Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов и технических средств контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций стальных трубопроводов 9
1.1 Экспериментальные методы контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 9
1.2 Магнитные методы и технические средства контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 12
1.3 Сравнительный анализ магнитных методов контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 28
1.4 Выводы по первой главе 34
Глава 2 Многопараметровый метод магнитного контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 35
2.1 Исследования магнитных диагностических параметров элементов конструкции 35
2.2 Многопараметровый метод оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции по совокупности магнитных параметров 52
2.3 Измерительно-диагностический комплекс для контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 62
Выводы по второй главе 66
Глава 3 Испытания измерительно-диагностического комплекса 67
3.1 Описание объекта и методики исследования 67
3.2 Стендовые испытания измерительно-диагностического комплекса 69
3.3 Лабораторные испытания измерительно-диагностического комплекса 75
Выводы по третьей главе 86
Глава 4 Технологический регламент контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций нефтепродуктопроводов 87
4.1 Особенности технологии многопараметрового контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 87
4.2 Методическое обеспечение оценки работоспособности элементов конструкции по магнитным диагностическим параметрам 90
4.3 Технологический регламент контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции 96
Выводы по четвертой главе 99
Основные выводы и рекомендации 100
Список использованной литературы
- Магнитные методы и технические средства контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции
- Многопараметровый метод оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции по совокупности магнитных параметров
- Стендовые испытания измерительно-диагностического комплекса
- Методическое обеспечение оценки работоспособности элементов конструкции по магнитным диагностическим параметрам
Введение к работе
В соответствии с правилами технической эксплуатации магистральных трубопроводов до оценки технического состояния трубопровода предварительно выявляют дефектные участки, дают оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) металла и степени опасности разрушения.
Опасность разрушения трубопровода из-за перенапряжения металла конструкции может возникнуть и в результате действия неучтенных нагрузок, в частности воздействия оползневых участков, нарушения проектных решений или ошибок в проекте (например дополнительное к проектному искривление участка трубопровода в вертикальной или горизонтальной плоскости вплоть до образования гофров и др.).
В последние годы большой интерес проявляется к косвенным магнитным методам контроля НДС стальных конструкций, которые основаны на тесной корреляции магнитных и механических параметров металлов. Разработанные методы и технические средства измерения механических напряжений металла по магнитным диагностическим параметрам обладают рядом преимуществ, важных для ранней диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов (труб, тройников, сварных соединений и т.д.). Это неразрушающее действие операции контроля, достаточно высокая производительность контроля в полевых условиях, возможность дистанционного контроля с мониторингом напряженно-деформированного состояния трубопровода в процессе эксплуатации.
Между тем, в настоящее время отсутствуют соответствующие технологические решения и регламенты магнитного контроля напряженно-деформированного состояния металла и методика расчетной оценки работоспособности потенциально опасных участков трубопроводов по магнитным диагностическим параметрам.
В ряде случаев контроль напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов производится с применением техниче-
ских средств для регистрации магнитных шумов, магнитной анизотропии металла, коэрцитивной силы и магнитной памяти металла.
Разработанным методам и существующим техническим средствам магнитного контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов присущ ряд недостатков: однозначность показаний индикаторов механических напряжений по магнитным шумам и магнитной анизотропии металла лишь в области упругой деформации материала и неопределенность показаний в области его пластической деформации; значительная погрешность (в среднем около 30 %) определения величины механических напряжений в металле при упругих и упругопластических деформациях в условиях практического применения структуроскопов для измерения коэрцитивной силы; необходимость меры сравнения; отсутствие технологических регламентов контроля НДС элементов конструкций трубопроводов по магнитным диагностическим параметрам. Все это снижает эффективность косвенного магнитного контроля НДС элементов конструкций трубопроводов.
Поэтому в настоящее время остается актуальной проблема контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций магистральных трубопроводов по магнитным диагностическим параметрам.
В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является совершенствование методов магнитного контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций магистральных трубопроводов по магнитным диагностическим параметрам.
Для достижения поставленной цели в работе ставились следующие основные задачи:
- анализ и обобщение современного состояния магнитного контроля НДС и оценки работоспособности элементов конструкций магистральных трубопроводов;
теоретические и экспериментальные исследования зависимости магнитных диагностических параметров металла от величины внешних механических напряжений при упругих и пластических деформациях;
разработка комбинированных методов магнитного контроля напряженно-деформированного состояния на основе многопараметрового подхода, ориентированных на обеспечение требуемой точности контроля и достоверности оценки работоспособности элементов конструкций магистральных трубопроводов;
разработка методики и технологического регламента контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций магистральных трубопроводов.
Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния металла по магнитным диагностическим параметрам, границ использования критериев работоспособности элементов конструкций трубопроводов по результатам магнитного контроля. При проведении исследований применялись магнитные и электромагнитные методы неразрушающего контроля стальных изделий, методы теории физики магнитных явлений и ферромагнетизма, квалиметрии и расчета на прочность и устойчивость магистральных трубопроводов.
В ходе исследований установлена линейная закономерность снижения величины напряженности поля остаточной намагниченности металла трубопроводов при повышении механических напряжений в области упругой деформации. При переходе в область пластической деформации металла снижение величины напряженности поля остаточной намагниченности замедляется, а затем прекращается.
Предложена эмпирическая формула расчета уровня напряженности поля остаточной намагниченности в зависимости от механического напряжения в области упругой деформации металла.
Разработан многопараметровый метод контроля напряженно-деформированного состояния металла на основе использования и комплексиро-
вания совокупности магнитных диагностических параметров (величин магнитных шумов, магнитной анизотропии, коэрцитивной силы и напряженности поля остаточной намагниченности металла), позволяющий обеспечить достоверность контроля и уменьшить относительную погрешность измерений более чем в два раза по сравнению с однопараметровым методом.
Установлены оптимальное количество и виды магнитных диагностических параметров, необходимых для обеспечения достоверности контроля и снижения ошибок при оценке и принятии решений о работоспособности элементов конструкций трубопроводов.
Разработана структура измерительно-диагностического комплекса на базе технических средств магнитного контроля, реализующая многопарамет-ровый подход; предложено программное обеспечение магнитного контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов.
Предложено методическое обеспечение технологического регламента многопараметрового магнитного контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций трубопроводов.
Предложенные комбинированные методы магнитного контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций трубопроводов позволяют обеспечить достоверность контроля и более чем в два раза уменьшить относительную погрешность измерений напряженно-деформированного состояния по сравнению с однопараметро-выми методами без увеличения точности измерительных средств магнитного контроля.
Показано, что предлагаемые методическое обеспечение и технологический регламент контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций нефтепродуктопроводов по магнитным диагностическим параметрам на основе многопараметрового подхо-
да обеспечивают практическую реализацию ранней диагностики потенциально опасных участков и предупреждения аварийных ситуаций.
По результатам научных исследований разработан нормативно-методический документ по определению работоспособного состояния участков нефтепродуктопроводов по магнитным диагностическим параметрам, утвержденный ОАО «АК «Транснефтепродукт», который внедрен в ОАО «Уралтранснефтепродукт» и ОАО «Сибтранснефтепродукт».
Магнитные методы и технические средства контроля напряженно-деформированного состояния элементов конструкции
Магнитные и электромагнитные методы и технические средства контроля напряженно-деформированного состояния стальных изделий и трубопроводов используют зависимость магнитных свойств материала от внутренних механических напряжений.
Одним из наиболее чувствительных методов измерения внутренних механических напряжений стального изделия является метод, использующий магнитный эффект Баркгаузена, связанный со скачкообразным характером изменения намагниченности ферромагнетика при его намагничивании в области слабых и средних магнитных полей [9, 42-45, 56, 57]. Электрические сигналы преобразователя, полученные из-за скачкообразного изменения на магниченности материала, обычно имеют неравномерные и широкие спектры, поэтому их еще принято называть магнитными шумами Баркгаузена.
Было установлено [56, 57], что величина магнитных шумов в области упругой деформации металлов с положительной магнитострикцией линейно возрастает с ростом растягивающих напряжений и уменьшается с ростом сжимающих напряжений в изделии. При достижении предела упругости материала изделия изменение величины шумов замедляется, затем сигнал начинает уменьшаться, поэтому в области пластической деформации стального изделия однозначность сигнала от шумов Баркгаузена нарушается.
Метод измерения механических напряжений стальных изделий и трубопроводов, основанный на шумах Баркгаузена, реализован в приборах типа «ПИОН-01», «STRESSCAN-500C», «ИНТРОМАТ» [25, 41]. Приборы являются малогабаритными, переносными и имеют автономное питание от аккумуляторных батарей, что позволяет их эксплуатацию в полевых условиях без подзарядки в течение 8 часов. Малогабаритные преобразователи приборов являются накладными. Время проведения одного измерения занимает от 0,5 до 2 секунд. Глубина проникновения электромагнитного поля, а значит, и глубина измерения механического напряжения в металле составляет от 0,02 до 0,5 мм в зависимости от режима работы прибора.
Цифровая индикация одних приборов показывает интенсивность магнитных шумов (количество скачков Баркгаузена в единицу времени), других («ПИОН-01», «STRESSCAN-500C») - величину амплитуды скачков Баркгаузена, усредненных за период колебания тока возбуждения, которая пропорциональна величине механических напряжений в поверхностном слое стального изделия.
В области упругой деформации стенки трубы сигнал преобразователя меняется примерно линейно, при этом знаки напряжений являются противоположными. Оценка величины механических напряжений по измеренному сигналу прибора осуществляется по диаграмме зависимости интенсивности магнитных шумов металла от величины механических напряжений в теле, полученной предварительно в лабораторных условиях для данного вида материала, из которого изготовлено контролируемое изделие.
Приборы «ПИОН-01» и «STRESSCAN-500C» предварительно калибруются для каждого исследуемого металла в лабораторных условиях на образцах, изготовленных из материала контролируемого изделия. На точность измерений данными приборами могут влиять наличие сварных швов вблизи точек измерений и технология изготовления трубопроводов. STRESSCAN-500C [41] имеет два независимых канала измерения, спецпроцессор и электронную память, которые позволяют осуществлять калибровку измеренного сигнала и выдачу величины напряжения в металле в реальном масштабе времени. Выбор мест измерений напряжений осуществляется по результатам предварительного анализа зон локализации напряжений при изгибе трубопроводов. Одновременно проводятся измерения толщины стенки трубопровода и измерения магнитным сортировщиком для получения необходимой информации по сортаменту труб. Путем изменения ориентации преобразователя измеряются две компоненты напряжений - продольные и кольцевые.
Одноосные механические напряжения внутри стального изделия приводят к зависимости магнитных свойств от направления измерения относительно приложенных сил, то есть возникает наведенная магнитная анизотро-пия# материала. Это явление принято называть магнитоупругим эффектом [78, 79,92,94,99].
В работе [99] показана возможность количественной оценки величины внутренних механических напряжений стального изделия путем измерения магнитной восприимчивости материала во взаимно перпендикулярных направлениях.
Многопараметровый метод оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции по совокупности магнитных параметров
Суть многопараметрового метода оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции трубопровода состоит в том, что физическое напряженное состояние задается некоторой точкой в многомерном признаковом пространстве, координатами положения которой являются значения магнитных диагностических параметров, экспериментально полученных приборами измерительного комплекса. Например, координата Xi - это величина магнитного шума, полученная с помощью прибора «ПИОН-01», координата Х2 - величина магнитной анизотропии, полученная с помощью прибора ИНИ-Щ, координата Х3 - величина напряженности магнитного поля, полученная с помощью магнитометра MX-10, и координата Х4 - величина коэрцитивной силы металла, полученная с помощью магнитного структуроскопа КРМ-Ц. В общем случае из-за погрешности измерений магнитных диагностических параметров Xi - Х4 напряженное состояние ме талла в признаковом пространстве будет характеризоваться не точкой, а многомерным эллипсоидом, вырождающимся в точку при неограниченном уменьшении погрешности измерений приборами комплекса.
Преимущество использования напряженного состояния по нескольким магнитным диагностическим параметрам видно, например, из того факта, что совместное применение величины коэрцитивной силы металла и величины магнитной анизотропии (или магнитных шумов) металла позволяет устранить неоднозначность оценки напряжения по величине магнитной анизотропии (или магнитных шумов) металла.
Например, при напряжении в металле трубы а = 300 МПа, соответствующем области упругой деформации, измеренная величина магнитной анизотропии металла равна U = 20 мВ (рисунок 2.5). При увеличении механической нагрузки в два раза, когда напряжение в металле а = 600 МПа соответствует области пластической деформации, измеренная величина магнитной анизотропии металла примерно равна U = 20 мВ. Таким образом, по измеренным величинам магнитной анизотропии металла невозможно определить истинное напряженно-деформированное состояние металла трубопровода. При указанных напряжениях измеренная величина коэрцитивной силы металла Не = 5,5 А/см при напряжении в металле трубы а = 300 МПа, и Нс = 7,3 А/см при напряжении в металле трубы а = 600 МПа. При совместном анализе измеренных величин коэрцитивной силы металла и величин магнитной анизотропии металла можно однозначно определить область деформации металла и правильно оценить напряжение в металле.
Кроме устранения неоднозначности решения совместное применение нескольких магнитных диагностических параметров позволяет увеличить точность оценки напряжения в металле при заданной точности измерения этих параметров приборами контроля (точность измерения ограничена).
В работе [27] показано, что существенное увеличение количества информации наблюдается при увеличении совокупности измеренных признаков до 2...3, далее рост их количества приводит к слабому росту полезной информации о состоянии объекта.
Согласно методике, приведенной в работах [18, 27], было проведено исследование изменения количества информации 1(Х) о напряженном состоянии металла при монотонном увеличении количества измеренных магнитных диагностических параметров. Результаты исследования показаны на рисунке 2.9, из которого видно, что увеличение количества признаков не аддитивно увеличивает количество полезной информации о напряженном состоянии металла.
Зависимость количества информации о напряженном состоянии металла от количества магнитных диагностических параметров (є - погрешность измерения магнитных параметров)
Наиболее сильное увеличение количества информации о напряженном состоянии металла происходит при увеличении количества измеренных диагностических параметров от 1 до 2, далее их рост приводит к существенно меньшему росту количества информации о напряжении в металле.
Количество полезной информации о НДС металла зависит от точности измерения магнитных диагностических параметров, уменьшаясь при увеличении погрешности измерения последних
Стендовые испытания измерительно-диагностического комплекса
Результаты стендовых испытаний по оценке НДС элементов конструкции трубопровода на контрольных образцах № 1 - № 4 с помощью измерительно-диагностического комплекса приведены в таблицах 3.1- 3.4. В состав измерительно-диагностического комплекса входили следующие приборы: магнитный структуроскоп КРМ-Ц, магнитошумовой прибор «ПИОН-01» и магнитометр MX-10.
Величина механического напряжения в металле образцов оценивалась в контрольных точках 1-8, расположенных на поверхности труб согласно рисунку 3.1, при этом преобразователи магнитного структуроскопа и магни-тошумового прибора были ориентированы вдоль образующей трубы.
В таблицах 3.1 - 3.4 измеренные значения, соответствующие существенным механическим напряжениям в металле, выделены подчеркиванием. Из данных таблицы 3.1 видно, что наиболее существенное напряжение в металле соответствует образцу № 1, который был сварен без подогрева и не подвергался вибрационной обработке.
Магнитный структуроскоп КРМ-Ц показывает концентрацию напряжений в контрольных точках 3, 5 - 7 (приграничные области наплавки металла), при этом в точках 6, 7 металл перешел в область пластической деформации. Заметим, что наибольшие показания магнитометра МХ-10 совпадают с наибольшими показаниями магнитного структуроскопа.
Однако наибольшее показание магнитошумового прибора соответствует точке 4, где, по показаниям предыдущих приборов контроля, в этой точке нет концентрации напряжений в металле.
В контрольных точках 6, 7, находящихся в области пластической деформации металла, показания прибора «ПИОН-01» имеют наименьшие значения, при этом такие же значения соответствуют контрольным точкам 1, 2, которые находятся в области упругой деформации металла.
Таким образом, по показаниям магнитошумового прибора «ПИОН-01» нельзя однозначно определить действительное напряженно-деформированное состояние металла. Примерно такая же ситуация соответствует данным, приведенным в таблицах 3.2 - 3.4. Из данных таблицы 3.2 видно, что электрическая сварка с подогревом металла образца № 2 приводит к некоторому уменьшению величины напряжения в металле, при этом в зонах концентрации напряжений металл находится в упруго деформированном состоянии. Показания приборов магнитного контроля КРМ-Ц и MX-10 полностью согласуются между собой.
Из таблицы 3.4 видно, что электрическая сварка с подогревом металла и вибрационная обработка образца № 4 приводят к снижению и некоторому выравниванию уровня внутренних механических напряжений в металле, который находится в упруго деформированном состоянии.
Показания приборов КРМ-Ц и MX-10 полностью согласуются между собой. Наибольшие значения показаний прибора «ПИОН-01» не совпадают с точками наибольшего НДС металла, которые были обнаружены предыдущими приборами.
Таким образом, результаты стендовых испытаний измерительно-диагностического комплекса для оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции трубопровода показали следующее: - приборы, основанные на коэрцитиметрическом методе и методе остаточной намагниченности, однозначно определяют напряженно деформированное состояние трубы во всей области деформации, и их показания согласуются между собой; - магнитошумовой прибор обладает неоднозначностью показаний во всей области деформации металла, которая может привести к неверной оценке напряженно-деформированного состояния трубы.
Методическое обеспечение оценки работоспособности элементов конструкции по магнитным диагностическим параметрам
Определение НДС элементов конструкции нефтепродуктопровода осуществляется по измеренным величинам магнитных диагностических параметров. Перед измерением магнитных диагностических параметров для контроля НДС осуществляется подготовка контролируемого участка трубопровода, технических средств измерения и вспомогательных устройств.
Для подготовки контролируемого участка трубопровода необходимо: - выполнить дополнительную очистку, до металлического блеска, поверхности трубы площадью не менее 150x150 мм на верхней, нижней и двух боковых образующих (на 12,15,18 и 21 ч); - нанести мелом или светлой краской сетку с ячейками 50x50 мм на очищенную поверхность трубы.
Для подготовки технических средств измерения и вспомогательных устройств необходимо: - осуществить настройку и калибровку магнитошумового прибора (или прибора для измерения магнитной анизотропии) и магнитометра (или маг нитного структуроскопа) на стандартных образцах и калибраторах согласно руководству по эксплуатации приборов; - проверить работоспособность размагничивающего устройства, стержневого магнита, механического твердомера и ультразвукового толщи номера согласно руководству по эксплуатации.
Далее проводится измерение толщины стенки трубы в центре каждой ячейки ультразвуковым толщиномером. Вычисляется среднее арифметическое значение толщины стенки трубы по шести измеренным значениям по формуле - 1 6 ti=- I t , (4.1) 6k = l k где tk - толщина стенки трубы в середине к - ой ячейки, t}- средняя толщина стенки трубы на і-ом контролируемом участке.
Проводится измерение твердости металла элемента конструкции в центре каждой ячейки механическим твердомером. Вычисляется среднее арифметическое значение твердости металла трубы по шести измеренным значениям по формуле — 1 6 НВі=- І НВ (4.2) 6k = l к гдеНВк - твердость металла трубы в середине к - ой ячейки, HBj- среднее значение твердости металла трубы на і-ом контролируемом участке элемента конструкции нефтепродуктопровода.
Далее проводится измерение величины магнитных шумов металла (или магнитной анизотропии). Для этого осуществляется предварительное размагничивание очищенных участков поверхностей элементов конструкции, отмеченных сеткой (на 12,15,18 и 21 ч), размагничивающим устройством.
Датчик магнитошумового прибора (или прибора для измерения магнитной анизотропии) устанавливается на середине размагниченного участка; ориентируя датчик вдоль образующей трубы, измеряется величина магнитного шума металла (или магнитной анизотропии). Измерения осуществляются по образующей,трубы (на 12,15,18 и 21 ч).
Далее устанавливается датчик магнитошумового прибора (или прибора для измерения магнитной анизотропии) на середине размагниченного участка; ориентируя датчик поперек образующей трубы, измеряется величина магнитного шума металла (или магнитной анизотропии). Измерения осуществляются по образующей трубы (на 12,15,18 и 21 ч).
Далее проводится измерение напряженности поля остаточной намагниченности (или коэрцитивной силы) контролируемого участка трубопровода. Для этого стержневой постоянный магнит устанавливается на середине размагниченного участка и плавно удаляется в вертикальном направлении от поверхности трубы, создавая «магнитное пятно». Преобразователем магнитометра измеряется нормальная составляющая напряженности поля остаточной намагниченности в середине «магнитного пятна». Эти операции осуществляются по образующей трубы (на 12,15,18 и 21 ч).
На контролируемых элементах конструкции нефтепродуктопровода, где наблюдается существенное увеличение величины магнитных диагностических параметров, с целью выявления возможных дефектов сплошности проводится ультразвуковая или магнитопорошковая дефектоскопия.
Определение НДС металла элементов конструкции осуществляется по номограммам зависимости магнитных диагностических параметров от величины механического напряжения, соответствующего марке стали. Номограммы зависимости магнитных диагностических параметров от величины напряжения должны быть получены заранее в результате испытаний контрольных образцов согласно ГОСТ 10006-80 (ИСО 6892-84) [12].
В случае отсутствия номограмм зависимости магнитных диагностических параметров от величины напряжения для данной марки стали из элемента конструкции из соответствующей марки стали вырезают три образца, путем механических испытаний которых согласно ГОСТ 10006-80 (ИСО 6892-84) получают номограммы зависимости магнитных диагностических параметров от величины напряжения в металле.
Величину действующих продольных напряжений стх на контролируемом участке элемента конструкции определяют на основе магнитных диагностических параметров, измеренных вдоль образующей.
Величину действующих кольцевых напряжений CTZ на контролируемом участке элемента конструкции определяют на основе магнитных диагностических параметров, измеренных поперек образующей.
НДС контролируемого участка элемента конструкции определяется на основе сравнения полученных значений действующих продольных ах и кольцевых az напряжений соответственно со значениями максимального продольного напряжения стпр, максимального кольцевого напряжения ткц.
Величина суммарного механического напряжения в металле элемента конструкции, вычисленная по формуле a = Ja2 +0-2 , V х z сравнивается с пределом текучести стт и пределом прочности ав стали.
