Файл: Центральный институт научнотехнической информации и техникоэкономических исследований по химическому и нефтяному машиностроению.pdf

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ХИМИЧЕСКОМУ И
НЕФТЯНОМУ МАШИНОСТРОЕНИЮ
Обзорная информация
ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКОГО
И НЕФТЯНОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ И НОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Серия ХМ-9
Р.Г.МАННАПОВ
(НИИхиммаш)
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ,
ПОДВЕРГАЮЩЕГОСЯ КОРРОЗИИ
ВВЕДЕНИЕ
Надежность изделий химического и нефтяного машиностроения в большой степени обусловлена коррозионной активностью технологических сред, характерной для нефтехимических производств. Например, в химической промышленности в 57 случаях из 100 причиной преждевременного выхода оборудования из строя является коррозия [1].
Традиционные статистические методы используемые при оценке надежности

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии по экономическим соображениям. В тех случаях, когда объект после отказа не подлежит восстановлению, состояние отказа объекта совпадает с его предельным состоянием. Для оборудования, подвергающегося коррозионным воздействиям, такое совпадение обычно имеет место в случае сплошной (общей) коррозии. При некоторых локальных видах коррозии, например язвенной, и в случаях, когда коррозии подвергается небольшая поверхность оборудования, возможно его восстановление после отказа, в частности, при сквозном повреждении оболочек.
Одним из основных показателей, определяющих надежность (ресурс) оборудования в условиях коррозионного воздействия сред, является скорость коррозии [6]. Оценка долговечности оборудования в коррозионных средах фактически сводится к определению скорости коррозии металла, из которого оно изготовлено, и расчету срока службы путем деления запаса толщины стенки на скорость коррозии. Такой подход позволяет правильно прогнозировать ресурс оборудования при равномерной (общей, сплошной) коррозии его элементов.
Однако равномерная коррозия наблюдается примерно в 1/3 случаев от всех случаев выхода оборудования из строя, причем понятие равномерная -- условное, так как в реальных условиях неравномерность существует всегда.
Неравномерность коррозии оборудования вызывается многими причинами, как детерминированными - различием нагрузок (воздействий) на разные участки поверхности, так и стохастическими - обусловленными случайными сочетаниями физико-химических свойств металла, его напряженным состоянием на разных участках поверхности и другими причинами, рассмотренными в работе [12].
Достоверность и точность оценки надежности оборудования прямо зависят от точности оценки неравномерности (дисперсии) скорости коррозии металла в заданных условиях. Чем выше требования, предъявляемые к точности и достоверности результатов испытаний, тем выше затраты на испытания.
Однако знание статистических закономерностей коррозионного разрушения металлов и элементов оборудования позволяет в ряде случаев многократно сократить объемы испытаний при обеспечении заданных требований к точности и

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии
Необходимость такого подхода обусловлена большим влиянием на протекание коррозионных процессов состава, температуры, скорости перемещения технологической среды, наличия в ней абразивных частиц и других примесей, марки стали (сплава), ее термообработки и многих других факторов. Поэтому теоретический расчет коррозионной стойкости оборудования в заданных условиях дает лишь приближенную оценку, которая используется для предварительного выбора материалов, а окончательный выбор осуществляют на основе результатов испытаний.
Методы коррозионных испытаний, регламентированных в СТ СЭВ 3283-81 [5], предусматривают следующие виды, условия и цели испытаний (табл. 1).
Таблица 1
Вид испытаний
Условия
Цель
Эксплуатационные
Лабораторные
Рабочие
Природные
Моделирующие
Ускоренные
Определение долговечности материалов.
Контроль качества материалов.
Исследование внешних воздействующих факторов.
Прогнозирование долговечности материалов.
Исследование воздействующих факторов.
Контроль качества материалов.
Сравнительный контроль качества материалов.
Предварительная оценка коррозионной стойкости.
Испытания коррозионно-стойких металлов для химического оборудования подразделяют на следующие типы.
1. Коррозионные испытания образцов: а - в лабораторных условиях (в колбах, бачках и другой испытательной
)

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии изменениям в электрохимической системе. Результаты, получаемые с помощью метода поляризационного сопротивления для рабочих электродов из различных металлов и сплавов, хорошо коррелируют с результатами других методов
(гравиметрия, экстраполяция поляризационных кривых). Однако в ряде случаев
(мягкая сталь в кислотах, содержащих адсорбционный ингибитор; низколегированные и нержавеющие стали в морской воде; нержавеющая сталь в подщелоченной окисью лития воде) такой корреляции не достигнуто. Данный метод можно применять только в электропроводных средах.
Метод электрического сопротивления в отличие от предыдущего метода может применяться в любых средах, как электропроводных, так и неэлектропроводных.
Измерительным элементом устройства может быть проволока, трубка или пластинка из испытуемого металла, помещенная в. поток жидкости или газа
Изменение электрического сопротивления в результате уменьшения сечения элемента в ходе его коррозии служит мерой скорости коррозии металла. Ряд приборов для определения скорости коррозии указанными методами рассмотрен в работе [34].
Наиболее достоверные данные дают промышленные методы испытаний.
Однако они применимы не во всех случаях. Для вновь создаваемых производств применяют моделирующие испытания (см. таб.1). Они, как правило, не дают возможности полностью воспроизвести производственный процесс и проводятся с упрощением воздействующих факторов. При испытаниях определяют воздействие наиболее возможных и жестких условий, характерных для моделируемого процесса, что позволяет получить результаты относительно быстро.
На основании этих экспериментов могут быть выданы рекомендации лишь на опытную установку, наблюдения за коррозионной стойкостью которой позволяют выдать рекомендации на соответствующее промышленное оборудование.
В случае модернизации производственного процесса или при необходимости повышения коррозионной стойкости действующего оборудования проводят

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии
4. Реакторы для химического превращения веществ. При эксплуатации таких аппаратов характерно наличие следующих факторов, оказывающих влияние на скорость коррозии конструкционных материалов: изменение концентрации и состава продуктов реакции, а также тепловых потоков, сопровождающих процессы.
Кроме указанных факторов для многих аппаратов 2 - 4-й групп характерны фазовые переходы компонентов среды газ - жидкость - твердое состояние, сопровождающиеся в ряде случаев изменением коррозионной активности среды.
В зависимости от особенностей условий эксплуатации оборудования определяют место установки испытуемых образцов, их количество и продолжительность испытаний. От этих факторов в наибольшей степени зависят точность и достоверность получаемых результатов. Анализ публикаций по проведенным коррозионным испытаниям показал, что недостатком большинства из них является неопределенная точность и достоверность полученных результатов.
Обычно исследователи указывают только средние значения полученных результатов (средние скорости коррозии, среднюю глубину проникновения коррозии и др.) и иногда - размах (разброс) измеренных значений либо отклонения от среднего, выражаемые в процентах. Ресурс (срок службы) оборудования рассчитывают путем деления запаса толщины стенки на среднюю
(или максимальную) скорость коррозии. При этом не учитывают дисперсию результатов испытаний, ее зависимость от площади образцов, продолжительности наблюдений и других факторов, определяющих точность и достоверность оценки.
Между тем известно, что результаты измерений, достоверность и точность которых неизвестна, не только бесполезны, но даже вредны, так как в действительности они могут представлять собой не информацию о физическом объекте, а дезинформацию о нем [32]. Ниже рассмотрены стандартизованные методы оценки точности и достоверности получаемых результатов испытаний, приведены рекомендации по их рациональному применению, применение которых позволит исследователям решать задачи прогнозирования надежности

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии поверхности испытуемых образцов. Так, например, в ГОСТ [4] указано, что количество образцов на одно испытание должно быть не менее трех. Если при трех образцах не достигается требуемая согласно программе испытаний доверительная вероятность результатов испытаний, количество параллельно испытуемых образцов должно быть увеличено. Площадь поверхности всех образцов должна быть не менее 50 см². Указываются также предпочтительные размеры плоских образцов: 150x100x (0,5 - 1,5); 100x50x(0,5 - 1,5); 50x50x(0,3 -
1,5) мм.
Аналогичные требования установлены в СТ СЭВ [5], только требование к минимальной суммарной площади образцов несколько выше - не менее 60 см².
В стандартах на специальные виды коррозионных испытаний требования к количеству и размерам испытуемых образцов зачастую отличаются от общих требований. Так, например, в ГОСТ [8], устанавливающем методы определения стойкости против межкристаллитной коррозии, рекомендуемое число испытуемых образцов 2 - 4, а размеры образцов 80x20x5 мм. В стандартах [9, 10] на методы испытаний на коррозионное растрескивание и руководящем документе
[11] на методы испытаний на стойкость материалов к питтинговой коррозии установлено количество испытуемых образцов в каждом режиме - не менее пяти.
Это обусловлено наличием большого статистического разброса результатов указанных видов испытаний даже при тщательном отборе образцов и поддержании условий испытаний.
Статистические закономерности, характеризующие распределение коррозионных повреждений по поверхности испытуемых образцов и аппаратов, достаточно полно рассмотрены в работе [12].
Наиболее существенными факторами, определяющими степень разброса
(дисперсию) результатов коррозионных испытаний, являются вид коррозии, площадь поверхности испытуемых образцов и продолжительность испытаний. В связи с важностью последнего фактора продолжительность испытаний во многих стандартах регламентирована. Так, например, ГОСТ [4] (СТ СЭВ [45] ) реко е е
ро о ж е ос с
а й б ра ак об ож о б о

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии
Во избежание попадания в результаты испытаний ошибочных измерений или наблюдений дефектных образцов ГОСТ [6] (СТ СЭВ [7]) рекомендует проводить предварительную обработку результатов с целью выявления анормальных
(выпадающих) значений. При этом рекомендуется принимать уровень значимости проверяемых данных равным 0,1.
Методы оценки достоверности результатов
коррозионных испытаний
Единого нормативно-технического документа, устанавливающего методы оценки достоверности результатов коррозионных испытаний, до настоящего времени не разработано. В ряде стандартов на конкретные виды испытаний [9, 10,
15, 19] приведены отдельные методы статистической обработки результатов испытаний. Более полно, чем в других стандартах, эти методы изложены в ГОСТ
[15].
Предварительная обработка результатов испытаний включает оценку анормальности наблюдений. Метод исключения резко выделяющихся значений результатов испытаний, приведенный в ГОСТ [15], предусматривает применение критерия Ирвина. При этом полученные значения х, результатов испытаний располагают в ряд х
1
, х
2
, х
3
, ... , х n
по степени возрастания значений х
(вариационный ряд). Затем сомнительные значения на краях ряда проверяют по критерию λ, определяемому по формуле где S - оценка среднего квадратического отклонения значений х i
вычисляемая по формуле

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии хи-квадрат [17] и критерий распределения Вейбулла [18], справедливый для локальных видов коррозии.
При коррозионных испытаниях образцов зачастую, особенно при малой величине коррозионных потерь металла, результаты имеют большой разброс, и при традиционной оценке скорости коррозии - по средней величине без учета доверительных интервалов это может привести к неправильным выводам.
Покажем на примере, как применение методов оценки достоверности результатов испытаний позволяет избежать неправильных выводов.
В табл. 2 приведены результаты испытаний образцов в трубопроводах, по которым перекачивают шахтные воды на Гайском горно-обогатительном комбинате при подземной разработке медно-колчеданных месторождений. Из-за высокой коррозионной активности шахтной воды (рН 2,5 – 7 , содержание хлор- иона до 500 мг/л и сульфат-иона до 2840 мг/л) трубопроводы из стали Ст.3, гуммированные резиной, выходят из строя через 0,5 - 1 г. С целью выбора коррозионно-стойкого материала для трубопровода были проведены испытания образцов в течение 3000 ч. В трубопроводах устанавливали по 2 образца каждого материала поверхностью 20 см² на различных горизонтах, на которых химический состав вод имел существенное различие.
Как видно из табл.2 *, разброс результатов весьма велик, о чем также говорят и оценки коэффициентов вариации υˆ , измеренных потерь коррозии образцов по каждому режиму испытаний (υˆ
i
= S/xˆ
i
). Хотя оценки значений υˆ
i по двум измерениям являются весьма неточными, но в случае однородности коэффициентов υˆ
i можно повысить точность оценки за счет объединения данных по всем образцам. Однородность коэффициентов υˆ
i имеет место в тех случаях, когда генеральные совокупности, из которых получены малые выборки, имеют одинаковые коэффициенты вариации. Это возможно в тех случаях, когда механизм (вид) коррозии и продолжительность испытаний одинаковы. В однородности коэффициентов вариации следует убедиться путем проверки по критерию Кохрена G [19]

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии
0,57. Доверительные интервалы для полученных результатов испытаний определяют по следующей формуле [15]
(6) где
x
в(н)
- верхняя (нижняя) доверительная граница;
xˆ
- точечная оценка среднего значения
x
i
; t
γ
- квантиль распределения Стьюдента, соответствующая доверительной Вероятности γ ( t
γ
определяют по таблице из работ [15, 19], фрагмент которой приведен в табл. 4).

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии
Подстановкой указанных значений в формулу (6) определены следующие доверительные интервалы:
x
в(н) =
xˆ ±
28% - при доверительной вероятности 50%;
x
в(н) =
xˆ ±
55% -- при доверительной вероятности 80%.,
x
в(н) =
xˆ ±
72% -- при доверительной вероятности 90% и т. д.
Таким образом, видим, что точность и достоверность оценки результатов испытаний взаимосвязанные величины. Причем величина доверительного интервала (см. формулу 6) прямо пропорциональна коэффициенту вариации полученных данных и обратно пропорциональна корню квадратному из числа испытанных образцов в каждом режиме Заметим, что объединение оценок коэффициентов
υˆ
i в рассмотренном примере позволило значительно сузить доверительные интервалы (что видно из сравнения значений t
γ
при f=1 и f=11).
По данным испытаний (см. табл. 2) на первый взгляд следует, что скорости коррозии во всех режимах различны. Однако если различие между результатами, указанными в табл. 2 в квадратах 1, Б и 2, Б не вызывает сомнений, то между результатами 1, A и 2, А, 3, А и 3, Б различие в средней величине потерь массы образцов мало и, возможно, обусловлено случайными отклонениями из-за малого числа испытанных образцов. Для проверки существенности различий результатов испытаний, полученных в разных режимах, применяют критерий Стьюдента [19], выражающийся неравенством, при соблюдении которого различие не является статистически значимым
(7) где
xˆ
1
,
xˆ
2
- средние значения результатов испытаний соответственно в первом и во втором режимах; n
1
, n
2
- число испытанных образцов в каждом

Р.Г.Маннапов , Методы оценки надежности оборудования, подвергающегося коррозии
Таким образом, из рассмотренных результатов видно, что различия в потере массы для разных режимов испытаний в данных условиях не являются статистически значимыми, за исключением режимов 1, Б и 2, Б. Поэтому по результатам данных испытаний нельзя отдать предпочтение какой-либо марке стали, а можно сделать единственный вывод, что сталь 08Х13 имеет более высокую скорость коррозии по сравнению со сталью 08Х22НбТ в трубопроводе
Б. Это не значит, что испытанные стали в данных условиях равностойки, но для выявления различий в их коррозионной стойкости необходимы испытания на большем количестве образцов и (или) большей продолжительности. Оценим существенность различия скоростей коррозии сталей в трубопроводах А и Б. Для этого определим по формулам (2) и (3) статистические характеристики коррозионных потерь по всем маркам сталей (мг): x
A
=7,38; S
A
=5,71; х
Б
=8,12;
S
Б
= 9,53. Определим значения t критерия Стьюдента по формуле (7)
Сравним полученное значение критерия с t табл
(см. табл. 4) при доверительной вероятности 0,9 и числе степеней свободы f = n
1
+ n
2
-2 = 6 + 6 – 2 = 10.
Так как t < t табл
= 1,812, то различие скоростей коррозии образцов в трубопроводах А и Б не является статистически значимым.
Таким образом, в рассмотренном примере выяснилось, что полученных при испытаниях данных недостаточно для объективного выбора стали из числа испытанных. Для правильного планирования необходимых и достаточных объемов испытаний для достоверной оценки их результатов существуют рассмотренные ниже методы.