Приложение J (обязательное). Квалификация соединителей

Приложение J
(обязательное)

Квалификация соединителей

J.1 Введение

J.1.1 Назначение

В приложении J приведены рекомендации по проведению квалификации соединителей.

J.1.2 Общие положения

В результате процесса квалификации соединителей должно быть подтверждено их соответствие установленным конструктивным и функциональным требованиям (см. 6.6).

Программа квалификации соединителя должна содержать расчеты, включая анализ с использованием МКЭ, и перечень необходимых испытаний. Испытания следует проводить на ограниченном числе образцов с целью верификации результатов анализа МКЭ и проверки эксплуатационных параметров, которые не могут быть смоделированы с помощью МКЭ, например сопротивление истиранию, износ, предотвращение утечек, влияние обработки поверхности на эксплуатационные характеристики, свойства покрытий, вид и количество смазки.

Анализ МКЭ следует проводить для оценки конструктивных решений, проверки герметичности и усталостных характеристик соединения. Должны быть разработаны диаграммы сопротивления (границы условий эксплуатации) для контроля целостности и герметичности соединения с использованием анализа МКЭ (см. приложение D). Для оценки эксплуатационных свойств уплотнителей и конструктивной целостности соединителя должен быть выполнен упругопластический анализ МКЭ с включением в модель контактных поверхностей. Должны быть рассмотрены все применимые значения давления, температуры и внешних нагрузок, включая циклическое воздействие указанных факторов. Результаты должны быть представлены в виде детализированных диаграмм контактных напряжений между уплотнительными поверхностями для оценки герметичности и в виде диаграмм напряжений, деформаций и смещений для исследования потенциальных режимов и мест возникновения отказов. Характеристики распределения контактных напряжений в уплотнении, такие как длина, ширина и общая форма, в дополнение к средней контактной нагрузке на единицу ширины контакта (1 мм), в наибольшей мере определяют эксплуатационные свойства уплотнения.

Объем испытаний в рамках процедуры квалификации должен быть согласован изготовителем и заказчиком. Как минимум, должны быть проведены следующие полномасштабные испытания:

- гидростатическое испытание корпуса для верификации конструктивной целостности и герметичности;

- испытания с циклическим изменением давления, включая циклы изменения температуры, если применимо, для верификации герметичности при проектном и пониженном давлении;

- испытание внутренним давлением на разрыв для верификации целостности при действии давления;

- испытание на воздействие внешних нагрузок в сочетании с функциональными испытаниями для верификации диаграмм сопротивления;

- испытание на воздействие внешних циклических нагрузок для верификации сопротивления усталости и обеспечения герметичности;

- испытание внешним давлением для верификации герметичности относительно действия внешнего флюида.

При планировании испытаний в рамках квалификации следует оценить влияние проектных температур (максимальных и минимальных) и действующих на соединитель флюидов. Могут быть также включены дополнительные испытания, приведенные в J.9.

Процесс квалификации должен включать валидацию результатов испытаний и расчетов, предпочтительно с использованием анализа МКЭ.

J.1.3 Безопасность персонала при проведении испытаний

Процедуры испытаний должны включать описание потенциальных опасностей и требования к обеспечению безопасности персонала. Должны быть приняты меры по устранению или минимизации воздействия каждого источника опасности. Испытания следует проводить в специально предназначенных для этого местах.

Перед началом испытания испытательное оборудование должно быть проверено на соответствие требованиям безопасности.

При испытании газовой средой в каждый образец для испытания должны быть помещены цельнометаллические вставки для минимизации подаваемого в образец объема газа. Диаметр вставки должен быть как можно ближе к внутреннему диаметру образца для испытания.

J.1.4 Испытательное оборудование и образцы для испытания

Для обеспечения достоверности результатов испытаний испытательное оборудование должно быть квалифицировано для данного вида испытаний и должна быть проведена его калибровка, результаты которой необходимо отразить в эксплуатационной документации. Испытательное оборудование должно обеспечивать создание внутреннего давления, изгибающего момента и/или осевой нагрузки для проведения комбинированных испытаний с нагружением.

Соединитель, используемый при проведении испытаний в рамках квалификации, должен полностью соответствовать стандартному элементу райзера, включая размеры с учетом технологических допусков, технологию обработки поверхности, использованные покрытие и материалы.

До начала любого испытания размеры и состояние поверхности соединителя должны соответствовать параметрам соединителя после изготовления. Если значение допусков влияет на эксплуатационные свойства соединителя, то испытания следует проводить при наиболее неблагоприятном сочетании допусков. До начала испытания должны быть представлены сертификаты материалов соединителя и протоколы неразрушающего контроля.

Вся предусмотренная проектом термообработка соединителя и сварных швов должна быть проведена до начала испытания. Образцы в исходном состоянии и после снятия напряжений подлежат проверке для количественной оценки деформаций, вызванной сваркой и термообработкой. Должно быть проведено сравнение текущих размеров с размерами, снятыми до выполнения сварки. Полученные результаты должны быть использованы для подтверждения соответствия размеров соединителя установленным допускам. Особое внимание должно быть уделено размерам поверхностей, на которые устанавливают уплотнения.

Для соединителей, приваренных к трубе, необходимо отразить в документации размеры кольцевого сварного шва, включая осевое смещение между трубой и соединителем.

Длина образцов должна быть достаточной для исключения влияния граничных и концевых эффектов на результаты испытаний.

Для оценки воздействия изгибающего момента следует применять четырехточечный изгиб для создания постоянного значения изгибающего момента на испытываемом участке.

При проведении испытания свинчивание и развинчивание резьбовых соединений следует выполнять в соответствии с процедурой, аттестованной изготовителем.

При наличии резервирования уплотнителей в процессе испытания должно быть подтверждено, что герметичность соединения обеспечивается основным уплотнителем. Перед испытаниями на предельные нагрузки и усталость соединитель должен быть свинчен с минимально допустимым предварительным натяжением.

При проведении испытаний, как правило, требуется не менее трех образцов. Примеры использования образцов для испытания приведены в таблице J.1.

Таблица J.1 - Пример использования образцов для испытания

Образец 1	Образец 2	Образец 3
Функциональные испытания	Функциональные испытания	Функциональные испытания
Циклическое испытание внутренним давлением	Испытание внешним давлением	Испытание на воздействие внешних циклических нагрузок
Испытание на воздействие внешних циклических нагрузок	Испытание на воздействие внешних циклических нагрузок	Испытание на воздействие внешних циклических нагрузок до разрушения образца
Испытание внутренним давлением на разрыв	Испытание на воздействие внешних нагрузок, включая испытание до разрушения конструкции	-

J.1.5 Методы контроля

Все испытания должны быть проведены при использовании надлежащей системы сбора данных, включая показания тензометрических датчиков, значения давления, температуры и т.д.

На образцы для испытания должны быть установлены тензометрические датчики для определения напряжений на основных участках и сравнения полученных значений с результатами анализа МКЭ. Как правило, к основным относятся участки с наибольшими концентрациями напряжений и участки, где возможно образование пластического шарнира. Для фланцевых соединений должен быть обеспечен контроль состояния болтов.

Тензодатчики должны обеспечивать верификацию предварительных напряжений, напряжений вблизи участков концентрации напряжений и в стороне от таких участков. У приваренных соединителей тензодатчики должны быть размещены в зоне кольцевых сварных швов, а для соединителей с болтовым креплением должно быть проведено измерение деформации репрезентативных болтов. Показания тензодатчиков и соответствующие им условия нагружения должны быть зарегистрированы и сохранены как часть проектной документации соединителя.

J.1.6 Смазка и покрытие

Смазка и покрытие соединителя должны быть квалифицированы для условий применения. В процессе выбора и квалификации следует как минимум учитывать следующие показатели: трение, образование задиров, коррозионную защиту, совместимость с уплотнительными элементами, совместимость с внутренними и/или внешними флюидами, методы нанесения и удаления, объем и место нанесения, количество наносимой смазки для защиты ниппеля/муфты гидравлических фиксаторов/сальников и т.д.

Примечание - Общепринятой практикой является покрытие резьб соединителей политетрафторэтиленом, фосфатом цинка, фосфатом марганца, медью, гальваническим цинкованием, горячим цинкованием и т.д. Некоторые покрытия уменьшают трение и коррозию, другие улучшают приработку и защищают от задиров, или увеличивают трение.

Если предусмотрено использование резьбовой смазки, то необходимо определить процедуру ее нанесения для обеспечения постоянной консистенции в процессе испытаний и эксплуатации.

J.1.7 Среда при проведении испытаний

В качестве рабочей среды в процессе испытаний для нормальных и экстремальных условий необходимо использовать воздух или азот, за исключением случаев, когда размер образца для испытания требует большого объема газа, который не может быть снижен за счет использования цельнометаллических вставок, или если испытания газовой средой не обеспечивают выполнение требований безопасности персонала. Все испытания до разрушения образца должны быть проведены с применением воды или аналогичной жидкости, не содержащей твердых частиц.

Испытания внешним давлением проводят с применением воды или аналогичной жидкости, не содержащей твердых частиц.

J.1.8 Период выдержки

Начало периода выдержки соответствует моменту стабилизации давления и температуры. Должна быть задана продолжительность периода выдержки для каждого шага нагружения, время выдержки не должно быть менее 15 мин. Давление считают стабилизировавшимся, если скорость его изменения не превышает меньшее из значений: 5 % от давления испытания в час или 3,45 МПа/ч. На протяжении периода выдержки изменение давления не должно превышать меньшее из значений: 5 % от давления испытания или 3,45 МПа. Температуру считают стабилизировавшейся, если скорость ее изменения составляет менее 0,55 °С/мин. На протяжении периода выдержки температура не должна превышать экстремальное значение больше чем на 11,1 °С.

J.1.9 Контроль после испытаний

Образцы для испытания должны быть разобраны и обследованы. Релевантные элементы должны быть сфотографированы. По результатам проверки должно быть оформлено документальное заключение, что соединитель или его компонент не содержит дефектов, не соответствующих эксплуатационным требованиям.

После испытания(ий) необходимо выполнить измерение образцов для испытания с целью количественной оценки остаточной деформации, возникшей в процессе испытания(ий). Полученное значение остаточной деформации должно быть использовано для валидации параметров прочности и герметичности соединителя.

J.1.10 Требования к площадке проведения испытаний

Испытание может проводить изготовитель непосредственно на производстве в присутствии уполномоченных представителей. Испытательная площадка должна быть аккредитована признанной организацией или как минимум использующееся на ней оборудование должно быть откалибровано, например контрольно-измерительная аппаратура, стенды для нагружения, датчики давления, инструмент для свинчивания/развинчивания.

Программа испытаний должна как минимум включать:

- порядок подготовки для каждого вида испытаний;

- пошаговые процедуры для каждого вида испытаний;

- значения прикладываемых нагрузок для каждого вида испытаний.

Для всех видов испытаний должна быть обеспечена непрерывная регистрация значений давления, температуры, осевой нагрузки, изгиба, деформации и скорости утечки.

На испытательной площадке следует вести журнал выполненных испытаний для каждого соединения, в котором необходимо отражать дату и время проведения каждого шага процедуры и все отклонения, зафиксированные в процессе испытания. Необходимо выполнять фотографирование образца для испытания. При испытаниях до разрушения образец должен быть сфотографирован после разрушения с указанием места и вида разрушения.

J.1.11 Верификация соединителя и внесение изменений

Соединитель с типовыми размерами для изготавливаемой серии должен быть подвержен испытаниям в рамках процесса квалификации. Подтверждение соответствия соединителей аналогичного типа, но имеющих другие размеры, может быть обеспечено посредством выполнения расчетов и/или проведения анализа МКЭ. Испытываемый соединитель должен соответствовать изготавливаемым изделиям в отношении конструкции, размеров и используемых материалов.

Соединитель одного типоразмера можно использовать для верификации соединителей другого типоразмера при условии, что у них соответствуют принципы и критерии проектирования, используемые материалы, конфигурация и функциональные требования.

Если конструкция изделия имеет отличия в форме, функциях или использованных материалах, то изготовитель должен подготовить заключение, отражающее влияние таких изменений на эксплуатационные свойства соединителя. Проект, в который внесены значительные изменения, является новым проектом, требующим проведения повторной квалификации. Значительным является любое изменение конфигурации или используемых материалов, которое влияет на эксплуатационные параметры изделия или условия его применения. Внесенные изменения должны быть отражены в документации, изготовитель должен обосновать необходимость проведения повторной квалификации или отсутствие такой необходимости. При использовании других материалов проведение повторных испытаний может не потребоваться, если применимость новых материалов может быть подтверждена другими средствами.

Следует с осторожностью использовать эффект масштабирования, если существует неопределенность в допустимости применения решений реализованного проекта, например для условий высокой температуры и/или давления.

J.1.12 Свидетельство третьей стороны

При проведении испытаний следует предусмотреть присутствие представителя независимой третьей стороны.

J.2 Гидростатические испытания

До начала испытаний в рамках процесса квалификации все образцы для испытания должны быть подвергнуты гидростатическому испытанию с давлением до 1,5 от проектного значения.

J.3 Циклические испытания давлением и температурой

В процессе испытания соединителя должно быть реализовано не менее трех циклов изменения давления в диапазоне от нуля до проектного давления. Проверка герметичности должна быть осуществлена при проектном давлении. Перед началом и после проведения испытания циклическим давлением следует проводить испытание на герметичность при пониженном давлении при комнатной температуре. При необходимости учета влияния температуры испытания следует проводить в соответствии с требованиями [12] (подразделы F.1.11 и F.1.13 для металлических и неметаллических уплотнений соответственно). Для металлических уплотнений пониженное давление при испытании на герметичность должно составлять от 1,38 до 2,07 МПа.

J.4 Испытание внутренним давлением на разрыв

Для подтверждения целостности и эффективности уплотнителей соединителя и определения механизма разрушения должно быть проведено гидравлическое испытание внутренним давлением на разрыв соединителя/трубы.

J.5 Испытания на воздействие внешних нагрузок

Испытания на предел прочности и герметичность следует проводить при сочетании внутреннего давления и внешних нагрузок для верификации конструктивной прочности, сопротивления разъединению контактных поверхностей и герметичности (см. диаграммы на рисунке 11), подтверждения функциональности после экстремальных условий эксплуатации и определения механизма разрушения конструкции. Для двухканальных райзеров к испытываемому соединению необходимо добавить канал доступа в затрубное пространство и крепежные хомуты.

В результате испытания на разрушение конструкции соединителя должна быть определена разница между расчетным и фактическим пределом прочности. При проведении испытания предел прочности трубы должен превышать предел прочности соединителя для исключения разрушения трубы до завершения испытания.

Испытываемые образцы должны быть подвергнуты нагрузкам, определяемым на основе диаграммы сопротивления соединителя для различных режимов эксплуатации. В процессе испытания соединитель должен быть троекратно подвергнут нагрузкам, соответствующим нормальному и экстремальному режимам эксплуатации. После приложения нагрузок, соответствующих экстремальным условиям эксплуатации, необходимо выполнить операции развинчивания и свинчивания соединителя для подтверждения отсутствия влияния остаточных деформаций на выполнение указанных операций. Соединитель должен быть подвергнут воздействию особой нагрузки в сочетании с низким внутренним давлением. В таблице J.2 представлен пример сочетания нагрузок и давления в процессе испытания для различных условий эксплуатации. Проверка герметичности при комбинированном нагружении должна быть проведена при низком и высоком давлении. Испытание на герметичность при низком давлении выполняют при давлении от 1,38 до 2,07 МПа. Испытание на герметичность при высоком давлении проводят при проектном значении давления соединителя.

Таблица J.2 - Пример сочетания нагрузок и давления

Испытание	Внутреннее давление	Внешняя нагрузка
Нагрузки, соответствующие нормальным условиям эксплуатации	Низкое	Низкое усилие на растяжение и большой изгибающий момент
	Низкое	Значительное усилие на растяжение и небольшой изгибающий момент
	Проектное	Низкое усилие на растяжение и большой изгибающий момент
	Проектное	Значительное усилие на растяжение и небольшой изгибающий момент
Нагрузки, соответствующие экстремальным условиям эксплуатации	Низкое	Низкое усилие на растяжение и большой изгибающий момент
	Низкое	Значительное усилие на растяжение и небольшой изгибающий момент
	Проектное	Низкое усилие на растяжение и большой изгибающий момент
	Проектное	Значительное усилие на растяжение и небольшой изгибающий момент
Особая нагрузка	Низкое	Усилие на растяжение и/или изгибающий момент
Испытание до разрушения	Проектное или низкое	Усилие на растяжение и/или изгибающий момент до разрушения конструкции соединителя

После завершения испытания с воздействием нагрузок, соответствующих экстремальным условиям эксплуатации, и перед испытанием на разрушение конструкции соединитель должен быть разобран и выполнен контроль его состояния.

Если после испытания на воздействие особой нагрузки отсутствуют утечки из соединителя, то нагрузка должна быть уменьшена до значения, соответствующего нормальным условиям эксплуатации, и должны быть проведены испытания для верификации герметичности.

Испытание на разрушение конструкции соединителя проводят посредством увеличения внешней нагрузки при низком или проектном внутреннем давлении флюида. В процессе увеличения нагрузки и до разрушения соединителя необходимо регистрировать возникающие утечки вместе с указанием значения приложенной нагрузки.

J.6 Циклическое испытание внешней нагрузкой

Соединитель должен быть подвергнут испытаниям на усталость посредством моделирования проектного циклического нагружения. Испытания на усталость проводят для решения следующих задач:

- верификации усталостных характеристик, заявленных изготовителем;

- выбора соединителя, сопротивление усталости которого соответствует условиям проекта;

- проверки герметичности (контроль износа уплотнения) в процессе циклического нагружения;

- идентификации мест возникновения и развития усталостных трещин и верификации значения коэффициентов концентрации напряжений.

Для сварных соединителей усталостная долговечность соединителя не должна быть меньше усталостной долговечности кольцевых сварных швов. При планировании испытания следует использовать средние кривые усталости S-N. Размах напряжений в присоединенной трубе должен соответствовать среднему количеству циклов до разрушения, примерно равному 100 000.

В процессе испытания в образце должно быть создано внутреннее давление флюида, соответствующее проектному давлению. Если основной усталостной нагрузкой является циклический изгибающий момент, то к образцу может быть приложено постоянное осевое растягивающее усилие, соответствующее ожидаемому/среднему растягивающему усилию в процессе эксплуатации. После циклических испытаний следует провести испытание на герметичность при низком давлении.

Циклическое испытание внешней нагрузкой, как правило, проводят на воздухе при комнатной температуре.

Циклическому испытанию должно быть подвержено не менее трех образцов. Как минимум, для одного образца испытание должно быть проведено до разрушения соединителя с целью идентификации участков, критических с точки зрения усталостного разрушения.

J.7 Испытание внешним давлением

Испытание внешним давлением проводят для проверки целостности соединителя и эффективности уплотнения при воздействии внешнего давления.

По результатам испытания должна быть подтверждена герметизирующая способность уплотнений при действии внешнего гидростатического давления. Значение внешнего давления в процессе испытания должно быть как минимум на 20 % больше, чем максимальное гидростатическое давление, ожидаемое при эксплуатации. Внутреннее давление в соединителе должно равняться атмосферному.

Если соединитель оборудован внешними патрубками для измерения давления, то они могут быть использованы для подтверждения герметичности уплотнителей, при условии что используемые уплотнители обеспечивают двухстороннюю герметичность.

J.8 Функциональные испытания

Для подтверждения параметров процесса соединения в рабочих условиях, их повторяемости в процессе многократного соединения и взаимозаменяемости соединителей должны быть проведены испытания на соединение и отсоединение. Кроме того, должно быть подтверждено, что уровень износа и образования задиров находится в допустимых пределах, а используемые процедуры и инструменты остаются применимыми после притирки поверхностей в результате многократного повторения процесса соединения и циклического воздействия температуры. Следует оценить влияние потенциальных повреждений, возникающих при перемещении соединителя.

Должно быть определено максимально допустимое количество операций по сборке соединителя в течение расчетного срока эксплуатации. При испытании должно быть выполнено не менее 10 последовательностей соединения.

Если применимо, значения, полученные в результате анализа МКЭ, следует подтвердить показаниями тензодатчиков, установленных на выбранных участках соединителя и на болтах. Измеренные остаточные напряжения от предварительного натяжения должны быть ниже максимально допустимых напряжений и превышать минимально необходимые напряжения при предварительном натяжении.

Для подтверждения функциональности как минимум три образца следует испытать на соединение, отсоединение и взаимозаменяемость. Каждый образец следует как минимум пять раз соединить, испытать при давлении, составляющем не менее 1,25 от проектного давления, и отсоединить. Испытание давлением может сочетаться с испытанием на герметичность при низком давлении. После этого каждую половину образца следует соединить с новым компонентом и повторить испытание. Если необходимо, может быть выполнена замена уплотнительных элементов соединителя.

J.9 Дополнительные испытания

При необходимости должен быть определен состав и должно быть организовано проведение дополнительных испытаний. Примерами таких испытаний являются: испытание спайдера на внешнее воздействие, испытание под нагрузкой вспомогательного инструмента, испытание крепежных устройств вспомогательных линий райзера, испытание на воздействие максимальной и/или минимальной температуры и циклические температурные испытания, испытание соединений с многоконтурными уплотнениями, испытание эластомерных уплотнений, испытания для оценки влияния изменения размера допуска на коррозию, испытание для оценки влияния давления смазки, испытание на воздействие малоцикловой обратной нагрузки, испытание на огнестойкость, испытания на воздействие флюида, содержащего сероводород, испытание на щелевую коррозию, испытание на сжатие, испытание на возникновение самоблокировки, испытание на адгезию покрытия и испытание на нагрузку при контакте с внешними объектами. Руководство по циклическим испытаниям на воздействие давления и температуры приведено в [12] (подраздел F.1.11).

При проектировании следует провести анализ процессов подключения, фиксации и отсоединения гидравлического соединителя в экстремальных условиях эксплуатации, характеризующихся наличием углового и осевого смещений, а также поворота гидравлического соединителя относительно разъема. Результаты исследований должны быть верифицированы при проведении испытаний.

J.10 Документация

После завершения испытаний должны быть подготовлены протоколы испытаний, подтверждающие, что испытания в рамках процесса квалификации соединителя были проведены в соответствии с положениями настоящего стандарта.

Изготовителем должны быть подготовлены документы, содержащие описание процедур проведения и результатов всех испытаний, выполненных в рамках процесса квалификации соединителя на соответствие требованиям настоящего стандарта. Если применимо, протокол испытаний должен включать следующую информацию или ссылки на источники, содержащие данную информацию:

a) идентификационный номер и номер редакции документа, содержащего описание процесса испытания или отдельной процедуры;

b) данные для идентификации соединителя и компонентов, подвергшихся испытанию;

c) рабочие чертежи соединителя и технические условия на материалы, использованные при изготовлении соединителя, включая уплотнения и болты;

d) чертеж общего вида испытательного стенда, соединителя, уплотнения и образца для испытания, с отображением участков, на которых выполнялись измерения температуры и давления;

e) описание процедуры предварительного натяжения, включая значение крутящего момента при свинчивании и развинчивании соединения или усилия, прикладываемого растягивающим устройством;

f) фактические размеры уплотнительных поверхностей перед сваркой, после сварки и термообработки и после испытания;

g) все параметры испытаний, указанные в настоящем стандарте, включая фактические условия испытаний (давление, температура, нагрузки и т.д.) и зафиксированные факты возникновения утечки (нарушения герметичности) или другие факты, отражающие критерии приемки результатов испытания;

h) описание испытательной среды;

i) сертификаты на материалы, использованные при изготовлении компонентов, подвергшихся испытанию;

j) состав и квалификация персонала, проводившего и контролировавшего испытания;

k) время и место проведения испытания.

Сравнение и оценку результатов испытаний следует проводить с учетом результатов анализа МКЭ и возможных отклонений размеров, допусков и прочностных характеристик. Для оценки результатов испытания на воздействие внешнего изгибающего момента может потребоваться выполнение трехмерного анализа МКЭ.