Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния

На основе силового критерия механики разрушения получены упрощенные инженерные зависимости для оценки величины возможного роста низкотемпературных слоистых водородных несплошностей в случае их «канального» слияния. Несплошности, нагруженные различным внутренним давлением, моделируются как дискообраз...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Authors:	Дядин, В.П., Давыдов, Е.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Series:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Subjects:	Неразрушающий контроль
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103347
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния / В.П. Дядин, Е.А. Давыдов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 1. — С. 26-29. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103347
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1033472025-02-23T17:31:13Z Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния Engineering evaluation of the growth of low-temperature lamellar hydrogen-induced delaminations in the case of their channel coalescence Дядин, В.П. Давыдов, Е.А. Неразрушающий контроль На основе силового критерия механики разрушения получены упрощенные инженерные зависимости для оценки величины возможного роста низкотемпературных слоистых водородных несплошностей в случае их «канального» слияния. Несплошности, нагруженные различным внутренним давлением, моделируются как дискообразные трещины, расположенные в средней части условных сечений параллельно поверхности проката. Рассмотрен пример расчета роста дефекта для случая изотропии свойств в направлении толщины. Представлен типичный пример канального слияния низкотемпературных слоистых водородных расслоений по результатам ультразвукового компьютеризированного контроля системой P-Scan обечайки теплообменника толщиной 16 мм. Simplified engineering dependencies were derived on the basis of the force criterion of fracture mechanics for evaluation of the extent of possible growth of low-temperature lamellar hydrogen discontinuities in the case of their «tunnel» coalescence. Discontinuities loaded by different inner pressures, are modeled as disk-shaped cracks located in the middle part of conditional sections in parallel to the rolling surface. An example of calculation of defect growth is considered for the case of isotropy of properties in the direction of the thickness. A typical example of «tunnel» coalescence of low-temperature lamellar hydrogen delaminations is given, based on the results of ultrasonic computerized control by P-Scan system of a heat exchanger shell of 16 mm thickness. 2009 Article Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния / В.П. Дядин, Е.А. Давыдов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 1. — С. 26-29. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103347 621.791.16 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль
spellingShingle	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль Дядин, В.П. Давыдов, Е.А. Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	На основе силового критерия механики разрушения получены упрощенные инженерные зависимости для оценки величины возможного роста низкотемпературных слоистых водородных несплошностей в случае их «канального» слияния. Несплошности, нагруженные различным внутренним давлением, моделируются как дискообразные трещины, расположенные в средней части условных сечений параллельно поверхности проката. Рассмотрен пример расчета роста дефекта для случая изотропии свойств в направлении толщины. Представлен типичный пример канального слияния низкотемпературных слоистых водородных расслоений по результатам ультразвукового компьютеризированного контроля системой P-Scan обечайки теплообменника толщиной 16 мм.
format	Article
author	Дядин, В.П. Давыдов, Е.А.
author_facet	Дядин, В.П. Давыдов, Е.А.
author_sort	Дядин, В.П.
title	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния
title_short	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния
title_full	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния
title_fullStr	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния
title_full_unstemmed	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния
title_sort	инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Неразрушающий контроль
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103347
citation_txt	Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния / В.П. Дядин, Е.А. Давыдов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 1. — С. 26-29. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT dâdinvp inženernaâocenkarostanizkotemperaturnyhsloistyhvodorodnyhrassloenijvslučaeihkanalʹnogosliâniâ AT davydovea inženernaâocenkarostanizkotemperaturnyhsloistyhvodorodnyhrassloenijvslučaeihkanalʹnogosliâniâ AT dâdinvp engineeringevaluationofthegrowthoflowtemperaturelamellarhydrogeninduceddelaminationsinthecaseoftheirchannelcoalescence AT davydovea engineeringevaluationofthegrowthoflowtemperaturelamellarhydrogeninduceddelaminationsinthecaseoftheirchannelcoalescence
first_indexed	2025-11-24T02:13:50Z
last_indexed	2025-11-24T02:13:50Z
_version_	1849636086187294720
fulltext	УДК.621.791.16 ИНЖЕНЕРНАЯ ОЦЕНКА РОСТА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СЛОИСТЫХ ВОДОРОДНЫХ РАССЛОЕНИЙ В СЛУЧАЕ ИХ КАНАЛЬНОГО СЛИЯНИЯ В. П. ДЯДИН, Е. А. ДАВЫДОВ На основе силового критерия механики разрушения получены упрощенные инженерные зависимости для оценки величины возможного роста низкотемпературных слоистых водородных несплошностей в случае их «канального» слияния. Несплошности, нагруженные различным внутренним давлением, моделируются как дискообразные трещины, расположенные в средней части условных сечений параллельно поверхности проката. Рассмотрен пример расчета роста дефекта для случая изотропии свойств в направлении толщины. Представлен типичный пример канального слияния низкотемпературных слоистых водородных расслоений по результатам ультразву- кового компьютеризированного контроля системой P-Scan обечайки теплообменника толщиной 16 мм. Simplified engineering dependencies were derived on the basis of the force criterion of fracture mechanics for evaluation of the extent of possible growth of low-temperature lamellar hydrogen discontinuities in the case of their «tunnel» coalescence. Discontinuities loaded by different inner pressures, are modeled as disk-shaped cracks located in the middle part of conditional sections in parallel to the rolling surface. An example of calculation of defect growth is considered for the case of isotropy of properties in the direction of the thickness. A typical example of «tunnel» coalescence of low-temperature lamellar hydrogen delaminations is given, based on the results of ultrasonic computerized control by P-Scan system of a heat exchanger shell of 16 mm thickness. Низкотемпературное водородное растрескивание нефтехимического оборудования (и не только) яв- ляется довольно частым явлением. В ранее опуб- ликованных работах [1, 2] отмечалось, что при оценке дальнейшей работоспособности аппаратов, подвергнутых слоистому водородному растрески- ванию, принято вычитать весь поврежденный слой металла или, в случае локального повреждения стенки, рассматривать как ослабление выемкой поврежденного металла. Такой подход не учиты- вает местного внутреннего давления в растрес- кавшихся коррозионных полостях, которое в зави- симости от глубины залегания дефекта, его разме- ра и толщины стенки может играть в ряде случаев существенное значение. Определение фактического давления и ско- рости притока молекулярного водорода при посто- янном росте несплошности в общей постановке является довольно сложной задачей [3, 4]. В пер- вую очередь, это связано с определением скорости развития слоистого растрескивания и наводо- роживания металла как в плоскости проката, так и в направлении его толщины. Необходимо также учитывать, что данный процесс растрескивания зависит от взаимного влияния несплошностей, глубины их залегания и вязкости разрушения ме- талла K1с z . Кроме того, он может развиваться не- равномерно как с пластическим деформированием наиболее тонкого слоя, так и без него. Сбалансированный рост слоистого низкотемпе- ратурного расслоения с постоянной скоростью [4] на практике встречается довольно редко. Много- численные исследования подобных повреждений, которые проводили авторы, при диагностировании нефтехимического оборудования показывают, что увеличение дефектов происходит неравномерно и, в основном, связано с их взаимным слиянием. На рис. 1 представлен результат ультразвуко- вого (УЗ) сканирования типичного низкотемпера- турного водородного растрескивания обечайки теп- лообменника. Как видно из данного рисунка, в металле находится множество дефектов, взаимо- действующих друг с другом. В силу разницы своих размеров они имеют различные внутренние дав- ления в полостях pi. В данной статье рассмотрен вариант слоистого растрескивания без пластического деформирова- ния слоя. В этом случае несущую способность можно оценить, исходя из силовых критериев ме- ханики разрушения и результатов испытаний на ударную вязкость [5, 6]. Для упрощения будем интерпретировать де- фект как круговую трещину с радиусом а. Коэф- фициент интенсивности напряжений K1с z при наличии внутреннего давления p в дефекте, рас- положенном в срединной плоскости бесконечного слоя (рис. 2), можно записать в виде [6]: при λ ≤ 2 K1с z = p(12h)0,5F(λ), (1) где F(λ) = (0,1267 + 0,6733λ—1 + 0,5λ—2 + C); C = = (0,0104 — 0,1267λ—1 — 0,3367λ—2 — 0,1667λ—3)(0,6733 +© В. П. ДЯДИН, Е. А. ДАВЫДОВ, 2009 26 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №1,2009 + λ—1)—1; λ – относительная толщина слоя, рав- ная h/a (относительная погрешность формулы (1) при λ ≤ 2 не превышает 1 %); при 2 ≤ λ < ∞ K1с z = 2p(а/π)0,5 G(λ), (2) где G(λ) = (1 + C0λ—3 + 9,6C1λ—5 + (C0) 2λ—6), C0 = = 0,906; C1 = —0,179 (относительная погрешность формулы (2) при 2 ≤ λ < ∞ также не превышает 1 %). Пусть возник переток газа между двумя нес- плошностями, нагруженными внутренними давле- ниями p1, p2 и имеющими круглую плоскую форму радиусов a1 и a2 в изотропном материале (рис. 3). В соответствии с подходами механики разрушения при образовании канала между двумя такими несп- лошностями должен произойти рост того дефекта, в котором до слияния давление было меньше. Если не учитывать влияние возможных темпе- ратурных изменений, то в первом приближении внутреннее давление p3 в слившихся круглых за- щемленных полостях, залегающих на разных глу- бинах, после увеличения размера несплошности размера a3 должно составлять [7]: p1 2a1 3λ1 —3 + p2 2a2 3λ2 —3 a3 3λ3 —3 + a2 3λ2 —3 = p3 2, (3) где при p2 > p1 λ1 = h1/a1; λ2 = h2/a2; λ3 = h1/a3; (3a) при p2 < p1 λ1 = h1/a1; λ2 = h2/a2; λ3 = h2/a3. (3б) Выражение (3) можно переписать в более удоб- ном виде: 1 + ⎛ ⎜ ⎝ p2 p1 ⎞ ⎟ ⎠ 2 ⎛ ⎜ ⎝ a2 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ2 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 ⎛ ⎜ ⎝ a3 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ3 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 + ⎛ ⎜ ⎝ a2 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ2 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 = ⎛ ⎜ ⎝ p3 p1 ⎞ ⎟ ⎠ 2 , (4) где относительная толщина слоя λ определяется из условий (3а) или (3б). Формула (4) содержит восемь неизвестных, из которых только четыре а2, а1, h1, h2 могут быть непосредственно измерены при диагностическом обследовании оборудования без привлечения более сложных методов контроля. В то же время исполь- зуя уравнения (1) или (2) можно существенно упростить выражение (4). Для простоты дальнейших выводов рассмотрим наиболее распространенный случай подобных пов- реждений, когда относительные размеры несплош- ностей достаточно хорошо выявляемы обычными неразрушающими методами контроля, но и не столь велики, чтобы трактовать их как недопус- тимые по критериям [1, 2] (в данном случае это выражение (1)). В случае постоянства характеристики вязкости K1с в направлении толщины металла из асимпто- Рис. 1. Пример слоистого низкотемпературного водородного растрескивания при температуре 45 °С обечайки теплообменника, изготовленной из стали 16ГС толщиной 16 мм Рис. 2. Дискообразная трещина радиуса a, расположенная в срединной плоскости слоя и нагруженная внутренним давле- нием p ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №1,2009 27 тической зависимости (1) и при выполнении ус- ловия (3а) следует: 1 + ⎛ ⎜ ⎝ F(λ1) F(λ2) ⎞ ⎟ ⎠ 2 h1 h2 ⎛ ⎜ ⎝ a2 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ2 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 ⎛ ⎜ ⎝ a3 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 6 + ⎛ ⎜ ⎝ a2 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ2 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 = ⎛ ⎜ ⎝ F(λ1) F(λ2) ⎞ ⎟ ⎠ 2 . (5) Полученное выражение (5) интересно тем, что при различной глубине залегания взаимодейству- ющих между собой дефектов ожидаемый рост не- сплошности до значения а3 зависит только от на- чальных размеров а1, а2, h1, h2. Характеристики а1, а2 и h1, h2 легко определя- ются методами НК, что позволяет использовать данное равенство для упрощенной инженерной оценки увеличения размера несплошности («скач- ка»), при условии отсутствия пластического де- формирования прослойки. В случае, когда происходит слияние более чем двух дефектов, предлагаемый подход к решению данной задачи практически не меняется. Кроме того, можно использовать принцип последователь- ного решения, когда на каждом последующем эта- пе происходит слияние с новым дефектом (если дефект не попадает в область распространения предыдущего). Поэтому данный подход может быть применен при анализе работоспособности реального оборудования и выработке прогности- ческого решения (назначенный ресурс). В предложенной постановке может быть полу- чено общее решение данной задачи. Перед рас- смотрением конкретного примера решения упро- щенной задачи следует еще раз отметить, что ка- жущаяся простота определения возможного скачка дефекта связана с рядом принятых здесь ограни- чений, значимость которых в каждом конкретном случае следует оценивать или, по крайней мере, качественно понимать: — несплошность (дефект) рассматривается как круговая, залегающая в срединной плоскости и расположенная к ней параллельно; высота до сре- динной плоскости принимается равной минималь- ной толщине слоя в зоне несплошности; — несплошность (образующие ее поверхности) рассматривается в упругой постановке для защем- ленной пластины, нагруженной равномерно расп- ределенной нагрузкой; — характеристика вязкости разрушения в нап- равлении толщины K1с принимается постоянной; — затраты энергии на страгивание трещины не учитываются; — взаимное влияние дефектов перед их фронта- ми не учитывается. Как пример, рассмотрим случай, когда основная глубина залегания дефектов к более близкой повер- хности составляет 8…9 мм. При «туннельном» слиянии двух дефектов с радиусами 16 и 12 мм и залегающими на глубинах 8 и 9 мм соответственно уравнение (5) будет иметь следующий вид: (1 + (2,3797/1,3391)2(8/9)(12/16)3(0,75/0,5)(—3))/ /((а3/16)6 + (12/16)3(0,75/0,5)(—3)) = = (2,3797)2/((0,1267+0,6733(а3/8) + 0,5(а3/8)2 + + (0,0104 — 0,1267(а3/8) — 0,3367(а3/8)2 — — 0,1667(а3/8)3)(0,6733 + а3/8)—1))2. (6) Условие (3а) при этом выполняется. Для наглядности решим уравнение (6) в графи- ческом виде. Пусть f(a3) = (1 + (2,3797/1,3391)2(8/9)(12/16)3× ×(0,75/0,5)(—3))/((а3/16)6 + (12/16)3 (0,75/0,5)(—3));(7) ϕ(a3) = (2,3797)2/((0,1267 + 0,6733(а3/8) + + 0,5(а3/8)2 + (0,0104 — 0,1267(а3/8) — — 0,3367(а3/8)2 — 0,1667(а3/8)3)(0,6733 + а3/8)—1))2. (8) На рис. 4 представлены графики зависимостей (7) и (8). Как следует из рис. 4, точка пересечения кри- вых f(a3) и ϕ(a3) дает искомое значение a3, кото- рое в данном случае составляет 17,3 мм. Таким образом, средний радиус несплошности а1 после слияния стал больше на 1,3 мм, что соответствует увеличению площади дефекта на 17 %. Следует отметить, что на практике листовой прокат в направлении толщины может характери- зоваться как значительной неоднородностью меха- нических свойств, так и различной вязкостью раз- рушения K1с,i z , что необходимо учитывать при анализе возможного слияния подобных дефектов, залегающих на различных глубинах. Рис. 3. Пример канального слиянии двух несплошностей Рис. 4. Графическое решение уравнения (6): 1 – f(a3); 2 – ϕ(a3) 28 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №1,2009 За время диагностического обследования обо- рудования неоднократно наблюдались случаи, ког- да меньшая несплошность, залегающая на большей глубине, при туннельном соединении с большей несплошностью, залегающей на меньшей глубине, провоцировала ее рост за счет более высокого дав- ления. В каком-то смысле бo′льшая несплошность становилась коллектором. В этом случае зависимость (3) является более общей, позволяющей учитывать подобные отличия свойств в направлении толщины с учетом урав- нений (1) и (2). В общем виде выражение (3) сводится к следующему: 1 + ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ K1c,2 z K1c,1 z ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ 2 ⎛ ⎜ ⎝ F(λ1) F(λ2) ⎞ ⎟ ⎠ 2 h1 h2 ⎛ ⎜ ⎝ a2 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ2 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 ⎛ ⎜ ⎝ a3 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ3 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 + ⎛ ⎜ ⎝ a2 a1 ⎞ ⎟ ⎠ 3 ⎛ ⎜ ⎝ λ2 λ1 ⎞ ⎟ ⎠ —3 = = ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ K1c,3 z K1c,1 z ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ 2 ⎛ ⎜ ⎝ F(λ1) F(λ3) ⎞ ⎟ ⎠ 2 h1 h3 , (9) где при p2 > p1: λ1 = h1/a1; λ2 = h2/a2; λ3 = h1/a3; h3 = h1; K1с,3 z = K1с,1 z ; при p2 < p1: λ1 = h1/a1; λ2 = h2/a2; λ3 = h2/a3; h3 = h2; K1с,3 z = K1с,2 z . Условие p2 > p1 равносильно выражению ⎛ ⎝ K1c,2 z ⁄ K1c,1 z ⎞ ⎠ 2 ⎛ ⎝ F(λ1) ⁄ F(λ2)⎞ ⎠ 2 (h1 ⁄ h2) > 1, условие p2 < p1 – выражению ⎛ ⎝ K1c,2 z ⁄ K1c,1 z ⎞ ⎠ 2 ⎛ ⎝ F(λ1) ⁄ F(λ2)⎞ ⎠ 2 (h1 ⁄ h2) < 1. Как видно, для решения уравнения (9), в от- личие от (5), необходимо еще дополнительно знать значения характеристик трещиностойкости K1с,1 z и K1с,2 z на соответствующих глубинах залегания де- фектов, что является довольно трудоемкой зада- чей. Разработанные в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины подходы к оценке характеристик вяз- кости разрушения K1с, δ1с по результатам стандар- тных механических испытаний [5, 7] позволяют несколько упростить данную задачу, но и в этом случае необходимо провести испытание методом разрушающего контроля. Выводы Отмечена неравномерность развития низкотемпе- ратурного слоистого водородного растрескивания нефтехимического оборудования на стадии «тун- нельного» слияния несплошностей. Получены упрощенные инженерные зависимос- ти по оценке роста низкотемпературного слоистого водородного растрескивания при выравнивании внутренних давлений между двумя отдельными де- фектами для изотропного и анизотропного состо- яний свойств материала в направлении толщины проката. 1. Некоторые результаты технической диагностики сосудов и трубопроводов в нефтехимической промышленности / В. С. Гиренко, М. Д. Рабкина, В. П. Дядин и др. // Техн. диагностика и неразруш. контроль. – 1998. – № 3. – С. 17—24. 2. Гиренко В. С., Мутас В. В., Гиренко С. В. Прочность трубопроводов и сосудов с коррозионными выемками // Там же. – 2001. – № 4. – С. 21—23. 3. Балуева А. В., Дашевский И. Н. Рост водородных отсло- ений в металле // Изв. РАН. МТТ. – 1999. – № 1. – С. 119—123. 4. Балуева А. В., Дашевский И. Н. Модель внутренней га- зонаполненной трещины в материале // Механика твер- дого тела. – 1994. – № 6. – С. 113—118. 5. Гиренко В. С., Дядин В. П. Зависимости между ударной вязкостью и критериями механики разрушения конст- рукционных материалов и их сварных соединений // Автомат. сварка. – 1986. – № 10. – С. 61—62. 6. Механика разрушения и прочность материалов / Справ. пособие. – Т. 2. – Киев: Наук. думка, 1968. – С. 616. 7. Дядин В. П. Сопоставление значений ударной вязкости образцов Шарпи и Менаже при вязком разрушении // Автомат. сварка. – 2004. – № 4. – С. 24—29. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила в редакцию 10.10.2008 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №1,2009 29

Инженерная оценка роста низкотемпературных слоистых водородных расслоений в случае их канального слияния

Institution

Similar Items