Неразрушающий контроль. Газотранспортная промышленность

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ АКУСТОУПРУГОСТИ

Н.Е. Никитина, В.А. Смирнов.

 

Ряд важных вопросов повышения надежности и долговечности трубопроводов можно решить с помощью современных методов неразрушающего контроля напряженного состояния металла труб при их изготовлении, монтаже и эксплуатации. Новейшая разработка в этой области - прибор ИН-5101А, обеспечивающий измерения одно- и двухосных напряжений растяжения-сжатия в конструкционных материалах и элементах конструкций на основе явления акустоупругости. Возможности прибора подтверждены сертификатом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Программное обеспечение прибора позволяет проводить акустические измерения с высокой точностью и автоматизировать расчет величин определяемых напряжений. К прибору прилагается методика выполнения измерений (МВИ) осевых и окружных напряжений в стальных трубопроводах, аттестованная в установленном порядке и внесенная в Федеральный Реестр МВИ, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.

     Одной из актуальных задач неразрушающего контроля является проблема оценки напряжений в металлоконструкциях. Знание реальных величин действующих напряжений необходимо для решения целого ряда задач, связанных с оценкой сроков дальнейшей безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Вот неполный перечень таких задач.

  1. Контроль изменения нагрузок в процессе испытаний и ремонтных работ.
  2. Оценка величины остаточных напряжений, возникающих при технологической обработке металла, в том числе при сварке.
  3. Выявление превышения напряжениями допустимых величин.
  4. Определение напряжений, возникающих при монтаже и эксплуатации крупногабаритных конструкций.
  5. Проверка правильности результатов прочностных расчетов.

     Напряженно-деформированное состояние (НДС) эксплуатируемого газопровода может значительно отличаться от рассчитанного при проектировании. На остаточные напряжения, имеющиеся в трубе вследствие технологии ее изготовления, накладываются монтажные напряжения, возникающие при строительстве трубопроводов, а также напряжения, связанные с рабочими нагрузками и другими факторами при эксплуатации трубопровода. Не всегда можно достоверно определить степень влияния каждого из указанных факторов на НДС действующего трубопровода. Поэтому весьма актуальна задача прямого измерения величин напряжений (деформаций) в материале труб.
     В настоящее время есть понимание того уже почти очевидного факта, что «решение вопросов оценки, контроля, формирования НДС при изготовлении труб и строительстве… может дать мощные рычаги в деле повышения надежности, ресурса и их безопасности» [1]. Ряд таких вопросов можно решить с помощью современных методов неразрушающего контроля НДС металла труб.
     Среди методов неразрушающего контроля механических напряжений особое место занимает метод акустоупругости. Его основой является упругоакустический эффект, то есть линейная зависимость скоростей упругих волн от механических напряжений. Коэффициенты этой зависимости строго определяет нелинейная теория упругости твердого тела.
     Акустоупругость как способ измерения напряжений – это «механика без посредников». Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны – это, по существу, высокочастотны механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Для измерения времени распространения упругих волн (их задержки в материале), по которому судят об изменении скорости, применяется многократно проверенный в более простых задачах (дефектоскопия, толщинометрия) ультразвуковой эхо-импульсный метод. Однако, для выявления изменений скоростей упругих волн, не превышающих 1% даже при напряжениях, достигающих предела текучести трубных сталей, точность обычного эхо-метода повышена в несколько раз. Достижение такой точности можно представить себе как рассматривание эхо-импульсов «в многократную лупу» или как измерение расстояния от Земли до Луны с точностью до нескольких метров.
     Главными для определения напряжений являются сдвиговые волны, в которых «частицы» твердой среды колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Они более информативны с точки зрения исследования твердых сред: направление упругих колебаний (поляризация волны) может быть вдоль одной или другой компоненты напряжения при одном и том же направлении распространения волны.
     Определение изменения скорости волн при изменении напряжений (деформаций) в материале напоминает игру Алисы в крикет, когда перемещаются и игроки, и воротца: изменение скорости «складывается» из изменений времени и длины пробега волны («акустического пути»). Для учета изменения акустического пути при изменении напряжений дополнительно используются продольные волны [2], аналогичные обычным звуковым волнам с увеличенной в тысячу и более раз частотой.
     Все три волны распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений (прозвучивание вдоль толщины материала, то есть по нормали к поверхности трубы).
     Метод акустоупругости позволяет проводить измерения величин как одноосных, так и двухосных напряжений с высокой точностью, то есть количественно определять плоское (в точке контроля) напряженное состояние конструкционного материала независимо от наличия у него ферромагнитных или каких либо иных, кроме упругих, физико-механических свойств. Последний факт становится весьма актуальным с учетом обсуждаемых в настоящее время перспектив замены стальных труб на алюминиевые [3,4].
     Определение плоского напряженного состояния весьма актуально при контроле тонкостенных металлоконструкций, работающих под давлением: магистральные и технологические трубопроводы, сосуды давления и т.п. Немаловажное значение имеет и то, что в промежутке между измерениями датчики могут быть удалены с поверхности объекта контроля. В отдельных задачах метод акустоупругости позволяет оценивать действующие напряжения при неизвестных значениях начальных акустических параметров в точке измерения (т.н. «безнулевая» акустическая тензометрия).
     Для реализации указанных возможностей метода акустоупругости ООО "ИНКОТЕС" разрабатывает, проверяет в лабораторных и полевых условиях и модернизирует ультразвуковые приборы, позволяющие определять механические напряжения на основе прецизионных акустических измерений. Новейшая разработка в этой области - прибор ИН-5101А, обеспечивающий измерения одно- и двухосных напряжений растяжения-сжатия в конструкционных материалах и элементах конструкций, в том числе длительно эксплуатируемых при различных силовых и климатических воздействиях.
     Возможности прибора подтверждены сертификатом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. К прибору прилагается методика выполнения измерений (МВИ) осевых и окружных напряжений в стальных трубопроводах [5], разработанная на основе многочисленных практических исследований возможности применения акустоупругого эффекта для определения напряжений в реальных конструкциях [6,7]. Методика аттестована в установленном порядке и внесена в Федеральный Реестр МВИ, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора. Программное обеспечение прибора позволяет проводить акустические измерения с высокой точностью и автоматизировать расчет величин определяемых напряжений.
     Прибор ИН-5101А и методика измерений обеспечивают измерения механических напряжений в диапазоне * предел текучести материала с погрешностью, для конструкционных сталей) оцениваемой следующим образом:

  • 30 МПа в режиме акустической тензометрии);
  • 30% от предела текучести материала в режиме «безнулевой» акустической тензометрии (проведение измерений “in situ”, в уже напряженной конструкции).

     Надо сказать, что последний режим измерения напряжений фактически недоступен для многих других методов НК. Кроме того, следует заметить, что для бесшовных и ряда прямошовных труб погрешность измерений в указанном режиме может быть значительно уменьшена.

Отличительные особенности прибора ИН-5101А

     Безопасность в эксплуатации по сравнению с приборами, основанными на других физических принципах (например, рентгеновскими).
     Возможность "привязки" к определенной точке профиля импульса при измерении временных интервалов.
     Высокая точность измерения временных интервалов, характеризующих распространение акустических импульсов в реальных материалах.
     Возможность установки коэффициента усиления для каждого канала и для каждого эхо-импульса.
     Оригинальная конструкция трехкомпонентного пьзопреобразователя (ПЭП) (3 совмещенных ПЭП в одном корпусе: один - продольных волн, два - сдвиговых волн взаимно перпендикулярной поляризации).
     Определение по знаку и величине двухосных напряжений в конструкционных материалах.




Основные практические задачи, доступные прибору ИН-5101А

  1. Измерение напряжений, возникающих при изготовлении, монтаже и эксплуатации крупногабаритных изделий, в том числе:

    • акустическая тензометрия двухосных напряжений при гидравлических и других испытаниях закрытых емкостей;
    • оперативная оценка изменения напряженного состояния трубопроводных систем при монтажных и сварочных работах;
    • измерение двухосных напряжений, действующих в ответственных узлах и элементах конструкций, для их своевременного ремонта или замены;
    • определение величин опасных остаточных напряжений в конструкциях, длительно эксплуатируемых в условиях высоких нагрузок и неблагоприятных внутренних и внешних воздействий;
    • выявление мест возможного разрушения напряженных элементов конструкций из-за превышения действующими напряжениями допустимых величин;
    • измерение остаточных технологических напряжений.
  2. Измерение величин двухосных напряжений в контрольных точках крупногабаритных конструкций для экспериментальной проверки расчетов НДС методом конечных элементов:

    • измерение двухосных напряжений, возникающих в деталях и узлах новых конструкций при их монтаже и строительстве, для проверки соответствия НДС объекта проектному;
    • количественная оценка изменения напряженного состояния длительно эксплуатируемых объектов при проведении плановых обследований для оценки их остаточного ресурса;
    • определение величин эквивалентных напряжений в точках контроля для проверки прочностных расчетов многосекционных конструкций.
  3. «Попутные» задачи, решаемые прибором при его использовании:

    • прецизионная толщинометрия элементов конструкций с помощью продольных и сдвиговых волн;
    • проверка работоспособности ультразвуковых толщиномеров и дефектоскопов (указанная возможность основана на высокой точности измерения временных интервалов прибором ИН-5101А);
    • определение величины собственной акустической анизотропии материала, связанной с технологией его изготовления и влияющей на анизотропию его механических и прочностных характеристик;
    • контроль качества изготовления листового проката и труб (неоднородность структуры и механических свойств материала, наличие внутренних дефектов и технологических напряжений);
    • выявление несплошности, трещиноватости, расслоения материала в области контроля;
    • обнаружение структурных изменений и пластической деформации материала за время между ультразвуковыми измерениями.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Сокол А.Н., Макаров Ю.В., Берман А.В. Технические требования нефтегазовой промышленности к трубам и трубопроводам и проблемы коррозии // Территория НЕФТЕГАЗ. 2006. № 11. С. 56-57.
  2. Н.Е. Никитина. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ. 2005. 208 с.
  3. Решение XII Международной научн.-практ. конф-и «Трубы-2005» // Территория НЕФТЕГАЗ. 2005. № 10. С. 64-67.
  4. Файн Г.М., Макаров Е.М. Состояние и перспективы производства и применения труб нефтепромыслового сортамента из алюминиевых сплавов // Территория НЕФТЕГАЗ. 2007. № 5. С. 66-68.
  5. Трубы стальные для трубопроводов. Методика выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости. Свидетельство об аттестации № 531/1700. Регистрационный код МВИ по Федеральному реестру ФР.1.31.2006.0283.
  6. Никитина Н.Е., Камышев А.В., Смирнов В.А., Борщевский А.В., Шарыгин Ю.М. Определение осевых и окружных напряжений в стенке закрытой трубы ультразвуковым методом на основе явления акустоупругости // Дефектоскопия. 2006. № 3. С. 49-54.
  7. Никитина Н.Е., Камышев А.В., Смирнов В.А., Петров О.Е. Измерение двухосных напряжений в трубопроводах методом акустоупругости // Мир измерений. 2006. № 11. С. 4-9.