Левая часть формулы (D.3) представляет собой кривую FAD. Правая часть формулы (D.3) представляет собой коэффициент интенсивности напряжений . Формула (D.3) предназначена для определения проектного давления разрушения тела трубы, вызванного распространением существенной трещины под воздействием окружающей среды. Формула (D.3) не подходит для случая разрушения труб, не имеющих трещины значительной глубины.
На рисунке D.1 показана зависимость проектного давления разрушения, рассчитанного по формулам (D.3) и (D.4) для обсадной трубы группы прочности С90 наружным диаметром 177,80 мм и толщиной стенки 18,54 мм, от коэффициента вязкости разрушения , при уровне приемки 5% (при автоматизированном контроле) и коэффициенте , учитывающим установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равном 0,875.
Примечания
1 По оси - , МПа·м или мм.
2 По оси - проектное давление разрушения, МПа.
3 Труба: наружный диаметр - 177,80 мм, толщина стенки - 18,54 мм, группа прочности - С90, уровень приемки - 5%, коэффициент , учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы - 0,875.
Рисунок D.1 - Влияние на давление распространения трещины
D.3 Разрушение, вызванное зарождением трещины под воздействием окружающей среды
D.3.1 Общие положения
Под воздействием определенной среды в металле могут возникать трещины, которые могут привести к разрушению металла, даже если в нем ранее не было трещин. Такое разрушение вызывается сочетанием зарождения трещины и стабильного роста трещины под воздействием окружающей среды, приводящего к разрушению. По этой причине для предотвращения разрушения вследствие распространения трещин должны быть соблюдены условия, определяемые по формуле (D.2), и критерий зарождения трещины под воздействием окружающей среды, определяемый по формуле (D.3). Считается, что трещина зарождается под воздействием окружающей среды тогда, когда эквивалентное напряжение фон Мизеса превышает так называемое пороговое напряжение металла. Давление разрушения, приводящее к зарождению трещины под воздействием окружающей среды и создающее эквивалентное напряжение фон Мизеса, должно быть равно пороговому напряжению, т.е.
, (D.5) где - эквивалентное напряжение, МПа;
- пороговое напряжение, МПа.
Пороговое напряжение может быть различным для разных металлов и сред. Определение понятия "пороговое напряжение" приведено в стандарте [29]. Обычно пороговое напряжение определяется путем проведения серии испытаний на растяжение в конкретной среде по методу A NACE. В ходе испытания на растяжение образец разрушается при достижении напряжения, превышающего пороговый уровень, при напряжении ниже порогового уровня образец должен выдержать испытание. В сероводородсодержащей среде пороговое напряжение обычно ниже предела текучести металла.
Зарождение трещины под воздействием окружающей среды чаще всего может начинаться на дне раковины, образованной коррозией, и зависит от сочетания параметров среды ( , рН, ), температуры, микроструктуры металла и механических напряжений. Ниже порогового уровня сочетания этих факторов зарождение трещины не происходит, выше порогового уровня - зарождение трещины происходит. В большинстве случаев механические нагрузки на трубу постоянны и трещина после возникновения продолжает расти приводя к разрушению. Таким образом, ситуация ухудшается до тех пор, пока трещина не достигнет определенного размера и нестабильное распространение трещины приведет к окончательному разрушению. Период от зарождения трещины до нестабильного распространения трещины - величина неопределенная, поэтому следует не допускать зарождения трещины и в то же время поддерживать эквивалентное напряжение фон Мизеса на достаточно низком уровне по сравнению с пороговым напряжением.
Предельное давление начала распространения трещины - это давление, при котором эквивалентное напряжение фон Мизеса равно пороговому напряжению [формула (D.5)], при этом эквивалентное напряжение фон Мизеса рассчитывают по номинальным размерам трубы и коэффициенту, учитывающему установленное предельное отклонение толщины стенки трубы . Для учета разброса фактического порогового напряжения должна сохраняться разница между приложенным (рабочим) эквивалентным напряжением и расчетным пороговым напряжением.
Как и в формулах текучести, эквивалентное напряжение фон Мизеса используют для преобразования отдельных трехмерных напряжений в единый параметр для сравнения с пороговым напряжением. Эквивалентное напряжение используют потому, что по данным источника [28] оно обеспечивает наиболее точный учет сочетания напряжений, которые ведут к разрушению вследствие зарождения трещины в сероводородсодержащей среде. Формула (D.5) применима только в тех случаях, когда внутреннее давление превышает наружное давление. Результаты испытаний на осевое сжатие дают основания предполагать, что эта формула может не применяться, т.к. разрушение вследствие зарождения трещины может не происходить, если среднее гидростатическое давление становится сжимающим. Также при отсутствии скручивания формула может не применяться, если сумма осевого напряжения, радиального напряжения и окружного напряжения становится отрицательной.
D.3.2 Пример расчета
Рассчитать проектное давление разрушения, вызванное зарождением трещины под действием внутреннего давления, для обсадной трубы группы прочности С90, наружным диаметром 244,48 мм, толщиной стенки 13,84 мм, при , равном 621 МПа, с торцевым уплотнением, при пороговом напряжении, составляющем 90% предела текучести металла трубы, и коэффициенте , равном 0,875.
Вначале эквивалентное напряжение фон Мизеса принимают равным пороговому напряжению, составляющему 90% предела текучести [формула (D.5)]. При сочетании нагрузок на трубу с торцевым уплотнением и отсутствии напряжений кручения и изгиба формула (D.5) приобретает следующий вид, аналогичный формуле (8) для (6.6.1.1):
, (D.6) где - внутреннее давление при разрушении, МПа;
- заданный минимальный предел текучести при растяжении, МПа;
- номинальный наружный диаметр трубы, мм;
- внутренний диаметр трубы, мм, рассчитанный с коэффициентом , равный ;
- коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5%;
- номинальная толщина стенки трубы, мм;
- внутренний диаметр трубы, равный , мм.
Получаем давление разрушения, вызванное зарождением трещины, для трубы, рассматриваемой в данном примере, равное 60,6 МПа.
Приложение Е (справочное). Расчет проектной стойкости к смятию по результатам испытаний на смятие
Приложение Е
(справочное)
Е.1 Общие положения
| В настоящем приложении описывается определение проектной стойкости к смятию по результатам испытаний на смятие труб, изготовленных не поГОСТ Р 53366, таких как трубы особо высокой прочности на смятие или специальных групп прочности для эксплуатации в кислых средах (например, С110).Настоящее приложение также может быть использовано для расчета прочности на смятие труб, изготовленных по ГОСТ Р 53366. |
Проектные значения стойкости труб к смятию, определяемые по результатам испытаний, подвержены статистической неопределенности. Неопределенность возрастает при уменьшении массива данных . Для значительного массива данных ( 1000) ее влиянием можно пренебречь и проектную стойкость к смятию определить, как описано в Е.3. Для незначительного массива данных ( 1000) это влияние существенно и стойкость к смятию следует рассчитывать, как описано в Е.4. В обоих случаях предполагается, что средние значения и разброс результатов постоянны в процессе производства.
Е.2 Результаты испытаний на смятие
Результаты испытаний на смятие должны быть получены для каждого сочетания размера, массы, группы прочности и технологии производства труб, для которых должны быть рассчитаны значения проектной стойкости к смятию. Подразумевается, что технология производства труб включает формообразование, термообработку и ротационную правку. Длина образцов для испытания должна быть не менее:
- восьми наружных диаметров труб - для труб номинальным наружным диаметром 244,48 мм и менее;
- семи наружных диаметров труб - для труб номинальным наружным диаметром 273,05 мм и более.
Е.3 Значительный массив данных
Проектную стойкость к смятию рассчитывают по следующей формуле
, (E.1) где - проектное давление смятия для заданного уровня надежности 0,5%, МПа;
- среднее значение давления смятия для набора результатов испытаний на смятие;
- среднеквадратичное отклонение набора результатов испытаний на смятие, равное 
;
; - предельное давление смятия, МПа;
- количество испытаний на смятие.
Формулу (Е.1) не следует использовать при 1000.
Е.4 Незначительный массив данных