39251, Artykuły Dzidowski

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
EDWARD STANISŁAW DZIDOWSKI
Rudy Metale R53 2008 nr 11
UKD 669.018.25:669.018.27:
:539.4.013:669.2/.8:669-98:669-462
JAK PROJEKTOWAĆ, WYTWAR
ZAĆ I EKSPLOATO
WAĆ RURY
DO BEZPIECZNEJ PRA
CY POD CIŚNIENIEM
Tradycyjne projektowanie, wytwarzanie i eksploatacja rur pracujących pod ciśnieniem bazuje na klasycznej wytrzymałości
materiałów. Oznacza to brak możliwości przewidywania czasu do
pęknięć. W ślad za tym niemożliwe staje się skuteczne monitoro
uszkodzenia rurociągu wskutek podkrytycznego rozwoju
wanie rozwoju pęknięć i zapobieganie katastroficznemu p
cz stosowanie wysoko wytrzymałych stopów metali (w tym
temat mechaniki i mezomechaniki pękania materiałów. Be
omości mezomechaniki pękania trudno bowiem unika ęć podczas wytwarzania rur. Bez znajomości mechaniki
nięć podczas eksploatacji rurociągów. Dlatego też, zasadni-
ych zasad stosowania tych teorii przy projektowaniu proce-
ploatacji rurociągów.
ę-
kaniu rurociągów. Problem ten potęguje zarówno coraz ęstsze
nieżelaznych), jak i niedostateczny stan wiedzy inżynierskiej na
z
znaj ć pękni
pę i pęk
czym celem niniejszego opracowania jest omówienie mało znan
sów wytwarzania rur oraz przy projektowaniu i bezpiecznej eks
Słowa kluczowe: Rury, pękanie poślizgowe, pękanie katastrofic
kania nie można zapobiegać katastroficznemu rozwojow
zne, zapobieganie
HOW TO DESIGN, MANUF
ACTURE AND EXPLOIT P
RATION UNDER PRESSURE
IPES
FOR SECURE OPE
Traditional design, manufacture and exploitation of the pipes o
materials. This means that the time required to damage the pip
predicted. Consequently, efficient monitoring of fracture deve
perating under pressure is based on the classical strength of
eline due to the sub-critical fracture development cannot be
lopment, as well as the preve
only by the increasing application of high-s
ntion of catastrophic pipeline
treng
th metal
alloys (including non-ferrous metals) but also by insuffic ent
i
o
level of engineering knowledge
on the mechanics and me-
somechanics of material fracture. Without the knowle g
d e f fracture mesomechanics, it is difficult to avoid the fracture
ring during pipe manufacture process, while the lack of knowledge of fracture mechanics
t catastrophic crack development during pipeline ope
known principles of applying the aforementioned th
s
appea
makes it impossible to pre-
ven
le
ration. Therefore, the key objective of this paper is to present the
eories to the design and manufacture of pipes re
litt
p
sistant to catastro-
hic fractures. Further to the above, the consid ions o
As a result, the need for applying fracture m to
st fra
ing their exploitation. The presence of post-manufacture meso
such fractures during pipeline operation Resultan
erable limitat
esomechanics
f the classical strength of materials have been indicated.
the design of pipe manufacture process has been demon-
cture not only during the manufacture process, but also dur-
scopic fractures accelerates the sub-critical development of
al principles of applying fracture mechanics to monitor sub-
cial, it has been proved that the same principles may be ap-
ic damage. However, conscious prevention of such destruc-
pplication of the so-called processing maps, as well as the
acture development. Such research is indispensa to opti-
ry closely with their resista
rated. This need results from the necessity to prevent pipe
tly, the gene
Wh
r
critical fractur
e development have been discusse at is
ied to designing and selecting of pipes resistant to catas
uires fu
on de
d.
c
ru
pl
troph
tion req
rther research to enable the development and a
research
termining material resistance to c strophic fr
ata
ble
mise the manufacture
process and to associate the pipe g omet
e
nce to catastrophic damage. Only
then it will be possible to avoid the catastrophes of constructio
accompany the catastrophic fractur develo
Keywords: Pipes, shear fracture, fracture toughness, prevention
ns operating under pressure. What is more, human and ma-
pment in pipelines will be prevented.
terial losses which
e
Wprowadzenie
sto
astyczne. Innymi słowy staramy się nie przekraczać gra-
nicy plastyczności. Takie podejście do wytrzymałości mate-
riałów było dostateczne w dobie stosowania materiałów ni-
sko wytrzymałych, to jest mających małą wartość granicy
plastyczności i dużą plastyczność. Obecnie coraz częściej
stosujemy materiały wysoko wytrzymałe, a te są mało od-
porne na katastroficzny rozwój pęknięć. Problem potęguje
fakt, iż do katastroficznego rozwoju pęknięć dochodzi przy
zawężamy tę odporność do odporności na odkształcenie
pl
ania i eks-
y poza zakresem typowych pro-
tałcenia polskich inżynierów. Jedną z istotnych
y jest aktualne podejście do
łów. Chociaż zdajemy
ytrzymałość materiałów należy
tożsamiać z ich odpornością na uszkodzenie, to zbyt czę-
Dr hab. inż. Edward Stanisław Dzidowski, prof. nzw.
— Politechnika Wrocławska, W10/Z1, Wrocław.
714
fracture become impossible. The above problem is intensified not
Problematyka pękania rur podczas wytwarz
ploatacji rurociągów leż
gramów ksz
przyczyn takiego stanu rzecz
nauczania Wytrzymałości Materia
sobie sprawę z tego, że w
u
ów wytrzymałościowych.
W przypadku wytwarzania rur mamy podobne proble-
my. Podczas wytwarzania rur nie możemy dopuszczać do
rozwoju pękania poślizgowego. Problem polega na tym, że
wiedza na temat mechanizmu i przyczyn tego pękania nie
należy ani do pełnej, ani do powszechnej.
Dlatego też, zasadniczym celem niniejszego opracowa-
nia jest syntetyczne omówienie najnowszych (w tym wła-
snych) osiągnięć w poznawaniu i opisie mechanizmów pę-
kania oraz opracowywaniu metod zapobiegania pękaniu rur
na etapie ich wytwarzania i eksploatacji w postaci rurocią-
gów.
raz stosowania innych, niż dotychczas, kry-
Poślizgowe pękanie rur
Wytwarzanie rur może być zakłócone wskutek niesta-
ilnego płynięcia i następującego po nim pękania materiału.
apy procesów (rys. 1
b
), opracowane przez Prasada i współ-
autorów [1] pozwalają, co prawda, przewidywać takie nie-
stabilności procesu i zapobiegać im, np. poprzez unikanie
admiernych prędkości odkształceń, ale nie przyczyniają
ę one do pełnego rozumienia mechanizmu pękania (rys.
a
-1). Podobnie ma się rzecz z mapami pękania (rys. 2
a
),
aproponowanymi dużo wcześniej przez Ashby’ego [2, 3].
Problem polega na tym, że najbardziej rozpowszechnio-
n
si
1
z
Rys. 2.
a
— mapa mechanizmów pękania
i
b
— model mechanizmu pękania ciągliwego [2, 3]
Fig. 2.
a
— fracture mechanism map
and b — model of ductile fracture [2, 3]
ny model mechanizmu pękania ciągliwego i poślizgowego
bazuje na zarodkowaniu i rozwoju pustek wokół wtrąceń
i wydzieleń (rys. 2
b
). Model ten nie tłumaczy jednak pęka-
nia czystych metali i stopów jednofazowych. Co gorsze,
model ten nie generuje kryteriów sterowania przebiegiem
takiego pękania nawet w przypadku materiałów z wtrące-
niami i wydzieleniami.
W związku z powyższym autor niniejszego opracowa-
nia proponuje inne rozwiązanie. Jest nim mezoskopowo-
-makroskopowa koncepcja i model mechanizmu pękania
poślizgowego, przedstawiona na rysunku 3 [4, 5].
U podstaw tej koncepcji leży założenie, że skłonność do
pękania poślizgowego zależy od skutków ewolucji struktury
dyslokacyjnej w odkształcanym materiale. Mowa tu o koń-
cji, w którym dochodzi do lo-
oskopowych pasmach ścinania
o pękania, czy nie zależy od
iących
ia
stopn
o leży zjawisko loka
zacji odkształceń, ale rozważane w skali mezoskopowe
li-
j,
a nie makroskopowej. Dzięki temu mechanizm pękania
można powiązać z własnościami struktury dyslokacyjnej.
Oznacza to możliwość sterowania pękaniem poślizgo-
wym poprzez wpływanie na własności tej struktury [4÷7].
Sterowanie to może polegać na opóźnianiu i przyśpieszaniu
rozwoju pękania lub zupełnym jego eliminowaniu (rys. 3
i
-l).
Można również wpływać na kształt trajektorii pękania (rys.
3
l
), co nie jest możliwe w przypadku stosowania modelu
pokazanego na rysunku 2
b
.
Rys. 1.
a
-1 — przykład pękania rur podczas wyciskania i
b
— mapa
procesu wyciskania, wskazująca na przyczyny tego pękania [1]
Fig. 1.
a
-1 — example of fracture rising during pipe extrusion
and
b
— processing map of such process [1]
715
naprężeniach uważanych powszechnie za bezpieczne, bo
niższe od granicy plastyczności. Dlatego też, stosowanie
materiałów wysoko wytrzymałych wymaga innej filozofii
projektowania o
teri
b
M
cowym stadium takiej ewolu
kalizacji odkształceń w mez
(rys. 3
h
). To czy dojdzie d
energii zgromadzonej w ścianach dyslokacji, stanow
granice wydłużonych podziarn (rys. 3
i
) oraz od
dezorientacji tych podziarn (rys. 3
n
).
U podstaw pękania poślizgoweg
a b
Rys. 3. Mezoskopowo-makroskopowa koncep
Fig. 3. Mesoscopic-macroscopic con
cja
ce
pękania poślizgowego (wg Dzidowskiego)
pt of shear fracture (acc. Dzidowski)
ys. 4. Poglądowa ilustracja wpływu temperatury na udarność
materiałów. Widoczne ewidentne różnice pomiędzy udarnością
materiałów nisko i wysoko wytrzymałych
Fig. 4. Influence of temperature on impact energy of materials.
Rys. 5. Poglądowa ilustracja wpływu wartości
granicy plastyczności
R
0,2
na wartość odporności
na niestabilny rozwój pęknięć
K
IC
i wynikającą
z tego potrzebę zmiany strategii projektowania
Fig. 5. Impact of the value of yield strength
R
0.2
on fracture toughness
K
IC
,
modifying design strategy
Significant differences between the impact energy of low-strength
and high-strength materials can be noticed
and the resulting need for
716
R
Katastroficzne pękanie rur
kryterium w postaci odpor
ności na
niestabilny rozwój pęk-
nięć
K
IC
(rys. 5
Sto
).
sowanie tego nowego kryterium wymaga znajom
asad la
przypadku braku takich um
niej wiedzieć, czy rzeczywiście stoim
Obniżanie ciężaru rurociągów wymaga zwiększania wy-
trzymałości materiałów stosowanych do produkcji rur. Jak
wynika z rysunku 4 materiały wysoko wytrzymałe cechuje
niska udarność i obniżona odporność na niestabilny (kata-
stroficzny) rozwój pęknięć (rys. 5). Taki stan rzeczy wyma-
ga zmiany filozofii projektowania. Oznacza to, że zamiast
projektowania bazującego na tradycyjnym pojmowaniu wy-
trzymałości (granicy plastyczności
R
0,2
) należy stosować
ości
mechaniki pękania oraz z
boratoryjnego określania
wartości
K
IC
. W
iejętności trze-
ba p
czu konieczności stosowania mechaniki pękania zamiast
tradycyjnego podejścia do wytrzymałości materiałów.
Można się o tym szybko przekonać, jeżeli zastosujemy kry-
rzynajm
y w obli-
Rys. 6. Kryteria podziału i ogólne zasady projektowania w zależności od stopnia wytrzymałości materiałów:
— naprężenie, σ
pęk.
— naprężenie pękania,
K
IC
— odporność na pękanie,
a
— długość pęknięcia
Fig. 6. Classification criteria and general design principles dependent on the strength of material:
E
— Young’s modulus,
R
0,2
– yield strength, σ — stress, σ
pęk.
— the stress required to make the crack propagate,
K
IC
— fracture toughness,
a
— crack size
717
E
— moduł Younga,
R
0,2
— granica plastyczności, σ
terium umożliwiające orientacyjny podział materiałów na
materiały nisko i wysoko wytrzymałe. Jednym z łatwiej-
szych kryteriów tego rodzaju może być stosunek granicy
plastyczności
R
0,2
do moduły Younga
E
. Ogólne zasady po-
działu materiałów i wyboru właściwego kryterium wytrzy-
małościowego przedstawiono na rysunku 6.
Jak wynika z rysunku 6, za materiały nisko wytrzymałe
możemy uważać te, których granica plastyczności ma war-
tość niższą od 1/300 modułu Younga (
R
0,2
<
E
/300). Jeżeli
wartość granicy plastyczności jest większa od 1/150 modu-
łu Younga (
R
0,2
>
E
/150), to takie materiały możemy uwa-
żać za wysoko wytrzymałe, a to wymaga zmiany filozofii
projektowania. Oznacza to, że zamiast kryterium wytrzy-
małościowego w postaci granicy plastyczności
R
0,2
, należy
stosować kryterium w postaci naprężenia pękania: σ
pęk.
=
K
IC
/(πa)
1/2
.W przypadku pośrednich wartości granicy pla-
styczności (
E
/300 <
R
0,2
<
E
/150) należy sprawdzić obie
możliwości, to jest zrealizować czynności wyszczególnione
w zacienionych ramkach (rys. 6).
Wybór odpowiedniego kryterium wytrzymałościowego
nie kończy jednak rozważań na temat bezpiecznej pracy ru-
rociągów. W przypadku materiałów wysoko wytrzymałych
nie wolno bowiem poprzestać na tym etapie. Potrzeba za-
pobiegania katastrofie wymaga bowiem ustawicznego mo-
nitorowania rozwoju pęknięć. Pęknięcie nie może bowiem
osiągnąć długości krytycznej
a
kryt.
dla danego poziomu na-
prężeń eksploatacyjnych σ
ekspl.
(rys. 7).
Jak wynika z rysunku 7, powszechnym sposobem zapo-
biegania nadmiernemu rozwojowi i osiągania krytycznej
długości pęknięcia jest kontrolne obciążanie rurociągu
w celu wykrywania pęknięć o długości równej lub przekra-
czającej maksymalną długość początkową
a
i
,max
.
Problem polega na tym, że jeżeli początkowa długość
pęknięcia
a
i
zrówna
to w takim przypadku doc
ia rurociągu już podczas badań kontrolnych, to jest przy
aprężeniu ασ
ekspl.
.
Uniknięcie takiej sytuacji jest możliwe, ale wymaga za-
chowania specyficznej relacji pomiędzy krytyczną długo-
ścią pęknięcia i grubością ścianki rury, co ilustruje rysunek 8.
Jak wynika z rysunku 8
a
, nawet normalna eksploatacja
rurociągu może zakończyć się katastrofą, jeżeli krytyczna
długość pęknięcia
a
kryt
będzie mniejsza od grubości ścianki
rury. Żeby uniknąć katastrofy, należy tak zaprojektować ru-
rociąg, aby krytyczna długość pęknięcia była mniejsza od
grubości ścianki (rys. 8
b
). W takim przypadku dojdzie je-
dynie do perforacji ścianki rury, bez niestabilnego rozwoju
pęknięcia. Innymi słowy nastąpi jedynie łatwo wykrywalny
i łatwo usuwalny wyciek płynu, zamiast globalnego znisz-
czenia rurociągu.
Staranny dobór proporcji pomiędzy odpornością na nie-
stabilny rozwój pęknięć
K
IC
, początkową
a
i
i krytyczną dłu-
gością pęknięcia
a
kryt
oraz grubością ścianki rury mo
w zupełności wyeliminować zagrożenie katastroficzny
p
Rys. 7. Wpływ naprężenia σ
na krytyczną długość pęknięcia (
a
/Q)
kryt
[8]
Fig. 7. Impact of stress σ on the critical crack size (
a
/Q)
kryt
[8]
a
się z jej wartością dopuszczalna
a
i
,max
,
hodzi do katastroficznego pęka-
n
n
b
że
m
Rys. 8.
Sposób uszkodzenia eksploatacyjnego jako kryt
podziału rur na cienkościenne i grubościenne:
a
— pękanie (rury grubościenne),
b
— wyciek (rury cienkościenne) [8]
erium
ękaniem rurociągów, co ilustruje rysunek 9.
Z rysunku 9 wynika, że zupełne wyeliminowanie moż
tastroficznego pękania rurociągów jest
le wymaga takiego projektowania, aby nastąpił wyciek
przed pękaniem. Stosowanie tej pozornie prostej zasady
ednak dalszych uściśleń oraz omówien
liwości ka
możliwe,
a
F
ig. 8. Operational damage manner as the criterion
g pipes as thin-walled and th
a
— fracture (thick-walled pipes),
of classifyin
ick-walled:
wymaga j
ia metod
ułatwiających optymalizację postępowania.
b
— leakage (thin-walled pipes) [8]
718
-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • styleman.xlx.pl

    		•