Végeselemes módszer alkalmazása csõvezeékekben lévõ korróziós hibák veszélyességének érékelésére enkeyné dr. Biró Gyöngyvér 1 Balogh Zsol 1 r. Tóh ászló 1 Harmai Isván ÁAPOTEENÕRZÉS Absrac anger analysis o he pipeline's corrosion pis by means o inie elemen mehod. Fracure o he pipelines is caused in abou 0% by corrosion pis [1]. Thereore his consiued he subjec o our comparison analysis and invesigaions [4, 5]. The bursing pressure vs. maximum pi deph calculaed by inie elemen mehod according hree ailure crierions (Fig. 7 9) and ive engineering mehods (Fig. 10) or he deecive pipeline's secions (exernal diameer: 406 mm, wall hickness: 8 mm) having real and simpliied orms (by Fig. 6) corrosion pis. The calculaed bursing pressures were compared wih he real pressures measured by waer pressure ess on he deecive pipeline's secions (Fig. 1 15). The resuls o hese are ollowing: The inie elemen mehod used he 3 rd crierion gives he bes esimaions or he bursing pressures (Fig. 14). The real bursing pressures are wih high probabiliy wihin a pressure band calculaed boh on he inernal and exernal sides o he deepes poins o he simpliied pis. Used he 3 rd crierion and he simpliied pi models he inie elemen mehod is very appropriae o esimae he bursing pressures and o deermine he saey diagrams. Bevezeés Napjainkban minegy 100 000 km hosszúságú az olaj- és gázávvezeékek hossza a világon. Ezek meghibásodása számos okra vezeheõ vissza. Az eseek minegy 30%-ban valamilyen külsõ behaás az ok, de igen jelenõs, minegy 0%, a korróziós hiba okoza örés, meghibásodás [1]. A csupán korróziós hibával rendelkezõ csöveknél az üzemeleõ számára mindenkor az a dönõ kérdés, hogy az ilyen csõszakasz bizonságosan üzemeleheõ-e, ki kell-e válani, illeve mekkora bizonsági aralékkal rendelkezik egy eseleges önkremeneellel szemben? A önkremeneeli nyomások becslésére a napjainkban használaos szabványok, mûszaki elõírások más-más összeüggés adnak meg, amelyeke elérõ (a szabványokban álalában nem megado) önkremeneeli kriérium alapján haározak meg. Ebbõl kövekezik, hogy a csõvezeék üzemeleõje egészen elérõ mérékû lászólagos bizonsággal (konzervaivizmussal) üzemelehei a csõvezeéke aól üggõen, hogy melyik módszer válaszja. Példakén az 1. ábra muaja a különbözõ módszerekkel számol önkremeneeli nyomásérékek összehasonlíásá. Ebbõl láhaó, hogy a különéle módszerek elérõ bizonsági araléko jelenenek. A gyakorla szemponjából az a legonosabb kérdés, hogy ezek az elõírások mennyire konzervaívak, illeve hogy a végeselemes számíásokkal mennyivel lehe a valóságo jobban ükrözõ önkremeneeli nyomásérékeke kapni? E kérdés megválaszolása napjainkban kulcsonosságú, és a szakemberek igen jelenõs erõeszíéseke esznek a valósághû modellek kialakíására [-3]. Ebbõl kövekezõen munkánk célja, hogy elemezzük a végeselemes 1. ábra. A becsül önkremeneeli nyomás üggése a relaív hibamélységõl különbözõ módszerekkel számíva módszer alkalmazásának leheõségé és ponosságá a önkremeneeli nyomás becsléséhez [4-5]. A számíások ellenõrzésére repeszési kísérleeke végezünk. A modellezéseke a valós hibageomeria alapján, illeve öbbéle egyszerûsíe hibamodellel is elvégezük, különbözõ önkremeneeli kriériumok alkalmazásával. Az eredmények alapján elemezük a hibamodellek közi különbségeke, valamin az eléréseke a mérési eredményekõl és a néhány mérnöki módszerrel számol önkremeneeli nyomásérékõl. A önkremeneeli nyomások becslése a valós hibamodell alapján A valós hibamodell elõállíásához szükség vol a 3-s hibageomeria elérképezésére, amelyhez egy speciális mérési módszer dolgozunk ki. A korróziós hibáka mûgyanával önöük ki. Az így kapo negaív minákon, lézeres ávolságmérési echnika segíségével, meghaározuk a hibaelüle 1x1mm-es sûrûségû hálóponjainak érbeli koordináái. A lézeres ávolságmérõ eszköz egy vízsugaras vágó berendezés CNC vezérlésû mozgaó-kereére rögzíeük a mérés elvégzéséhez (. ábra), és az vízszines síkban programozva mozgauk úgy, hogy a vízsugaras A lézeres ávolságmérõ 1 Bay Zolán Alkalmazo Kuaási Alapívány, ogiszikai és Gyárásechnikai Inéze, iskolc ol R., Sióok. ábra. A hibageomeria mérése a negaív minán ANYAGVIZSGÁÓK APJA 003/1 3
ÁAPOTEENÕRZÉS vágóej megáll minden rácsponban, és a mérésadagyûjõ rendszer ekkor rögzíee a lézeres ávolságmérõ jelé. Összesen 8 db csõszakaszon lévõ 1 db hibáról készül mina. A csövek külsõ ámérõje = 406 mm, a névleges avasagsága 8 mm vol. Az ily módon kapo valós hibageomeriá ez köveõen a ARC végeselemes programrendszerben elépíe és behálózo geomeriai modelljére ranszormáluk, melynek eredményeképpen rendelkezésre áll a hibá aralmazó csõ végeselemes számíásra alkalmas, behálózo modellje. Az így elõállío modelleken rugalmas-képlékeny számíás végezünk, amelyekhez a valódi eszülség valódi nyúlás diagramoka szakíóvizsgálaal haározuk meg. A csõ-anyag szilárdsági jellemzõinek minimális érékei: R eh = 334 Pa, R m = 468 Pa. Terhelési eléelkén okozaosan növekvõ belsõ nyomás és a csõvégeken haó, a belsõ nyomással arányosan növekvõ, csõ irányú húzás alkalmazunk (ez elel meg a nyomáspróba valódi erhelési eléeleinek). A önkremeneeli nyomások meghaározásához három különbözõ önkremeneeli kriériumo alkalmazunk: 1. A gyûrû eszülség 69 Pa-lal haladja meg a olyáshaár éréké: hoop = SYS +69 (ahol SYS a szabvány álal megköveel olyáshaár éréke).. A redukál eszülség (von ises) 69 Pa-lal haladja meg a olyáshaár éréké: red = SYS +69 3. A redukál eszülség eléri a szakíódiagram alapján meghaározhaó, képlékeny insabiliás kezdeéhez arozó eszülsége (a szakíóvizsgálanál a maximális erõnél ellépõ valódi eszülség): ' red = Rm A számíásoka minden modell eseén addig a nyomás érékig végezük, amíg a redukál eszülség éréke a hiba legmélyebb ponjában elére a 3. kriérium szerini éréke. A 3. ábra a redukál eszülség eloszlásá muaja egy valós hibamodell eseén a hiba környezeében. Az ábrából láhaó, hogy a legnagyobb eszülség a hiba legmélyebb ponjában alakul ki. A önkremeneeli nyomásérékeke úgy haározuk meg, hogy vizsgáluk a önkremeneeli kriériumnak megelelõ paraméer maximumának a válozásá 4. ábra. A maximális õeszülség és a redukál eszülség válozása a nyomás üggvényében a hiba legmélyebb ponjában a csõ külsõ és belsõ elüleén (K1/1 hiba) 5. ábra. Valós hibamodellekkel, a különbözõ kriériumokkal meghaározo önkremeneeli nyomás érékei a legnagyobb hibamélység üggvényében a nyomás üggvényében, amely alapján meghaározhaóak volak a kriériumoknak megelelõ eszülségérékekhez arozó kriikus nyomásérékek (4. ábra). A hibáka aralmazó modellek eseén a eszülségeke a hiba legmélyebb ponjában elemezük a csõ külsõ és belsõ elüleén is. Az ily módon meghaározo önkremeneeli nyomás érékeke a valós hibamodellre az 5. ábra muaja valamennyi hibára a hibamélység üggvényében. 3. ábra. A redukál eszülség eloszlása egy korróziós hiba körül (K1/1 hiba; 6,9 Pa belsõ nyomásnál) Az egyszerûsíe hibamodellek Annak érdekében, hogy megvizsgáljuk annak a leheõségé, hogy a valós hibaalak helyeesíheõ-e valamilyen egyszerûbb elüleel, hároméle egyszerûsíe hibamodell dolgozunk ki. A valós hibá elõször egy églaesel, majd egy másodokú parabolikus illeve egy haodokú elüleel helyeesíeük. Ezek elépíésénél az a módszer alkalmazuk, hogy az egyszerûsíe alakú hiba mélysége megegyeze a mér hibamodell legmélyebb ponjának mélységével, a beoglaló méreei pedig az alkalmazo végeselem háló sûrûségének megelelõ legközelebbi 4 ANYAGVIZSGÁÓK APJA 003/1
6. ábra. Az egyszerûsíe hibamodellek geomeriai modelljei: a) parabolikus modell; b) églaeses modell; c) haodokú elüle hálóponokhoz igazíouk. A végeselem háló méreé a csõ hosszirányában és a kerüle menén 3 mm-re válaszouk a úlságosan nagy elemszám elkerülése vége. Így a hiba beoglaló méreei az egyszerûsíe hibamodellek legeljebb ±1,5 mm eléréssel közelíeék. A megelelõ hiba-alakoka a valós hibákhoz hasonló módon illeszeük a hiba nélküli csõszakaszra. A három alkalmazo egyszerûsíe hibamodell alap-geomeriájára mua egy-egy példá a 6. ábra, amelyek alapján az ép csõ geomeriájából generáluk a hibamodelleke. A végeselemes háló az elõzõekben leíraknak megelelõen úgy alakíouk ki, hogy a csõ vasagságának irányában 3 elem helyezkedjen el, hosszilleve kereszirányban pedig 3x3 mm-es hálóméree alkalmazunk. Az egyszerûsíe hibamodellekkel számío önkremeneeli nyomásérékeke a különbözõ kriériumok eseén a 7. 9. ábrák muaják (a külsõ elüleen ébredõ eszülségek alapján). ÁAPOTEENÕRZÉS Az eredmények alapján öbb megállapíás eheõ: Az 1. kriérium alkalmazása eseén öbbségében a valós hibamodellre adódak a legkisebb, és a parabolikus modellre a legnagyobb önkremeneeli nyomás érékek. Kivéel képez három nagyobb mélységû, közel azonos, viszonylag kisebb beoglaló méreû (piingszerû) hiba. A. kriérium alkalmazásakor a legöbb eseben a hároméle hibamodellre közel azonos önkremeneeli nyomás adódo. Kivéel képez a három legnagyobb kierjedésû hiba. A 3. kriérium alkalmazásakor az elõzõ kriériumhoz képes álalában csökkenek a különbségek a önkremeneeli nyomások közö. A 3 mm-nél kisebb, illeve az 5 mm-nél nagyobb mélységû hibák eseén kis elérések (1,5 Panál kisebb) adódak a önkremeneeli nyomásokban, míg a 3 és 5 mm közöi hibáknál az elérések nagyobbak (1,5-,7 Pa). Ez uóbbi hibák mindegyike viszonylag nagyobb kierjedésû vol. 9. ábra. A 3. kriériummal meghaározo önkremeneeli nyomás érékei a legnagyobb hibamélység üggvényében a valós és a különbözõ A önkremeneeli nyomások becslése mérnöki módszerekkel 7. ábra. Az 1. kriériummal meghaározo önkremeneeli nyomás érékei a legnagyobb hibamélység üggvényében a valós és a különbözõ A mérnöki módszerek ponosságának érékelés céljából kiválaszounk a önkremeneeli nyomás becslésére szolgáló ö olyan számíási módszer, amelyek különbözõ mûszaki irányelvekben, szabványokban, publikációkban szerepelnek [6]: 1. ASE B31G: d YS 1,11 3 P =, 3 hag YS P = 1,11 1, ha G 4, ahol G = 0,893, és 8. ábra. A. kriériummal meghaározo önkremeneeli nyomás érékei a legnagyobb hibamélység üggvényében a valós és a különbözõ = 1+ 0,893 ANYAGVIZSGÁÓK APJA 003/1 5
ÁAPOTEENÕRZÉS. ódosío ASE B31G: 0,85 ( YS + 68,95 Pa), ha G<4, P = 0,85 4 = 1+ 0,675 0,003375, ha / 50, = + ha 0,03 3,3, /! 50. 3. Baelle: 4. NV-99: 5. Shell-9: UTS P = 1, ahol = exp 0,157 ( d/) UTS P =, ha G 4, ahol = 1+ 0,31. 1,8UTS P =, ahol További jelölések: a csõ külsõ ámérõje, mm a csõ alvasagsága, mm d a hiba legnagyobb mélysége, mm a hiba hossza, mm, YS a olyáshaár, Pa, UTS a szakíószilárdság, Pa. A eni összeüggésekkel kapo önkremeneeli nyomás érékeke a 10. ábra szemlélei. Az eredményekbõl láhaó, hogy a különbözõ használaos mérnöki módszerek közö jelenõs különbségek vannak, a becsül önkremeneeli nyomás érékek közö 3 5 Pa közé esõ elérések is lehenek. Tehá a csõvezeék üzemeleõje egészen elérõ mérékû lászólagos bizonsággal (konzervaivizmussal) üzemelehei a csõvezeéke aól üggõen, hogy melyik módszer válaszja. = 1+ 0,805. 10. ábra. A különbözõ mérnöki módszerekkel becsül önkremeneeli nyomás érékei A vizsgál csõszakaszon a csõvégek lezárásá köveõen nyomáspróbá végezünk a ényleges önkremeneeli nyomások meghaározására (a méréseke a iskolci Egyeem echanikai Technológiai Tanszékének Anyagvizsgáló aboraóriumában végezük). A nyomáspróba közben nyúlásmérõ bélyeges méréssel regiszráluk néhány kiválaszo hiba környezeében az alakválozásoka, a modellezés eredményeinek ellenõrzése céljából. A méréskor a vizsgál hibákhoz közel a hiba ala és melle, valamin egy eseben a hibáól ávoli ép csõszakaszon helyezünk el nyúlásmérõ bélyegeke. inden mérési ponban a keresz- és hosszirányú nyúlásoka is mérük. A mérõbélyeges mérés és a végeselemes modellezés összehasonlíására egy példá mua a 11. ábra. Ebbõl láhaó, hogy a számío és A mérési és a modellezési eredmények összehasonlíása 11. ábra. A mér és számío eszülségérékek összehasonlíása a K/1 hiba melle; elül a bélyegek elhelyezése 6 ANYAGVIZSGÁÓK APJA 003/1
ÁAPOTEENÕRZÉS 1. ábra. A mér önkremeneeli nyomások összehasonlíása a valós és a különbözõ hibamodellekkel az 1. kriérium alapján becsül érékekkel 14. ábra. A mér önkremeneeli nyomások összehasonlíása a valós és a különbözõ hibamodellekkel a 3. kriérium alapján becsül érékekkel 13. ábra. A mér önkremeneeli nyomások összehasonlíása a valós és a különbözõ hibamodellekkel a. kriérium alapján becsül érékekkel mér eszülségérékek a rugalmas arományban nagyon jó egyezés muanak (a legnagyobb elérés 10 %-on belül van). A önkremeneeli nyomásokra mér és számío eredmények összehasonlíásá a 1. 15. ábrák oglalják össze különbözõ szemponok szerini csoporosíásban (azokra a hibákra, amelyekhez mér önkremeneeli nyomásérékek arozak). Összeoglalás és kövekezeések Az eredmények alapján a kövekezõ megállapíások eheõk: 1. A megvizsgál egyszerûsíe hibamodellek eseén a parabolikus és a haodokú hibamodellel lehee a legponosabban becsülni a önkremeneeli nyomásoka, de minden egyszerûsíe hibamodell konzervaív becslés ado. Ezek alapján javasolhaó, hogy a kisebb, piing jellegû korróziós hibánál a másodokú parabolikus közelíés, míg a nagyobb kierjedésû hibáknál a haodokú elüleel örénõ közelíés célszerû alkalmazni. Az is megállapíhaó, hogy a valós hibamodell nem eredményeze ponosabb becslés. Ezek alapján eléelezheõ, hogy a hiba beoglaló méreeinek ismereében, a végeselemes módszer alkalmazásával sokkal ponosabban számíhaók a önkremeneeli nyomások érékei min a hagyományos mérnöki módszerekkel.. ivel a végeselemes számíások minden eseben sokkal ponosabb becslés adak a önkremeneeli nyomásra, min bármelyik álalunk megvizsgál mérnöki módszer, ez egyérelmûen aláámaszja a végeselemes módszerek alkalmazásának célszerûségé minden eseben. Ez különösen a hosszabb hibák eseén lényeges, amikor a hiba jelenlée nagyobb mérékû önkremeneeli nyomáscsökkenés okoz. Ilyenkor a önkremeneeli nyomás érékének ponosabb becslése az üzemelõ számára nagyobb gyakorlai jelenõséggel bír. 15. ábra. A mér és a különéle mérnöki módszerekkel becsül önkremeneeli nyomásérékek összehasonlíása 3. A legkevésbé konzervaív becslés egyérelmûen a 3. kriérium alkalmazásával kapuk ( red = R m ). e célszerû a hiba legmélyebb ponjában mind a külsõ, mind a belsõ ponra elvégezni a számíásoka. Így kijelölheõ egy olyan nyomásaromány, amelybe a önkremeneeli nyomás nagy valószínûséggel beleesik. 4. Az elvégze számíások alapján az lászik, hogy az egyszerûsíe hibamodellek jól alkalmazhaók a önkremeneeli nyomások becslésére, ezér leheõség nyílha nagyszámú, csak egyszerûsíe hibamodelleken végze végeselemes számíás alapján elõállíani bizonsági diagramoka a 3. kriérium alkalmazásával. Irodalomjegyzék [1] European Gas Pipe Inciden Group. Gas Pipiline Incidens. Pipe and Pipeline Inernaional. Vol.40. No 4, July-Augus, 1995. [] Zaharov,N., ukjanov V.A.: Prochnos szoszudov i ruboprovodov sz deekami szenok v neegazovikh proizvodsvakh. oszkva, 000. 16 p. [3] Bodorachev N..: Predelnoe sosojanie ruboprovoda, povrezhdenno piing-korrozija. Problemi Prochnoszi, 00/6. p. 89-95. [4] enkeyné B. Gy., Balogh Zs., Illés I., Tóh.: Csõvezeékekben lévõ émveszeségi hibák veszélyességének érékelése végeselemes módszer alkalmazásával; kuaási részjelenés a ol R. részére, 001. [5] enkeyné B. Gy., Balogh Zs., Tóh.: Fémveszeségi hibá aralmazó csõvezeék végeselemes modellezése, kuaási jelenés a ol R. részére, 000. [6] F. Caleyo, J.. Gonzalez, J.. Hallen: A sudy on he reliabiliy assessmen mehodology or pipelines wih acive corrosion deecs, In. J. o Pressure Vessels and Piping, 79 (00), pp. 77-86. ANYAGVIZSGÁÓK APJA 003/1 7