Применение компактных образцов для определения механических характеристик сталей при расследовании аварий

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены основные положения,
выносимые на защиту, показаны научная новизна, теоретическая и практическая
ценность результатов работы.
В первой главе представлен анализ и классификация аварий в нефтегазовой
отрасли, а также нормативные и оригинальные методы определения причин
возникновения отказов, переходящих в катастрофическое разрушение.
Показано, что в Российской федерации существует отлаженная система
обеспечения безопасности ОПО. В основу этой системы положен Федеральный закон
от 21.07.1997 № 116-ФЗ (ред. От 29.07. 2018) «О промышленной безопасности опасных
производственныхобъектов»,которыйопределяетправовые,социальныеи
экономические основы обеспечения условий эксплуатации ОПО. Закон носит
предупредительный характер, что очень важно для экономики страны и требует от
предприятий готовности к предварительной локализации и далее к ликвидации
последствий аварий. Закон регламентирует понятие ОПО по четырем классам
опасности: чрезвычайно высокой, высокой, средней опасности и низкой опасности (в
соответствии с изменениями к ФЗ 116 от 29 июля 2018года). К области промышленной
безопасности относятся все этапы жизненного цикла объектов: проектирование,
монтаж, эксплуатация, реконструкция, ремонт, консервация и ликвидация. При этом
техническое устройство подлежит экспертизе промышленной безопасности в течение
всегопроизводственногоцикла.Соблюдениеправил,регламентированных
рассматриваемымзаконом,позволяетсоздатьстройнуюсистемууправления
безопасностью, в которую включается подготовка и аттестация работников в
указанной области и производственный контроль за соблюдением требований, которые
устанавливаются Правительством РФ. Однако аварии случаются, в том числе
катастрофические. На Рисунках 1 и 2 показаны такие разрушения, которые отнесены к
высшей категории опасности.
Человеческий фактор очень сложно устранить, поскольку внутреннее состояние
человека и воздействие внешней среды трудно предсказать. Поэтому в Федеральном
Законе предусмотрена статья 14 о техническом расследовании причин аварии, в
которой прописаны общий алгоритм проведения расследования и документы, которые
создаются при этом.
Порядок проведения технического расследования введен в действие приказом
Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от
19.08.2011 № 480. В этом документе прописана возможность привлечения экспертных
организацийиотдельныхэкспертовкрасследованиюаварии.Кромеэтих
официальных документов утверждены и используются ведомственные документы. Так,
например, компания ПАО «Русгидро» после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС
разработала СТО РусГидро 07.01.66-2017 «Порядок расследования и учета аварий и
инцидентов. Нормы и требования».

Рисунок 1 – Разрушения на Ачинском НПЗРисунок 2 – Авария на платформе в Мексике

Нормативные документы указывают на приглашение для расследования причин
аварий экспертные организации, которые определяют механические характеристики
металла, взятого из эпицентра разрушения. Не всегда размеры отобранного металла
позволяют изготовить для испытания стандартные образцы. Прежде всего это
происходит вследствие утонения металла в результате пластических деформаций. В
таких случаях механические характеристики можно определять с использованием
небольших компактных образцов. В мировой практике используются мини-образцы
SPT (Small Punch Test). Отмечается, что прямой корреляции между результатами
стандартных испытаний на растяжение и испытаниями мини-образцов нет и при
использовании таких испытаний необходимо такую корреляцию выстраивать.
Компактные образцы также применяются для определения коэффициента
интенсивности напряжений при исследовании металлических образцов, из которых
невозможно изготовить стандартные образцы для реализации плоской деформации в
кончике трещины. Применяются компактные образцы с шевронным разрезом, которые
описанывработахР.В.Херцберга,Е.А.Наумкина,Р.Р.Рахимкулова,
Л.Г. Самигуллиной. Обзор литературы по вопросу применения компактных образцов
для оценки механических свойств показывает, что очень мало исследований,
касающихся испытания сталей и четкий алгоритм таких испытаний относительно
металла из эпицентра разрушений отсутствует. Этим определяются цель и задачи
исследования.
Вторая глава посвящена объектам и методам исследования.
Установка, на которой произошла авария, была введена в эксплуатацию в
1985 году и предназначалась для выделения фракции дизельного топлива с пределами
кипения 200-315 оС. В 1996 году установка была перепрофилирована на обезвоживание
товарного дизельного топлива. В таком режиме установка работала до 1999 года, когда
и произошла авария.
Начальным пунктом в цепи событий явилось распоряжение диспетчера завода по
увеличению загрузки сырьем блока по обезвоживанию товарного дизельного топлива.
Выполнение этого распоряжения повлекло за собой снижение температуры вспышки
целевогопродукта,чтопотребовалоподъематемпературынавыходеиз
нагревательной печи путём розжига дополнительных форсунок. Увеличение выхода
продуктов в емкость Е-2 привело к ее переполнению и попаданию продуктов в эжектор
вакуумной системы и далее по линии дожига газов в камеру сгорания печи. Горение
продукта вызвало подъем температуры в змеевике, а старший оператор, неправильно
оценив причины попадания и загорания нефтепродукта, начал действовать в
соответствии с «планом ликвидации аварийных ситуаций» (ПЛАС) по позиции
«прогар труб в печи». Продукт из вакуумной системы продолжал поступать в печь и
черезгорелкирастекатьсяпотерриторииустановкиигореть.Пожарные,
производившие тушение пожара, одновременно охлаждали водой колонный аппарат,
температура в котором превышала 400 оС. Неравномерное охлаждение колонны
привело к ее наклону и разрыву линзового компенсатора. Следует отметить, что при
расследованиипричинавариинебылиопределеныпричиныразрушения
компенсатора, не оценивались механические характеристики металла.
Достижение поставленной цели и решение задач потребовали проведение
разнообразных исследований и использования современного оборудования. Для
определенияхимическогосоставаизучаемогоконструкционногоматериала
использовалирентгенофлуоресцентныйанализаторхимическогосостава
Delta Premium, Innov-X Systems. Поскольку в объекте исследования было заметно
утонениестенки,измерениятолщиныфрагментовиобразцовпроводили
ультразвуковым измерителем толщины ТУЗ-1.
Механические характеристики по всем видам испытаний проводили на
сервогидравлической испытательной системе INSTRON 8801, а измерения твердости
на твердомере Роквелла серии 574.
Большое число экспериментов проводили с SPT-образцами с помощью машины
для испытания на растяжение с малой скоростью. Оснастка состоит из наконечника и
гнезда, в гнездо ставится компактный образец и фиксируется специальной крышкой
(Рисунок 3, б). Затем производится деформирование образца до его разрушения с
помощью небольшой полусферической головки пуансона диаметром 2,5 мм
(Рисунок 3, в).

Диаметр: 8 мм
Диаметр: 2,5 мм

а)б)в)г)

а) общий вид испытательной оснастки; б) схема испытания;
в) наконечник для испытания, г) мини-образец цилиндрической формы
Рисунок 3 – Элементы конструкции для испытания методом SPT
Испытание контролируется с помощью скорости пробивки v = 0,2 мм/мин. Таким
образом, образец деформируется квазистатически внутри отверстия диаметром 8 мм
(двухосное расширение) до отказа. Тест завершается, когда нагрузка уменьшается на
40% от максимальной нагрузки.
Методика использования плоских прямоугольных образцов отрабатывалась на
стальных пластинах различной толщины от 0,01 до 1,00 мм (Рисунок 4).
Необходимо было провести серию испытаний на циклическую усталость
цилиндрических образцов (Рисунок 5) на растяжение-сжатие. После испытания на
определенное количество циклов из цилиндрического образца изготавливали мини-
образцы (раскрой образцов представлен на Рисунке 5, на фрезерном станке отрезали
диски, внешний вид которых показан на Рисунке 6.

Рисунок 4 – Общий вид и размеры стальных образцов

Рисунок 5 – Раскрой образцовРисунок 6 – Нарезанные на фрезерном станке
мини-образцы

На заключительной стадии исследования делали раскрой образцов, вырезанных
из разрушенного компенсатора, и из них изготавливали плоские образцы, мини-
образцы и проводили испытания с целью определения работы разрушения.
Последовательность проведенияраскрояэлементовразрушеннойконструкции
показана на Рисунке 7.

Рисунок 7 – Разметка и разделка фрагментов на образцы для проведения испытания

Третьяглавапосвященаустановлениюкорреляциимеханических
характеристик металла, определенных стандартным методом и методом SPT. По
диаграммам, которые формируются в процессе испытания (Рисунок 8), можно оценить
механическиехарактеристикиконструкционногоматериала.SPTобразцы
протыкаются индентором, образуют сквозное отверстие. Характеротверстий
(Рисунок 9) показывает сложный характер деформирования и наличие сдвиговых и
ротационных мод.

Рисунок 9 –
Образцы после
испытания методом
SPT

Рисунок 8 – Сравнительная диаграмма для метода малого удара SPT,
при различных толщинах компактных образцов
Эксперименты показали, что компактные образцы из одной партии металла,
могут иметь разброс значений механических характеристик. Поэтому для получения
справочных данных нужно иметь большую статистику результатов.
Наши эксперименты позволили получить поправочные коэффициенты, с
помощью которых можно рассчитывать стандартные значения механических
характеристик. Коэффициенты нелинейно зависят от толщины испытуемых образцов,
как это показано на Рисунке 10.
Трудность использования диаграмм, полученных в процессе пенетрации,
заключается в том, что необходимо интерпретировать полученные результаты с
общепринятой точки зрения трактовки значений для всех характерных зон. Наши
эксперименты показывают, что более точный результат в определении предела
текучести, получается при использовании зоны пластического течения.

Рисунок 10 – Зависимости переходных коэффициентов для определения предела текучести в
зависимости от толщины испытуемых образцов: для зоны упругих деформаций (1) и для зоны
эластопластического перехода (2)
Следующая серия экспериментов была выполнена по определению работы
разрушения образцов, в которых накапливались усталостные повреждения в
малоцикловой области при испытании круглых образцов на растяжение-сжатие при
реализации от нулевого цикла. Макрообразцы, которые нагружались в течение
определенного числа циклов, разрезались и изготавливались SPT-образцы. При
пенетрации индентора определяли работу разрушения. Результаты эксперимента
представлены на Рисунке 11.
На уровне 70% от разрушающего количества циклов работа разрушения
начинает устойчиво уменьшаться. На диаграмме (Рисунок 11) выделена зона
неопределенности двумя красными линиями. Верхняя линия проводится по значению
работы разрушения образца без циклических повреждений, вторая с использованием
понижающего коэффициента 1,3. Вторая линия обеспечивает требуемую точность
определения степени деградации структуры при усталостных деформациях.

Рисунок 11 – Работа разрушения SPT-образцов испытавшие циклическую нагрузки (зоны А, Б)

В четвертой главе приводятся результаты исследования алгоритма определения
механические характеристик на компактных тонких прямоугольных образцах.
Поскольку исследователи отмечают сложный характер деформирования образцов SPT,
что подтверждается и нашими исследованиями, и отсутствие прямого соответствия
между механическими характеристиками, определенными стандартным методом и на
компактных образцах, требуется разработка альтернативных методов испытания.
Вследствие этого нами проведены исследования возможности применения для этих
целей тонких прямоугольных образцов.
Для определения механических характеристик, как правило, изготавливают
стандартныецилиндрическиеиплоскиеобразцы.Диаметррабочейчасти
цилиндрического образца от 3 мм до 25 мм. Размеры плоского образца: ширина
рабочей части от 20 мм до 30 мм, толщина от 3 мм до 25 мм. Образцы, размеры
которых в поперечном сечении меньше трех миллиметров согласно ГОСТ 1497-84 не
изготавливаются. Испытания тонких образцов показывает, что механические
характеристики действительно отличаются от стандартных величин. Исследователи
отмечают, что на результат оказывает влияние «масштабный эффект».
С целью изучения закономерностей разрушения тонких образцов была
подготовлена серия стальных образцов толщиной от 0,02 до 1 мм, размеры и общий
вид которых показаны на Рисунке 4. Ширина образца составляет 12,8 мм, длина
равняется 75 мм.
Наши исследования показывают, что существует влияние толщины образца на
результаты определения удельной работы разрушения.
Степенной характер зависимости удельной работы разрушения (А) от толщины
компактных образцов (h) в области толщин до 1 мм, при добавлении результатов
испытания образцов с большими толщинами изменился (Рисунок 12).
В исследованном интервале толщин образцов показано, что для стали 60Г (1) и
стали 20 (2) работа разрушения с высокой точностью описывается логарифмической
зависимостью:
А= 1179 ln (h) + 5928 (R2 = 0,955),(1)
А= 1937 ln (h) + 2538 (R2 = 0,996).(2)
Рисунок 12 – Зависимость удельной работы разрушения
от толщины образцов из стали 60Г

В этом случае для объективного сравнения результатов испытаний необходимо
обеспечивать одинаковый объем образцов. Для установления такой зависимости
провели серию экспериментов, в которых испытывали образцы одинаковой толщины,
но с различным объемом за счет изменения их ширины и длины. В качестве реперного
объема использовали стандартный плоский образец толщиной также 4 мм. Результаты
испытаний показаны на Рисунке 13. Как и ожидалось, с увеличением объема образца
удельная работа разрушения увеличивалась, стремясь к некоторому пределу, который
был задан значением удельной работы разрушения стандартного образца.
Рисунок 13 – Зависимость удельной работы разрушения от объема испытываемых образцов

Пятая глава посвящена разработке алгоритма исследования металла из зоны
разрушения на примере разрушенного линзового компенсатора. На первом этапе
испытаний определялась степень деградации материала компенсатора, поэтому
фрагмент для исследований был выбран не из зоны разрушения, а из зоны приварки
компенсатора к трубе. Эта зона не подверглась в процессе разрушения существенному
деформированию.Фрагментыкомпенсаторабылиотделеныиподвергнуты
исследованию. Исследования проводились с использованием прямоугольных тонких
образцов. Измеренные значения работы разрушения нанесены на расчетную диаграмму
(формула 2) (Рисунок 14). Все точки расположились ниже расчетной кривой в
интервале 5500-6600 Н/мм, что указывает на определенную деградацию свойств
металла в процессе эксплуатации. Некоторые точки оказались ниже установленного
нами запаса 1,3. Непосредственно в зоне разрушения металл подвергся сильному
деформированию. Вырезать прямоугольные образцы с равномерным распределением
толщины не удалось, поэтому работа разрушения определялась с применением
компактных SPT – образцов (Рисунок 7).
Работа разрушения металла из зоны образовавшейся трещины изменялась в
пределах 200-500 Н/мм (Рисунок 14), что указывает на практически полное исчерпание
ресурса металла. Обращает на себя внимание сильный коррозионный износ металла в
зоне разрушения, что не соотносится с отсутствием коррозионной активности
перерабатываемого продукта. Поэтому определили химический состав отложений на
поверхности металла с внутренней стороны компенсатора в трех точках. При
визуальном изучении образцов фрагмента компенсатора были обнаружены отложения
с внутренней стороны, которая соприкасалась со средой. Отложения черного цвета
толщиной от 0,05 до 0,1 мм, которые растрескивались при растяжении образцов и
отслаивались фрагментарно.
При определении содержания серы без удаления отложений, наблюдается
превышение содержания этого элемента на два порядка величины по сравнению со
стандартной величиной: среднее значение 2,72 % при максимальном значении 3,6 %.
Можно однозначно констатировать, что соединения серы (сульфиды железа)
отложилась на поверхности из перерабатываемого продукта. Изучаемая сталь не
предназначена для изготовления оборудования, работающего при переработке нефти с
повышенным содержанием серы.
Повышенное содержание серы неизбежно приводит к увеличению скорости
коррозии металла. Это подтверждается измерениями толщины стенки объекта
исследования.
Комплекс проведенных исследований позволяет сформулировать алгоритм по
определению причин разрушения металла при расследовании аварий на нефтегазовом
оборудовании, который заключается в следующей последовательности: визуально
определяется зона эпицентра разрушения, отмечаются зоны с минимальной
деформацией, проводятся измерения толщины стенки и распределения твердости,
затем осуществляется отбор проб из этих двух зон. Далее из отобранных проб
изготавливаются тонкие прямоугольные или SPT образцы. Строится расчетная
диаграмма зависимости работы разрушения от толщины образца. Далее полученные
результатыопределенияработыразрушениянаносятсянаэтудиаграмму.
Совокупность всех измерений позволяет определить основной механизм разрушения.
Наличие стандартной зависимости удельной работы разрушения от толщины
испытуемых образцов позволяет предложить алгоритм оценки степени износа
конструкционного материала и нанести на диаграмму области степени его износа
(Рисунок 15).

1 – образцы, взятые от эпицентра разрушения; 2 – образцы из эпицентра
Рисунок 14 – Зависимость удельной работы разрушения от толщины образцов с нанесенными
экспериментальными значениями

Рисунок 15 – Зависимость удельной работы разрушения от толщины образцов с разрушенного
объекта с нанесенными зонами степени износа
На Рисунке 15 обозначены характерные зоны: А – область проектного износа;
Б – область запроектного износа; В – область катастрофического исчерпания ресурса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1Разработаналгоритмоценкивоздействиярабочихпараметрови
поражающихфакторовнастепеньдеградацииконструкционногоматериала,
отобранного из эпицентра аварии оборудования нефтегазовых технологий. Получена
логарифмическая зависимость удельной работы разрушения от толщины испытуемых
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. Методика определения степени
деградации металла аварийного оборудования использована при разработке стандарта
УГНТУ.
2Анализотечественныхизарубежныхисследований,патентови
нормативных документов в области промышленной безопасности показал, что на
данный момент времени проблема оценки механических характеристик металла из
эпицентра разрушения при ограниченном объеме проб не решена. В тоже время
использованиекомпактныхобразцовдляопределенияхарактеристик
конструкционного материала расширяется в смежных областях техники.
3Разработана оснастка для испытания SPT-образцов, и разработана
методикаихизготовленияииспытания.Определенастепеньсоответствия
механических характеристик, определенных стандартным методом и с помощью
SPT-образцов, при этом получены коэффициенты соответствия в диапазоне толщин
0,6 – 1,2 мм.
4Впервые с помощью SPT-образцов оценена динамика накапливания
усталостныхповрежденийвстандартныхобразцах,подвергнутыхдействию
циклических нагрузок в «отнулевом» режиме в упруго пластическом диапазоне
деформирования. Впервые с применением компактных образцов получена диаграмма
изменения удельной работы разрушения от количества циклов нагружения металла.
Необратимая деградации материала начинается при достижении 0,7 от разрушающего
числа циклов. Предложен коэффициент Ку = 1,3, позволяющий определить зону
безопасного усталостного нагружения при использовании компактных образцов.
5Экспериментально получена зависимость удельной работы разрушения от
толщинытонкихпрямоугольныхкомпактныхобразцов,котораявыражается
логарифмической функцией для всех испытанных сталей. Показано, что при
достижении толщины испытуемых образцов 4 мм и более, влияние толщины
становится незначительным. Выявлено влияние объема испытуемого образца на
результат определения удельной работы разрушения, особенно при их небольшом
формате.
6Изучены особенности аварийного разрушения компенсатора. При этом
использовали для определения степени деградации стали параметр удельной работы
разрушения, который оценивался с использованием SPT-образцов и тонких
прямоугольных образцов. Показано, что непосредственно в зоне образовавшейся
трещины работа разрушения изменяется в пределах 200-500 Н/мм, а в зоне приварки
компенсатора к трубе 5500-6600 Н/мм, что на порядок величины превышает значения в
эпицентре разрушения, что подтверждает формирование зоны разрушения в наиболее
изношенной части компенсатора. Химический анализ образцов с эпицентра
разрушения показал, что содержание серы на внутренней поверхности металла
компенсатора на 2 порядка превышает нормативные значения. Это позволяет сделать
вывод о том, что переработке подвергался высокосернистый продукт, что не
соответствуетхарактеристикам,стали.Отложениесерыинтенсифицировало
коррозионные процессы, что, в свою очередь, привело к утонению стенки
компенсатора и разрушению его элементов, что в свою очередь стало причиной
каскадного развития аварии. Определенную часть ответственности при этом должны
нести специалисты, принявшие решение о переработке высокосернистого продукта.