Деградационные процессы оборудования и материалов, виды предельных состояний

При эксплуатации технологического оборудования в той или иной мере, в зависимости от условий и режимов работы, происходит деградация конструкционных материалов. Деградация — явление, наблюдающееся в материалах с течением длительного времени и выражающееся в соответствующем снижении способности конструкции сопротивляться воздействию на нее различных нагрузок и, соответственно, снижающее остаточный ресурс оборудования.

Диагностирование технического состояния оборудования и прогноз его изменения при дальнейшей эксплуатации осуществляется на основе анализа деградационных процессов и выявления определяющих параметров технического состояния. Определяющие параметры технического состояния (ПТС) — это параметры, изменение которых в отдельности или в некоторой совокупности приводит оборудование в неработоспособное состояние.

В нефте- и газодобывающей и перерабатывающей промышленности выделяют следующие деградационные процессы, приводящие к потере работоспособности технологического оборудования:

•   изменение геометрии конструкции или отдельных ее элементов;

•   поверхностное изнашивание или коррозийное повреждение;

•   образование и развитие макродефектности;

•   деградация (старение) механических свойств материалов.

В зависимости от действующего механизма деградационного процесса различают следующие виды предельных состояний:

•   вязкое, усталостное или кратковременное хрупкое разрушение элемента или всей конструкции;

•   предельная пластическая деформация металлоконструкции, обусловленная прогибом или нарушением устойчивости несущих элементов, образованием «пластических шарниров» или явлениями ползучести, определяющая необходимость прекращения ее эксплуатации;

•   разгерметизация или течь конструкции.

Определяющими параметрами, приводящими к перечисленным видам предельных состояний, являются напряженно-деформированное состояние элементов конструкции, механические свойства конструкционных материалов, степень поражения коррозией, количество и размеры повреждений и дефектов.

Процессы зарождения и развития макродефектности в элементах конструкций определяются следующими факторами:

•   величиной эксплуатационных нагрузок;

•   величиной остаточных напряжений после сварки;

•   химическим составом и структурой материала.

Вклад химсостава и структуры в образование макродефектности особенно весом для таких опасных явлений, как коррозийное растрескивание под напряжением, стресс-коррозия, сульфидное растрескивание и т.д.

Наличие крупнозернистой и неоднородной структуры также способствует возникновению и развитию межзеренного разрушения и образованию трещин. Данный эффект в большей степени встречается в околошовной зоне сварных соединений — зоне термического влияния (ЗТВ). Практика технического диагностирования показывает, что в элементах конструкций, имеющих крупнозернистую структуру (с размером ферритных зерен 100...300 мкм и более), доля межзеренного разрушения достигает 35...40%, что облегчает зарождение и развитие трещин под воздействием остаточных сварочных, а также эксплуатационных напряжений.

Деградация (старение) материалов, включая и конструкционные стали, с течением времени проявляется в ухудшении механических свойств, определяющихся в первую очередь их химическим составом и микроструктурой, и обусловлена термодинамической неравновесностью исходного состояния материала и постепенным приближением его структуры к равновесному состоянию в условиях диффузной подвижности атомов.

Анализ эксплуатационных факторов, действующих на металл, позволяет выделить следующие процессы, приводящие его к старению:

• разупрочнение — проявляется в том, что прочностные характеристики металла (временное сопротивление или условный предел текучести) отличаются от исходных (нормативных) более чем на 5 % в меньшую сторону. Может быть следствием длительного пребывания металла при высокой температуре, например во время пожара;

• циклическое воздействие нагрузок — вызывает микропластические деформации в зонах концентрации напряжений в результате накопления дислокаций, ускоряющих развитие повреждаемости металла;

• охрупчивание — является наиболее опасным следствием изменения физико-механических свойств материала (применительно к сталям, имеющим объемно-центрированную кубическую решетку: углеродистым и малолегированным). Охрупчивание сдвигает область хрупкого разрушения в область положительных температур, резко снижает трещиностойкость и приводит к внезапному разрушению конструкции.

Изменение механических свойств, обусловленных развитием процессов охрупчивания, выражается, с одной стороны, в увеличении твердости материала и предела его текучести, с другой — в снижении вязкопластических показателей, показателей ударной вязкости и трещиностойкости.

Различают технологические и эксплуатационные факторы охрупчивания сталей. Первые возникают в процессе изготовления, транспортировки и монтажа конструкции, вторые — в процессе ее эксплуатации.

К эксплуатационным факторам относят все виды механических, тепловых, коррозийных и химических воздействий на металл в период эксплуатации конструкции. К их числу относят:

• длительное воздействие повышенных температур (250...500 °С), приводящих к укрупнению зерна феррита и развитию обратной отпускной хрупкости;

• появление закалочных крупнозернистых структур в зоне сварных швов при нарушении технологии сварки в процессе ремонта (попадание влаги в сварочную ванну) или при ускоренном охлаждении сварного соединения (например, при сварке в зимний период без предварительного подогрева свариваемого металла);

• наводороживание металла сварных швов (при попадании влаги в сварочную ванну или при использовании непросушенных электродов и сварочных материалов);

• коррозийное растрескивание под напряжением, обусловленное воздействием механических нагрузок и электрохимических процессов коррозии;

• сезонную подвижку фундаментов опор машины и примыкающих трубопроводов, кратковременные перегрузки в период пуска или испытаний под нагрузкой и др.