Оцінювання роботоздатності та довговічності елементів трубопроводів, підданих дії статичних навантажень та корозійних середовищ

Для зварених базовим швом півплощин такий розподіл задавався співвідношенням 

 

де k – коефіцієнт, який враховує відхилення залишкових напружень в околі зварного шва від границі текучості внаслідок особливостей матеріалу та вибраного способу зварювання (для низьколегованих та низьковуглецевих сталей k = 1, алюмінієвих й титанових сплавів k  0,6,...,0,8; ніобієвих сплавів k  0,4,...,0,6; деяких легованих термічно зміцнених сталей k > 1 і т.п.); -T – границя текучості; b – ділянка впливу залишкових напружень.

Залежно від заданого так поля напружень визначено електричний потенціал в околі базового шва. Зміну електричних потенціалів в середовищі та подвійному електричному шарі подано як розв’язки

 

відповідних рівнянь вигляду (1), причому невідомі функції від змінної x знаходимо з умов спряження

 

Для розрахунків характеристик  c та mс відповідно для середовища та подвійного електричного шару, що приведені в табл. 2,

 

Таблиця 2

Характеристичні величини робочого середовища, що використовували в розрахунках та розраховані на їх основі параметри  c,  mс.

 

було застосовано формули:

 

Згідно цих даних були проведені відповідні розрахунки. На рис. 12 зображено зміщення електродного потенціалу в околі зварного шва під впливом залишкових напружень для розрахункової схеми сталь 12Х1МФ – шов – сталь Х18Н10Т під час взаємодії з середовищами з різним початковим вмістом іонів %мас NaCl. Як бачимо, у сталі 12Х1МФ, коли заданий розподіл залишкових напружень, потенціал зміщуватиметься суттєвіше, ніж для шва та сталі Х18Н10Т. Тому можна зробити висновок, що сталь Х18Н10Т виконує роль анода, а шов та сталь 12Х1МФ відповідає катоду. 

За отриманими значеннями зміщення електродного потенціалу та експериментальними значеннями питомих поляризаційних опорів розраховано густини струмів, викликані залишковими напруженнями в околі зварного шва. Густини анодного і катодного струмів обчислювали за формулами

 

У четвертому розділі розглянуто нескінченне металеве тіло з еліптичним отвором, яке розтягується на безмежності зусиллями інтенсивності p. При цьому виникає напружено-деформований стан, що ініціює зміну електричного потенціалу навколо такої порожнини. Відповідну зміну електричних потенціалів визначають рівняння:

 

Тут рівняння (13), що описують електричні потенціали в металі, середовищі та подвійному електричному шарі, зводяться до рівнянь Матьє, які є складними для розв’язання й не завжди дозволяють отримати аналітичний розв’язок у вигляді, придатному для безпосередніх інженерних розрахунків. Через функції Матьє в наближенні нульового та другого порядків в еліптичній системі координат розв’язок першого рівняння (13), що визначає розподіл електричного потенціалу в металі, має вигляд

 

Одержаний розв’язок у граничному випадку, коли a = b, збігається з одержаним раніше для аналогічної задачі з коловим вирізом. За формулою (14) чисельно розраховано електричний потенціал. Результати числових розрахунків для еліптичного отвору та його граничний випадок (еліпс вироджується в коло). 

Як бачимо з рисунка, еліптичний отвір суттєвіше змінює електричний потенціал, ніж коловий, оскільки останній ініціює меншу концентрацію напружень. Отже, еліптичний отвір призводить до більш значних зміщень електричних потенціалів у пружних тілах, порівняно з коловим. Звідси можна зробити висновок, що найнебезпечнішою щодо зміни електричного потенціалу у пружному тілі стає саме тріщина. Кількісно показано, що для еліптичного отвору при a / b = 7 (за такого співвідношення розмірів півосей еліпса у його вершині досягається відносна деформація  - = 0,2 % при p = 26 МПа) у зоні найбільшої концентрації напружень виникає електричний потенціал, що в 5 разів більший у випадку такого ж потенціалу для колового отвору радіуса r = a.

многочленом сьомого порядку:

 

Максимальні напруження, що виникають у вершині еліптичної тріщини, з використанням співвідношень (18) та (19) залежно від її довжини розраховували за формулою

 

Якщо врахувати, що радіус кривини дефекту змінюється за законом

 

то напруження визначимо за співвідношенням

 

Вважаючи - max = - 0,2, з формули (21) знаходимо відповідне значення приросту глибини дефекту Lкр. (рис. 19), за якого у вершині еліптичної тріщини досягаються напруження, рівні - 0,2.

Приймемо, що під час взаємодії труби із середовищем без експлуатаційного тиску система “метал–середовище” знаходиться в стані електрохімічної рівноваги. Під час появи експлуатаційних тисків у трубі виникають механічні напруження, що ініціюють зміщення електродного потенціалу на межі “метал–середовище” на величину  (-), яка залежить від відносної об’ємної деформації. Знаючи закон зміни напружень у вершині тріщини залежно від її довжини, можемо визначити відповідні зміщення електродного потенціалу:

 

Внаслідок таких зміщень потенціалу система “метал–середовище” буде мати відхилення від відповідного рівноважного значення на величину  (-). 

За законом Фарадея глибину корозійного дефекту можна визначити так:

 

де t – час росту дефекту, dа – коефіцієнт Тафеля анодного процесу, e – заряд електрона, N B – валентність, M – молекулярна маса металу; A – число Авогадро; -m – густина сталі. 

З урахуванням формул (22) та (23) одержано рекурентну формулу для визначення глибини корозійного дефекту:

 

За нею можна оцінити час залишкового ресурсу труби з початковим дефектом. Очевидно, тривалість залишкового ресурсу буде рівна кількості ітераційних циклів, необхідних для того, щоб Lкор. стала