Использование эффекта акустоупругости при решении задач исследования напряженно-деформированного состояния трубопроводов

А. В.Камышев, к.т.н., руководитель группы неразрушающего контроля ООО "ИНКОТЕС".
Н. А. Миронов, 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"


Показано значение прямых измерений механических напряжений при исследовании напряженно-деформированного состояния трубопроводов обвязок основного оборудования компрессорных станций. Рассмотрены особенности применения метода акустоупругости для измерения напряжений в указанных объектах, а также перспективы применения метода для решения задач оптимизации напряженного состояния трубопроводных систем. Приведен пример использования метода акустоупругости в режиме "безнулевой" тензометрии для корректировки граничных условий при прочностных расчетах технологических трубопроводов.

Одной из важнейших задач при определении возможности и условий дальнейшей эксплуатации трубопроводных обвязок основного оборудования газоперекачивающих компрессорных станций (ТПО КС) является исследование и оценка их напряженно-деформированного состояния (НДС) [1]. Указанные объекты представляют собой тонкостенные металлоконструкции внутренним диаметром от 500 до 1200 мм, изготовленные из низкоуглеродистых конструкционных сталей и работающие под внутренним давлением 3 – 8 МПа.
Подвижки грунта, а также нарушение технологии в ходе ремонтных работ могут привести к значительным отклонениям положения ТПО от начального проектного положения. Подобные отклонения выявляются методом геодезической съемки. Таким образом, кроме проектных нагрузок, таких как внутреннее расчетное давление, собственный вес труб и арматуры и давление грунта на подземную часть, на ТПО могут действовать напряжения, вызванные деформацией вследствие непроектных смещений обвязки. Данные нагрузки не учитываются проектом и, как показывает практика расчетов, порой даже не очень значительные смещения от проектного положения (на 4 -10 мм) могут привести к превышению напряжениями предельно допустимых значений [2]. Это, в свою очередь, даже при неисчерпании материалом способности к пластической деформации, ведет к увеличению риска зарождения и развития в зонах действия повышенных напряжений опасных трещиноподобных дефектов.
Таким образом, адекватное определение напряженно-деформированного состояния ТПО необходимо как для своевременного определения комплекса мер, направленных на снижение непроектных нагрузок до допускаемого минимума, так и для оптимизации технологии неразрушающего контроля металла обвязки. Последнее обусловлено тем, что ввиду достаточно больших линейных размеров контролируемого объекта, проведение 100% объема контроля основного металла и сварных швов обвязки является чрезвычайно трудоемким процессом. Выделение расчетным методом зон действия повышенных напряжений дает возможность при проведении неразрушающего контроля уделить особое внимание наиболее опасным участкам, где наиболее высокими являются как вероятность появления развивающихся дефектов, так и скорость их перехода в неустойчивое состояние, соответствующее катастрофическому разрушению.
Другой важной задачей, для решения которой необходимо знание НДС, является расчет остаточного ресурса трубопроводов обвязки. Очевидно, что представление об истинной картине распределения механических напряжений может существенно скорректировать прогнозы о сроках достижения предельного состояния элементов обвязки.
Однако, адекватная оценка НДС трубопроводной обвязки затруднена рядом факторов, обусловленных особенностями проведения геодезической съемки ТПО КС:

• как правило, отсутствуют результаты геодезической съемки ТПО КС в исходном проектном положении;
• при монтаже обвязки иногда допускаются уклоны горизонтальных участков и разновысотность элементов обвязки между врезками крановых узлов, то есть те признаки, по которым и оценивается степень кинематического нагружения;
• геодезическая съемка рассматривает преимущественно вертикальные смещения;

смещения, даже в пределах погрешности измерения геодезическими приборами, могут иногда приводить к значительному кинематическому нагружению ТПО.


Кроме перечисленных факторов, дополнительную сложность представляет оценка взаимодействия обвязки с опорами. Опора может прилегать к трубе, как полностью, так и неполно; в свою очередь, при полном прилегании возможно как проектное положение, так и выпирание опоры. Все отклонения от проектного положения трубы обвязки относительно опоры также могут приводить к значительному изменению напряженно-деформированного состояния ТПО.
Из вышесказанного следует, что только по результатам геодезии и визуального осмотра невозможно определить адекватные граничные условия для выполнения прочностного расчета ТПО. Необходимы дополнительные методы, которые позволили бы проводить проверку граничных условий, закладываемых в схемы расчета механических напряжений.
В этой ситуации, по-видимому, нет альтернативы методам прямого измерения напряжений. Одним из них является метод акустоупругости, основанный на зависимости скоростей распространения ультразвуковых колебаний от действующих механических напряжений [3]. Указанный метод позволяет измерять как продольную (s₁ – вдоль образующей трубы), так и поперечную (s₂ – вдоль направляющей) компоненту поля механических напряжений в трубопроводах в плоскости, перпендикулярной нормали к поверхности трубы.
Обвязка какой-либо группы из технологических объектов КС (аппараты воздушного охлаждения газа (АВО), пылеуловители (ПУ) или газоперекачивающие агрегаты (ГПА)) представляет собой подземный коллектор, от которого отходят ответвления - как правило, симметричные - к каждому из объектов группы (см. рис. 1, 2). Именно в них чаще всего и производятся измерения напряжений.
Технология применения данного метода определяется следующими факторами:

• высокое качество подготовки поверхности (степень чистоты около Rz 40) в точках проведения измерений;
• трубы обвязки изготовлены из проката, что обуславливает возможность наличия довольно значительной исходной акустической анизотропии (более 2%), которая существенно влияет на точность измерений;
• при кинематическом нагружении обвязки изменяются, как правило, осевые (s_z), а не кольцевые (s_t) напряжения;

В соответствии с перечисленными условиями, измерение напряжений может проводиться только на ограниченном числе специально подготовленных точек поверхности трубы. Измерение возможно лишь в режиме "безнулевой" акустической тензометрии, которое, в свою очередь, требует наличия образца-эталона с исходной "нулевой" анизотропией [3]. Погрешность измерения при этом будет определяться как разбросом исходных акустических характеристик металла трубы, так и отличием ее исходной акустической анизотропии от анизотропии образца, и может составить значительную величину, даже превышающую предел текучести материала.


При отсутствии образца-эталона желательно в качестве непосредственно измеряемой величины выбирать разность значений осевых напряжений в противоположных точках (симметрично расположенных на верхней и нижней образующих трубы). Этот выбор обусловлен следующими причинами:

• при наличии изгибных деформаций изменение этой величины по модулю превышает изменение величины напряжений как в верхней, так и в нижней точке;
• погрешность измерения разности напряжений, как правило, ниже, чем погрешность сравнения измеренной величины с эталоном, поскольку отсутствует неопределенность, обусловленная различием акустических характеристик металла эталона и трубы в исходном (ненапряженном) состоянии.

Таким образом, можно сделать вывод, что существующая технология не позволяет проводить оценку НДС только путем измерения напряжений на основе сравнения с эталоном. Подобный процесс был бы в любом случае чрезвычайно трудоемок, а в случае высокой акустической анизотропии контролируемого материала практически невозможен. Исходя из вышесказанного, наиболее оптимальной представляется следующая схема применения метода акустоупругости для прямых измерений напряжений в ТПО КС:

1. Производится изучение акустической анизотропии образца-эталона. В нескольких точках по направляющей производятся измерения задержек всех типов волн и определяются значения акустической анизотропии в каждой из этих точек. При этом определяется ожидаемая погрешность измерения. При отсутствии образца-эталона эти измерения можно провести на таком участке обвязки, на котором маловероятно появление значительных изгибных напряжений.
2. Следующим шагом должны быть предварительные расчеты напряжений, как для проектных условий (проектный расчет), так и с граничными условиями, полученными на основе сравнения данных геодезических измерений с исходными значениями или с проектным положением (расчет кинематических нагрузок).
3. На основе последнего расчета определяются такие точки (или пары точек), в которых разница между проектными и кинематическими нагрузками будет максимальной и превысит погрешность измерения. Именно эти точки должны выбираться в качестве точек измерения. Для повышения точности измерений желательно выбирать не менее двух точек (или пар точек) на каждом из ответвлений.
4. В выбранных точках измеряются значения напряжений.
5. Полученные значения сравниваются с результатами проектного расчета и расчета кинематических нагрузок. При этом, чтобы отсечь возможные "грубые промахи" при измерении, следует обратить внимание не только на соответствие результатов в каждой отдельной точке, но и на общее соответствие измеренных напряжений характеру нагружения во всех точках соответствующего ответвления.
6. По результатам сравнения может быть принято три возможных решения:
   
   • измеренные значения соответствуют проектным нагрузкам, отклонения от проектного положения, если они обнаружены, вызваны не смещениями элементов обвязки, а особенностями монтажа;
   • измеренные значения соответствуют кинематическому нагружению, согласно принятым граничным условиям;
   • измеренные значения напряжений свидетельствуют о том, что кинематическое нагружение имеет место, но его характер отличается от предполагаемого. В этом случае необходима корректировка граничных условий расчетов, с учетом результатов прямых измерений напряжений.

Следует отметить, что аномально высокие значения акустической анизотропии, указывают на то, что металл в этих точках претерпел значительную пластическую деформацию. Таким образом, метод акустоупругости позволяет не только измерить напряжения в упругой области, но и зафиксировать факт наличия пластической деформации в точке измерения.
Если в результате комплексного анализа на основе прочностных расчетов установлен факт наличия кинематического нагружения, то по результатам окончательного прочностного расчета определяются объем и методы неразрушающего контроля в зонах действия недопустимых напряжений и пластических деформаций, а также мероприятия по снижению кинематических нагрузок.
Одним из таких мероприятий может быть установка на ТПО регулируемых опор. Измерение механических напряжений в трубе непосредственно над опорой в процессе ее регулировки позволяет добиться такого положения опоры, при котором достигается оптимальное напряженное состояние обвязки. Особенность применения метода в этом случае состоит в том, что измерения производятся в режиме мониторинга, то есть без переустановки датчика. Это позволяет значительно снизить погрешность измерения (до 20-30 МПа). Таким образом, применение метода акустоупругости не только позволяет зафиксировать отклонение от проектных нагрузок, метод также может применяться в качестве индикатора напряжений для оценки эффективности мероприятий по их снижению.
Ниже приведен пример использования метода акустоупругости при исследовании НДС ТПО пылеуловителей компрессорной станции.
Обвязка состоит из двух параллельных подземных коллекторов (входного и выходного) и ответвлений от каждого из них к 15-ти пылеуловителям. Общий вид конечно-элементной модели одной секции обвязки ПУ приведен на рис. 1. Общий вид обвязки приведен на рис.2.

Рис.1. Расчетная модель секции обвязки ПУ.



Рис.2. Обвязка пылеуловителей. Общий вид.

Причиной для проведения расширенного диагностического обследования данной обвязки стали деформации, возникшие в результате ремонта ее подземных коллекторов. Результаты сравнения геодезических измерений до и после ремонта выявили значительные перемещения геодезических отметок, свидетельствующие о наличии кинематического нагружения. Положение геодезических отметок на ТПО ПУ и смещение некоторых из них после ремонта показано на рис. 3-8:

Рис 3. Расположение точек геодезической съемки. Вход газа.





Рис 4. Расположение точек геодезической съемки. Выход газа.





Рис 5. Разность высотных отметок ТПО ПУ №№ 11-18 (Вход) по замерам 2003-2004 г.г., мм.





Рис 6. Разность высотных отметок ТПО ПУ №№ 21-28 (Вход) по замерам 2003-2004 г.г., мм.





Рис 7. Разность высотных отметок ТПО ПУ №№ 11-18 (Выход) по замерам 2003-2004 г.г., мм.





Рис 8. Разность высотных отметок ТПО ПУ №№ 21-28 (Выход) по замерам 2003-2004 г.г., мм.

Как видно из рис. 5-8, наиболее значительные смещения локализованы в точках, расположенных ближе к подземным коллекторам входа и выхода, при этом наблюдается равномерное увеличение смещений от центра к краям обвязки.
Предварительный прочностной расчет выполнен на основании сравнения данных геодезических съемок до и после ремонта. Кинематическое нагружение задавалось смещением коллекторов и пылеуловителей в вертикальном направлении и поворотом корпусов пылеуловителей в вертикальной плоскости.
Результаты расчетов распределения осевых напряжений (МПа) для непроектного положения ТПО ПУ приведены на рис. 9.

Рис. 9. Распределение продольных напряжений (МПа) для непроектного положения обвязки ПУ (по результатам сравнения геодезических измерений 2003 и 2004 гг.).

В рамках диагностического обследования проводилось измерение механических напряжений методом акустоупругости с использованием прибора ИН-5101А, разработанного ООО "ИНКОТЕС" (рис.10).


Измерялись осевые напряжения в точках 9` (рис.4.) бесшовных труб Ду400, толщиной 17 мм, изготовленных из импортной стали (аналог - 09Г2С ГОСТ 17375-83). Определение напряжений производилось в режиме "безнулевой" акустической тензометрии для двухосного напряженно-деформированного состояния.
При вычислении значений напряжений использовались коэффициенты упруго-акустической связи для низкоуглеродистых конструкционных сталей. Образцом-эталоном являлась кольцевая вырезка из аварийного запаса труб той же партии, из которой изготовлены трубы в точках измерения (рис. 11). Проведенные исследования неоднородности акустических характеристик по окружности трубы показали, что погрешность определения осевых напряжений при использовании полученных данных не должна превышать ± 50 МПа.
По результатам предварительного прочностного расчета осевые напряжения в точке измерения не должны отличаться от нулевого уровня на величину, превышающую погрешность измерения акустическим методом (рис. 12).

Рис. 10. Измерение прибором ИН-5101А задержек сдвиговых волн, используемых для определения напряжений в контрольной точке.



Рис. 11. Кольцо, вырезанное из трубы аварийного запаса (образец-эталон).



Рис.12. Расчетные значения осевых напряжений в точке 9` по результатам геодезических измерений.

Однако, как показали результаты прямых измерений, распределение осевых напряжений значительно отличается от расчетного (рис. 13). Напряжения меняются в диапазоне от -130 МПа на ПУ № 11 до +100 МПа на ПУ №28, монотонно нарастая.

Рис. 13. Результаты измерения осевых напряжений в точке 9`.

Полученное несоответствие могло быть вызвано тем, что при геодезической съемке не учитывались возможные горизонтальные перемещения корпусов пылеуловителей и коллекторов. Заниженные напряжения для ПУ №27 могли быть обусловлены смещением корпуса пылеуловителя, что также согласуется с результатами геодезической съемки.
Из анализа данных прямых измерений осевых напряжений был сделан вывод о возможности горизонтального перемещения коллекторов, помимо вертикального, полученного по результатам геодезической съемки. Значения осевых напряжений в точке 9`, полученные при прочностном расчете, выполненном с учетом всех предполагаемых деформационных смещений, (рис.14), отличаются от измеренных на величину, не превышающую погрешность измерений напряжений упругоакустическим методом.

Рис. 14. Расчетные и измеренные осевые напряжения в точке 9`.

Распределение расчетных осевых напряжений для данного случая кинематического нагружения представлено на рис. 15. Как видно из расчета, не допускаемые по [2] напряжения локализованы не только на отводах №3 (вход) и №4 (выход), но и на отводах №2 (вход) и №3 (выход) (см. рис.1).
На основании полученных результатов были выполнены расчеты с учетом пластического деформирования трубопроводов обвязки.
Таким образом, прямые измерения механических напряжений позволили существенно уточнить параметры напряженно-деформированного состояния трубопроводной обвязки пылеуловителей и выявить дополнительные зоны концентрации напряжений и пластической деформации.

Рис. 15. Расчетные напряжения ТПО ПУ с учетом данных прямых измерений осевых напряжений.

По результатам совместного анализа расчета НДС и прямых измерений напряжений в контрольных точках ТПО ПУ можно сделать следующие выводы:

1. Расчет напряжений, основанный на результатах данных геодезической съемки и визуального осмотра, не позволяет сделать окончательный вывод об НДС трубопроводной обвязки.
2. Прямые измерения механических напряжений методом акустоупругости являются арбитражными при оценке адекватности выполненного прочностного расчета.
3. Правильный выбор контрольных точек, основанный на результатах предварительного прочностного расчета, позволяет выполнять оценку напряженно-деформированного состояния контролируемого объекта при относительно небольшом числе прямых измерений.

Литература:

1. Методика оценки НДС технологических трубопроводов компрессорных станций. ОАО "Газпром", 2002 г.
2. Строительные нормы и правила. Магистральные трубопроводы. СНиП 2.05.06-85. Минстрой России, 1997 г.
3. Н.Е. Никитина. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ. 2005, 208 с.