Неразрушающий контроль. Нефтегазовая отрасль.

Измерение осевых напряжений в трубопроводах АВО газа.

Никитина Н.Е., Камышев А.В., Миронов Н.А.

     Измерение механических напряжений с помощью ультразвука основано на использовании упруго-акустического эффекта [1, 2], проявляющегося в зависимости скорости упругих волн от напряженно-деформированного состояния (НДС) твердого тела. Изменения скоростей упругих волн из-за эффекта акустоупругости даже при напряжениях, близких к пределу текучести материала, весьма невелики (несколько долей процента). Чтобы на этой основе оценивать напряженное состояние материала, требуется осуществлять прецизионные измерения скоростей волн с относительной погрешностью по крайней мере 0,01 процента.
     Прибор ИН-5101А в комплекте со специализированными пьезопреобразователями продольных и сдвиговых волн удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к аппаратуре для измерения механических напряжений методом акустоупругости. Возможности прибора подтверждены сертификатом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Прибор удостоен диплома «Инновация-2007» 6-ой Международной выставки «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, СК «Олимпийский», май 2007 г.). К прибору прилагается методика выполнения измерений (МВИ) осевых и окружных напряжений в стальных трубопроводах [3], аттестованная в установленном порядке и внесенная в Федеральный Реестр МВИ, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.
     Плоское напряженное состояние материала количественно определяется в соответствии с расчетными алгоритмами, впервые опубликованными почти 30 лет назад [4,5], в том числе в журнале «Дефектоскопия», доступном широкому читателю [6,7]. За 30 лет они неоднократно проверены при практическом применении явления акустоупругости для контроля напряжений в различных изделиях авиа-, машино- и судостроения. В октябре 2007 года введен в действие национальный стандарт РФ, устанавливающий порядок их применения для неразрушающего контроля напряжений в элементах конструкций акустическим методом [8].
     В приборе «ИН-5101А» используется ультразвуковой эхо-метод возбуждения упругих волн в твердой среде с помощью контактных совмещенных преобразователей, осуществляющих и излучение, и прием ультразвука. Непосредственно измеряемыми параметрами являются времена распространения (задержки) двух взаимно перпендикулярно поляризованных сдвиговых волн и продольной волны t1, t2 и t3 . За начало отсчета времени принимается первый отраженный импульс. Здесь и далее индекс 1 соответствует осевому направлению, индекс 2 - окружному, индекс 3 – радиальному направлению колебаний. Все волны распространяются по нормали к плоскости действия напряжений.
     Расчетные формулы заложены в вычислительный модуль прибора «ИН-5101А» и позволяют автоматически получать два значения напряжений относительно некоторого начального уровня, которому соответствуют значения задержек t01 , t02 и t03 для вышеперечисленных типов волн. Для труб это будут величины осевого и окружного напряжений σz и σt [3]:
                    
               (1)
     Здесь K1 и K2 - коэффициенты упруго-акустической связи (КУАС) [2-8], являющиеся характеристиками материала.
     Формулы (1) дают возможность получить простое выражение для разности осевого и окружного напряжения в точке контроля:
         (2)

     Учитывая тот факт, что при построении расчетного алгоритма (1) разницей величины и единицы пренебрегалось [2,5,7], формулу (2) следует записать в виде:

                                         (3)

     где - коэффициент упругоакустической связи (КУАС); , - параметры акустической анизотропии материала после и до возникновения искомых напряжений; t1, t2, t01, t02 - задержки импульсов сдвиговых волн, поляризованных вдоль направления 1 (осевое) и направления 2 (окружное), после и до приложения напряжений. Следует заметить, что при переходе от формулы (2) к формуле (3) пренебрегалось членами второго порядка по отношению к величинам (i = 1,2 ), поэтому последнее выражение выполняется только для слабоанизотропного материала.
     В том случае, когда материал до приложения напряжений был изотропен ( a0 ), разница главных напряжений пропорциональна относительной разнице скоростей указанных волн [9], то есть относительной разнице их задержек в материале. В этом случае величина D должна быть равна 8µ2 / 4µ + n , где µ , n – модули упругости второго и третьего порядков материала конструкции.
     Нами исследованы возможности экспериментальной проверки правильности численных расчетов НДС трубопроводных обвязок (ТПО) действующих ГКС методом конечных элементов. Расчеты по методике [10] проводятся на основе результатов геодезических измерений. Обследовалась трубопроводная обвязка аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа, включающая подземные газопроводы (коллекторы) со стороны входа и выхода газа с отходящими от них надземными отводами к каждому АВО (рис. 1а). На вертикальных участках отводов установлены краны. Сами АВО газа закреплены на стойках, опирающихся на фундаменты, и соединены с трубопроводами обвязки фланцевыми соединениями (рис. 1б).


a)
  б)
Рис. 1. Трубопроводы обвязки АВО газа:
а) подземный коллектор б) надземная часть.


     На трубопроводную обвязку действуют четыре типа статических нагрузок:
  1. внутреннее давление газа;
  2. вес трубопроводов, запорной арматуры и газа внутри них;
  3. температурное расширение конструкции;
  4. дополнительные нагрузки, связанные с подвижками опорных точек трубопроводной обвязки (выпучивание или просадка опор, фундаментов и коллекторов).

     Если первые три вида нагрузок являются проектными, то последние проектом не учитываются, да и сделать это априорно довольно трудно. Однако именно этот вид нагрузки приводит к образованию повышенных напряжений на отдельных участках трубопроводной обвязки.
     Как показали результаты визуального осмотра (рис. 2, 3), в ходе выполнения ремонтных работ (переизоляции) на подземной части ТПО АВО возникли просадки как самих коллекторов, так и фундаментов стоек АВО. Результатом этого стало проявление непроектных нагрузок, возможно превышающих допускаемые по правилам [11] значения.

Рис. 2. Деформация стойки АВО под действием непроектной нагрузки.
Рис. 3. Просадка фундамента стойки АВО.


     Для определения необходимости выполнения мероприятий по снижению действующих напряжений до допускаемого уровня была проведена оценка НДС трубопроводов обвязки, включающая оценку изменения пространственного положения ТПО до и после ремонта, расчет действующих напряжений в трубопроводах методам конечных элементов (МКЭ) и измерение напряжений ультразвуковым неразрушающим методом.
     Геодезическая съемка надземной части трубопроводной обвязки до выполнения ремонтных работ проводилась в 2006 г. Измерения проводились на ТПО АВО газа - в точках на входном и выходном кранах АВО, а также на фундаментах стоек (рис. 4). Для оценки величины просадок после завершения ремонтных работ были проведены повторные геодезические измерения.

a)   б)
Рис. 4. Положение геодезических отметок: а) – кран (ТПО АВО); б) – фундамент стойки АВО.


     Как показало сравнение результатов геодезических измерений до и после проведения ремонтных работ, наблюдается изменение положения высотных отметок, что является прямым свидетельством подвижек опорных точек трубопроводов (рис.5, 6).
Рис.5. Разница высотных отметок на ТПО АВО газа до и после ремонта.
Рис. 6. Разница высотных отметок на фундаментах колонн АВО до и после ремонта.


     Для трубопроводов обвязки АВО газа опорными точками, которые могут смещаться под действием внешних условий, являются: с одной стороны подземные коллекторы, а с другой стороны – фланцы патрубков АВО. Изменение относительного положения «реперных» точек приводит к изгибу трубопроводов и, как следствие, появлению дополнительных напряжений.
     Таким образом, результаты геодезических измерений позволяют сделать вывод о наличии подвижек опор ТПО АВО газа после завершения ремонтных работ. Однако эти данные дают возможность лишь оценить величины изменения действующих напряжений за время ремонта, так как неизвестно, были или нет непроектные нагрузки в обвязке до выполнения ремонтных работ.
     Арбитражной оценкой рассчитанных по данным геодезических измерений величин напряжений, а, следовательно, и нагрузок 4-го типа, могут служить значения напряжений, непосредственно измеренных в узловых точках конструкции. Такие прямые измерения напряжений в контрольных точках ТПО были выполнены ультразвуковым неразрушающим методом с помощью прибора для измерения механических напряжений ИН-5101А, разработанного и производимого инженерной фирмой «ИНКОТЕС» (рис. 7).

Рис. 7. Подготовка к выполнению измерений


     Непосредственное воздействие на объект контроля осуществляется с помощью приемо-передающих пъезопреобразователей (ПЭП) сдвиговых и продольных колебаний, входящих в комплект прибора. Преобразователи, смонтированные в едином корпусе, присоединяются к поверхности объекта через тонкий слой контактной жидкости (эпоксидная смола без отвердителя) с помощью магнитного прижимного устройства, позволяющего как создать надежный контакт пъезопластины с материалом, так и легко отсоединить преобразователь по окончании измерений в данной точке.
     Измерения производились на горизонтальных участках труб надземной части ТПО АВО газа (трубы импортного производства диаметром 406 мм и толщиной 12,7 мм). Материал – трубная сталь с пределом текучести 330 МПа и пределом прочности 500 МПа.

Рис. 8. Расположение контрольных точек измерения напряжений.


     Схема расположения точек измерения напряжений на трубопроводах приведена на рис. 8. Во всех контрольных точках для установки трехкомпонентного датчика подготовлены площадки размером 50x20 мм, где трубопровод был зачищен до металлического блеска. Непосредственно измеряемой величиной выбрана разница значений осевых напряжений в точках на верхней образующей (2 и 1, 3 и 4). Этот выбор обусловлен тем, что в точках 1 и 4, находящихся на «незакрепленных» для вертикальных нагрузок точках конструкции, возникновение больших напряжений вряд ли возможно. Поэтому указанная разница с большой долей достоверности характеризует осевые напряжения в «закрепленных» точках 2 и 3. Согласно формуле (3), разность осевых и окружных напряжений в точках j и k будет следующей:
               (4)
               (5)
     Значения окружных напряжений в указанных точках должны быть одинаковыми как при наличии, так и при отсутствии подвижек опорной системы. Величина собственной акустической анизотропии трубной стали a0 также мало изменяется в направлении вдоль образующей трубы [3]. Пренебрегая разницей величин σt(j) и σt(k), a0(j) и a0(k) в формулах (4) и (5), можно получить следующее выражение для контролируемой акустическим методом величины:
               (6)
     где a(j) , a(k) - параметры акустической анизотропии материала в той или иной точке конструкции.
     Прямые измерения напряжений в трубопроводах неразрушающим ультразвуковым методом с помощью прибора ИН-5101А проведены на выведенных из эксплуатации трубопроводах обвязки АВО газа. Измеренные значения разницы напряжений (рис. 9, 10) для большинства точек существенно отличны от нуля, что указывает на то, что ТПО АВО газа подверглась значительному влиянию подвижек системы опор.
     Прямые измерения напряжений можно провести только в отдельных точках трубопроводов. Полная картина НДС ТПО должна проясниться после численного расчета, например, методом конечных элементов. Такой расчет с использованием МКЭ был проведен.
     В расчетную схему трубопроводной обвязки АВО газа включены коллекторы, как элементы, соединяющие между собой обвязки различных секций АВО. На фланцах входа и выхода АВО задавались вертикальные смещения, полученные по результатам геодезической съёмки в точках, расположенных на фундаментах АВО, до и после ремонта.
     При расчетах материал конструкции считался упругим, его возможное пластическое деформирование не учитывалось. Подвижками опорной системы считались смещения коллекторов и фланцев патрубков АВО в вертикальном направлении. Проектные нагрузки также учитывались в расчетах.
     Анализа результатов расчета НДС конструкции показал, что подвижки коллекторов и фундаментов ТПО АВО, произошедшие за время выполнения ремонтных работ, привели к появлению напряжений, не удовлетворяющих нормам по прочности в соответствии с правилами [11]. Кроме того, напряжения во многих элементах обвязки превышают предел текучести, что говорит о возможности пластического деформирования технологических трубопроводов АВО газа.
     Что же касается расчетных значений напряжений в точках контроля акустическим методом, то, как и предполагалось, в точках 1 и 4, находящихся на «незакрепленных» для вертикальных нагрузок точках конструкции, наблюдаются в основном напряжения сжатия, не превышающие -60 МПа. В то же время в «закрепленных» точках 2 и 3 некоторых АВО напряжения растяжения достигают 300-400 МПа.
     На рис. 9, 10 приведены результаты определения разницы напряжений в точках 2-1 (рис. 9) и 3-4 (рис. 10). Эта разница с погрешностью 20-60 МПа характеризует осевые напряжения в «закрепленных» точках 2 и 3.

Рис. 9. Разности напряжений между точками 2-1 (вход АВО).

Рис. 10. Разности напряжений между точками 3-4 (выход АВО).

     Анализ результатов осевых напряжений, впрямую измеренных в контрольных точках методом акустоупругости и напряжений в этих же точках, полученных в результате расчета МКЭ (рис. 9,10), позволил сделать следующие выводы:

  1. Напряжения в «закрепленных» точках 2 и 3, измеренные ультразвуковым методом, в основном растягивающие, что не противоречит данным геодезических измерений, указывающих на просадки опорной системы ТПО за время ремонта. Для расчетных величин напряжений это выполняется автоматически, так как они и получены на основе данных об указанных просадках.
  2. Измеренные разности напряжений, в большинстве случаев, меньше расчётных. Это может свидетельствовать о наличии пластических деформаций отдельных элементов ТПО. Как упомянуто выше, при расчете материал труб предполагался упругим, в случае же пластического деформирования материала в некоторых контрольных точках соответствующие значения растягивающих напряжений будут меньше.
  3. Средняя по всем АВО разница между измеренными и расчетными значениями осевых напряжений в трубопроводах на входе газа не превысила 40 МПа, на выходе – 70 МПа. Это говорит о высокой достоверности такой комплексной оценки НДС трубопроводной системы.

     По результатам комплексной оценки НДС ТПО АВО газа можно сделать следующие выводы:

  1. 1. Проведенный расчет адекватно отражает НДС трубопроводов и позволяет сделать вывод о существенном нагружении обвязки АВО газа со стороны подземных коллекторов и фундаментов стоек АВО.
  2. Нельзя исключить возможность пластического деформирования элементов обвязки АВО.
  3. ТПО АВО газа не удовлетворяет нормам по прочности в соответствии с правилами [11].
  4. Эксплуатация ТПО АВО газа в текущем состоянии недопустима. Необходимо выполнение работ по снятию непроектных нагрузок, анализ прочностных характеристик металла труб обвязки, а также проведение неразрушающего контроля сварных соединений и основного металла труб.

     Для окончательного подтверждения сделанных выводов ТПО АВО газа № 6 была разрезана ниже кранов на входе и на выходе (см. рис. 11).


a)
  б)
Рис.11. Расхождение краев реза вертикальных труб ТПО АВО газа вследствие снятия нагрузки со стороны подземных коллекторов:
а) вход газа; б) выход газа.


     После разрезания вертикальной трубы входа газа края реза сместились по вертикали на 87 мм, на выходе – на 50 мм. Также присутствовали и горизонтальные смещения краев реза. Указанные смещения свидетельствуют о наличии значительных напряжений в трубопроводах обвязки АВО газа и подтверждают результаты прочностного расчета и ультразвуковых измерений напряжений. Эксплуатирующей организацией приняты соответствующие меры.

     При выполнении данной работы подтверждена возможность использования ультразвукового метода измерения механических напряжений в качестве арбитражного для проверки численного расчета НДС крупногабаритных тонкостенных металлоконструкций.

 

Литература
  1. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупругость. Киев: Наукова думка, 1977. 162 с.
  2. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.
  3. Трубы стальные для трубопроводов. Методика выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости. ФР.1.31.2006.0283. Свид-во об аттестации № 531/1700.
  4. Методика. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Экспериментальные методы определения напряженно-деформированного состояния элементов машин и конструкций. Акустические методы определения остаточных напряжений в конструкционных материалах. М.: ВНИИНМАШ, 1980. 28 с. Авторы: Конюхов Б.А., Никитина Н.Е., Усольцева Л.А.
  5. Никитина Н.Е. Акустоупругость и контроль напряжений в элементах машин. Препринт № 21 Гф ИМАШ АН СССР. Горький. 1990. 19 с.
  6. Быстров В.Ф., Гузовский В.В., Золотов В.Ф., Никитина Н.Е. Влияние технологической обработки высокопрочной стали на коэффициенты упруго-акустической связи // Дефектоскопия. 1986. N 7. С. 92-93.
  7. Никитина Н.Е. Определение плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн // Дефектоскопия. 1999. N 1. С. 48-54.
  8. ГОСТ Р 52731-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2007.
  9. Tokuoka T., Saito M. Elastic wave propagations and acoustical birefringence in stressed crystals // J. Acoust. Soc. Amer. 1969. Vol. 45. P. 1241-1246.
  10. Методика оценки НДС технологических трубопроводов компрессорных станций. М.: ООО «Газпром», 2002.
  11. Строительные нормы и правила. Магистральные трубопроводы. СНиП 2.05.06-85. М.: Минстрой России, 1997.