм. Трубопровод имеет прямые участки и гибы, материал трубопровода - аустенитная сталь типа 00Х18Н10Т, температура эксплуатации 300°С, а температура гидроиспытаний 20°С, рабочее давление 125 кг/см². Напряжение в рабочем режиме от внутреннего давления в осевом направлении σ _р - 451 кг/см², в тангенциальном направлении - σ - 902 кг/см², при этом в осевом направлении имеются общие изгибные напряжения величиной σ _из - 60 кг/см². Предел текучести материала при комнатной температуре σ _т - 220 кг/см², при рабочей σ _тР - 190 кг/см².

Для определения давления ГИ проделаем следующие операции.

Назначаем давление ГИ, равное Р - 140 кг/см², при этом напряжение в осевом направлении σ _р - 506 кг/см², в тангенциальном σ - 1012 кг/см², а изгибные равны 5 кг/см².

Надо отметить, что и для режима испытаний, и для рабочего режима материал находится в вязком состоянии.

Определим критические размеры трещин для рабочего режима эксплуатации и для режима Г(П)И с использованием уравнений

Расчет проводится для коэффициентов запаса, равных единице (раз нет запаса, то размеры критические, если есть запас, трещины к разрушению не приведут) для поперечных и по уравнению

для осевых (коэф. запаса 1), где σ _в - общие изгибные напряжения, RTF

- полусумма пределов текучести и прочности материала, c - протяженность трещины в радианах, s - толщина стенки трубопровода, σ _м - мембранное напряжение, n_а, n₀ - запасы на размер трещины (в данном случае n_a=n₀=1). Результат расчета представлен на фиг.12, где 1 - трещины критических размеров в рабочем режиме, 2 - для Р_ги=140 кг/см², 3 - для Р_ги=175 кг/см². Из него видно, что размеры трещин семейства критических трещин для режима ГИ лежат выше, чем размеры трещин семейства критических трещин для рабочего режима эксплуатации.

Безопасность в результате испытания с таким давлением обеспечена не будет, т.к. размеры части критических трещин для давления ГИ будут больше, чем размеры критических трещин в рабочем режиме эксплуатации, и может произойти разрыв в рабочем режиме несмотря на успешно проведенные гидроиспытания.

Назначаем следующее давление испытаний, равное Р_ГИ - 175 кг/см².

Для этого давления осевое напряжение σ _р - 632 кг/см², тангенциальное напряжение σ - 1264 кг/см², изгибное напряжение 5 кг/см².

Результаты расчета представлены на фиг.13 и 14. Видно, что в этом случае гидроиспытание создает безопасные условия эксплуатации, т.к. все трещины критического размера в режиме ГИ имеют меньшие значения критических размеров трещин в рабочем режиме эксплуатации.

Определяем время безопасной эксплуатации в случае успешного проведения испытаний выбранным давлением. Для указанной стали и указанных условий эксплуатации рост трещины будет происходить только от действия циклических нагрузок. Циклическую нагрузку создает нагружение трубопровода рабочим давлением и температурой. Подрастание трещины определим по формуле

где С₁, m -характеристики материала, зависящие от условий нагружения.

В этой формуле значения коэффициентов C₁ и m выбираются по таблице источника I, при этом коэффициент симметрии цикла равен нулю (R=0) - пульсирующий цикл. Расчеты проводили для различных соотношений а к с. Результаты расчета представлены на фиг.14 и 15. (Аналогичные расчеты проводятся и для гибов, только в формуле 3 при расчете кинетики подрастания трещины принимаются максимальные местные напряжения с учетом концентрации напряжения). Результаты расчетов представлены на фиг.14 и 15).

Расходящиеся из начала координат лучи характеризуют семейства трещин с одинаковым соотношением а к с. При этом первое число указывает отношение а к с, а второе число - число циклов, за которое трещина, критическая в режиме ГИ, дорастет до размеров трещины, критической в рабочем режиме эксплуатации.

Из расчетов видно, что минимальное число циклов, за которое трещина дорастет до опасных размеров в рабочем режиме эксплуатации, равно 9 циклам нагружения. Время безопасной эксплуатации является временем, за которое будут осуществлены выход на рабочий режим и выход из рабочего режима девять раз. Для данного трубопровода в год осуществляются два таких цикла нагружения, следовательно, время безопасной эксплуатации будет равно четырем с половиной годам. Следующее нагружение давлением режима ГИ проводится через четыре с половиной года тем же, что и в первый раз, давлением, после девятого цикла выхода на рабочий режим и выхода из него и перед выходом на десятый цикл рабочего нагружения.

Источник информации

1. Новости атомной энергетики. 1/1989. Информационный бюллетень международного хозяйственного объединения "Интератомэнерго". Е. Ривкин, А. Гетман, В. Филатов, Л. Бабкин. Методики определения допускаемых дефектов в металле оборудования и трубопроводах во время эксплуатации АЭС.

Изобретение относится к области технического обслуживания и эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. Изобретение направлено на повышение надежности и безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. Согласно изобретению режим испытаний выбирают таким, чтобы размеры трещин семейства трещин критического размера, соответствующих режиму испытания, были меньше размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации, периодичность испытания выбирают такой, чтобы время между гидравлическими (пневматическими испытаниями) не превышало времени увеличения размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих режиму гидравлических (пневматических) испытаний до размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации. 15 ил.

Способ гидравлических (пневматических) испытаний сосудов (трубопроводов) давления, по которому сосуды (трубопроводы), работающие под давлением, периодически нагружают давлением испытания жидкости или газа, превышающим рабочее давление эксплуатации, выдерживают под давлением испытания, после чего давление снижают и проводят осмотр сосудов (трубопроводов) давления, при этом их считают выдержавшими гидравлические (пневматические) испытания, если в процессе испытаний и при осмотре не обнаружено течей и/или разрывов металла, в процессе выдержки падение давления не выходило за установленные пределы, а после испытаний не было выявлено новых остаточных деформаций, отличающийся тем, что режим испытаний выбирают таким, чтобы размеры трещин семейства трещин критического размера, соответствующих режиму испытания, были меньше размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации, периодичность испытания выбирают такой, чтобы время между гидравлическими (пневматическими) испытаниями не превышало времени увеличения размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих режиму гидравлических (пневматически) испытаний до размеров трещин семейства трещин критического размера, соответствующих рабочему режиму эксплуатации.