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 s
z 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.
![](/system/files/prim_in004.gif)
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:
![](/system/files/prim_in005.gif)
Осевое напряжение sz будет следующим:
![](/system/files/prim_in006.gif)
![](/system/files/prim_in007.gif)
Окружное напряжение при относительно малом значении h:
![](/system/files/prim_in008.gif)
Радиальное напряжение:
, ![](/system/files/prim_in010.gif)
.
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.
![](/system/files/prim_in012.jpg)
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).
![](/system/files/prim_in013.jpg)
Рис. 3. Образцы для проведения испытаний на растяжение, сталь 17Г1С.
![](/system/files/prim_in014.jpg)
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).
![](/system/files/prim_in015.jpg)
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.
![](/system/files/prim_in016.jpg)
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: