Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения степени износа оборудования под воздействием коррозии

Изобретение относится к области определения степени износа конструкционных элементов оборудования с использованием численной идентификации показателей коррозии конструкционного материала.

Наибольший износ оборудования, как известно, вызывает, например, изменение размеров или уменьшения толщины стенок конструкционных элементов оборудования вследствие коррозии. Коррозия может быть близкой к равномерной или в виде коррозионных поражений питтинговой, глубинной коррозией, коррозией пятнами, язвенной, подповерхностной и другими видами коррозии, однако способы определения степени коррозионного износа отсутствуют.

Широко известно, что износ характеризуется не только изменением размеров конструкционных элементов оборудования, но и воздействием на конструкционный материал различных сред, высоких и низких температур, условий движения жидкости и механических напряжений. Результаты этих воздействий определяются путем визуального или приборного обнаружения и выявления мест протекания коррозионного процесса, очагов коррозии их размеров, глубины проникновения и установления характеристики распределения коррозии с использованием идентификации показателей коррозии конструкционного материала, однако, при этом отсутствуют способы численной идентификации показателей коррозии при определении степени коррозионного износа.

Как известно, показателями коррозии и коррозионной стойкости, которые учитывают количественные, полуколичественные (балльные) и качественные показатели [ГОСТ 9.908-85 Единая система зашиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М.: Издательство стандартов. От 31 октября 1985 г. (с Изменением №1).], однако, в них отсутствуют численные значения показателей коррозии, что не дает возможности численной идентификации коррозионных факторов при определении степени износа оборудования.

Известно, что для оценки коррозионной стойкости конструкционного материала установлена десятибалльная шкала коррозионной стойкости [ГОСТ 13819-68 Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Металлы и сплавы. Десяти бальная шкала коррозионной стойкости (с Изменением №1)] отменен. Действовал до 01.07.1985 г.] однако, и здесь отсутствуют количественные значения этих показателей, что не дает возможности численной оценки влияния коррозионных факторов при определении степени износа оборудования. Кроме того, в известных стандартах (ГОСТ 9.908-85 Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости) и (ГОСТ 13819-68 Десяти бальная шкала коррозионной стойкости) баллы опасности коррозии не увязаны ни со схемами типичного вида коррозионного поражения, ни с типом коррозии и характеристикой формы коррозионного поражения конструкционного материала, что не дает возможности их идентификации.

Известны способы определения степени износа конструкционного материала [Патент СССР на изобретение №1545950, МПК G01N 29/00. Опубликовано: 23.02.1990. Бюл. №7], заключающиеся в вырезке образцов из наиболее нагруженных зон конструкции на различных стадиях ее эксплуатации и определения степени износа. Недостатком способов является определение степени износа косвенными параметрами, в частности сравнением параметров ультразвуковых волн, что не дает возможности определения степени износа под воздействием коррозии.

Известны способы определения степени износа конструкционного материала [Патент РФ на изобретение №2516416, МПК С25С 3/08. Опубликовано: 20.05.2014, Бюл. №14] за счет интенсификации процесса износа и сокращения времени испытания образцов на износ путем увеличения скорости износа, а степень износа определяют и по изменению объема образцов, что не дает возможности определения степени износа конструкционного материала оборудования, находящегося в эксплуатации, под воздействием коррозии.

Известно, что при определении степени износа, стойкость конструкционного материала к коррозии определяют в лабораторных условиях экспериментально на тест-образцах или образцах, изготавливаемых вырезками материала из стенок оборудования [ГОСТ P 51372-99. Методы ускоренных испытаний на долговечность и сохраняемость при воздействии агрессивных и других специальных сред для материалов, систем материалов и технических изделий. Общие положения. Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 29 ноября 1999 г. N 442-ст.], однако испытания в лабораторных условиях не дают исчерпывающей информации о стойкости к коррозионному износу оборудования, находящегося в эксплуатации, что не обеспечивает возможности определения степени износа оборудования под воздействием коррозии.

Известны способы определения коррозионного износа материалов [Патент РФ на изобретение №2403556, МПК G01N 17/00 Опубликовано. 10.11.2010 Бюл. №31] включающие операции воздействия на образцы, выполненные в виде фрагмента тонкостенной конструкции, коррозионной средой, измерение параметров образцов до и после испытаний и оценки коррозионного износа, однако испытания в лабораторных условиях не дают исчерпывающей информации о стойкости к коррозионному износу оборудования, находящегося в эксплуатации, что не обеспечивает возможности идентификации степени износа оборудования под воздействием коррозии.

Известны способы идентификации показателей коррозии конструкционного материала [Патент РФ на изобретение №2653775, МПК G01N 17/00, G01N 17/02. Опубликовано: 14.05.2018. Бюл. №14], по которым путем контрольных вырезок образцов из стенок оборудования, находящегося в эксплуатации, определяют их исходные и фактические размеры, глубину проникновения, вид коррозионных поражений и фазового состава продуктов коррозии. Недостатком известных способов является отсутствие численных показателей коррозии конструкционного материала, что не дает возможности определения степени износа оборудования под воздействием коррозии.

Известны способы идентификации показателей коррозии конструкционного материала [РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов], в которых визуальным или приборным обнаружением очагов коррозии определяют их исходные и фактические размеры, глубину проникновения коррозии, неравномерность коррозии определяют с учетом статистических отклонений толщины стенки в зависимости от доверительной вероятности и максимально допустимой относительной ошибки с использованием, например, закона распределения Вейбулла, которому соответствует распределение глубин коррозионных повреждений, но в них отсутствуют численные показатели коррозии, что не дает возможности определения степени износа оборудования под воздействием коррозии.

Известны способы идентификации показателей коррозии конструкционного материала [Голдобина Л.А., Орлов П.С. Идентификация коррозионных повреждений подземных трубопроводов коммунального хозяйства и защита их от коррозии] и [Патент РФ на изобретение №2457465 G01N 17/02. Опубликовано: 27.07.2012. Бюл. №21]. Способ определения межкристаллитной коррозии и коррозионных повреждений наружных поверхностей подземных и подводных трубопроводов], в которых определяют место протекания коррозионного процесса, исходные и фактические размеры, глубину проникновения коррозии и получают информацию о виде коррозии, затем идентифицируют участки, подверженные коррозии. Однако в них отсутствуют численные показатели коррозии конструкционного материала, что не дает возможности определения степени износа оборудования под воздействием коррозии.

Известен способ идентификации показателей коррозии конструкционного материала оборудования [Черепанов А.П., Ляпустин П.К. Метод экспертных оценок численных значений коррозии и коррозионной стойкости металлов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2019. Т. 1. №16. С. 128-136], в котором визуальным или приборным обнаружением определяют исходные и фактические размеры конструкционных элементов оборудования, место протекания коррозионного процесса, неравномерность коррозии и глубину проникновения коррозии, очаги коррозии их размеры, коэффициент коррозии задают методом экспертных оценок с последующим назначением его численного значения. Однако, метод экспертных оценок является субъективным, поскольку не дает достаточной точности и достоверности определения численных показателей коррозии. Кроме того, численные значения коррозии не используются при определении степени износа конструкционного материала оборудования под воздействием коррозии.

Наиболее близким техническим решением является способ определения износа конструкционного материала оборудования [Евразийский патент №018263, МПК Е04Н 1/00. Опубликовано: 28.06.2013] путем вероятностной оценки износа, включающей определение усредненной степени износа на основе количественной оценки текущего технического состояния оборудования в целом и его элементов по сравнению с первоначальным состоянием, в качестве показателя износа принимают повышение вероятности его отказа или разрушения за известный промежуток времени. Недостатком способа является то, что в качестве степени износа принимают повышение вероятности его отказа или разрушения за известный промежуток времени и определяют текущие значения вероятности отказа или разрушения и интенсивности их изменения, что не дает достаточной достоверности определения степени износа оборудования под воздействием коррозии, так как в известном способе не учитываются показатели коррозии конструкционных материалов оборудования.

Таким образом, ни в одном из известных способов оценки степени износа не применяются численные показатели коррозии, что не дает возможности определять степень износа конструкционных материалов оборудования под воздействием коррозии.

Цель изобретения состоит в определении степени коррозионного износа конструкционных материалов оборудования под воздействием коррозии путем идентификации показателей коррозии, необходимой для определения степени опасности коррозионных процессов при оценке технического состояния и назначении срока службы оборудования.

Технический результат заключается в повышении точности оценки степени коррозионного износа конструкционного материала оборудования за счет использования численных показателей коррозии, характеризующих интенсивность коррозионного процесса.

Согласно изобретению, степень коррозионного износа конструкционного материала определяют измерением исходных и фактических размеров конструкционных элементов оборудования, при снижении исходного размера до фактического под воздействием коррозии, близкой к равномерной или пораженности поверхности питтинговой, глубинной коррозией, коррозией пятнами, язвенной, подповерхностной и другими видами коррозии, устанавливают место протекания коррозионного процесса визуальным или приборным обнаружением очагов коррозии, глубину проникновения коррозии в конструкционный материал, при этом фактический размер конструкционного элемента оборудования определяют с учетом степени опасности коррозии, характеристики формы коррозионного поражения, схемы типичного вида коррозионного поражения, участки коррозионных поражений оценивают по десятибалльной шкале коррозионной стойкости и идентифицируют коэффициентом коррозии, который определяют с доверительной вероятностью и относительной ошибкой расчета в соответствии с баллом опасности коррозии и коррозионной стойкости конструкционного материала, а также в соответствии со схемой типичного вида коррозионного поражения, с типом коррозии и характеристикой формы коррозионного поражения конструкционного материала.

Описание рисунков:

Фиг. 1 - Схема коррозионного износа.

Фиг. 2 - Схема определения степени коррозионного износа.

Фиг. 3 - Коэффициенты коррозии в зависимости от балла опасности коррозии при исходной толщине стенки элемента корпуса S_иi=20 мм и при фактической толщине стенки S_фi=16 мм.

Фиг. 4 - Коэффициенты коррозии в соответствии со схемой типичного вида коррозионного поражения, с типом коррозии и характеристикой формы коррозионного поражения конструкционного материала.

Фиг. 5 - Зависимость степени коррозионного износа от коэффициента коррозии при снижении размера элемента от S_иi=20 мм до S_фi=17,25 мм.

Фиг. 6 - Зависимость степени коррозионного износа от снижения размера элемента от S_иi=20 мм до S_фi=17,25 мм при различных коэффициентах коррозии.

Способ определения степени износа оборудования под воздействием коррозии осуществляется следующим образом:

Исходные размеры элемента конструкции оборудования устанавливают по технической документации или при непосредственном его измерении (Фиг. 1.). При коррозионном обследовании элемента конструкции после эксплуатации оборудования устанавливают место протекания коррозионного процесса, визуальным или приборным обнаружением очагов коррозии известными методами измерения оценивают величину коррозионного износа путем определения глубины проникновения в материал поверхностной коррозии и глубинной коррозии (глубины проникновения коррозии) в конструкционный материал. Фактический размер элемента определяют формулой:

где S_иi - исходный размер i-го элемента оборудования;

S_фi - фактический размер i-го элемента оборудования;

h_пi - величина поверхностной коррозии i-го элемента оборудования;

h_глi - величина глубинной коррозии i-го элемента оборудования.

Устанавливают полный коррозионный износ элемента, используя формулу:

где S_иi - исходный размер i-го элемента оборудования;

S_фi - фактический размер i-го элемента оборудования.

Определяют тип коррозии: поверхностной и глубинной и характеристику формы коррозионного поражения. Для поверхностной коррозии определяют ее тип как: равномерная; неравномерная; пятнами; язвенная. Для глубинной коррозии определяют ее тип как: питтинговая; подповерхностная; слоевая; межкристаллитная; транскристаллитная; избирательная; в виде редких трещин.

Рассчитывают коэффициенты коррозии в зависимости от балла опасности коррозии, при котором коррозия становится более опасной, по формуле:

где q_ki - коэффициент коррозии i-го конструкционного материала оборудования;

μ_i - балл опасности коррозии в соответствии со шкалой коррозионной стойкости i-го конструкционного материала оборудования;

β_i - степень опасности коррозионного разрушения i-го конструкционного материала оборудования, которую определяют по формуле:

где γ - доверительная вероятность оценки опасности или квантиль нормального распределения, которая выбирается из ряда: 0,75÷0,99;

δ - максимальная допустимая относительная ошибка расчета опасности, которая выбирается из ряда: 0,05÷0,3.

Степень коррозионного износа i-го элемента оборудования под воздействием коррозии, например, одной из стенок корпуса, изготовленного из одного конструкционного материала, определяют формулой:

где - степень коррозионного износа i-го элемента оборудования;

q_ki - коэффициент коррозии i-го конструкционного материала оборудования;

ΔS_i - полный коррозионный износ i-го элемента оборудования;

S_фi - фактический размер i-го элемента оборудования. Степень коррозионного износа, например, нескольких элементов единицы оборудования, изготовленного из различных конструкционных материалов, определяют условием:

где n^s - степень коррозионного износа, например, нескольких элементов единицы оборудования, изготовленного из различных конструкционных материалов;

- степень коррозионного износа каждого элемента оборудования при общем количестве элементов i=1…m.

Способ определения степени износа конструкционных материалов оборудования под воздействием коррозии с применением численной идентификации коррозии конструкционного материала оборудования поясняется следующим примером.

Исходные размеры элемента конструкции оборудования устанавливают по технической документации или при непосредственном его измерении (Фиг. 1.). При коррозионном обследовании элемента конструкции после эксплуатации оборудования устанавливают место протекания коррозионного процесса, визуальным или приборным обнаружением очагов коррозии известными методами измерения оценивают величину коррозионного износа путем определения глубины проникновения в материал поверхностной коррозии и глубинной коррозии (глубины проникновения коррозии) в конструкционный материал. Фактический размер элемента определяют формулой:

где S_фi - фактический размер i-го элемента оборудования;

S_иi - исходный размер i-го элемента оборудования;

h_пi - величина поверхностной коррозии i-го элемента оборудования;

h_глi - величина глубинной коррозии i-го элемента оборудования. По схеме определения степени коррозионного износа, показанной на фиг. 2, устанавливают полный коррозионный износ элемента, используя формулу:

где S_иi - исходный размер i-го элемента оборудования;

S_фi - фактический размер i-го элемента оборудования.

Для поверхностной коррозии определяют ее тип как: равномерная; неравномерная; пятнами; язвенная. Для глубинной коррозии определяют ее тип как: питтинговая; подповерхностная; слоевая; межкристаллитная; транскристаллитная; избирательная; в виде редких трещин.

В соответствии с типом коррозии, схемой типичного вида коррозионного поражения определяют характеристику формы коррозионного поражения (Таблица 2, приведенная на фиг. 4). Например, сплошная (равномерная) коррозия имеет форму коррозионного поражения в виде неровности поверхности. При избирательной коррозии, например, коррозионному поражению подвергнуты деформируемые части зерен, при этом образующаяся зона коррозионного поражения уже, чем одно зерно и проходит через несколько зерен, и так далее по другим типам коррозии.

Численную идентификацию коррозии конструкционного материала оборудования осуществляют коэффициентом коррозии. В таблице 1, показанной на фиг. 3, коэффициенты коррозии конструкционного материала определены статистическим анализом и рассчитаны в зависимости от балла опасности коррозии, при котором коррозия становится более опасной, по формуле:

где q_ki - коэффициент коррозии i-го конструкционного материала оборудования;

μ_i - балл опасности коррозии в соответствии со шкалой коррозионной стойкости i-го конструкционного материала оборудования;

β_i - степень опасности коррозионного разрушения i-го конструкционного материала оборудования, которую определяют по формуле:

где γ - доверительная вероятность оценки опасности или квантиль нормального распределения, которая выбирается из ряда: 0,75÷0,99;

δ - максимальная допустимая относительная ошибка расчета опасности, которая выбирается из ряда: 0,05÷0,3.

Расчет коэффициентов коррозии (3) в зависимости от балла коррозии идентифицируют опасностью коррозионных поражений и выражают коэффициентами коррозии, которые приведены в таблице 1 (Фиг. 1).

Таким образом, десяти бальная шкала коррозионной стойкости (таблица 1 на фиг. 3) увязана со схемами типичного вида коррозионного поражения, с типами коррозии и с характеристиками форм коррозионных поражений конструкционного материала (таблица 2 на фиг. 4), что обеспечивает их идентификацию с баллами опасности коррозии и коэффициентом коррозии, как показано на схеме определения степени коррозионного износа (фиг. 2) и в таблице 2, показанной на фиг. 4. Здесь же показано, что степень коррозионного износа определяется в зависимости от полного коррозионного износа и коэффициента коррозии. Степень коррозионного износа оборудования в одном случае происходит при уменьшении размера сечения элемента, например, при утонении стенок вследствие сплошной (равномерной) или местной (неравномерной) коррозии, согласно таблице 1, коэффициенты коррозии конструкционного материала для баллов опасности от 1 до 3 принимают от 0,979 до 0,853. В том случае, если имеется глубинная коррозия, которая наиболее опасна с точки зрения прочности конструкционного материала, то балл опасности коррозии повышается от 4 до 10, а коэффициенты коррозии конструкционного материала принимают от 0,788 до 0,356. Таким образом, чем выше балл опасности коррозии, тем ниже принимают коэффициент коррозии по таблице 2, показанной на фиг. 4, в соответствии со схемой типичного вида коррозионного поражения, типом коррозии и характеристикой формы коррозионного поражения.

Тогда степень коррозионного износа элемента оборудования под воздействием коррозии, например, одной из стенок корпуса, изготовленного из одного конструкционного материала, определяют формулой:

где - степень коррозионного износа i-ro элемента оборудования;

q_ki - коэффициент коррозии i-го конструкционного материала оборудования;

ΔS_i - полный коррозионный износ i-ro элемента оборудования;

S_фi - фактический размер i-ro элемента оборудования. Максимальную степень износа конструкционных элементов оборудования, например, нескольких стенок корпуса единицы оборудования, изготовленного из различных конструкционных материалов, определяют по наиболее изношенному элементу согласно условию:

где n^s - степень коррозионного износа, например, нескольких элементов единицы оборудования, изготовленного из различных конструкционных материалов;

- степень износа каждого элемента оборудования при общем количестве элементов от i=1…m.

В качестве примера в таблице 2 (Фиг. 4) приведены показатели распределения некоторых типов коррозии в зависимости от балла коррозии, типа коррозии, характеристик форм коррозионных поражений в соответствии со схемами их типичного вида. На графике (фиг. 5) показана зависимость степени коррозионного износа от коэффициента коррозии при снижении размера, например, толщины элемента от S_иi=20 мм до S_фi=17,25 мм. График (фиг. 5) показывает, что при снижении величины коэффициента коррозии степень коррозионного износа возрастает.

На графике (фиг. 6) показана зависимость степени коррозионного износа при снижении размера элемента от S_иi=20 мм до S_фi=17,25 мм и при коэффициентах коррозии от 0,98 до 0,36. График (фиг. 6) показывает, что при снижении размера конструкционного элемента степень коррозионного износа возрастает тем больше, чем ниже величина коэффициента коррозии.

Таким образом, согласно предлагаемому техническому решению, степень коррозионного износа элемента оборудования определяют с применением численной идентификации, выраженной через коэффициент коррозии.

Безразмерный коэффициент коррозии учитывает изменение показателей коррозии и коррозионной стойкости в материале при деградационных процессах, появляющихся под воздействием агрессивных сред, перепадов температуры и давления на любом отрезке жизненного цикла оборудования. Принятие безразмерного коэффициента коррозии и распределения коррозии в качестве дополнения к показателям коррозии и коррозионной стойкости в материале и их визуализации повышает достоверность определения степени коррозионного износа при прогнозировании ресурса и назначении сроков безопасной эксплуатации оборудования. Предложенный способ позволяет определять степень коррозионного износа в месте протекания коррозионного процесса по исходным и фактическим размерам конструкционных элементов с учетом полного коррозионного износа при поверхностной коррозии и (или) при глубинной коррозии с использованием коэффициента коррозии, поскольку близких аналогов, предусматривающих определение степени коррозионного износа с применением коэффициента коррозии, не найдено. Способ имеет относительно простую и естественную схему реализации, поскольку используется экспериментально-теоретический подход, повышается точность оценки коррозионного износа конструкционного материала оборудования.