Неразрушающий контроль. Газотранспортная промышленность

Применение ИН-5101А для определения двухосных напряжений при нагружении трубной плети внутренним давлением

 

Н. Е.Никитина, д.т.н., главный научный сотрудник, Нижегородский филиал Института Машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, ведущий специалист в области акустоупругости, научный консультант ООО "ИНКОТЕС"
С.В.Казачек, инженер ООО "ИНКОТЕС".

По материалам научно-технического семинара "Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях", состоявшегося 19 мая 2005 года в рамках IV Международной выставки "NDT -2005"

Рассмотрены возможности использования эффекта акустоупругости для исследования напряженного состояния труб магистрального газопровода. Приведены результаты измерения осевых и окружных напряжений в трубных плетях с помощью ультразвукового измерителя напряжений ИН-5101А (разработка ООО "ИНКОТЕС") при нагружении их внутренним давлением. Средняя разница между расчетными и измеренными значениями напряжений в трубных катушках из сталей 17Г1С и 09Г1ФБ не превысила величины, равной 5% от предела текучести материала трубы.

Напряжения, возникающие в трубах магистральных трубопроводов под действием температурных изменений, веса трубы; перераспределение действующих нагрузок при локальных смещениях труб; старение материала трубы могут привести к уменьшению прочности отдельных элементов, а, значит, и всего трубопровода в целом. Из-за сложности конструкции трубопроводных систем, особенно в районах компрессорных станций, и из-за наличия в материале трубы технологических напряжений, связанных с технологией производства труб большого диаметра, точный расчет напряжений, действующих в стенке трубы, не всегда представляется возможным. Поэтому задача экспериментальной оценки реального напряженного состояния трубных сталей на различных этапах монтажа и эксплуатации магистральных трубопроводов представляется в настоящее время весьма актуальной.
Для оценки возможности использования метода акустоупругости в качестве прямого метода контроля механических напряжений в тонкостенных металлоконструкциях, работающих под давлением, были проведены измерения напряжений в трубных катушках. Работы проводились при гидроиспытаниях заглушенных трубных плетей из сталей 17Г1С и 09Г1ФБ , вырезанных из действующих магистральных газопроводов. Измеренные значения напряжений сравнивались с результатами теоретических расчетов.
Очевидно, при расчете в первую очередь следует учесть напряжения, возникающие в трубах из-за внутреннего давления, действующего в радиальном, по отношению к внутренней поверхности трубы, направлении. Нормальные напряжения распределятся по толщине трубы так, чтобы обеспечить отсутствие нормальной составляющей на внешней поверхности. Такое равновесие должно установиться и за счет возникновения окружных напряжений, которые могут быть неуравновешены по толщине трубы. Такие напряжения, по-видимому, будут наиболее опасны с точки зрения возможности коррозионного растрескивания материала, тем более что могут складываться с технологическими и сварочными напряжениями. В закрытой трубе возникают также и осевые напряжения, являющиеся следствием давления наполняющей трубу среды на боковые заглушки. Для понимания полной картины НДС трубной катушки при действии внутреннего давления p воспользуемся решением простейшей задачи теории упругости о трубе конечной толщины h с внутренним радиусом a и внешним b (рис. 1), приведенным, например, в книге В. И. Феодосьева [1].
Предполагается, что длина цилиндра достаточно большая для того, чтобы можно было считать, что напряжение sz распределено по поперечному сечению равномерно и, что удерживающее влияние днищ на радиальные перемещения цилиндра ничтожно мало.
Задача определения напряжений и перемещений в толстостенном цилиндре носит название задачи Ламе, по имени ученого XIX века, впервые давшего её решение.


Рис. 1. Сечение трубной катушки при воздействии внутреннего давления.



Для решения данной задачи рассмотрен случай, когда цилиндр нагружен внутренним давлением Р. Учитывая, что катушка имеет днище, а также, пренебрегая внешним давлением, получим величину осевой растягивающей силы в виде:


Осевое напряжение sz будет следующим:

Окружное напряжение при относительно малом значении h:

Радиальное напряжение:

.
Таким образом, в тонкостенном цилиндре окружные напряжения распределены по толщине почти равномерно, а радиальные – малы по сравнению с осевыми и окружными в той же мере, в какой толщина h мала по сравнению с радиусом a.

Измерительная аппаратура
При испытаниях использовался прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А, разработанный фирмой ИНКОТЕС на основе упруго-акустического эффекта, заключающегося в том, что скорости упругих волн, распространяющихся в напряженном материале, зависят от величины действующих напряжений. Явление акустоупругости реализовано в приборе с помощью объемных продольных и сдвиговых волн, распространяющихся в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений. Прибор ИН-5101А позволяет в режиме реального времени определять по знаку и величине двухосные напряжения растяжения-сжатия на основе расчетного алгоритма, реализованного в виде специализированного программного модуля, входящего в комплект поставки прибора.
Одним из основных преимуществ прибора ИН-5101А по сравнению с приборами, основанными на других физических принципах (рентгеновскими, магнитными и др.), использование в нем волн той же природы, что и определяемые с его помощью напряжения. Относительные изменения скоростей упругих волн весьма невелики (порядка 0,1 %) даже при напряжениях, близких к пределу текучести конструкционных сталей. Прибор измеряет времена распространения акустических сигналов с погрешностью не более 5 нс., что позволяет определять относительное изменение скоростей различных типов волн с требуемой точностью. Это достигается благодаря использованию самых современных достижений радиоэлектроники, ультразвуковой техники и математических методов обработки сигнальной информации.
Непосредственное воздействие на объект контроля (рис. 2.) осуществляется с помощью приемо-передающих пъезопреобразователей сдвиговых и продольных колебаний с резонансной частотой пъезопластины 6 МГц. 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.



Рис. 2. Общий вид пъезопреобразователей на объекте контроля.



Образцы для измерения величин коэффициентов упруго-акустической связи (КУАС) в трубных сталях
Алгоритмы определения напряжений методом акустоупругости подробно описаны в предыдущем докладе. Величины КУАС, определяли тарировочным методом, подвергая образцы исследуемых сталей одноосному растяжению на стенде для механических испытаний и измеряя время распространения (задержку) трех типов упругих волн при известном значении нагрузки. Эксперименты проводились с использованием испытательных машин марки Р-20 и Р-50 производства завода ЗИМ, г. Армавир.
Измерения задержек упругих волн, распространяющихся перпендикулярно направлению действия напряжения, проводились при ступенчатом увеличении и при ступенчатом уменьшении нагрузки. Согласно рекомендациям методики [2] нагружение осуществлялось в четыре ступени равными значениями до величины напряжения, соответствующего 0,7 от предела текучести материала.
Образцы сталей 17Г1С и 09Г1ФБ были вырезаны вдоль и поперек проката, то есть вдоль и поперек оси трубы. Образцы для тарировки акустического метода были изготовлены с учетом требований ГОСТ 1497-84 и возможности осуществления акустических измерений (рис. 3-4).



Рис. 3. Образцы для проведения испытаний на растяжение, сталь 17Г1С.



Рис. 4. Образцы для проведения испытаний на растяжение 09Г1ФБ.



Измерение механических напряжений в трубных плетях.
Совместно со специалистами ИТЦ ООО "Севергазпром", были проведены контрольные испытания прибора ИН-5101А с обновленным программным модулем. Контрольные испытания включали измерения механических напряжений в трубной плети в условиях двухосного напряженного состояния при нагружении ее внутренним давлением (рис. 5).



Рис. 5. Общий вид трубной плети.



Экспериментально исследовано напряженное состояние стенок трубной плети с заглушками на концах, представляющей собой закрытый резервуар с водой, соединенный с компрессором (рис. 6), для создания повышенного давления воды в резервуаре. Такие гидроиспытания предназначены в основном для проверки вариантов ремонта труб, при наличии эксплуатационных дефектов. Как указано выше, внутреннее давление жидкости на стенки трубы компенсируется осевым и окружным напряжениями в материале стенок.



Рис. 6. Нагружающее оборудование испытательного стенда.



Для определения двух значений напряжений с учетом изменения толщины материала при деформации необходимо провести измерения времени распространения (задержки) импульсов сдвиговых, поляризованных вдоль образующей (t1) и вдоль окружности (t2) трубы, и продольной (t3) волны, распространяющихся в радиальном направлении, перпендикулярно плоскости действия измеряемых напряжений. Тогда, в соответствии с алгоритмами расчета (1) и (2), можно определить по знаку и величине два значения напряжений, действующих в осевом и окружном направлении в точке измерения.

Первое испытание
С 10 по 12 августа 2004 года; труба двухшовная прямошовная диаметром 1220 мм, толщиной 12.5 мм, из стали 17ГС.
На момент измерений испытуемая трубная плеть была ослаблена рядом искусственных дефектов для последующей установки и испытания кольцевых муфт. Такой объект больших давлений не выдержит, поэтому максимальное внутреннее давление не превышало 15 атм.
Программа испытаний включала:

  1. Предварительную опрессовку трубной плети испытательным давлением 15 атм.
  2. Измерение акустических параметров при нагружении трубной плети внутренним давлением 5 атм, 10 атм.
  3. Измерения производились в трех точках трубной катушки, из трубы ? 1220 мм толщиной 12.5 мм, точки были выбраны следующим образом:
    • точки 1 и 2 – вблизи продольного сварного шва на расстоянии 400 мм рис. 7;
    • точка 3 – вблизи продольного сварного шва на противоположной стороне относительно точек 1 и 2 на расстоянии 500 мм;




Рис.7. Расположение датчиков на трубной плети (1-е испытание).


Расчетные значения осевого и окружного напряжений в соответствии с формулами теории упругости (1) и (2) составляют соответственно:
  • при давлении 5 атм. (0.49 МПа) – 12 МПа и 23 МПа;
  • при давлении 10атм. (0.98 МПа) – 23 МПа и 47 МПа;

Результаты измерения 1-го испытания осевых и окружных напряжений прибором ИН-5101А приведены в таблице 1 (здесь и далее в скобках указаны значения напряжений, полученные расчетным методом). Нулевые значения акустических параметров измерены после опрессовки трубной плети.

Таблица 1.
№ точки
Напряжение
Давление, МПа
 
МПа
0.49 МПа
0.98 МПа
1
осевое 3 (12) 56 (23)
окружное 26 (23) 44 (47)
2
осевое 4 (12) 13 (23)
окружное 16 (23) 29 (47)
3
осевое 11 (12) 39 (23)
окружное 30 (23) 61 (47)
1
осевое - 6 (23)
окружное - 54 (47)
2
осевое - 11 (23)
окружное - 25 (47)
3
осевое - 30 (23)
окружное - 65 (47)
Проведенные измерения показали следующее:
Средняя разница между расчетными и измеренными значениями напряжений составила:
  • для осевых - 13 МПа (3.5% от предела текучести материала, равного 370 МПа);
  • для окружных - 9 МПа (2.4% от предела текучести материала).

Все результаты определения напряжений укладывались в указанные рамки, более того, все напряжения - растягивающие, и окружное напряжение больше осевого во всех случаях, кроме одного.
Ввиду низких значений испытательного давления (гораздо ниже эксплуатационных) величины напряжений в трубной плети оказались сопоставимы с абсолютной погрешностью измерения напряжений прибором ИН-5101А. При более высоких уровнях напряжений погрешность останется той же, соответственно, относительная погрешность определения напряжений значительно уменьшится.

Второе испытание
С 13 по 15 октября 2004 года; труба – одношовная прямошовная, диаметром 1020 мм, толщиной 9 мм, сталь 09Г1ФБ.
Ввиду того, что эксперимент осуществляли в октябре месяце, когда температура окружающего воздуха днем едва превышала 0° С, имелись некоторые проблемы при создании акустического контакта ПЭП сдвиговых колебаний с поверхностью трубы, поэтому база измерения задержек сдвиговых волн была чуть более 20 мкс, продольных волн – чуть более 10 мкс. Измерения проводились в 4-х точках трубной катушки.
Программа испытаний включала:

  1. Предварительную опрессовку трубной плети испытательным давлением 70 атм.
  2. Измерение акустических параметров при нагружении трубной плети внутренним давлением 0, 25, 50 атм.
  3. Измерения производились в четырех точках трубной катушки, выбранных следующим образом:
    • точка 1 – вблизи продольного сварного шва на расстоянии 40 мм (рис. 8);
    • точки 3 и 4 – вблизи протяженного дефекта, расположенного на 785 мм. от продольного сварного шва;
    • точка 5 – на основном металле, на расстоянии 590 мм. от сварного шва.




Рис.8. Расположение датчиков на трубной плети (2-е испытание).


Расчетные значения осевого и окружного напряжений в соответствии с формулами теории упругости (1) и (2), составили соответственно:
  • при давлении 25 атм. (2,45 МПа) – 68 МПа и 136 МПа;
  • при давлении 50 атм. (4,9 МПа) – 135 МПа и 273 МПа;

Результаты измерения 2-го испытания осевых и окружных напряжений прибором ИН-5101А, приведены в таблице 2. Нулевые значения акустических параметров измерены после опрессовки трубной плети.

Таблица 2
№ точки
Значения напряжений
Нагрузка
2,45 МПа
Максимум
50 МПа
Разгрузка
2,45 МПа
1
осевое 62 (68) 122 (135) 81 (68)
окружное 94 (136) 159 (273) 96 (136)
3
осевое 65 (68) 137 (135) 57 (68)
окружное 150 (136) 253 (273) 142 (136)
4
осевое 62 (68) 113 (135) 68 (68)
окружное 99 (136) 277 (273) 136 (136)
5
осевое 84 (68) 115 (135) 89 (68)
окружное 84 (136) 232 (273) 83 (136)
Среднее отклонение значений напряжений, определенных акустическим методом и расчетным путем в измеренных точках составляет:
  • для осевых - 11,3 МПа (2,3 % от предела текучести материала, равного 500 МПа);
  • для окружных - 25,2 МПа (5,0 % от предела текучести материала).

Точка 1 находится близко к зоне термического влияния сварного шва и в области подгибки кромок (в зоне упрочнения материала в окружном направлении). В этой точке окружные напряжения меньше средних измеренных.

Таким образом, результаты измерения малых величин двухосных напряжений в трубной плети, нагруженной внутренним давлением, показали неплохую чувствительность акустического метода, реализуемого с помощью прибора ИН-5101А, к изменению напряженного состояния трубной стали. Значения напряжений, измеренные методом акустоупругости, хорошо согласуются с расчетными данными. Полученные результаты позволяют надеяться на успешное внедрение ультразвукового метода определения механических напряжений в практику неразрушающего контроля газо- и нефтепроводов, а именно, проводить экспериментальную оценку напряженно-деформированного состояния потенциально опасных участков магистральных и технологических трубопроводов для расчета их остаточного ресурса, ремонта или замены.

Литература.

  1. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М: Наука, 1967. С. 281-286.
  2. 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.
  3. Н. Е. Никитина. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ. 2005, 208 с.