Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАЗНАЧЕННОГО РЕСУРСА КОРПУСА ЦЕЛЬНОСВАРНОГО ШАРОВОГО КРАНА

Изобретение относится к области обеспечения надежности и безопасности технических устройств, преимущественно тонкостенных конструкций, в частности сосудов и аппаратов, применяемых для сетей газораспределения, а именно цельносварных шаровых кранов, проведением ресурсно-прочностных исследований и обследования технического состояния средствами неразрушающего контроля.

Известен способ определения расчетного ресурса технического устройства на любом этапе от проектирования до достижения предельного состояния по результатам технического диагностирования и ресурсно-прочностного исследования с помощью функции: T=f(W; ε; β; Z),

где: W - объем неразрушающего контроля, проведенного при техническом диагностировании;

ε - коэффициент ответственности в зависимости от группы опасности технического устройства;

β - коэффициент дефектности, учитывающий наличие допустимых или недопустимых дефектов технического устройства, обнаруженных при техническом диагностировании;

Z - степень износа технического устройства (патент РФ №2454648, МПК G01M 15/00, G01N 3/00. Опубл. 27.06.2012 г.).

Однако известный способ недостаточно точен, т.к. не учитывает влияния скрытых технологических дефектов на фактическую предельную прочность конструкции. Поскольку характер скрытых технологических дефектов, места их сосредоточения и закономерности их появления неизвестны, то невозможно аналитически рассчитать степень их влияния на расчетный ресурс без проведения дополнительных исследований.

Известны также способы прогнозирования среднего и назначенного ресурса, в которых ресурс прогнозируется по наработке на отказ до капитального ремонта с использованием вероятностных моделей теории надежности (см., например, РД 26.260.005-91. Методические указания. Оборудование химическое. Номенклатура показателей и методы оценки надежности).

Но эти способы не находят широкого практического применения из-за недостаточной достоверности оценки ресурса технических устройств, поскольку ресурс принимается на основе номенклатурных показателей надежности, установленных для отдельных типовых узлов, и не учитывает результаты ресурсно-прочностных исследований и технического диагностирования, когда известны данные по износу стенок заменяемых элементов, механические напряжения, выявлены дефекты, возникшие при эксплуатации, и объем технического диагностирования.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ прогнозирования назначенного ресурса деталей, включающий выявление зоны с потенциально пониженным ресурсом методами неразрушающего контроля, определение прочностных характеристик деталей и определение, исходя из соотношения, назначенного ресурса (патент РФ №2215280, МПК G01N 3/00. Опубл. 27.10.2003 г.).

Однако и этот способ недостаточно достоверен, т.к. в нем используются параметры, полученные в процессе эксплуатации, а не до ее начала. При этом расчет проводится с использованием вероятностной характеристики - показателя функции безопасности, который не учитывает влияния скрытых технологических дефектов детали.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности прогнозирования назначенного ресурса деталей, в частности корпуса цельносварного шарового крана.

Технический результат заключается в выявлении и оценке местных напряжений в материале корпуса цельносварного шарового крана с учетом скрытых технологических дефектов.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогнозирования назначенного ресурса деталей, в частности корпуса цельносварного шарового крана, включающем выявление зоны с потенциально пониженным ресурсом методами неразрушающего контроля, определение прочностных характеристик деталей и определение, исходя из соотношения, назначенного ресурса, на поверхности корпуса цельносварного шарового крана определяют методом магнитной памяти металла максимальный градиент магнитного поля Земли (gradH_max). После чего разрушают корпус цельносварного шарового крана (натурный образец шаровых кранов) и заготовку корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину, отобранные из одной партии изготовления, воздействием внутреннего давления. По итогам разрушения определяют пределы прочности корпуса цельносварного шарового и заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину и устанавливают корреляционную зависимость: P_фaкт/P_иcx=A×[gradH_max]+B, где: Р_факт/Р_исх - коэффициент предельного состояния корпуса цельносварного шарового крана; А и В - экспериментальные коэффициенты однофакторной линейной зависимости, характеризующие исследуемую партию кранов; Р_факт - предел прочности корпуса цельносварного шарового крана; Р_исх - предел прочности заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину. Прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана устанавливают исходя из соотношения: Т_пр=(Р_факт/Р_исх)×Т_расч, где: Т_расч - расчетный назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана.

Определение на поверхности корпуса цельносварного шарового крана методом магнитной памяти металла максимального градиента магнитного поля Земли (gradH_max) позволяет определить зону с потенциально пониженным ресурсом. При этом авторами изобретения экспериментальным путем установлено, что максимумам градиента магнитного поля Земли (gradH_max) соответствуют зоны с потенциально пониженным ресурсом.

Разрушение же корпуса цельносварного шарового крана и заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину, отобранных из одной партии изготовления, воздействием внутреннего давления позволяет определить их пределы прочности, где корпус - внешняя оболочка крана, а заготовка корпуса - не вполне готовое изделие или его часть, подлежащие последующей обработке.

А разрушение корпуса и заготовки корпуса цельносварного шарового крана, отобранных из одной партии изготовления, обеспечивает корректность сравнения их прочностных характеристик с учетом скрытых технологических дефектов.

Установленная авторами изобретения корреляционная зависимость:

Р_факт/Р_исх=А×[gradHmax]+B,

где: Р_факт/Р_исх - коэффициент предельного состояния корпуса цельносварного шарового крана;

Р_факт - предел прочности корпуса цельносварного шарового крана;

Р_исх - предел прочности заготовки корпуса цельносварного шарового крана после обжима без технологического отверстия под горловину;

А и В - экспериментальные коэффициенты однофакторной линейной зависимости, характерные для исследуемой партии цельносварных шаровых кранов;

gradH_max - максимальный градиент магнитного поля Земли, дает возможность определить прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана исходя из соотношения:

Т_пр=(Р_факт/Р_исх)×Т_расч, где: Т_расч - расчетный назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана.

Способ был реализован в ОАО «Гипрониигаз» (г. Саратов).

Измерения градиента магнитного поля Земли проводили методом магнитной памяти металла по стандартной методике (ГОСТ Р 52330-2005) прибором «ИКН-2ФП». Полученные данные обрабатывались по стандартной программе «ММП-система» (разработчик ООО «Энергодиагностика», г. Реутов, Московская область).

Для выяснения степени влияния технологии на появление скрытых дефектов и выявления потенциально опасных зон корпусов цельносварных шаровых кранов были исследованы:

- 8 цельносварных шаровых кранов из стали 09Г2С с наружным диаметром 89 мм и толщиной стенки 4,0 мм;

- 16 заготовок корпусов цельносварных шаровых кранов из стали 09Г2С с наружным диаметром 89 мм и толщиной стенки 4,0 мм, соответствующих различным стадиям технологического процесса производства: а) после обжима с технологическим отверстием под горловину - 8 штук (тип а); б) после обжима без технологического отверстия под горловину - 8 штук (тип б).

Получены следующие экспериментальные данные (таблица 1). Таблица 1. Экспериментальные данные для кранов из стали 09Г2С.

В результате измерений получены следующие значения средних максимальных градиентов магнитного поля, в основном, в области горловины для 95%-ной доверительной вероятности: для корпуса после обжима без технологического отверстия под горловину [gradH]=(0,2±0,05) (А/м)/мм; для корпуса после обжима с технологическим отверстием под горловину:

[gradH]=(2,2±0,6) (А/м)/мм. При этом средний максимальный градиент магнитного поля Земли на поверхности цельносварных шаровых кранов находился в интервале: [gradH]=(9,8±0,4) (А/м)/мм.

Таким образом, градиент магнитного поля как индикатор наличия скрытых технологических дефектов возрастает на порядок в области горловины после операции изготовления отверстия (пробоя), а затем увеличивается примерно в 4 раза после операции сварки.

Испытания на прочность корпусов и заготовок корпусов (тип б) цельносварных шаровых кранов проводились с использованием установки, состоящей из:

- термостатической бронекамеры «ТСК-0-1» для безопасного размещения образцов;

- гидравлической машины «УНГР-2000», создающей давление до 200 МПа;

- видеографического регистратора «Метран 910» для контроля параметров испытаний.

Нагружение корпусов и заготовок корпусов (тип б) цельносварных шаровых кранов до разрушения производилось со скоростью 2 МПа/мин.

На поверхности корпусов кранов определяли градиенты магнитного поля Земли (gradH). Например, на поверхности корпуса крана - образец №7, градиент магнитного поля Земли составлял: 2,1; 2,8; 3,2; 3,4... 10,3. Максимальный градиент магнитного поля Земли (gradH_max), равный 10,3 (А/м)/мм, выявлен в области горловины крана.

После чего разрушали корпус и заготовку корпуса цельносварного шарового крана, отобранные из одной партии изготовления, воздействием внутреннего давления до 70 МПа. При этом разрушение корпуса произошло в области горловины крана.

По результатам разрушения определяли пределы прочности корпуса цельносварного шарового крана (Р_факт=567,10 МПа) и заготовки корпуса цельносварного шарового крана (тип б) (P_иcx=691,23 МПа).

На основе полученных данных установили корреляционную зависимость: Р_факт/Р_исх=A×[gradH_max]+B, где: Р_факт/Р_исх - коэффициент предельного состояния корпуса шарового крана; Р_факт - предел прочности корпуса цельносварного шарового крана; Р_исх - предел прочности заготовки корпуса цельносварного шарового крана (тип б); А и В - экспериментальные коэффициенты однофакторной линейной зависимости, характерные для исследуемой партии корпусов цельносварных шаровых кранов и рассчитанные методом наименьших квадратов; gradH_max - максимальный градиент магнитного поля Земли.

Коэффициенты А и В, рассчитанные методом наименьших квадратов, имеют следующие значения: А=-0,17, В=2,84.

На основании полученных и накопленных данных строят экспериментально-расчетную корреляционную зависимость вида Р_факт/Р_исх=А×[gradH_max]+B для кранов из стали 09Г2С (см. фиг.).

И определяют прогнозируемый назначенный ресурс исходя из соотношения: Т_пр=(Р_факт/Р_исх)×Т_расч, где: Т_расч - расчетный назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана (в соответствии с требованиями СТО 7.1-2011 «Газпром газораспределение» - не менее 30 лет).

Например, при максимальном градиенте магнитного поля Земли, равном 10,3 (А/м)/мм, прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана из стали 09Г2С будет: Т_пр=(Р_факт/Р_исх)×Т_расч=0,87×30=26,1 лет. А при максимальном градиенте магнитного поля Земли, равном 9,3 (А/м)/мм, прогнозируемый назначенный ресурс корпуса цельносварного шарового крана будет Т_пр=(Р_факт/Р_исх)×Т_расч=0,94×30=28,2 года.

Таким образом, заявленный способ повышает точность прогнозирования назначенного ресурса корпуса цельносварного шарового крана.