автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Материаловедческое обоснование применимости магнитной томографии металла для диагностирования ферромагнитных трубопроводов

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ ЯКОВ ВЛАДИМИРОВИЧ

МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МАГНИТНОЙ ТОМОГРАФИИ МЕТАЛЛА ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

05.16.09 - Материаловедение (металлургия)

005017286

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 Г.;АИ 2012

Москва - 2012

005017286

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный вечерний металлургический институт»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Волгина Наталия Ивановна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Масленков Станислав Борисович

кандидат технических наук Соколовская Элина Александровна

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина»

Защита диссертации состоится 7 июня 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.127.01 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный вечерний металлургический институт» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Лефортовский вал, 26, ауд. 206.

Телефон: (495) 361-14-80; факс: (495) 361-16-19;

e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru

Ваши отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Лефортовский Вал, 26 ученому секретарю диссертационного совета Д 212.127.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный вечерний металлургический институт» и на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф.

Смирнов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Крайняя важность трубопроводных систем и отсутствие адекватной альтернативы ставят задачу поддержания их в работоспособном состоянии, каковая может решаться несколькими путями. Перспективным путем решения является разработка и внедрение новых материалов и конструкций, обладающих большим сроком службы, на реконструируемых и заново строящихся объектах. Однако, для эксплуатируемых трубопроводов, весь объем которых невозможно реконструировать в краткосрочной перспективе, остается частичная замена участков, полностью исчерпавших свой реальный ресурс работоспособности.

Так как для большей части эксплуатируемых сегодня трубопроводов превышен нормативный срок эксплуатации, то к методам мониторинга их технического состояния предъявляются повышенные требования по достоверности и производительности. Это объясняется стремлением максимально сократить текущие расходы на ремонт трубопроводов при минимальном уровне аварийности.

Проблема диагностирования состояния конструкций не нова. Однако, применяемые сегодня методы в большинстве своем основываются на использовании электронного оборудования, с развитием которого и стали разрабатываться различные методы неразрушающего контроля. При этом разные методы (ультразвуковые, рентгенографические, вихретоковые, магнитопорошковые, акустикоэмиссионные и др.) используют различные физические свойства материалов: способность пропускать, отражать и рассеивать звуковые и электромагнитные волны; электрическое и звуковое сопротивление. Одну из групп таких методов диагностирования составляют магнитные методы, основанные на определении состояния конструкций из магнитных материалов по особенностям изменения свойств их магнитного поля, характерным для известных явлений и процессов, происходящих в них. Магнитные методы предоставляют широкий ассортимент средств для определения состояния поверхности, характера структуры и напряженно-деформированного состояния конструкций из магнитных материалов, чем объясняется их широкое распространение и обширные перспективы развития.

Существенное влияние на общие и локальные магнитные свойства материалов оказывают операции, как механические, так и термические, проводимые над ними в процессе производства и обработки.

Подавляющее большинство существующих методов диагностирования технического состояния направлены на выявление физических макродефектов металла и оценку степени их опасности исходя из геометрических размеров. Классификация размеров дефектов носит формальный характер и не отражает фактические структурные и механические характеристики металла в зонах выявленных дефектов. Известно, что многие объекты (например, трубопроводы) часто эксплуатируются с дефектами в течение длительного периода, а разрушение происходит не в зоне дефекта, а в области, в которой отсутствуют видимые

повреждения или трещины. Тем не менее, при проведении металлографических или рентгеноструктурных исследований в очагах разрушения обнаруживаются отклонения в структуре: строчки пластинчатого перлита в феррито-перлитных сталях или хрупкие неметаллические включения, не выявляемые традиционными методами неразрушающего контроля, изменение дислокационной структуры металла, выражающееся в повышении напряжений в решетке, и другие аномалии структурного состояния металла (рис. 1).

а б в

Рис. 1. Примеры аномалий структурного состояния металла, не выявляемых традиционными методами неразрушающего контроля:

а) вытянутые неметаллические включения, х200; б) искажения структуры, связанные с локальной деформацией, х200; в) выделения на дислокациях.

Указанные аномалии структурного состояния могут вызвать, в свою очередь, возникновение усталостных микротрещин, не выявляемых традиционными методами неразрушающего контроля.

Из вышеизложенного, становится ясно, что основными этапами процесса оценки риска опасных производственных объектов должны быть:

- обнаружение локальных зон концентрации напряжений, которые в свою очередь могут являться наиболее вероятными местами разрушения объекта;

- определение параметров напряженно-деформированного состояния в наиболее опасных зонах концентрации напряжений;

- определение фактических структурно-механических характеристик материала в указанных зонах.

Цель работы

Изучение связи действующих в ферромагнетике механических напряжений с полем рассеяния последнего, определение характера зависимости, связывающей изменение напряжений с изменением поля рассеяния объекта, а также материаловедческое подтверждение физических основ метода магнитной томографии металла.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- изучение связи действующих в ферромагнетике механических напряжений с его внешним магнитным полем на примере отрезка трубопровода, подвер-

гаемого воздействию избыточного внутреннего давления различной величины;

- определение характера зависимости, связывающей изменение величины механических напряжений, действующих в металле трубы, с изменением ее магнитного поля.

- исследование аспектов применения метода магнитной томографии металла с точки зрения материаловедения.

Научная новизна

1. Установлено, что в процессе длительной эксплуатации в газонефтепродук-топроводах происходят значительные изменения структуры металла:

- уменьшение искажений микроструктуры возникших при обработке давлением в процессе производства труб;

- снижение плотности дислокаций у внешней стенки трубы на 37% относительно внутренней поверхностью в случае коррозионного разрушения;

- повышение плотности дислокаций у внешней поверхности на 50% относительно внутренней поверхности в случаях дефектов механического происхождения (вмятины, гофры и т.п.).

Все это приводит к повышению уровня внутренних напряжений второго рода.

2. Полевые натурные исследования подтвердили обоснованность применения метода магнитной томографии металла для выявления областей концентрации механических напряжений, что подтверждено последующими металлографическими исследованиями и рентгеноструктурным анализом.

3. Впервые проведено исследование магнитного поля полноразмерного трубопровода, при величинах напряжений от нуля до близких к пределу текучести, с сопоставлением данных магнитометрии, тензометрии, металлографического и рентгеноструктурного анализов, а также компьютерного моделирования методом конечных элементов.

4. Разработана и испытана методика полевых измерений индукции магнитного поля на поверхности трубопровода и способы калибровки напряжений.

5. Показано, что зависимость абсолютного изменения магнитной индукции от изменения величины механических напряжений, построенная по пяти или более точкам для каждого из 108 однокомпонентных измерений, имеет линейный характер в области от нуля до уровня, близкого к пределу текучести.

Практическая ценность работы

- Результаты проведенных исследований были использованы при разработке проекта национального стандарта «Диагностика технического состояния и оценка работоспособности трубопроводов бесконтактными магнитными методами. Метод магнитной томографии. Общие требования». Стандарт внесен в Технический комитет по стандартизации ТК 71 «Гражданская оборона, предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций».

- Результаты проведенных исследований были использованы при разработке дополнений к нормативной документации Американского Общества Инженеров-Механиков (ASME), поданных на рассмотрение в ASME, в рамках контракта между ООО НТЦ «Транкор-К» и Малазийской нефтегазовой корпорацией ПЕТРОНАС.

Личный вклад автора

Автор лично осуществлял лабораторные эксперименты, результаты которых изложены в диссертации, исследовал микроструктуру методом оптической микроскопии, подготавливал и производил тензометрические измерения, выполнял обработку и анализ полученных результатов; участвовал в проведении механических испытаний, исследованиях микроструктуры методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа остаточных напряжений, а также в компьютерном моделировании напряженного состояния металла. Основные положения диссертационной работы сформулированы автором лично.

Достоверность полученных результатов

Обеспечивается воспроизводимостью и согласованностью анализируемых данных, применением современных методов исследования микроструктуры и механических свойств стали, широким использованием статистических методов обработки, положительным опытом применения полученной информации при разработке проектов нормативных документов

Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите

Работа соответствует формуле и пункту 6 области исследования специальности 05.16.09 - «Материаловедение (металлургия)»: Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытание и определение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:

- II научно-практической конференции «Инновационный потенциал молодых специалистов как залог динамичного развития газовой промышленности», ЗАО «Ямалгазинвест», г.Москва (2006);

- Заседании научно-координационного совета Федерального центра науки и высоких технологий «Всероссийский Научно-Исследовательский Институт по Проблемам Гражданской Обороны и Чрезвычайных Ситуаций» (2009);

- Региональная конференция «Региональные программы и проекты инновационного развития регионов Сибири на 2010-2012 годы», г. Красноярск (2010);

- Международной Заочной Научно-Практической Конференции, г. Новосибирск (2012).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано две печатные работы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, и одна монография.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 128 страницах, содержит 29 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы и ее практической ценности. Приведена ее структура, сформулированы цели и задачи исследований.

В первом разделе проведён обзор существующих магнитных методов неразрушающего контроля механических напряжений в металлоконструкциях, описывается предыстория и существующая ситуация в данной области. Основное внимание уделено методу магнитной томографии металла как объекту данной работы.

Второй раздел посвящен описанию материалов и методов исследования, применявшихся в рамках настоящей работы. Описаны физические основы метода магнитной томографии через представления доменной теории строения ферромагнетиков и магнитоупругом эффекте. Представлены аномалии структурного состояния, вызывающие возникновение усталостных микротрещин, механизмы накопления и развития усталостной поврежденности, особенностях распределения локальных деформаций.

Тензометрические измерения проводились с помощью проволочных тен-зорезисторов КФ4 и КФ5 номинальным сопротивлением 200 Ом.

Для образцов металла, отобранных от экспериментального трубопровода, было выполнено исследование микроструктуры на микроскопах «Ломо» (Россия), «Polyvar Met» (Германия) хЮО - 500 с микротвердомером «Duromat 4000» и «NEOPHOT-32» (Германия, ф. «Карл Цейс Иена»),

Выявление структуры проводили в 2-4%-ном растворе азотной кислоты в спирте с последующими многократными переполировкой и травлением. Размер действительного зерна металла определяли по ГОСТ 5639, полосчатость оценивали по шкале 3 ГОСТ 5640.

Степень загрязненности неметаллическими включениями определяли по ГОСТ 1778: бальную оценку осуществляли методом «Ш-4» по наиболее загрязненному месту шлифа при увеличениях хЮО. Подсчет объемного процента количества включений и распределение их по размерам выполняли методом "П" при х520, просматривая по 100 полей зрения.

Рентгеновскую съемку проводили в Fe-a излучении на дифрактометре ДРОН-3 в режиме записи интерференционных линий (211). Проекция линейного рентгеновского пучка на излом имела ширину 4 мм. Средний уровень напряжений оценивали по изменению полуширины интерфернционной линии (211) на середине ее максимума, которая прямо пропорциональна изменению микронапряжений. Степень локальной концентрации напряжений оценивали по краевым участкам дифрактограмм слабой интенсивности (т.к. высокие локальные микронапряжения, соответствующие наибольшим искажениям кристаллической решетки, сосредоточены в малых объемах по сравнению с размером зерна).

На основании представленных результатов и анализа литературных данных, исходили из того, что могут иметь место следующие этапы, существенно отличающиеся эволюцией напряженно-деформированного состояния стали в области очага разрушения:

- усталость;

- развитие докритической трещины;

- механический долом.

Третий раздел содержит описание экспериментальной части работы: оборудования, программы исследований и полученных данных.

Предпосылкой к разработке методики исследования напряженно-деформированного состояния металла методом магнитной томографии послужили результаты предыдущего исследования металла аномальных участков, выявленных при обследовании методом магнитной томографии стального газопровода в штате Огайо (США).

Металлографическое исследование металла трубы в областях сквозного коррозионного поражения и локальных язв (рис. 2) показало значительные различия структуры между разными зонами и наличие трещин (рис. 3, 4).

Рис. 2 Сквозное коррозионное поражение металла трубы (слева), язвенные коррозионные повреждения на поверхности (справа)

Рис. 3. Микроструктура металла трубы (х200): слева - в центральной зоне (по толщине металла), справа - вблизи наружной поверхности трубы

Рис. 4. Микротрещины на внутренней поверхности коррозионной язвы,

(х500).

Рентгеноструктурный анализ металла стенки коррозионной язвы, областей микротрещин и подповерхностной коррозии дал следующее распределение напряжений второго рода и степень концентрации напряжений (табл. 1):

Таблица 1

Результаты определения напряжений второго рода

и степени концентрации напряжений _

Образец Ширина рентгеновской линии В(211),цвад Локальная концентрация напряжений а стц, кГ/мм2 Плотность дислокаций р* 109,см"2

1 а) внешняя поверхность 12,2 59,3 30,6 1,7

1 б) середина стенки 13,34 56,6 36,5 2,07

1 в) внутренняя поверхность 15,7 46,4 46,8 2,7

2а 12,8 63,5 34,1 1,85

26 12,8 60,0 34,1 1,85

2 в 14,7 51,3 41,7 2,5

За 11,6 60,0 27,5 1,53

3 б 12,8 62,7 33,7 1,87

3 в 14,8 56,4 42,0 2,4

4 14,5 58,9 41,6 2,31

В ходе исследований применялось следующее оборудование:

1) Магнитометр бесконтактный сканирующий СКИФ - для автоматической записи напряженности магнитного поля по длине трубопровода либо в неизменном положении - по времени;

2) Насос гидравлический испытательный ЕНА 60 - для создания избыточного внутреннего давления;

3) Тензометрическая станция с тензорезисторами КФ4/КФ5, установленными на поверхности трубопровода для определения локальных механических напряжений, действующих в различных точках.

Экспериментальная установка (рис. 5) представляет собой прямолинейный трубопровод, концы которого закрыты сферическими заглушками, лежащий на деревянных опорах. Трубопровод имеет впускные и выпускные заглушки для заполнения водой, опорожнения и создания избыточного внутреннего давления, а также манометр для измерения последнего. Над трубопроводом параллельно его оси смонтированы деревянные направляющие, позволяющие поступательно перемещать оборудование параллельно оси трубопровода. Установка для уменьшения воздействия посторонних магнитных воздействий смонтирована в сводчатом алюминиевом ангаре на земляном полу.

1000

_38590..

. 31150

_4£22_

ЛЬ 1///

-Ц250

¿700.

4000.

,4£60.

. 4200

41£0

ш-

1,154.0-

/ 7 7 / Г 770 7 7 7 / 7 ?

АШ ..I. 3500

,4800

4.30.0.

Ж

А-А

увеличено

Б-Б

авеличено

1. Сферическая заглаыка

2. Сварной стык (всего 3)

3. Опоры тру&ы (всего 10>

Трава э377х6 мм изготовлена из стали 20

Сечение А-А' Прилегающая к сварнома стыку кромка травы 3 имеет гофры от подги&ки кавалдои главинои/высотоеч до 2 мм.

Прилегающая к стыка кромка травы 2 -ровная

Сечение 6-Б: Вмятина глаьинов до 3 мм диаметром 120 мм

Рис. 5. Эскиз ключевой части экспериментальной установки с указанием основных размеров

Экспериментальная работа включала в себя следующие этапы:

1) Запись магнитного фона. Сканирование магнитного поля, существующего в месте будущего расположения экспериментальной установки, с помощью магнитометра СКИФ вдоль предполагаемой оси трубопровода.

2) Сканирование магнитного поля на высоте 700 мм над верхней образующей трубопровода, заполненного водой без избыточного давления, параллельно его оси.

3) Сканирование магнитного поля на высоте 700 мм над верхней образующей трубопровода параллельно его оси при различных величинах избыточного внутреннего давления (0, 20 атм., 40 атм., 60 атм., 80 атм.).

4) Запись данных магнитного поля в различных точках вблизи трубопровода неподвижными магнитометрами при изменяющемся избыточном внутреннем давлении (от 0 до 80 атм.).

В эксперименте были получены следующие результаты:

1) Получены записи изменения напряженности магнитного поля трубопровода при постоянном внутреннем давлении при движении вдоль его оси.

2) Получены записи изменения напряженности магнитного поля трубопровода в различных точках с изменением внутреннего давления.

3) Получены данные тензометрии о величине механических напряжений, действовавших на поверхности трубопровода при различных величинах внутреннего давления в отдельных точках (27 точек).

4) От темплета, содержащего аномальное сечение 15,7 м (область кольцевого сварного шва, соединяющего трубы 2 и 3), были отобраны образцы для металлографического исследования и определения остаточных напряжений.

На рисунке 5 показаны два сечения трубопровода, имеющие изменения геометрии поперечного сечения: гофры, выходящие на кромку трубы 3, примыкающую к трубе 2 (сечение А-А 15,7 м); вмятина на теле трубы (сечение Б-Б 31 м). Представляет интерес аномалия напряженно-деформированного состояния в указанных сечениях.

Очевидно, что на участках аномальных сечений, имеющих уменьшенную кривизну, в процессе нагружения действуют большие растягивающие напряжения, по сравнению со средней величиной напряжений, рассчитываемой аналитически. Соответственно, напряжения на поверхности участков аномальных сечений с увеличенной кривизной будут иметь меньшее значение, либо могут иметь другой знак. Учитывая возможность расчета кольцевых напряжений при известном внутреннем давлении, показания тензорезисторов, установленных на бездефектных участках поверхности в поперечном направлении, использовались для калибровки напряжений в подтверждение имеющихся тарировочных кривых.

По данным тензометрии, при создании избыточного внутреннего давления в трубопроводе выше 50 атмосфер, в сечениях, близких к сечениям 15,7 м и 31 м, существовали области поверхности, подвергавшиеся пластической деформации, тогда как внутреннее давление воды в целом по трубопроводу не создавало столь высоких напряжений.

Имевшиеся предположения и полученные данные подтвердились и при компьютерном моделировании напряженно-деформированного состояния трубопровода методом конечных элементов. Как видно из рисунка 6, напряжения в областях с уменьшенной кривизной превышают предел текучести низкоуглеродистой стали.

■

_р*^

0 .600Е+08 .120Е+09 .180Е+09 .240Е+09

•300Е+08 .900Е+08 .150Е+09 .210Е+09 .270Е+09

Рис. 6. Распределение приведенных напряжений по Мизесу в области сечения 15,7 м для давления 60 атм (слева) и 80 атм (справа), МПа

Четвертый раздел освещает анализ экспериментальных данных. При выполнении анализа полученных данных были построены зависимости величины различных компонент магнитной индукции в прямоугольных системах координат, привязанных к различным точкам оси трубопровода. На рисунке 6 показано положение и ориентация преобразователей (датчиков) магнитометров относительно начала трубопровода и его оси.

Значительное влияние на полученные данные оказывает окружающая

среда:

а) постоянное магнитное поле Земли;

б) магнитное поле, индуцированное посторонними, в том числе скрытыми объектами;

в) динамика окружающего магнитного поля, связанная с возможным изменением метеорологической обстановки.

Для устранения влияния факторов а и б при построении диаграмм магнитной индукции использовалась абсолютная величина изменения в сравнении с исходной. А для устранения влияния фактора в оценивалась воспроизводимость результатов при повторном цикле измерений.

На рисунках 7-9 показаны диаграммы изменения величины магнитной индукции при изменении среднего расчетного кольцевого напряжения в металле труб. На диаграммах также показаны линейные аппроксимации полученных кривых с указанием среднеквадратичного стандартного отклонения.

Учитывая, что данные тензометрии при этом показали, что продольные напряжения при создании избыточного внутреннего давления пропорциональны кольцевым и много меньше последних, на данном этапе исследования мож-

а б

Рис. 7. Величина магнитной индукции по показаниям первого (а) и второго (б) датчика магнитометра 23, установленного в непосредственной близости от поверхности трубопровода в трех ортогональных компонентах

а

б

Рис. 8. Величина магнитной индукции по показаниям первого (а) и второго (б) датчика магнитометра 08, установленного в непосредственной близости от поверхности трубопровода в трех ортогональных компонентах

а б

Рис. 9. Величина магнитной индукции по показаниям первого (а) и второго (б) датчика магнитометра 06, установленного на высоте 700 мм от поверхности трубопровода в трех ортогональных компонентах

Диаграммы изменения магнитной индукции в непосредственной близости от поверхности трубопровода (рисунки 7 и 8) показывают лучшую корреляцию с линейными моделями по сравнению с диаграммами, приведенными на рисунке 9. Этот факт можно объяснить увеличением роли приборной ошибки и внешних факторов, так как дифференциал изменения магнитной индукции по изменению механических напряжений в данном случае на 1 -2 порядка меньше по сравнению с измерениями, выполненными в непосредственной близости от поверхности трубопровода. Тем не менее можно утверждать, что общий характер изменения магнитной индукции при этом сохраняется.

При этом вектор магнитной индукции в каждой отдельно взятой точке (т.е. зафиксированный одним датчиком магнитометра) изменяя модуль и направление, не выходит за пределы одной плоскости (см. рис. 10)

величинах избыточного внутреннего давления в трубопроводе.

Серии векторов построены в системах координат, привязанных к проекции положения соответствующего датчика на ось трубопровода.

У концов векторов стрелками показана последовательность векторов при повышении внутреннего давления в трубопроводе.

В пятом разделе содержится обоснование применимости метода магнитной томографии металла.

Результаты металлографического исследования и рентгеноструктурного анализа.

Для образцов, отобранных с дефектного сечения 15,7 метра, было проведено металлографическое исследование и рентгеноструктурный анализ внутренних напряжений второго рода. На рис. 11 представлена структура стали в образце, вырезанном из стенда. Видно сильное искажение структуры и уплотнение феррито-перлитных полос.

Рис. 11. Структура стали в образце, хЮО.

Измерение микротвердости в поперечном сечении темплета от внешей поверхности к середине показало наличие сильного наклепа в центральной части гофра. Результаты измерения представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты измерения микротвердости (при Р=100 г)_

Зона образца Значения микротвердости НУ, кГ/мм2. Средние значения НУГП.

1 230,240,250, 265, 225 242

2 200,210,205,207, 205 205

3 190, 195,200,196,190 194

4 190,192, 200,189, 195 193

Видно, что в точке 1 она повышена. Точка 4 - контрольный образец.

Внутренние напряжения второго рода - это напряжения, уравновешивающиеся в объеме одного или нескольких зерен. В общем случае они распределены неравномерно. На границе зерен, субзерен, у неметаллических включений и других структурных несовершенств они могут существенно превышать средний уровень. Эти локальные микронапряжения уравновешиваются в областях, намного меньших размера зерна. Такую неоднородность распределения внутренних микронапряжений трактуют как локальную концентрацию микронапряжений в зерне и рентгенографичечески оценивают степенью локальной концентрации напряжений, а. Процессы замедленного разрушения, в том числе усталость, состоят из этапов накопления повреждаемости до критического уровня, по достижении которого зарождается и/или подрастает микротрещина. Накопление повреждений происходит в микрообъемах с повышенным уровнем локальных внутренних напряжений - потенциальных очагах микродефектов. При усталостном разрушении происходит частичная релаксация среднего уровня напряжений в областях металла, непосредственно прилегающих к излому (через трещинообразование).

Механический долом, например, связан с большой пластической деформацией, которая в свою очередь, вызывает рост среднего уровня напряжений (наклеп). Однако, степень локальности этих напряжений должна быть ниже, чем при усталостном разрушении, вследствие того, что долом протекает в областях металла с меньшей накопленной повреждаемостью или отсутствием таковой. Таким образом, сканируя поверхность трубы рентгеновским пучком, по характеру изменения внутренних напряжений и степени их локальной концентрации можно идентифицировать зоны замедленного, усталостного и быстрого механического долома. По сравнению с доломом замедленному разрушению должны отвечать более низкий уровень средних напряжений и более высокая локальная степень концентрации остаточных напряжений.

Рентгеновскую съемку проводили в Ре-сс излучении на дифрактометре ДРОН-3 в режиме записи интерференционных линий (211). Проекция линейного рентгеновского пучка на излома имеет ширину 4 мм. Средний уровень напряжений оценивали по изменению полуширины интерференционной линии

(211) на середине ее максимума, которая прямо пропорциональна изменению микронапряжений.

На основании представленных результатов и анализа литературных данных, исходили из того, что могут иметь место следующие этапы, существенно отличающиеся эволюцией напряженно-деформированного состояния стали в области очага разрушения:

- усталость;

- развитие докритической трещины;

- механический долом.

Развитие каждого из указанных частных процессов должно сопровождаться своими характерными изменениями внутренних микронапряжений в стали (или не вызывать таковых). Так, основной характерной особенностью хрупкого усталостного разрушения являются высокие внутренние микронапряжения, и особенно их высокая неоднородность распределения в микрообъемах (локальная концентрация микронапряжений). Под микронапряжениями в данном случае понимали внутренние напряжения, уравновешивающиеся в объеме одного или нескольких зерен. Однако, у границы зерна или, например, в области у неметаллического включения и др. фаз могут возникать внутренние напряжения, намного превышающие средний уровень. Поэтому их можно рассматривать как потенциальные очаги зарождения трещины. Эти микронапряжения уравновешиваются в областях намного меньших размера зерна и трактуются как степень локальной концентрации напряжений в зерне или степень неоднородности их распределения.

В процессе усталости с увеличением числа циклов происходит накопление повреждений и возрастает средний уровень остаточных напряжений и должна увеличиваться их локальная концентрация. Собственно процесс усталостного разрушения должен приводить к релаксации среднего уровня -напряжений (благодаря образованию и развитию трещины). При механическом доломе-разрыве, связанном с большой пластической деформацией, микронапряжения должны возрастать (наклеп). Локальная концентрация микронапряжений должна быть ниже, чем при усталостном развитии трещины. Разный характер изменения микронапряжений при развитии разрушения на разных этапах открывает возможность идентификации этапов (и всего разрушения) рентгенографическим методом на основании характера изменения величины микронапряжений и их локальной концентрации. Это имеет особенно важное значение при выявлении и изучении возможных отрицательных эффектов, связанных с переиспытаниями повышенным давлением.

В работе идентифицировали тип разрушения, сканируя поверхность от внешней стенки к внутренней. Локальную концентрацию напряжений оценивали путем анализа «хвостов» дифрактограмм - кривых участков слабой интенсивности, полагая, что высокие локальные микронапряжения (искажения решетки) сосредоточены в малых объемах по сравнению с размером зерна. По ширине рентгеновских интерференций (211) также определяли плотность дис-

локаций, характеризующую степень наклепа. Величину внутренних напряжений рассчитывали по формуле:

а

где

Да/а - деформация решетки; Е - модуль упругости. Результаты измерений представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты определения напряжений второго рода

и степени концентрации напряжений _

Зона образца Ширина рентгеновской линии В(21 1),Ииал Локальная концентрация напряжений а Стп, кГ/мм2 Плотность дислокаций р*109, см"2

1 внешняя поверхность 14,5 56,38 41,5 2,3

2 середина стенки 12,8 62,7 33,7 1,87

3 внутренняя поверхность 11,6 60 27,5 1,53

По полученным данным можно сделать вывод о выявлении аномалии магнитного поля, связанного с существующей аномалией напряженно-деформированного состояния металла трубы.

Таким образом, результаты металлофизических исследований подтвердили обоснованность применения метода магнитной томографии металла для выявления опасных зон концентрации напряжений в металлоконструкциях.

Сравнение данных магнитной томографии с результатами расчетов по формулам, предлагаемым международными стандартами и отечественными нормативами (DNV RP-F101, ASME В 31 G, ВРД 39-1.10-004-99) также показало хорошую корреляцию результатов. Максимальное соответствие при расчете максимального рабочего давления приходится на интервал рабочих давлений при сканировании, создающих кольцевые напряжения в стенках трубопровода в 40-70% предела текучести материала труб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенными исследованиями на модели трубопровода показано:

- Магнитная индукция внешнего поля стального трубопровода вблизи его поверхности изменяется на ±30...40 мТл при изменении величины механических напряжений от нуля до уровня близкого к пределу текучести.

- Зависимость абсолютного изменения магнитной индукции от изменения величины механических напряжений с учетом точности оборудования

имеет линейный характер в области от нуля до уровня, близкого к пределу текучести.

- Изменение магнитной индукции поля трубопровода может быть зафиксировано как в непосредственной близости от его поверхности, так и на расстоянии 700 мм от последней.

- Направление и модуль изменения величины магнитной индукции различны вблизи различных точек поверхности трубопровода.

- Данные магнитометрии позволяют выявлять зоны концентрации механических напряжений в нагруженных ферромагнитных конструкциях на этапах замедленного разрушения.

2. Впервые проведены металлофизические исследования металла действующего трубопровода, отобранного по результатам магнитной томографии от аномальных зон, и показано, что

- на поверхностях микротрещин в областях подповерхностной коррозии выявлено повышение плотности дислокаций вблизи внутренней поверхности стенки трубы на 56,7% по сравнению с внешней поверхностью;

- в случае коррозионного разрушения ближе к наружной поверхности уровень микронапряжений на 65,4% ниже, чем в слоистых участках коррозионной язвы, при этом плотность дислокаций у внешней стенки ниже, чем у внутренней (1,7 и 2,7x109 см"2 соответственно);

- поверхности внутренних микротрещин в рентгенографической интерпретации представляет собой сочетание высоких напряжений (41,6 кГ/мм2) и плотности дислокаций (2,3x109см "2).

3. Проведенными металлографическими исследованиями и рентгеноструктур-ным анализом удалось впервые подтвердить изменения структуры и наличие локальных зон концентрации напряжений в областях магнитных аномалий, выявленных методом МТМ.

4. Разработана и испытана методика полевых измерений магнитного поля на поверхности трубопровода и способы калибровки напряжений. Результаты металлофизических исследований металла аномальных зон, выявленных при испытаниях по разработанной методике, полностью коррелируют с результатами аналогичных исследований металла, отобранного от действующего трубопровода.

5. Проведена оценка максимальных напряжений подземного трубопровода по результатам магнитной томографии и сравнение полученных значений с рассчитанными по формулам, предлагаемым международными стандартами и отечественными СНиП.

Показано, что результаты определения критериев надежности материала по результатам магнитной томографии позволяют быстро и с большой долей вероятности дать заключение о состоянии металла трубопровода без применения традиционных дорогостоящих и трудоемких методов диагностирования.

6. Проведено моделирование напряженного состояния аномальных сечений методом конечных элементов и рассчитано распределение приведенных

напряжений по Мизесу в области сечений 15,7 м и 31 м при величинах внутреннего давления 6 и 8 МПа.

7. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке национального стандарта «Диагностика технического состояния и оценка работоспособности трубопроводов бесконтактными магнитными методами. Метод магнитной томографии. Общие требования». Стандарт внесен в Технический комитет по стандартизации ТК 71 «Гражданская оборона, предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций».

8. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке дополнений к нормативной документации Американского Общества Инженеров-Механиков (ASME), поданных на рассмотрение в ASME, в рамках контракта между ООО НТЦ «Транкор-К» и Малазийской нефтегазовой корпорацией ПЕТРОНАС.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Воробьев Я. В., Волгина Н. И., Хуснутдинов JI. А., Камаева С. С. Использование ферромагнитных свойств металла для диагностирования технического состояния и прогнозирования ресурса стальных трубопроводов. «Технология металлов», № 1, 2010;

2. Горошевский В. П., Камаева С. С., Волгина Н. И., Воробьев Я. В. Расчет безопасного давления и периода безаварийной работы трубопроводов по результатам магнитной томографии. «Ремонт, восстановление, модернизация»,.^, 2010;

3. Воробьев Я.В., Горошевский В.П., Волгина Н.И. Материаловедческие аспекты использования метода магнитной томографии для диагностики трубопроводов. Материалы Международной Заочной Научно-Практической Конференции «Вопросы науки и техники». Часть II. Новосибирск, 2012 г.

4. В.В. Салюков, В.Н. Медведев, Ф.Г. Тухбатуллин, М.И. Королев, Н.И. Волгина, Я.В. Воробьев, B.C. Иванов, B.C. Урусов. Влияние технологии производства труб на их предрасположенность к коррозионному растрескиванию под напряжением. Монография. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 116 с.

Заказ № 516. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Петроруш». г.Москва, ул.Палиха 2а.тел.(499)250-92-06 www.postator.ru

61 12-5/3867

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВЕЧЕРНИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Материаловедческое обоснование применимости магнитной томографии металла для диагностирования ферромагнитных трубопроводов

05.16.09 Материаловедение (металлургия) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры МиОМД МГВМИ

Волгина Наталия Ивановна

На правах рукописи

Воробьев Яков Владимирович

Москва-2012

Содержание

Введение........................................................................................................4

1 Литературный обзор...................................................................................7

1.1 Классификация, формирование и роль остаточных напряжений при производстве и эксплуатации изделий из металлов.......................7

1.2 Методы измерения остаточных напряжений.......................................20

1.3 Магнитные методы диагностирования технического состояния трубопроводов с точки зрения технологии обработки и свойств материалов...............................................................................................38

2 Материалы и методы исследований......................................................57

2.1 Физические основы метода магнитной томографии металла............57

2.2 Основные понятия и терминология.......................................................60

2.3 Методика и аппаратура тензометрических исследований..................61

2.4 Методика и аппаратура для металлографических исследований......64

2.5 Методика и аппаратура для рентгеноструктурного анализа внутренних напряжений второго рода. Принцип метода...................65

3 Экспериментальная часть. Разработка методики исследования напряженно-деформированного состояния металла методом магнитной томографии............................................69

3.1 Необходимость разработки методики...................................................69

3.2 Исследование металла выявленных аномальных участков стального газопровода как предпосылка эксперимента......................70

3.3 Экспериментальное оборудование........................................................83

3.4 Этапы эксперимента................................................................................84

3.5 Первичные результаты эксперимента...................................................88

4 Результаты эксперимента и их анализ.................................................96

5 Обоснование применимости метода магнитной томографии металла......................................................................................................103

5.1 Материаловедческое обоснование......................................................103

5.2 Сравнение данных магнитной томографии с результатами расчетов по формулам, предлагаемым международными

стандартами и отечественными СНиП................................................105

Заключение...............................................................................................116

Список использованной литературы..................................................119

Введение

Трубопроводный транспорт жидких и газообразных материалов является наиболее простым, надежным и дешевым. Вследствие большого размера территории Российской Федерации и развитой добычи углеводородного сырья распространенность как газонефтепродуктопроводов, так и водопроводов в стране колоссальна. Так суммарная протяженность одних магистральных газопроводов превышает сто пятьдесят тысяч километров, а протяженность водопроводов и теплосетей жилищно-коммунального хозяйства имеет порядок миллионов километров.

Крайняя важность трубопроводных систем и отсутствие адекватной альтернативы ставят задачу поддержания их в работоспособном состоянии, каковая может решаться несколькими путями. Перспективным путем решения является разработка и внедрение новых материалов и конструкций, обладающих большим сроком службы, на реконструируемых и заново строящихся объектах, а для эксплуатируемых трубопроводов, весь объем которых невозможно реконструировать в краткосрочной перспективе, остается частичная замена участков, полностью исчерпавших свой реальный ресурс работоспособности.

Так как для большей части эксплуатируемых сегодня трубопроводов превышен нормативный срок эксплуатации, то к методам мониторинга их технического состояния предъявляются повышенные требования по достоверности и производительности. Это объясняется стремлением максимально сократить текущие расходы на ремонт трубопроводов при минимальном уровне аварийности.

В общей аварийности трубопроводов на аварии, связанные с превышением уровня механических напряжений, приходится свыше 13%. Для контроля напряжений в металлоконструкциях применяются различные неразрушающие методы: акустические, ультразвуковые, магнитные, оптические и другие. Но эффективность их применения для контроля

напряжённо-деформированного состояния подземных трубопроводов низка. Прежде всего, это связано с тем, что в предлагаемых методах необходим хороший контакт датчика с поверхностью трубы. Применение перечисленных методов в условиях Крайнего Севера и Сибири в зимнее время осуществлять крайне сложно, а летом в болотистой местности практически невозможно. Все это делает процедуру измерений дорогой, лишает ее оперативности.

Производству же необходим эффективный метод контроля напряжённо-деформированного состояния металла, позволяющий быстро (например, со скоростью пешехода) проводить обследование подземных трубопроводов, не вскрывая грунт над трубой и не нарушая её изоляционного покрытия.

Поэтому с научной и практической точек зрения актуально применение высокопроизводительных методов контроля напряжённо-деформированного состояния подземных трубопроводов.

Одну из групп таких методов диагностирования составляют магнитные методы, основанные на определении состояния конструкций из магнитных материалов по особенностям изменения свойств их магнитного поля, характерным для известных явлений и процессов, происходящих в них. При этом важное влияние на общие и локальные магнитные свойства материалов оказывают операции, как механические, так и термические, проводимые над ними в процессе производства и обработки. Магнитные методы предоставляют широкий ассортимент средств для определения состояния поверхности, характера структуры и напряженно-деформированного состояния конструкций из магнитных материалов, чем объясняется их широкое распространение и обширные перспективы развития.

Наиболее перспективными для оценки механических напряжений металла является бесконтактный метод магнитной томографии, основанный на магнитоупругом эффекте. Этот метод позволяет дистанционно оценивать напряжения без нарушения изоляционных покрытий трубы, обладает

высокой производительностью. Однако на сегодняшний день применение метода ограничено ввиду предвзятого отношения многих специалистов к возможностям метода магнитной томографии.

Целью работы стало изучение связи действующих в ферромагнетике механических напряжений с полем рассеяния последнего, определение характера зависимости, связывающей изменение напряжений с изменением поля рассеяния объекта, а также материаловедческое подтверждение физических основ метода магнитной томографии металла.

1 Литературный обзор

1.1 Классификация, формирование и роль остаточных напряжений при производстве и эксплуатации изделий из металлов.

Причиной многих аварий, происходящих при эксплуатации элементов машин и конструкций, являются остаточные напряжения. С подобными авариями связаны значительные затраты на ремонт и восстановление оборудования, а также потенциальная опасность для жизни и здоровья людей.

Остаточные напряжения столь же ответственны за образование пластического течения и разрушение деталей, как и напряжения от внешних нагрузок. Они весьма опасны по следующим причинам: 1) их трудно измерить и 2) они складываются с напряжениями от внешних нагрузок.

Остаточные напряжения представляют значительную опасность ввиду трудности измерения неразрушающими методами, невозможности прогнозирования их величины, знака и направления, вероятности неблагоприятного сочетания с условиями окружающей среды и циклического напряжения. Остаточные напряжения следовало бы определять в реальных условиях эксплуатации для оценки их влияния на эксплуатационную надежность конструкции. Хотя имеются некоторые подходы к моделированию остаточных напряжений, однако, как правило, они далеки от совершенства. Для надежного контроля технологии изготовления деталей и конструкций следовало бы иметь методы определения остаточных напряжений в производственных условиях. Хотя в области измерения остаточных напряжений имеется определенный прогресс, все еще необходимы значительные усилия для разработки эффективных и экономичных неразрушающих методов.

Изучение остаточных напряжений ведет начало от работ В.И. Родмана (1857 г.), Н.В.Калакуцкого (1867 г.) и И.А.Умова (1871 г.) [1, 2, 3]. Одними из первых фундаментальных работ в этой области были работы русского

ученого Н.В.Калакуцкого, предложившего механический метод определения остаточных напряжений [4], и работы Гейна [5]. Широкие исследования с целью изучения возникновения, величины и значения остаточных напряжений были проведены в США и в других странах в связи со стоявшей в период второй мировой войны неотложной задачей найти объяснение хрупким разрушениям, происходившим в крупных сварных конструкциях и сварных судах. По этой проблеме было опубликовано большое количество работ, однако, основное внимание в них уделялось изучению развития и определению величины этих напряжений, а не их практическому влиянию на работу конструкции. Сложность этого вопроса объясняется тем, что до сих пор существуют значительные расхождения во мнениях относительно значения остаточных напряжений во многих конструкциях и сооружениях. Еще недавно, например, считалось, что обязательной причиной хрупкого разрушения сварных соединений являются остаточные напряжения, но с тех пор мнения многих значительно изменились. В настоящее время есть мнение, что остаточные напряжения оказывают малое влияние или вовсе не влияют на работу конструкции. Это коснулось и оценки влияния остаточных напряжений на усталость металлов, хотя различные исследователи в этой области неизменно придерживаются убеждения о необходимости учета этого влияния при решении практических вопросов.

Такое расхождение во мнениях обусловлено многими причинами. Действие остаточных напряжений, возникающих в результате неоднородного пластического течения, можно принять за упрочнение или сопутствующее старение. Улучшение прочностных свойств от термообработки трудно разделить на улучшение из-за изменения структуры и улучшение от действия остаточных напряжений. Кроме того, влияние остаточных напряжений определяется законами течения и разрушения материала, не изученными полностью до настоящего времени. Практическое значение остаточных напряжений зависит от их влияния на сопротивление течению и сопротивление разрушению конструкций.

Проблема остаточных напряжений - это классическая проблема технологии, в частности в силу ее междисциплинарного характера. В связи с этим проблемой остаточных напряжений занимались и продолжают заниматься специалисты самых разных отраслей знаний: механики-прочнисты, металлофизики, металловеды, специалисты по обработке металлов давлением, резанием, сварщики и т.д.

1.1.1 Разновидности остаточных напряжений

При любых технологических процессах, в том числе и при производстве труб, в металле возникают внутренние (остаточные) напряжения, которые взаимно уравновешиваются внутри трубы без участия внешних нагрузок. В большинстве случаев внутренние напряжения полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса и поэтому называются остаточными напряжениями. Внутренние напряжения могут возникнуть практически при любой обработке, причем одна технологическая операция может привести к созданию разных по своему происхождению остаточных напряжений: термических, фазовых и напряжений от неоднородной пластической деформации. Например, если горячедеформированный сплав охлаждается ускоренно и в нем протекает фазовое превращение, кроме напряжений, вызванных неоднородной пластической деформацией, в нем возникают термические, а также фазовые напряжения. Различные по своему происхождению остаточные напряжения алгебраически складываются и часто дают весьма сложные эпюры.

Остаточные напряжения (ОН) - это напряжения, связанные с упругими деформациями, существующими в металле после полного прекращения внешних воздействий на металл. ОН очень чувствительны к внешним воздействиям и участвуют в той или иной мере практически во всех процессах и явлениях, происходящих в металле на макро- и микроуровнях.

Было предложено несколько видов классификации остаточных напряжений. Наиболее широко используется классификация H.H.Давиденкова [6]. Классификации Е.Орована [7] и Мак-Грегора [8] оказались менее удобными.

По классификации Н.Н.Давиденкова существуют остаточные напряжения трех родов. Они различаются объемами, в которых эти напряжения уравновешиваются.

Напряжения, уравновешивающиеся в объеме всего тела или отдельных его макрочастей, называют также зональными или напряжениями 1 рода. Причинами их возникновения являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела.

Напряжения II рода («микронапряжения») уравновешиваются в объемах единичных кристаллов и частей кристаллитов, находящихся между действующими плоскостями скольжения (между линиями и полосами скольжения).

Первоначальный термин «напряжения III рода», которые уравновешиваются в пределах небольших групп атомов, постепенно заменен термином «статические искажения кристаллической решетки», что наиболее точно соответствует существу описываемого явления: это искажения решетки, обусловленные полями деформаций, связанными как с точечными дефектами, так и с дислокациями [9].

На основе классификации Н.Н.Давиденкова проведена систематизация путей появления искажений разного рода, а также изучен характер влияния на свойства материалов этих разных по происхождению и по природе, но взаимосвязанных искажений кристаллической решетки.

На рис.1 приведена классификация остаточных напряжений, предложенная Мак-Грегором [8]. Он делит напряжения, возникающие от различных воздействий (механических, термических, химических), на два широких класса основных (body) и текстурных (textural) напряжений.

Последний термин был предложен Орованом [7]. Оба вида напряжений затем подразделяются на зависимые (contingent) и остаточные напряжения. К первым относятся те напряжения, которые вызываются внешними силами в период их воздействия на тело.

Рис. 1. Классификация остаточных напряжений по Мак-Грегору [8]

Как видно, классификация Н.Н.Давиденкова является более удобной, так как

ориентируясь на нее можно легко подобрать методы исследования.

1.1.2 Формирование остаточных напряжений при прокатке

Из опытов известно, что работа, затраченная на пластическую деформацию, переходи в тепло не полностью, а лишь на 80-90%. Остальные 10-20% остаются в теле в виде энергии остаточных напряжений. Тело, в

котором действуют остаточные напряжения, можно рассматривать как

и " тч

находящееся под воздействием длительной нагрузки. В результате ее действия с течением времени возможны пластическая деформация и, следовательно, коробление и изменение размеров тела, а также растрескивание. Остаточные напряжения могут явиться следствием не только пластической обработки тела, но и неравномерного нагрева, охлаждения, закалки, фазовых превращений и т.п. [9].

Остаточные напряжения можно свести к минимуму подбором соответствующего режима пластической обработки, последующей термообработкой и механическими воздействиями (обкатка и т.п.), характер которых зависит от конкретных условий обработки.

При прокатке на поверхностях полосы и валков существуют участки застоя, торможения и скольжения. Характер перемещений частиц металла относительно поверхности валков на участках застоя и торможения идентичен. Отличие заключается лишь в том, что на участке застоя смещения столь малы, что соизмеримы по величине с упругими деформациями. Они изменяются от нуля в нейтральном сечении до некоторого максимума на границах зон застоя и торможения, продолжая, однако, оставаться в зоне торможения малыми [10].

В процессе прокатки материал находится в пластическом состоянии, и , следовательно, в любой точке очага деформации должно выполняться условие пластичности. После осуществления процесса прокатки внешние силы не действуют и напряжения от них исчезают. Напряжения, вызываемые неравномерной деформацией, переходят в остаточные.

О/ Оу а2 _Оу

К К К К

Рис. 2. Эпюры остаточных н