Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема обеспечения работоспособного состояния напряженно-деформированных участков стальныхтрубопроводов 12
1.1 Экспериментальные методы оценки эксплуатационной нагруженности стальных конструкций 12
1.2 Контроль напряженно-деформированного состояния трубопроводов 23
1.3 Техническое диагностирование в практике эксплуатации магистральных трубопроводов 33
1.4 Выводы по разделу 1 41
2 Исследование и разработка метода оценки работоспособного состояния участков трубопроводов по контрольным картам... 43
2.1 Выводы по разделу 2 48
3 Исследование факторов, воздействующих на магнитные характеристики трубных сталей 50
3.1 Влияние напряженно-деформированного состояния на магнитные характеристики трубных сталей 50
3.2 Изучение влияния напряженно-деформированного состояния на магнитные характеристики трубных сталей в лабораторных условиях 60
3.2.1 Исследование зависимости магнитной проницаемости от механических напряжений при упругих и пластических
деформациях трубных сталей 60
3.2.2. Исследование зависимости уровня магнитных шумов от механических напряжений при упругих и пластических деформациях трубных сталей
3.2.3 Исследование влияния малоциклового нагружения трубных сталей на корреляционную связь магнитной проницаемости и механических напряжений при упругих деформациях 74
3.3 Выводы по разделу 3 78
4. Обеспечение работоспособного состояния напряженно деформированных участков стальных трубопроводов 80
4.1. Разработка методики оценки работоспособного состояния участков трубопроводов по контрольным картам электромагнитных диагностических признаков 80
4.2. Сопоставление данных оценки напряженно-деформированного состояния трубы методом магнитной анизотропии и тензометрией 88
4.3. Исследование методом магнитной анизотропии напряженно-деформированного состояния участков действующих трубопроводов 92
4.4. Разработка типовой программы технического диагностирования нефтепродуктопроводов по пяти интегрированным уровням 111
4.5. Выводы по разделу 124
Заключение 125
Библиографический список использованной литературы
- Контроль напряженно-деформированного состояния трубопроводов
- Изучение влияния напряженно-деформированного состояния на магнитные характеристики трубных сталей в лабораторных условиях
- Исследование влияния малоциклового нагружения трубных сталей на корреляционную связь магнитной проницаемости и механических напряжений при упругих деформациях
- Сопоставление данных оценки напряженно-деформированного состояния трубы методом магнитной анизотропии и тензометрией
Контроль напряженно-деформированного состояния трубопроводов
Градиент напряжений на поверхности металла определяет выбор базы измерения, в пределах которой измеряемое среднее значение деформации близко к максимальному.
Измерение и запись временных напряжений должны производиться приборами, чувствительными к максимальной частоте изменения измеряемой величины.
Возможность использования метода зависит от размеров и формы изучаемой конструкции, а также от условий работы и характера окружающей среды.
Ряд методов исследования основан на измерении деформаций натурных изделий или моделей. Для этой цели в соответствии с конкретными задачами могут быть использованы механические, оптические, электротензо-метрические, индикаторные, струнные, пневмоконтактные, мехатронные и другие типы тензометров [105].
Общей особенностью применения этих приборов является необходимость в специальной подготовке измерительных баз в виде рисок, углублений или впрессованных шариков. Подготовка баз в той или иной степени связана с повреждением поверхности или сечения конструкции и поэтому может производиться на достаточно крупных и толстостенных образцах, моделях, опытных изделиях.
Наиболее широкое применение в трубопроводных конструкциях получили, ввиду своей универсальности, проволочные тензорезисторы.
Метод тензометрирования позволяет дать фактическую оценку прочности, особенно в тех случаях, когда отсутствуют расчетные методики или достоверность расчетов низкая. Применение тензорезисторов как средства измерения объясняется следующим: тензорезисторы можно устанавливать на любые материалы, локальные труднодоступные участки, а также вибрирующие элементы; тензорезисторы в равной степени пригодны для измерения в статическом и динамическом режимах; они имеют незначительную собственную жесткость и инерционность и весьма низкий порог чувствительности; при правильном применении тензорезисторы, как элементы электрических измерительных схем, отличаются высокой надежностью и техническим ресурсом, гарантирующим многомесячные и даже многолетние измерения; тензорезисторы обеспечивают выполнение массовых тензоизмерений практически в неограниченном числе точек при дистанционном и автоматизированном сборе измерительной информации в форме, удобной для обработки на компьютере.
Для измерения продольных и поперечных деформаций раздельно в одной тензорозетке размещены два рабочих тензорезистора под углом 90 друг к другу.
Использование тензорезисторов включает ряд трудностей. Прежде всего, измерения можно проводить лишь на малонагреваемых участках, что не всегда возможно при исследовании сварочных напряжений.
Точность измерения остаточных напряжений тензорезисторами невелика. Она зависит от ряда трудноучитываемых факторов: гистерезиса, вызванного первым нагружением, изменением температуры окружающей среды, влажности, колебаний температуры образца, "сползания" клея под нагрузкой и другое. Наиболее существенными недостатками этого метода можно считать длительность подготовительных операций и большие материальные затраты.
Абсолютные величины деформаций, полученные экспериментальным путем, могут быть использованы для характеристики изменения габаритных размеров образцов, а также пересчитаны общепринятыми способами [72] в напряжения, характеризующие состояние исследуемого объекта. Это возможно лишь для тех областей металла, где деформации появились только в упругой форме.
Для областей металла, подвергшихся пластическим деформациям, величина остаточных напряжений может быть определена релаксационными методами, в той или иной степени связанными с разрезкой или повреждением исследуемого объекта. Величину упругих деформаций, а следовательно, и остаточные напряжения можно определить рентгенографическим методом, основанным на явлении изменения угла отражения рентгеновских лучей от деформированной под влиянием кристаллической решетки металла [105].
При этом оказывается возможным определить расположение атомов и расстояние между ними в пределах одного кристалла. Механические напряжения определяются по изменению расстояний между атомами. Так как пластические деформации не влияют на расстояние между атомами, то в любом случае выявляется упругая составляющая напряжений. В отличие измерений на базах, величина которых обычно намного превосходит параметр кристаллической решетки, рентгенографический метод позволяет определить не усредненное напряжение, а истинное.
Вместе с тем рентгенографический метод требует больших затрат времени и средств при его применении и из-за значительного разброса результатов редко позволяет выявить характерные закономерности распределения напряжений.
Рассмотренные методы позволяют установить значения деформаций и напряжений для отдельных измерительных баз исследуемого объекта. Естественно, что выбор этих баз не может быть случайным. Кроме того очень важно знать характер напряженного состояния всего объекта исследования, характер распределения напряжений. Выяснение этих вопросов в ряде случаев может быть достигнуто применением поляризационно-оптического метода, метода оптически чувствительных покрытий, голографической интерферометрии, метода хрупких покрытий, метода сеток, метода муаровых полос [105] и других. Трудоемкость измерений и получение лишь качественной картины распределения остаточных напряжений делают эти методы непригодными для измерения остаточных напряжений в условиях эксплуатации трубопроводов.
Изучение влияния напряженно-деформированного состояния на магнитные характеристики трубных сталей в лабораторных условиях
Из формулы (3.7) следует, что изменение магнитной проницаемости пропорционально напряжению сги произведению начальной проницаемости /ла и коэффициента магнитострикции Xs. Пропорциональность наблюдается только в области упругих деформаций, когда пластические деформации ферромагнетика не имеют места или весьма малы по абсолютной величине.
Исследования [94] позволяют определить характер изменения магнитной проницаемости стали в продольных и поперечных намагничивающих полях под действием напряжений растяжения и сжатия, а также при сложно-напряженных состояниях.
Продольный магнитоупругий эффект при растяжении. В этом случае намагничивающее поле соосно с напряжениями растяжения, магнитная проницаемость ц увеличивается с ростом напряжений. Когда напряжения достигнут величины примерно 70 % от предела текучести рост магнитной проницаемости прекращается. По мере роста напряжений до значений предела текучести магнитная проницаемость несколько уменьшается. Характер изменения магнитной проницаемости при разгрузке будет незначительно отличаться от изменения проницаемости при нагружении. Будет иметь место так называемый магнитоупругий гистерезис, который будет влиять на точность измерений. Продольный магнитоупругий эффект при сжатии. Намагничивающее поле соосно с направлением сжимающих сил. При возрастании напряжений сжатия магнитная проницаемость будет монотонно уменьшаться. Полное изменение магнитной проницаемости в 2-4 раза больше, чем в случае при продольном растяжении. Магнитоупругий гистерезис незначителен и составляет 3-5 % от полного проявления магнитоупругого эффекта.
Поперечный магнитоупругий эффект при растяжении. Намагничивающее поле перпендикулярно к направлению действия растягивающих напряжений. С возрастанием напряжений растяжения магнитная проницаемость монотонно уменьшается. Полное изменение магнитной проницаемости равно или несколько меньше, чем в случае при продольном растяжении. Магнитоупругий гистерезис, как и в случае при продольном сжатии, достаточно мал.
Поперечный магнитоупругий эффект при сжатии. Намагничивающее поле перпендикулярно к направлению действия напряжений сжатия. Магнитоупругий эффект качественно проявляется также, как в случае при продольном сжатии, но в 8-Ю раз слабее.
При сложнонапряженных состояниях могут быть случаи, когда внутри объема стали магнитная проницаемость характеризуется тремя главными значениями: наибольшая, наименьшая и значением максимум - минимум. Последнее является наименьшим в плоскости, перпендикулярной к направлению абсолютно наименьшего значения магнитной проницаемости, и наибольшего в плоскости, перпендикулярной к направлению абсолютно наибольшего значения проницаемости. Все три значения могут быть представлены как главные значения тензора магнитной проницаемости, направление которых всегда совпадает с главными направлениями тензора напряжений (с направлением главных напряжений). Не при всех видах напряженного состояния возникает магнитная анизотропия. Например, при всестороннем равномерном сжатии или растяжении магнитной анизотропии не наблюдается, несмотря на то, что изменения магнитной проницаемости могут оказаться значительными.
Анализ проведенных исследований [5, 67, 94, 98, 114] показывает, что средства измерения и контроля напряженно-деформированного состояния целесообразно осуществлять на основе четырехполюсных преобразователей. Нами для экспериментальных исследований использован магнитоупругий преобразователь трансформаторного типа, первичная обмотка которого является обмоткой намагничивания, а вторичная - измерительной. Обе обмотки размещены на П-образных сердечниках, расположенных под углом 90 друг к другу. Возникающая в обмотке электродвижущая сила (ЭДС) зависит от степени изменения магнитного сопротивления и, следовательно, от величины магнитной анизотропии, соответствующей величине упругих напряжений.
Получено обобщающее уравнение взаимосвязи намагничивающего поля преобразователя и собственного магнитного поля, возникающего в ферромагнитном изделии в результате намагничивания, с величинами деформации при двуосном напряженном состоянии для четырехполюсного магнито-упругого преобразователя [5]:
Исследование влияния малоциклового нагружения трубных сталей на корреляционную связь магнитной проницаемости и механических напряжений при упругих деформациях
При наложении сжимающей нагрузки число импульсов вначале возрастает и, начиная с F=24-30 кН, убывает. При снятии нагрузки магнитный шум убывает. Например, после воздействия нагрузки F= 40 кН и ее снятия величина магнитного шума необратимо уменьшилась в 1,5 раза. При последующем наложении нагрузки магнитный шум нарастает и меняется обратимо до максимальной нагрузки, ранее воздействовавшей на образец. При дальнейшем увеличении нагрузки магнитный шум убывает и изменяется от 1700 до 1200 имп/с при F=80KH. После воздействия сжимающих нагрузок F мах=80кН, как видно из рисунка 3.7, число регистрируемых импульсов, обусловленных магнитным шумом, уменьшилось с 1500 до 200 имп/с. В месте приложения усилия было визуально заметно наличие пластической деформации трубы. Таким образом, при росте пластической деформации число скачков на регистрируемом участке растет, при росте пластической деформации - убывает. Как известно, величина регистрируемых электромагнитных параметров при использовании накладного датчика зависит не только от изменения магнитных характеристик, но также от зазора между датчиком и контролируемой поверхностью. Можно частично уменьшить влияние зазора на магниточувст-вительный параметр, в качестве которого здесь выбрано число импульсов за единицу времени от скачков Баркгаузена, если измерять среднее значение ЭДС индукции при перемагничивании участка трубы, то есть контролировать уровень возбуждения участка трубы. Изменение этих параметров при сканировании внутренней поверхности трубы показано на рисунке 3.8.
Причем на одном участке трубы было создано напряжение с помощью пресса, на другом - искусственно увеличен зазор между датчиком и поверхностью трубы. Видно, что параметры различным образом реагируют на увеличение зазора и наличие напряженного участка. Если поддерживать ЭДС индукции постоянной (кривая 5), изменяя выходное напряжение генератора, то изменение числа регистрируемых импульсов от скачков Баркгаузена, обусловленное ростом зазора, оказывается меньше (кривая 6, рисунок 3.8).
Разработанный способ и устройство позволяют оценивать степень напряжения участка стальной трубы по уровню магнитного шума от скачков Баркгаузена; устройство позволяет контролировать как напряжения растяжения, так и напряжения сжатия.
Применение комплекса магнитных параметров позволяет оценивать не только величину упругого напряжения, но и наличие пластической деформации.
На основе разработанной методики возможно конструирование и изготовление устройства для контроля напряженного состояния и пластической деформации в трубопроводах из углеродистой и низколегированных сталей.
Исследование влияния малоциклового нагружения трубных сталей на корреляционную связь магнитной проницаемости и механических напряжений при упругих деформациях
Экспериментальные исследования закономерностей поведения магнитной анизотропии трубных сталей СтЗ и 17ГС, в упругой области предварительно подверженных малоцикловому нагружению с числом циклов нагружения 5000, 10000, 15000, проведены по той же методике, что было приведено в разделе 3.2.1.
Лабораторные испытания на малоцикловую усталость образцов металла труб СтЗ и 17ГС проводили по схеме чистого изгиба, когда деформация по всей длине образца одинакова. Цикл нагружения - от нулевой, частота нагружения - 50 циклов в минуту, величина деформации задавалась 0,25% и измерялась рычажным тензометром.
После малоциклового нагружения соответственно на 5000, 10000, 15000 циклов нагружения образцы трубных сталей СтЗ и 17ГС подвергались одноосному растяжению путем ступенчатого нагружения в разрывной машине задаваемой нагрузкой с одновременным определением амплитуды выходного сигнала магнитного преобразователя индикатора ИНИ-Щ. В той же серии экспериментов заранее проведены для сравнения экспериментальные исследования закономерности корреляции механического напряжения и магнитной проницаемости для аналогичных образцов трубных сталей СтЗ и 17ГС, не прошедших малоцикловую обработку. Результаты замеров приведены в таблицах 3.1, 3.2.
Корреляционные кривые результатов испытаний образцов трубных сталей СтЗ т 17 ГС после малоцикловой обработки 15000 циклов нагружения приведены на рисунках 3.9, 3.10.
По графикам рисунков 3.9, 3.10 можно сделать вывод о том, что зависимость магнитной анизотропии от напряжений растяжения трубных сталей, предварительно прошедших малоцикловое нагружение, менее ярко выражена, что, по всей видимости, объясняется влиянием упрочнения трубных сталей.
Сравнительные данные экспериментов показывают, что крутизна магнитной анизотропии для трубных сталей СтЗ и 17ГС, прошедших малоцикловую обработку, и трубных сталей, не прошедших малоцикловую обработку, отличается в среднем на 30 % для СтЗ и на 34 % для стали 17ГС в диапазоне механических напряжений от 0,46 ат до 0,86 ат.
Сопоставление данных оценки напряженно-деформированного состояния трубы методом магнитной анизотропии и тензометрией
Длина консоли кожуха по формуле (4.22) составляет 24,1 м (при /=68 м и без учета возможного воздействия сосредоточенной силы от вылета перехода). Допустимая по формуле (4.25) длина прогиба кожуха 0,57 м.
Длина консоли кожуха Л] по формуле (4.23) составляет 18,4 м (при /=68 м с учетом возможного воздействия сосредоточенной силы от вылета перехода 13,1 м).
Длина консоли кожуха Пі при /=68 м, 4=16,01 м составляет 17,3 м с учетом возможного действия сосредоточенной силы от вылета.
Из условия минимума изгибных напряжений длина консолей должна быть не более 24,1 м (соответствует фактическим данным), но в то же время, в случае воздействия сосредоточенной силы от вылета компенсатора, длина консолей должна быть не менее 17,3 м. Предположим, что существует воздушный переход с кожухом длиной 116,7 м и консолями кожуха 17,3 м. При этом длина пролета составляет 100 82,1 м. Опоры расположены на 24,1 м и 17,3 м. Тогда длина консоли нефтепровода перехода 720 мм составит 22,8 м (17,3 м+5,5 м). Из условия минимума изгибных напряжений с учетом сосредоточенной силы от вылета компенсатора длина пролета перехода-трубы 720 мм при 4=28,8 м составит 81м. Таким образом, для однопролетного двухконсольного балочного левого перехода, с учетом воздействия сосредоточенной силы на консоль кожуха от вылета компенсатора, должно быть следующее построение: кожух длиной 116,7 м; консоль кожуха 24,1 ми опора; консоль кожуха и нефтепровода 17,3 м и опора; вылет компенсатора 13,1 м. Корректировка построения перехода позволит предотвратить повреждения от случайного воздействия сосредоточенной силы и не допустить прогиб кожуха перехода.
Для обеспечения безотказной и долговечной работы воздушного перехода через канал нами рекомендуются два независимых варианта ремонтно-восстановительных и диагностических работ. Первый вариант для 1 левого перехода включает: - проведение ремонтно-восстановительных работ по обеспечению сим метричности перехода, одинаковой высоты на опорных точках пролета и размеров вылетов компенсаторов; - постоянный контроль, после планово-ремонтных работ, планово высотного положения перехода, диагностика напряженного состояния кон солей и вылетов, с учетом возможного влияния сосредоточенной силы от вы лета перехода. Второй вариант для 1 левого перехода включает: - проведение ремонтно-восстановительных работ по обеспечению одинаковой высоты на опорных точках перехода; - сооружение дополнительных опор на 17,3 м консоли кожуха перехода для снятия влияния сосредоточенной силы от вылета компенсатора. Отводной коллектор промстоков с АО «НУНПЗ» на БОС «Уфанефтехим» Результаты экспериментальных исследований отводного коллектора промышленных стоков диаметром 1020 и 720 мм с АО НУНПЗ на БОС «Уфанефтехим» на участке от водозабора до выпусков с очистных сооружений №1, расположенного вдоль реки Белой (от ПК35+60 до ГЖ52+60), следующие.
Трубопровод промстоков расположен в оползневых массивах, активизирован паводковыми явлениями в маловязких грунтах, что особенно характерно на месте подводного перехода нефтепровода (коридора нефте- и неф-тепродуктопровода). Трубопровод, проложенный в теле оползня, в течение определенного времени работал в совершенно нормальных условиях. При ведении строительно-монтажных работ в коридоре нефтепровода и циклическом паводковом процессе оползень активизировался и со временем произошло медленное, временами ускоряющееся движение оползня с расположенным в нем трубопроводом, что привело к разрушению последнего в нескольких локальных участках.
Экспериментальные исследования проведены при помощи индикатора ИНИ-Щ по следующей методике.
Для построения градуировочной зависимости образец, изготовленный из того же материала, что и исследуемое изделие, подвергается растяжению и сжатию. Растяжению подвергаются образцы размером - (6...10)х50х200, сжатию - 100x50x50 мм.
Для заданного материала по измеренной площади образца рассчитывается предельная нагрузка для достижения 0,95 от\ в целях предохранения образца от остаточных пластических деформаций нагружение должно производиться до уровня предельной нагрузки, вызывающей упругие напряжения.
После измерения поперечного сечения образца он закрепляется в разрывной машине. На образец устанавливается датчик ИНИ-Щ. Вращением датчика вокруг вертикальной оси необходимо добиться наибольшего показания индикатора. При этом направление указателей преобразователя совпадает с направлением действия главных напряжений. Нагружение образца производится равными ступенями порядка 40...50 кН. После каждой ступени нагружения берутся отсчеты по индикатору и записываются в журнал наблюдений. По данным измерений строится градуировочная зависимость п =f\ — где п - показания индикатора (у.е.); F - нагрузка; S - площадь поперечного сечения образца. На рисунке 4.8 приведены градуировочные кривые по результатам испытаний образцов трубной стали СтЗсп. На оси ординат - показания величины растягивающих напряжений, а на оси абсцисс - показания индикатора п (у.е.), эквивалентные изменению магнитной проницаемости металла в точке измерений. Погрешность измерений при шестикратных замерах на одной и той же марке стали при доверительной вероятности 0,95 составила 12 %.
Похожие диссертации на Определение работоспособного состояния участков стальных трубопроводов по электромагнитным диагностическим признакам
