92
Приложение D (справочное)
Расчет давления хрупкого разрушения
- 1 Разрушение тела трубы из-за свойств металла
В настоящем приложении описаны формулы, которые могут быть применены для расчета давления, при котором произойдет разрушение трубы вследствие распространения имеющейся острой трещины или зарождения и роста новой острой трещины. Эти формулы упругопластического разрушения распространяются на трубы из пластичного, хрупкого металла или металла с промежуточными свойствами. Данные формулы расширяют действие других действующих стандартов по механике разрушения на все виды нефтяных и газовых сред. Формулы могут быть применены при условии экспериментального определения коэффициента вязкости разрушения металла kimat в определенной среде. Для тонкостенных труб трудно провести достоверные испытания для определения kimat. В настоящее время не разработана концепция эмпирического определения kimat при невозможности его определения экспериментальным путем.
Существует два типа хрупкого разрушения: разрушение вследствие распространения существующей трещины и разрушение вследствие зарождения и стабильного роста трещины в том месте, где ранее не было выявлено трещины. Разрушение первого типа, описанное в D.2, происходит вследствие перегрузки вершины трещины напряжением высокой интенсивности и определяется по приложенному напряжению, размеру трещины и вязкости разрушения металла в определенной среде. Данный тип разрушения взаимосвязан с трещиной определенного размера и условиями, в которых начинается распространение трещины или происходит остановка распространения трещины.
Разрушение второго типа, описанное в D.3, представляет собой образование трещины под влиянием окружающей среды, которое происходит из-за сочетания действия напряжения, металла и окружающей среды и для которого не требуется наличие ранее существовавшего несовершенства. Данное разрушение связано с состоянием, которое порождает стабильный рост трещины, которой могло не быть изначально. После возникновения трещина стабильно растет, пока она не станет достаточно большой и не достигнет состояния нестабильного распространения трещины до разрушения. Растрескивание под влиянием окружающей среды может произойти независимо от распространения трещины, т. е. для предотвращения разрушения вследствие растрескивания должны быть соблюдены условия, определенные по формулам, приведенным в D.2, и критерий порогового напряжения, приведенный в D.3. Это означает, что существуют два предельных значения, которые должны быть соблюдены для предотвращения растрескивания, и что оба предельных значения зависят от напряжения и вязкости разрушения металла в данной среде.
- 2 Модель распространения трещины
- 2.1 Общие положения
Подход к модели распространения трещины, описываемый в настоящем приложении, аналогичен подходу, используемому для определения показателей эксплуатационных свойств сосудов, работающих под давлением, и широко используется для прогнозирования пригодности этих изделий для использования по назначению. Удается сохранить целостность треснувших изделий с использованием рекомендаций стандартов по механике разрушения, таких как в стандартах [25], [26] и [27].
Расчет показателей эксплуатационных свойств труб, основанный на пределе прочности при растяжении, пределе текучести и других свойствах металла, а также размерах труб, не охватывает разрушений, возникающих вследствие распространения несовершенств типа трещин, когда разрушение определяется интенсивностью напряжений возле трещины. Когда коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины к достигнет критического значения kimat, трещина распространяется и разрушение трубы становится неизбежным. Значение kimat зависит от окружающей среды и металла.
В H2S-содержащих средах kimat будет меньше, чем в средах, не содержащих H2S, и режим разрушения может влиять на давление разрушения трубы. Показатель kimat меняется в зависимости от факторов окружающей среды (содержание H2S, температура, pH и т. д.). После определения этого показателя в ходе лабораторных испытаний конкретного металла в определенной окружающей среде он может быть использован для оценки целостности трубы с несовершенствами в такой окружающей среде. Показатель kimat можно рассматривать, как вязкость разрушения, необходимую для предотвращения или останова дальнейшего распространения трещин в этой среде. Для сохранения целостности трубы значение kimat должно быть достаточно высоким, чтобы не допустить распространения трещины в данной среде эксплуатации.
Для оценки целостности трубы во всем интервале хрупкого и пластического разрушения можно использовать диаграмму оценки вероятности разрушения (FAD). Диаграмма FAD представляет собой график зависимости коэффициента интенсивности напряжений (kr или Jr), отложенного по оси ординат, от коэффициента нагрузки (Lr), отложенного на оси абсцисс, где кг представляет собой отношение приложенного к к kImat, a Lr — отношение приложенной нагрузки к предельной нагрузке. В данном случае предельная нагрузка обычно представляет собой аппроксимацию нагрузки, при которой возникает явление текучести трубы с трещиной без роста трещины. Для более детального ознакомления с оценкой вероятности разрушения — см. ссылочные документы по механике разрушения в [28]. FAD, соответствующая формулам распространения трещин (D.1) и (D.3), распространяется на упругое и упругопластическое поведение металла. У металлов, пластичных в конкретной среде, значение kimat будет значительным и давление разрушения будет соответствовать упругопластической части кривой FAD. У металлов, хрупких в определенной среде, значение kimat будет низким и давление разрушения будет соответствовать упругой части кривой FAD.
Для получения данных о показателе kimat был использован ряд образцов для испытаний на механику разрушения. Для получения данных о показателе kimat металла труб для линейных трубопроводов (также известном, как показатель kimat растрескивания под действием напряжений в сероводородсодержащих средах) широко использовались образцы в виде двухконсольной балки. Такой образец описан в стандарте [29] для метода D. На таком образце делается надрез или предварительно наносится трещина, концы двухконсольной балки удерживаются открытыми при постоянном смещении путем нагружения с помощью клина. Двухконсольная балка нагружается настолько, чтобы коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины к был выше kimat металла. Нагруженный образец подвергается воздействию испытательной среды (например, водного раствора сероводорода). Вначале трещина растет и нагрузка падает (смещение почти постоянно), приложенный к падает, пока не достигнет kimat, и распространение трещины остановится.