EA024349B1

EA024349B1 - Способ определения механической характеристики конструкции

Info

Publication number: EA024349B1
Application number: EA201300909A
Authority: EA
Inventors: Доминик Попино; Поль Вит; Жюльен Фонтанабона; Мишель Бернар
Original assignee: Тоталь Са
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2016-09-30
Also published as: FR2971598B1; CA2826332A1; EA201300909A1; KR101886759B1; DK2676211T3; EP2676211A1; EP2676211B1; BR112013020489A2; AU2012217253B2; CA2826332C; US9766162B2; AR085216A1; FR2971598A1; WO2012110399A1; US20140032133A1; AP2013007100A0; AP3837A; BR112013020489B1; KR20140043330A; AU2012217253A1

Abstract

Описан способ определения параметра механической характеристики конструкции, в которой повреждение стенки конструкции привело к изменению ее формы от начальной к поврежденной. Способ включает проведение измерений, с тем чтобы охарактеризовать геометрию внешней поверхности поврежденной формы; моделирование испытательного тела, имеющего поверхность, по существу идентичную внешней поверхности поврежденной формы на заданном участке, при этом испытательное тело соответствует внешней поверхности поврежденной формы; моделирование испытываемой стенки, имеющей часть формы, по существу идентичную начальной форме; расчет деформированной испытываемой стенки и напряженного состояния, связанного с деформацией, при этом деформация (8а) испытываемой стенки вызвана относительным перемещением испытательного тела и испытываемой стенки, причем указанное относительное перемещение сконфигурировано так, чтобы придать деформированной испытываемой стенке форму внешней поверхности, по существу идентичную внешней поверхности поврежденной формы; и оценку величины механической характеристики деформированной испытываемой стенки.

Description

Настоящее изобретение относится к способу определения механической характеристики конструкции. В частности, изобретение относится к крупногабаритным конструкциям, предназначенным для содержания текучей среды, таким как резервуар или буферная емкость, или участок трубопровода.

Во время периода эксплуатации крупногабаритные конструкции подвержены механическим повреждениям различного происхождения, например обусловленным неправильным ошибочным маневрированием, предпринятым машинами при перевозке тяжелых конструкций, вертикальными ударными нагрузками, созданными, например, грузовыми контейнерами, действиями шлюпочного якоря (на проложенный по дну трубопровод), действиями, совершенными со злым умыслом. Если повреждение представляет собой вмятину, поврежденная конструкция часто остается непроницаемой для текучей среды (герметичной), но возникает вопрос относительно ее механических свойств и возможности продолжить ее использование. Например, внутреннее давление, при котором трубопровод еще может быть использован, и его форма определяют расход углеводородов, которые могут проходить через этот трубопровод.

В настоящее время не существует способа определения механической характеристики конструкции, в особенности крупногабаритной конструкции, без размещения такой конструкции вне рабочей площадки или проведения испытания под разрушающей нагрузкой, например испытания на разрыв. Для того чтобы определить, можно ли продолжать использовать конструкцию, используют стандарты (Л8МЕ (Американское Общество инженеров-механиков), ΑΡΙ (Американский Институт Нефти), ЕКО (итальянская нефтехимическая компания ЕКО), ΡΌΑΜ), которые устанавливают параметр, определяющий показатель дефекта, обычно размер вмятины по отношению к диаметру. Размеры дефекта, допускаемые этими стандартами, являются небольшими. Например, для ненагруженной вмятины на трубопроводе, т.е. когда причины образования вмятины больше не существует, максимальным пределом, допускаемым стандартом ΡΌΑΜ, является глубина вмятины, составляющая 7% от диаметра трубопровода.

Задача изобретения заключается в том, чтобы устранить некоторые или все отмеченные выше недостатки за счет обеспечения способа определения механической характеристики поврежденной конструкции, который может быть применен по месту (работ, использования) без проведения испытаний при разрушающих нагрузках и который обеспечивает получение надежного результата.

Изобретение предлагает способ определения параметра механической характеристики конструкции, содержащей стенку, в которой повреждение конструкции привело к изменению формы стенки от начальной до измененной за счет повреждения, при этом форма поврежденной конструкции (поврежденная форма) отличается от начальной формы на данном участке. Способ включает следующие стадии:

a) проведение измерений с тем, чтобы охарактеризовать геометрию внешней поверхности поврежденной формы на заданном участке;

b) моделирование испытательного тела на основе проведенных измерений, при этом испытательное тело имеет поверхность, по существу, идентичную внешней поверхности поврежденной формы на заданном участке, и испытательное тело способно к сопряжению с внешней поверхностью поврежденной формы, характеристики которой определены на стадии а);

c) моделирование испытываемой стенки, имеющей часть формы, по существу, идентичную начальной форме;

ά) расчет деформированной испытываемой стенки и напряженного состояния, связанного с деформацией, при этом деформация испытываемой стенки вызвана относительным перемещением испытательного тела и испытываемой стенки, причем указанное относительное перемещение спланировано осуществить так, чтобы придать деформированной испытываемой стенке внешнюю поверхность, по существу, идентичную внешней поверхности поврежденной формы, характеристики которой определены на стадии а); и

е) вычисление механической характеристики деформированной испытываемой стенки, полученной на стадии ά).

Конструкция может быть любого типа. Она может быть предназначена для содержания текучей среды (резервуар, буферная емкость и т.п.), или она может быть использована для транспортировки текучей среды (трубопровод и т.п.). Она может быть также корпусом судна. В случае сборной конструкции больших размеров, эта конструкция является частью сборной конструкции, в которой происходит повреждение, например секция трубопровода или часть корпуса судна.

Вид механической характеристики зависит от вида конструкции. Желаемый параметр должен обеспечить информацию в отношении сопротивления конструкции заданному механическому напряжению. Для резервуара или трубопровода этим параметром может быть давление разрыва или давление, при котором происходит потеря жесткости.

На стадии а) определяют геометрические характеристики поврежденной внешней поверхности конструкции. В частности, повреждение может быть в виде вмятины. Обычно причина этого повреждения (объект, создавший повреждение) устраняется. Стенка конструкции деформируется, но сквозное разрушение (дыра) отсутствует, хотя возможен отрыв материала. Может также произойти внутренняя или внешняя коррозия, которая может оказывать влияние на толщину и механические свойства материала или материалов, из которых изготовлена стенка. Понятно, что геометрическая характеристика подразумевает использование любых средств описания, по меньшей мере формы внешней поверхности конст- 1 024349 рукции в месте повреждения.

Эта геометрическая характеристика позволяет по меньшей мере определить местоположение, в пределах точечного пространства, внешней поверхности с поврежденной формой. Характеристика может быть более или менее точной. Метод, который предполагается использовать, может быть изменен в зависимости от того, где расположена конструкция, погружена она в воду или нет, и в зависимости от располагаемых средств определения характеристик поверхности. По возможности, получают достоверную картину внешней поверхности деформированной стенки.

На стадии Ь) моделируют испытательное тело, называемое импактором (ударяющим телом). Моделирование включает создание математической модели представления твердого тела для целей проведения расчета. Это твердое тело имеет поверхность, подобную и предпочтительно по существу, идентичную поверхности, характеристики которой определены на стадии а). Она может соответствовать внешней поверхности поврежденной формы, что означает: твердое тело имеет форму, сопряженную с ранее охарактеризованной поврежденной формой поверхности. Испытательное тело, следовательно, представляет собой позитивный носитель дефекта, при этом поврежденная конструкция содержит негативное повреждение (вмятину). Испытательное тело, таким образом, совмещается с внешней матрицей (формой) поврежденной формы, при этом точность этой матрицы по отношению к оригиналу зависит от степени точности метода определения характеристик поверхности, используемого на стадии а).

На стадии с) моделируют испытываемую стенку. Модель математически отображает стенку конструкции в ее первоначальной неповрежденной форме, известную из проектов, фотографий, уравнений поверхности или любых других известных средств. Точнее говоря, она содержит по меньшей мере один участок, по существу идентичный первоначальной форме.

Будет или нет поверхность по существу идентичной другой поверхности, можно оценить с помощью подходящего критерия, например с помощью средних отклонений между расположенными с равными интервалами друг от друга точками на поверхности и проектирования этих же точек на другую поверхность. Поверхность будет считаться по существу идентичной другой поверхности, если установлено, что различие между этими двумя меньше предварительно заданного граничного значения, или, проще говоря, если невооруженным глазом видно, что сходство поверхностей достаточно велико.

На стадии ά) осуществляют расчет для получения деформированной испытываемой стенки. Для этого моделируют относительное перемещение испытательного тела, или импактора, в направлении испытываемой стенки (еще не деформированной, является объектом вдавливания). Взаимодействие двух тел определяется, в частности, механической моделью, включающей математические правила, устанавливающие соотношение между деформациями и напряженным состоянием испытываемой стенки. Цель относительного перемещения заключается в том, чтобы создать в испытываемой стенке деформацию, которая после отвода испытательного тела по существу идентична действительной деформации, которая была охарактеризована ранее.

Если форма, полученная для испытываемой стенки, не удовлетворительна, т.е. не достаточно близка к предварительно охарактеризованной внешней поверхности, вычисление на стадии ά) может быть проведено повторно, корректируя при этом:

параметры относительного перемещения испытательного тела и испытываемой стенки и/или форму или размеры испытательного тела; и/или используя другие законы механики, определяющие поведение испытательного тела.

На стадии е) осуществляют вычисление механической характеристики для деформированной испытываемой стенки. Например, она может быть подвержена повышенному внутреннему давлению с регистрацией снижения жесткости или разрыва стенки.

Стадия ά) вычисления обеспечивает получение по меньшей мере двух заслуживающих внимания результатов.

Напряженное состояние деформированной испытываемой стенки, которое проверено экспериментально и имеет очень хорошую репрезентативность. Опытом, в сущности, подтверждено, что если конструкция была целенаправленно повреждена и затем применен способ согласно изобретению (определены характеристики дефекта, затем произведены моделирование и вычисления), могут быть получены величины механической характеристики, которые весьма близкие к измеренным экспериментальным путем для поврежденной конструкции. Ниже это будет иллюстрировано на фигурах и в сравнении экспериментальных данных с результатами, полученными с помощью способа согласно изобретению.

Информация, касающаяся напряженного состояния и деформированного состояния деформированной испытываемой стенкой, не считается статической, а рассматривается как результат динамического процесса (растущая деформация, вводящая в действие механическую модель). В результате можно выявить развитие определенных процессов, обусловленных пластичностью, которые не являются безусловно обнаруживаемыми на поврежденной конструкции с помощью обычных средств.

Следует отметить, что способ, проверенный экспериментально указанным образом, обеспечивает получение параметра механической характеристики после того, как получена картина повреждения. Конструкция остается способной выполнять свои функции и не разрушается, или в ней не происходят изменения при испытании на разрыв или испытании на усталостное разрушение.

- 2 024349

Способ, соответствующий изобретению, кроме того, позволяет принимать во внимание изменения в процессе эксплуатации и/или ограничения, накладываемые на конструкцию во время или после ее повреждения, например наличие опор. Для этого осуществляют вычисления на стадиях ά) и е), применяя в то же время эти ограничения к смоделированной испытываемой стенке.

В определенных воплощениях изобретение может использовать одну или более из следующих характеристик:

вычисление механической характеристики на стадии е) включает вычисление деформации деформированной испытываемой стенки, полученной на стадии ά), находящейся под действием возрастающей величины механического напряжения, при этом параметром механической характеристики является величина напряжения, при которой регистрируется разрушение или потеря жесткости деформированной испытываемой стенки. В этом случае вычисление механической характеристики имеет цель воспроизвести опыт с фактическим разрушением. Вычисления выбирают в зависимости от типа конструкции и желаемого параметра механической характеристики;

возрастающая величина механического напряжения обусловлена приложением к деформированной испытываемой стенке возрастающего внутреннего давления, при этом испытываемая стенка, смоделированная на стадии с), может быть дополнена утраченными участками для того, чтобы герметизировать ее, и в данном случае параметром, характеризующим механическую характеристику, является давление, при котором регистрируют разрыв деформированной испытываемой стенки вследствие приложенного внутреннего давления. В рассматриваемом случае моделируемым испытанием на разрушение является испытание на разрыв. Разрыв, в частности, обнаруживают по существенному увеличению расстояний между точками испытываемой стенки и по релаксации напряжений, которым она подвергается;

расчет деформации испытываемой стенки на стадии ά) и оценка величины механической характеристики деформированной испытываемой стенки на стадии е) включают использование метода конечных элементов, при этом моделирование испытательного тела и испытываемой стенки на стадиях Ь) и с) включает разбиение на конечные элементы. Проведенные испытания показали, что метод конечных элементов дает хорошие результаты. Могут быть использованы и другие методы, такие как эффективный метод конечных разностей;

для расчета деформации испытываемой стенки на стадии ά) и оценки величины механической характеристики деформированной испытываемой стенки на стадии е) используют модель упругопластической деформации испытываемой стенки. Закономерности упругопластической деформации дают неплохие результаты в случае принятия во внимание явлений, связанных с повреждением, и позволяют определить напряженное состояние деформированной испытываемой стенки, которое имеет подтвержденную репрезентативность;

для расчета деформации испытываемой стенки на стадии ά) поверхность испытательного тела, по существу идентичная внешней поверхности поврежденной формы, принята не деформируемой. Хотя деформируемое испытательное тело с его собственной механической моделью, которое может быть или не может быть идентичным испытываемой стенке, может давать преимущества, экспериментально было установлено, что результаты, полученные на стадии ά), являются представительными даже в том случае, если испытательное тело рассматривается как не способное деформироваться. Это упрощает вычисления;

для расчета деформации испытываемой стенки на стадии ά) относительное перемещение испытательного тела и испытываемой стенки включает уменьшение, а затем увеличение расстояния между испытательным телом и испытываемой стенкой с тем, чтобы принять во внимание явление упругого восстановления испытываемой стенки после деформации. Явление упругого восстановления стенки заключается в том, что испытываемая стенка сначала подвергается значительному вдавливанию за счет действия испытательного тела, но затем эта деформация уменьшается за счет упругого восстановления. Чтобы учесть этот эффект, испытываемую стенку сначала подвергают вдавливанию с созданием деформации, большей, чем намеченная в перспективе, за счет уменьшения расстояния между испытательным телом и испытываемой стенкой, обеспечивая, таким образом, возможность упругого восстановления при увеличении расстояния между двумя указанными телами;

для расчета деформации испытуемой стенки на стадии ά) относительное перемещение испытуемого тела и испытуемой стенки производят в направлении, которое пересекает испытываемую стенку на заданном участке под углом, по существу ортогонально внешней поверхности испытываемой стенки, имеющей начальную форму. Пересечение под прямым углом не является единственно возможным, но часто является подходящим для получения желаемой формы испытываемой стенки. В определенных случаях представляет интерес косой угол пересечения, например когда очевидно, что повреждение является результатом воздействия удара, произведенного под некоторым углом наклона;

измерения, проведенные на стадии а), кроме того, включают измерения толщины (е) стенки поврежденной формы в различных местах на заданном участке, при этом измерения толщины используют для уточнения толщины деформированной испытываемой стенки, полученной путем вычислений на стадии ά) с тем, чтобы деформированная испытываемая стенка имела толщину, по существу, идентичную толщине стенки поврежденной формы в указанных различных местах. Представляет интерес в дополнение к

- 3 024349 форме стенки учитывать изменения толщины стенки, которые могут происходить в результате повреждений или некоторых других причин, таких как коррозия. Это может быть сделано посредством получения величин толщины испытываемой стенки (измеренной в различных точках на поверхности стенки) и коррекции этой толщины. Коррекция может быть произведена после вычисления деформации. Это может быть также сделано и до вычисления деформации;

измерения, проведенные на стадии а) для характеристики геометрии поврежденной формы, включают один или более типов измерений из группы, включающей триангуляцию лазерным пучком, снятие показаний вручную, фотограмметрию и ультразвуковое исследование. Эти измерения обеспечивают более или менее точную характеристику внешней поверхности в месте повреждения (считывание данных вручную, фотограмметрия, лазерная триангуляция, ультразвук), и другие обеспечивают также измерения толщины стенки (ультразвук).

Изобретении относится также к компьютерному программному продукту, включающему одну или большее количество последовательностей команд доступных процессору, которые, если они выполнены процессором, приводят к осуществлению стадий от Ь) до е) описанного выше способа, при этом процессор принимает данные, содержащие результаты измерений по геометрическим характеристикам поврежденной формы в заданной области.

Программа осуществляет стадии от Ь) до е) способа, описанного выше. Для этого необходимо, чтоб процессор обрабатывал данные, соответствующие информации, собранной на стадии а). Кроме того, если данные еще не получены, программа может быть обеспечена необходимыми для процессора данными, соответствующими начальной форме стенки, механическим моделям, относительному перемещению испытуемого тела и испытуемой стенки и/или желаемыми вычислениями механической характеристики. Эти данные могут быть введены по запросу процессора, к которому обращается пользователь. Пользователю могут быть предложены предварительно выбранные для испытаний варианты конструкций и модели, а также возможные решения, соответствующие вариантам способа.

Изобретение относится также к машинно-читаемому носителю данных информации, содержащему одну или большее количество последовательностей команд описанного выше компьютерного программного продукта. Другие особенности и преимущества изобретения будут очевидны из нижеследующего описания некоторых не ограничивающих примеров со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг. 1 - пример конструкции, которая в данном случае представляет собой секцию трубопровода для транспортирования углеводородов под давлением.

Фиг. 1Ь - такая же конструкция, что и на фиг. 1, но с поврежденной стенкой.

Фиг. 2 - диаграмма, поясняющая способ, соответствующий изобретению.

Фиг. 3 - пояснение к определению характеристик внешней поверхности поврежденной формы (стадия а).

Фиг. 3Ь - иллюстрация моделирования испытательного тела (стадия Ь) по результатам определения характеристик, иллюстрируемого на фиг. 3 а.

Фиг. 3 с - иллюстрация моделирования испытываемой стенки (стадия с).

Фиг. 36 - вид в увеличенном масштабе участка испытываемой стенки, представленной на фиг. 3с.

Фиг. 4 - диаграмма, поясняющая стадии 6) и е), с более подробным пояснением стадии 6), чем приведены на фиг. 2.

Фиг. 5а - деформированная испытываемая стенка в конце стадии 6).

Фиг. 5Ь - деформированная испытываемая стенка в момент ее разрыва на стадии е).

Фиг. 6 - диаграмма, поясняющая вариант осуществления стадии 6), в это раз принимается во внимание толщина испытываемой стенки.

Фиг. 7а и 7Ь - иллюстрация стадии 65), осуществляемой по варианту, который поясняется на фиг. 6.

Фиг. 8 - график, показывающий изменение диаметра деформированной испытываемой стенки во время вычисления механической характеристики (стадия е).

Для упрощения размеры различных элементов, показанных на указанных фигурах, не обязательно находятся в пропорции, соответствующей их фактическим размерам. На фигурах идентичные ссылочные номера позиций соответствуют идентичным элементам.

На фиг. 1 показана конструкция 1, которая представляет собой секцию трубопровода. Эта секция трубопровода содержит стенку 3 по существу цилиндрической первоначальной формы 4а, имеющую заданную постоянную толщину.

На фиг. 1Ь показана такая же конструкция, что и на фиг. 1, но поврежденная на заданном участке поверхности 5 стенки. Стенка в этом случае имеет поврежденную форму 4Ь с вмятиной на заданном участке поверхности. Вмятина может быть образована падающей опорной стойкой, верхний участок которой падает на трубопровод и затем приходит в состояние покоя, находясь более или менее в горизонтальном положении и по существу ортогонально продольному расположению трубопровода.

Для экспериментальных исследований, описанных ниже, подобный участок трубопровода был воспроизведен в виде, представленном в нижней части фиг. 3с. Два круглых отверстия этого участка были закрыты для того, чтобы могли быть проведены испытания на разрыв.

Основные стадии способа согласно изобретению представлены на диаграмме на фиг. 2. На стадии

- 4 024349

а) определяют геометрические характеристики поврежденной формы. На стадии Ь) моделируют испытательное тело на основании результатов измерений, проведенных на стадии а). На стадии с) моделируют испытываемую стенку. Результаты моделирования на стадиях Ь) и с) используют на стадии б) для расчета деформированной испытываемой стенки. Затем дают количественную оценку механической характеристики деформированной испытываемой стенки (стадия е), например подвергая деформированную испытываемую стенку возрастающему внутреннему гидростатическому давлению. Получают параметр Р механической характеристики, который является, таким образом, давлением разрыва конструкции. В определенных случаях происходит не разрыв, а лишь снижение жесткости, проявившееся в виде значительной и быстрой деформации.

Помимо моделей испытательного тела и испытываемой стенки, на стадии б) используется механическая модель испытываемой стенки и механическая модель испытательного тела. Эти модели получают по известным математическим зависимостям, например описывающим упругопластическую деформацию стали, из которой изготовлена стенка. Для испытательного тела модель может быть очень простой, если считать, что оно является недеформируемым. С помощью расчетов на стадии б) моделируют относительное перемещение испытательного тела и испытываемой стенки в том виде, как оно производит деформацию испытываемой стенки. Это относительное перемещение устанавливают известным методом. Метод включает определение положения двух тел в пространстве. Цель указанного относительного перемещения состоит в том, чтобы в результате вычисления получить деформацию в испытываемой стенке, которая по существу идентична деформации, охарактеризованной на стадии а).

Фиг. 3 а иллюстрирует геометрическую характеристику внешней поверхности 4с стенки конструкции в ее поврежденной форме 4Ь. Пространственные координаты множества точек на внешней поверхности получают, используя известный метод лазерной триангуляции. Массив данных, содержащий эти координаты, обеспечивает математическое описание внешней поверхности. Внешняя поверхность может быть также представлена с помощью математической модели поверхностей или любым другим эквивалентным методом. Понятно, что геометрическая характеристика дает по меньшей мере общую форму внешней поверхности, на которой имеется повреждение.

Фиг. 3Ь иллюстрирует испытательное тело 6, полученное на основании геометрических характеристик изображения, представленного на фиг. 3 а. Испытательное тело может представлять собой твердое тело, имеющее поверхность 6а, по существу, идентичную внешней поверхности, характеристика которой получена на стадии а). Данные, полученные на стадии а), служат для определения геометрических характеристик этой поверхности испытательного тела. Поверхность затем дополняют, например, отображенными на фиг. 3 тонкими штриховыми линиями для получения объема и общей формы поверхности испытательного тела, ответной форме повреждения поверхности испытываемого тела. Испытательное тело является разновидностью внешней матрицы повреждения. Его поверхность 6а представляет собой позитивную матрицу формы повреждения, которая является негативным отпечатком в поврежденной форме стенки конструкции. Качество матрицы зависит от точности геометрической характеристики, полученной на стадии а).

Понятно, что испытательное тело может быть построено, начиная от поверхности 6а, многочисленными путями. В действительности, испытательное тело характеризуется этой поверхностью и ориентацией этой поверхности, образующей сторону, которая подлежит внедрению в испытываемую стенку при проведении расчета, производимого на стадии б).

Фиг. 3с иллюстрирует испытательное тело 6 при относительном перемещении 9 по отношению к испытываемой стенке 7. Движение является, как говорят, относительным, поскольку не имеет значения, будет ли испытательное тело приближаться к испытываемому телу или наоборот. Относительное перемещение происходит в вертикальном направлении 9а, проходящем через продольную ось испытываемой стенки. Испытываемая стенка содержит участок 7а, форма поверхности которого по существу идентична начальной форме поверхности секции трубопровода, изображенной на фиг. 1а. Эта секция заканчивается участками 7Ь, 7с и представляет собой конструкцию, которая была испытана экспериментально.

Как видно на фиг. 3с, а также на фиг. 3б, 5а, 7а и 7Ь, испытываемая стенка дискретизирована на конечные элементы 10. То же самое осуществлено в отношении испытательного тела. Указанная дискретизация была получена из массивов данных, характеризующих внешнюю поверхность, используя программное обеспечение Етртет1е, разработанное ТесиИак совместно с заявителем патента. Это программное обеспечение производит массивы, необходимые для расчета деформаций на стадиях б) и е), который был проведен с использованием программного обеспечения ЛЬацик.

Следует отметить, что способ согласно изобретению не требует использования такого программного обеспечения. Дискредитация на конечные элементы и вычисление с помощью метода конечных элементов могут быть осуществлены с использованием другого программного обеспечения или могут быть запрограммированы непосредственно специалистом в данной области техники.

Фиг. 4 более подробно раскрывает стадию б), на которой производят расчет деформированной испытываемой стенки. Стадия б) включает установление граничных условий (субстадия б1). При этом можно принять во внимание ситуацию, в которой находится конструкция. Например, можно включить наличие опор или тот факт, что конструкция во время повреждения была подвержена заданному полю

- 5 024349 механических напряжений. Субстадии к2) и к3) представляют собой две фазы расчета: первую, моделирующую уменьшение расстояния испытательного тела от испытываемой стенки, и вторую фазу увеличения этого расстояния, или отвода испытательного тела. Во время второй субстадии происходит упругое восстановление деформации испытываемой стенки. Другими словами, в конце стадии к2) испытываемая стенка деформирована в большей степени, чем в конце стадии к3). Для достижения определенного окончательного состояния вмятины (по существу идентичного фактическому повреждению) испытательное тело первоначально делает вмятину на испытываемой стенки с последующим ее увеличением (стадия к2).

На субстадии к4) проводят испытания, чтобы определить, будет ли деформированная испытываемая стенка иметь внешнюю поверхность, по существу, идентичную внешней поверхности, характеристика которой получена на стадии а). Если это не будет иметь место, стадии к2) и к3) повторяют, изменяя при этом параметры относительного перемещения испытательного тела и испытываемой стенки, например степень вдавливания (размер вмятины). Необходимую степень вдавливания можно определить с помощью параметрического исследования, которое специалист в данной области техники может провести без каких-либо определенных проблем.

На фиг. 5а показана деформированная испытываемая стенка 8, полученная в конце стадии к). Она имеет, таким образом, форму, весьма подобную поврежденной форме стенки конструкции. Поскольку поврежденная форма является симметричной в плоскости 8Ь, в примере представлена только четвертая часть деформированной испытываемой стенки. Испытываемая стенка имеет деформацию 8а. Ее внешняя поверхность 8с по существу идентична внешней поверхности 4с, охарактеризованной на стадии а).

На фиг. 5Ь показана форма 9 деформированной испытываемой стенки, когда она находится в состоянии близком к разрыву. Разрыв определяется по общей нестабильности в результатах расчета, что сопровождается релаксацией напряжений и быстрым увеличением характерного размера. Представлена только четвертая часть деформированной и восстановленной испытываемой стенки ввиду симметрии в плоскости 9а (идентичной плоскости 8Ь). Следует отметить, что форма, которую принимает испытываемая стенка непосредственно перед разрывом, напоминает начальную форму. Фиг. 5Ь иллюстрирует расчет механической характеристики (при разрыве). Возможно и проведение других расчетов, в зависимости от желаемого параметра механической характеристики. Например, можно вычислить стойкость по отношению к внешнему давлению.

Фиг. 6 иллюстрирует вариант стадии к), охарактеризованной на фиг. 4. Добавлена субстадия к5), которая включает утонение (или утолщение) деформированной испытываемой стенки в конце субстадии к3) с тем, чтобы учесть характеристику толщины поврежденной формы 4Ь стенки конструкции. Вообще, толщина е (показанная на фиг. 3к и фиг. 7Ь), если она изменена вследствие повреждения или по какойлибо иной причине, играет важную роль в локальном сопротивлении конструкции. В качестве альтернативы перед проведением расчета деформации испытываемую стенку можно сделать более тонкой.

Фиг. 7а и 7Ь демонстрируют, как на самом деле может быть получено утонение на субстадии к5). Фиг. 7Ь иллюстрирует некоторые из конечных элементов, представленных на фиг. 7а, вместе с нижерасположенными элементами, которые создают вид в перспективе, показывающий ряд слоев конечных элементов на заданном участке поверхности 5. Некоторое количество конечных элементов 10а на этом участке удалено. Во время дискретизации, проведенной на стадии с), в данном примере был добавлен дополнительный слой конечных элементов. Затем на субстадии к5) этот слой удаляют, что утоняет деформированную испытываемую стенку. Это создает преимущество поддерживания одинакового количества слоев конечных элементов для всей деформированной испытываемой стенки (четыре слоя в рассматриваемом случае).

Фиг. 8 иллюстрирует радиальную деформацию деформированной испытываемой стенки в зависимости от внутреннего давления во время вычисления сопротивления разрыву. Давление разрыва составляет приблизительно 260 бар. Давление и радиальная деформация перед разрывом постепенно увеличиваются. Разрыв происходит в месте, показанном стрелкой. При этом давление снижается незначительно, а радиальная деформация быстро увеличивается. Указанные параметры являются физическими представлениями разрыва.

Способ согласно изобретению был проверен с помощью экспериментальных испытаний труб, закрытых по обоим торцам и имеющих форму, подобную элементу 7 на фиг. 3с.

В опытах были использованы три трубы различного диаметра, а именно: диаметр 610,0 мм: трубы под номерами 1-3, номинальная толщина стенки 12,50 мм; диаметр 457,2 мм: трубы под номерами 4-6, номинальная толщина стенки 10,50 мм; диаметр 323,9 мм: трубы под номерами 7-9, номинальная толщина стенки 9,53 мм.

Ниже в табл. 1 обобщены результаты различных опытов и указано тело, используемое для создания повреждения (называемый импактором (ударяющим телом)), которое является реально существующим физическим эквивалентом испытательного тела. Импактор вдавливался в трубы с помощью пресса, устанавливающего нагрузки, соответствующие массе приблизительно 90 т.

- 6 024349

Таблица 1

Описание экспериментальных испытаний

	Описание опыта
Импактор	Типичный образец для испытаний
Труба 24 дюйма 610 х 12,50	Труба №1	Продольный 2006
Труба №3	Поперечный 2006
Труба №2	К8
Труба 18 дюймов 457,2 х 10,0	Труба №4	Продольный 2006	Механически обработанная 4 мм с фаской
Труба №6	Продольный 2006	Механически обработанная 4 мм со скруглением
Труба №5	Конический 36
Труба 12 дюйма 323,9 х 9,53	Труба №9	Продольный 2006
Труба №7	Продольный 2006
Труба №8	Поперечный 2006	Изогнутая труба

В табл. 1 продольный 2006 относится к телу, имеющему такую же форму, что и элемент 7 на фиг. 3с, но меньшему примерно в десять раз. Продольная ось тела была параллельна продольной оси трубы, при этом тело и труба были размещены одно над другим и затем прижаты по вертикали одно к другому.

Поперечный 2006 означает, что продольная ось тела была ортогональна продольной оси трубы, при этом тело и труба были также размещены одно над другим и затем прижаты по вертикали одно к другому.

Конический 36 означает, что в качестве импактора было использовано тело в форме перевернутого вниз усеченного конуса, который был прижат к трубе в вертикальном направлении.

К8 - цилиндр с основанием, которое представляет собой деформированную равнобедренную трапецию в том смысле, что самая малая сторона трапеции заменена на полуокружность, проходящую от двух сторон трапецоида, примыкающую к малой стороне. Тело К.8 было прижато в вертикальном направлении к трубам, его круговой участок (полуокружность) направлен вниз.

При проведении этих девяти экспериментов, после фазы вдавливания, в которой было создано повреждение, к поврежденным трубам был применен способ согласно изобретению, а именно:

определение характеристик внешней поверхности деформированной трубы с помощью оптического метода. Полученные фактические вмятины описаны в табл. 2 ниже;

моделирование испытательного тела;

моделирование неповрежденной трубы (т.е. испытываемая стенка); проведение расчета деформированной испытываемой стенки.

В табл. 2 приведено сравнение давящей нагрузки пресса, которая была необходима для деформирования труб, и нагрузки, вычисленной на стадии ά) перед упругим восстановлением. Как видно, согласование данных очень хорошее, и это подтверждает, что механические модели являются достаточно представительными и испытательное тело действует на испытываемую стенку описанным выше образом.

Следует отметить, что был исследован большой интервал величин относительного вдавливания, от 56% до первоначального диаметра труб.

Таблица 2

Сравнение смоделированной нагрузки пресса и нагрузок, созданных при повреждении

	Величины в конце ударного воздействия
Вдавливание	Ударная нагрузка (тонн)
(% диаметра)	Численное моделирование	Измерения
импактор
Труба 24 дюйма 610 х 12,50	Труба №1	172(28%)	89	82
Труба №3	232 (38%)	82	88
Труба №2	315(52%)	88	85
Труба 18 дюймов 457,2 х 10,0	Труба №4	82 (18%)	43	43
Труба №6	127 (28%)	55	65
Труба №5	238 (52%)	69*	65
Труба 12 дюймов 323,9 х 9,53	Труба №9	92 (39,5%)	51	51
Труба №7	184(56%)	67	76
Труба №8	184(56%)	37,5	40

Кроме того, можно было проверить (см. табл. 3), что весьма хорошим является согласование в отношении величины упругого восстановления (явление восстановления стенки после удаления тела - импактора) и формы повреждения, в частности овализация труб на участке ударного воздействия.

- 7 024349

Таблица 3

Сравнение измеренных и смоделированных упругого восстановления и овализации

	Упругое восстановление
Упругое восстановление, мм	Овализация, мм
Численное моделирование	Измерения	Разность	Численное моделирование	Измерения	Разность
Труба 24 дюйма 610х 12,50	Труба №1	147	136	11	679	660	19
Труба №3	209	201	8	726	720	6
Труба №2	284	279	5	789	788	1
Труба 18 ДЮЙМОВ 457,2* 10,0	Труба №4	64	64	0	471	473	-2
Труба №6	112	111	1	491	494	-3
Труба №5	217	208	9	554	557	-3
Труба 12 ДЮЙМОВ 323,9х 9,53	Труба №9	80	79,8	0,2	357	357	0
Труба К» 7	174	168	6	402	407	-5
Труба №8	173	181	-8	382	391	-6

Затем деформированные трубы были подвержены испытанию на разрыв путем нагнетания в них воды. В нижеследующей таблице приведены результаты сравнения измеренного давления разрыва (правая колонка) и давления разрыва, полученного путем вычисления в конце стадии е) способа (левая колонка).

Таблица 4

Сравнение измеренных и вычисленных величин давления разрыва

	Приложенное давление
Величина давления разрыва (бар)
Численное моделирование	Измерения
Труба 24 дюйма 610 х 12,50	Труба №1	258	249
Труба №3	251	244
Труба №2	254	242
Труба 18 дюймов 457,2 х 10,0	Труба №4	182	142
Труба №6	189	196
Труба №5	264	264
Труба 12 дюйма 323,9 х 9,53	Труба №9	302	325
Труба №7	332	333
Труба №8	332	335

Что касается давления разрыва, желаемого параметра механической характеристики, опять же видно, что согласие данных весьма хорошее.

Результаты для труб 4 и 6 не являются настолько хорошими из-за неучета концентраций напряжения, связанных с механической обработкой труб. Способ согласно изобретению действительно обеспечивает получение надежного параметра механической характеристики и не требует замены или перемещения поврежденной конструкции, поскольку трубы здесь подвергают только испытанию на разрыв с целью сравнения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ определения параметра (Р) механической характеристики конструкции (1), содержащей стенку (3), в случае, когда повреждение конструкции привело к изменению формы стенки от начальной формы (4а) до измененной формы (4Ь) вследствие повреждения, причем поврежденная форма отличается от первоначальной формы на заданном участке (5), включающий стадии, на которых:

a) проводят измерения, с тем чтобы охарактеризовать геометрию внешней поверхности (4с) поврежденной формы на заданном участке;

b) моделируют испытательное тело (6) на основе проведенных измерений, при этом испытательное тело имеет поверхность (6а), по существу, идентичную внешней поверхности поврежденной формы на заданном участке, и испытательное тело имеет возможность соответствовать внешней поверхности поврежденной формы, характеристики которой получены на стадии а);

c) моделируют испытываемую стенку (7), имеющую часть (7а) формы поверхности, по существу,

- 8 024349 идентичную начальной форме;

б) рассчитывают деформированную испытываемую стенку (8) и напряженное состояние, связанное с деформацией, при этом деформацию (8а) испытываемой стенки создают относительным перемещением (9) испытательного тела и испытываемой стенки, причем указанное относительное перемещение конфигурируют так, чтобы придать деформированной испытываемой стенке форму внешней поверхности, по существу, идентичной внешней поверхности поврежденной формы, охарактеризованной на стадии а); и

е) вычисляют механическую характеристику деформированной испытываемой стенки, полученной на стадии б).
2. Способ по п.1, в котором при вычислении механической характеристики на стадии е) рассчитывают деформацию деформированной испытываемой стенки, полученной на стадии б), под действием возрастающей интенсивности механического напряжения, при этом параметр механической характеристики представляет собой интенсивность, при которой регистрируется разрыв или снижение жесткости деформированной испытываемой стенки.
3. Способ по п.2, в котором для увеличения интенсивности механического напряжения прикладывают возрастающее внутреннее давление к деформированной испытываемой стенке, причем, при необходимости, испытываемую стенку, смоделированную на стадии с), дополняют недостающими участками (7а, 7Ь) для того, чтобы закрыть ее, при этом параметр механической характеристики представляет собой давление, при котором регистрируют разрыв деформированной испытываемой стенки вследствие приложенного внутреннего давления.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором для вычисления деформации испытываемой стенки на стадии б) и вычисления механической характеристики деформированной испытываемой стенки на стадии е) используют метод конечных элементов, причем при моделировании испытательного тела и испытываемой стенки на стадиях Ь) и с) выполняют дискретизацию на конечные элементы (10).
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором для вычисления деформации испытываемой стенки на стадии б) и оценки величины механической характеристики деформированной испытываемой стенки на стадии е) используют модель упругопластической деформации испытываемой стенки.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором для вычисления деформации испытываемой стенки на стадии б) рассматривают поверхность испытательного тела, по существу, идентичную внешней поверхности поврежденной стенки, как не деформируемую.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором для вычисления деформации испытуемой стенки на стадии б) при относительном перемещении испытательного тела и испытуемой стенки уменьшают и затем увеличивают расстояние между испытательным телом и испытываемой стенкой для того, чтобы учесть явление упругого восстановления испытываемой стенки.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором для вычисления деформации испытываемой стенки на стадии б) выполняют относительное перемещение испытательного тела и испытываемой стенки в направлении (9а), которое пересекает испытываемую стенку на указанном заданном участке под углом, по существу ортогонально внешней поверхности, имеющей первоначальную форму.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором при проведении измерений на стадии а) измеряют толщину (е) поврежденной формы в нескольких местах на заданном участке, при этом измерения толщины используют для коррекции толщины деформированной испытываемой стенки, полученной путем вычисления на стадии б), так что деформированная испытываемая стенка имеет толщину, по существу, идентичную толщине стенки поврежденной формы в указанных нескольких местах.
10. Способ по любому из пп.1-8, в котором измерения, проводимые на стадии а) для получения геометрических характеристик поврежденной формы, включают в себя один или более видов измерений из группы, включающей триангуляцию лазерным пучком, считывание данных вручную, фотограмметрию, ультразвуковое исследование.
11. Машиночитаемый носитель информации, содержащий одну или большее число последовательностей команд компьютерного программного продукта, содержащего одну или большее число последовательностей команд, доступных для процессора, которые побуждают его осуществлять стадии Ь)-е) способа в соответствии с любым из предыдущих пунктов, при этом процессор принимает данные, включающие результаты измерений для определения геометрических характеристик поврежденной формы на заданном участке.