автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка методики и оборудования определения напряженно-деформированного состояния линейной части газопроводов

На правах рукописи УДК 621.791.052.08

Прилуцкий Максим Андреевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003470790

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете имени Н. Э. Баумана

Научный руководитель: академик РАН Алешин Николай Павлович Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Вопилкин Алексей Харитонович

к.т.н. Воронкова Любовь Владимировна Ведущее предприятие: ДОАО «Оргэнергогаз»

Защита состоится «25Г 1ЛИ?ИЯ 2009 года на заседании диссертационного совета Д 212.141.01 при МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Телефон для справок: (499) 267-09-63

Автореферат разослан «_»_2009 года.

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

дд

Коновалов А.В.

Актуальность работы. В условиях резкого нарастания потока отказов после 10-15 лет эксплуатации практически вся система магистральных газопроводов (МГ) нуждается в диагностических обследованиях и оценке надежности и остаточного ресурса. Основными причинами отказов являются: механические повреждения - 25,5%, коррозия металла труб - 25,5%, брак монтажных работ - 20%, заводские дефекты труб -14,3%.

Анализ дефектности МГ показал необходимость оценки остаточного ресурса т.к. возраст 80% МГ превышает 15 лет.

В соответствии с нормативными документами дефекты могут классифицироваться как допустимые и недопустимые. В последнем случае требуется прекращение эксплуатации конструкций. Однако нормы допустимости дефектов часто недостаточно научно обоснованы, т.к. не учитывают полностью и точно конкретных условий эксплуатации в части степени нагруженности дефектного узла конструкции, формы и размеров дефектов, свойств материала в зоне дефектов, напряженно-деформированного состояния (НДС) и т.д. Поэтому нормативные значения могут иметь существенные отклонения, как в положительную, так и в отрицательную стороны. Таким образом, решение о надёжности и остаточном ресурсе конструкции следует принимать на основе оценки НДС и расчетного анализа поведения дефекта при дальнейшей эксплуатации.

Проведенный анализ показал, что акустический метод определения напряжений, основанный на эффекте акустоупругости, в отличие от методов, основанных на других физических принципах (таких как фотоупругость, магнитоупругость и др.) и часто превосходящих метод акустоупругости по чувствительности к изменениям напряжений, результаты применения методов акустоупругости в реальных инженерных ситуациях для материалов со сложной структурой, показывают их меньшую суммарную погрешность.

Исследованию возможностей применения методов акустоупругости для определения напряжений посвящены как работы российских ученых: А.Н. Гузь, Ф.Г. Махорт, О.И. Гуща, В.М. Бобренко, Н.Е. Никитина, А.Л. Углов, А.И. Трофимов, так и иностранных специалистов: R.W. Benson, VJ. Raelson, P. Mason, E. Schnider, что еще раз подтверждает большой потенциал их использования.

Анализ работ показал, что в настоящее время остается нерешенным вопрос о практическом применении методов акустоупругости на реальных инженерных объектах, таких как МГ. При исследовании полей напряжений возникает множество дополнительных проблем связанных со сложностью в общем случае НДС, влиянием внешних факторов, отсутствием методик контроля и соответствующего метрологического обеспечения.

К числу наименее исследованных задач акустоупругости относятся задачи бешулевой акустической тензометрии.

Для решения поставленной задачи необходимо создать алгоритм определения напряжений для использования в инженерных расчетах, позволяющий учитывать неоднородность структуры материала и повысить точность определения напряжений.

Целью работы являлась разработка методики определения напряженно - деформированного состояния линейной части газопровода.

Задачи исследования.

1. Провести анализ существующих методов акустического определения двухосного напряженного состояния текстурованных материалов с целью выяснения причины их неудовлетворительной точности и разработать алгоритм и методику определения коэффициентов упругоакустической связи.

2. Создать и экспериментально проверить способ определения осевых напряжений в материале газопроводов, основанный на использовании принципа восстановления начального ненапряженного состояния материала за счет использования дополнительных акустических измерений.

3. Разработать и экспериментально исследовать конструкции специальных датчиков, обеспечивающих измерение всех акустических параметров, необходимых для реализации как режима акустического мониторинга напряжений, так и режима безнулевой тензометрии.

4. Провести апробацию разработанной методики определения напряженного состояния линейной части газопровода.

Научная новизна.

1. Обоснована теоретически и подтверждена экспериментально возможность использования головных волн для мониторинга механических напряжений, что позволяет расширить диапазон прикладных задач, решаемых при помощи эффекта акустоупругости, поскольку возможен контроль изгибных и крутильных напряжений.

2. Результаты экспериментов с текстурованными сталями показали необходимость проведения процедуры определения акустоупругих коэффициентов, определяемых на основе испытаний двух групп образцов, вырезанных во взаимно перпендикулярных направлениях относительно текстуры материала (продольные и поперечные образцы).

Практическая значимость.

Методика определения напряженно-деформированного состояния линейной части газопровода используется в учебном процессе студентов МГТУ им. Н.Э Баумана НУК МТ по специальности 05.02.11 при выполнении курсового и дипломного проектирования, а также в научно-исследовательской работе, также рекомендована к внедрению в ОАО «Газпром».

Методы исследования.

Методы исследования, использованные в настоящей работе, включали разделы акустики, теоретической физики, математического анализа. Решение задач выполнено с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены на современном отечественном оборудовании, а также на специально созданных образцах.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением апробированных расчётных методов и данными экспериментальных исследований.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научном семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Н.Э.Баумана в 2009 году.

Публикации.

Материалы диссертации отражены в 4 печатных работах, из них по списку ВАК - 2.

Объем работы.

Диссертационная работа изложена на 103 страницах машинописного текста, иллюстрируется 21 рисунком, содержит 28 таблиц, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (35 наименований).

Содержание работы

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности МГ, технология его изготовления и виды эксплуатационных нагрузок, действующих на газопроводы. Проведен анализ дефектов, встречающихся в МГ данного типа и применяемые методы контроля газопроводов.

По данным первичной внутритрубной инспекции МГ диаметром 1420 мм, выполненной магнитными снарядами-дефектоскопами, более 70% дефектов, выявляемых магнитными дефектоскопами, составляют коррозионные повреждения. Среди них доля дефектов типа «потери металла» с глубиной до 15% от толщины стенки составляет 45%, глубиной более 30% - около 5%.

Анализ дефектности для 56 участков МГ диаметром 1420 мм общей протяженностью 6635 км, на которых выявлено 26142 коррозионных дефекта «потери металла», установлено, что плотность распределения трехмерной случайной величины размеров коррозионных дефектов имеет мультимодальный характер, что свидетельствует о реализации нескольких различающихся механизмов образования и развития коррозионных дефектов потери металла. Анализ статистических данных показал, что дефекты коррозионной потери металла, снижающие прочность труб, в настоящее время составляют около 1.5% от всех выявляемых при

инспекции дефектов, а срочному ремонту, по наиболее консервативной оценке подлежат 0.37% выявленных дефектов.

Анализ эксплуатационных нагрузок, действующих на МГ показывает, что нагружение МГ является нерегулярным. Условия работы большинства МГ не являются однородными за период эксплуатации. Меняются объемы перекачиваемого продукта, максимальное рабочее давление, перепады давления на входе и выходе газоперекачивающих агрегатов и другие факторы. Линейная часть трубопроводов испытывает действие низкочастотных переменных напряжений, вызванных изменением давления и температуры транспортируемого продукта.

Для проведения корректного расчетного анализа поведения дефекта при дальнейшей эксплуатации необходимо экспериментальное определение НДС.

Анализ существующих методов определения напряженного состояния текстурованных материалов показал, что наиболее перспективным методом является акустический. В отличие от методов, основанных на других физических принципах и часто превосходящих по чувствительности к изменениям напряжений, результаты применения методов акустоупругости в реальных инженерных ситуациях для материалов со сложной структурой показывают их меньшую суммарную погрешность. Акустический метод позволяет измерять напряжения по толщине конструкции, другие физические методы позволяют измерять напряжения только на поверхности конструкции.

Исследованию возможностей применения акустического метода посвящены работы как российских, так и иностранных специалистов.

В работах А.Н. Гузь, Ф.Г. Махорта, О.И. Гуща приведены основные соотношения теории распространения упругих волн малой амплитуды в сжимаемых телах с начальными напряжениями в случае произвольного упругого потенциала. В области практического применения методов акустоупругости особый интерес представляют исследования В.М. Бобренко, Н.Е. Никитиной, А.Л. Углова, А.И. Трофимова. В частности, в работах Н.Е. Никитиной и А.Л. Углова предложено при построении алгоритма определения напряжений взять за основу соотношения, аналогичные уравнениям фотоупругости. В работах А.И. Трофимова представлена методология нелинейного эффекта акустоупругости, в которой коэффициенты Мурнагана определяются независимым методом по результатам экспериментов.

Публикации иностранных специалистов посвящены решению задач контроля плоского напряженного состояния, в которых алгоритмы расчёта оперируют с величинами относительных изменений скоростей сдвиговых волн и константами упругости второго и третьего порядков изотропного тела.

Основываясь на трудах выше указанных авторов, был сделан вывод о возможности применения метода акустоупругости для определения напряженного состояния текстурованных материалов. Перспективность этого метода базируется на многообразии типов ультразвуковых волн (продольных, сдвиговых, поверхностных и т.д.).

Для решения поставленной задачи необходимо создать алгоритм определения напряжений для использования в инженерных расчетах, позволяющий учитывать неоднородность структуры материала и повысить точность определения напряжений.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы акустоупругости, проанализированы алгоритмы расчета скоростей упругих волн в анизотропном напряженном твердом теле.

В обобщенном виде уравнения линеаризованной акустоупругости могут быть записаны следующим образом:

Ар = А°р + ка (1.1)

где А р есть некоторый информативный акустический параметр, который в различных методиках строится по-разному и обычно содержит времена распространения упругих волн различных типов. А р - значение акустического параметра в ненапряженном материале, к - акустоупругий коэффициент, СГ - действующее внешнее напряжение.

Для идеального бездефектного и бесструктурного материала величины А и к являются постоянными и выражаются соответственно через константы упругости второго и третьего порядков и могли бы быть легко рассчитаны или определены экспериментально.

.В реальном случае величины А°р и к зависят от огромного количества структурных факторов, учет которых в рамках строгих моделей невозможен. Измерение констант упругости второго и, особенно, третьего порядка материала с точностью, необходимой для вычисления напряжений по данным акустических измерений, довольно сложная задача. Большинство конструкционных материалов акустически анизотропны. Скорость распространения упругих волн сама по себе не является измеряемой величиной, а изменения скорости в условиях изменяющейся толщины не прямо пропорционально изменениям контролируемых величин напряжений.

В данной работе при построении алгоритма определения напряжений взяты за основу соотношения, аналогичные уравнениям фотоупругости. Определение напряжений базируется на том, что в напряженных телах возникает акустическое двупреломление поляризованных ультразвуковых волн.

Существующая аналогия между методом фотоупругости и методом акустоупругости позволила при построении алгоритма определения

напряжений, взять за основу соотношения, аналогичные уравнениям фотоупругости:

У\ =Ут(1 + к,ст1+к2сг2) (1.2)

Уг + (1.3)

где ^01 > ^02> - скорости распространения сдвиговых волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно направлению действия нагрузки,

<71. , > У2 ' напряжения и соответствующие им скорости волн,

,к2 - коэффициенты акустоупругой связи, которые определяют чувствительность скорости сдвиговых волн к напряжениям, определяются экспериментально.

Учет изменения толщины материала при изменении напряженно-деформированного состояния предлагается осуществить за счет включения в алгоритм дополнительного измерения скорости продольной волны:

V-з = Ут(1 + к3сг,+к2сг2) (1.4)

где величина к3 находится экспериментально аналогично

величинам кх,к2.

Алгоритм определения напряжений может быть построен в соответствии с системой трех уравнений:

= (1.5)

'1 о

к2ах+кха2=~^-\ (1.6) 2 0

к,стх+к3а2=у^-1 (1.7)

'3 о

где ¿о ,Ь - путь распространения волны до и после возникновения

напряжений, ^ор^ог^оз - времена распространения волн указанных

выше типов (измеряемые параметры).

Полученный алгоритм определения напряжений: ах=Кх\-К2к2 (1.8)

о2=КхЬ2-К2\ (1.9)

где:

(1.10)

(1.11)

{к, -къ]-(кг-к^

(1.12)

- къ У - (к2 - къ У

(1.13)

Коэффициенты акустоупругой связи кх,к2, кг являются тангенсами угла наклона зависимостей : tn■—t■, .

^Т^И- (1.14)

Результаты экспериментов показали, что в случае сильно текстурованных сталей система уравнений (1.8) - (1.9), положенная в основу алгоритмов акустической тензометрии, дает значительную погрешность. Причина этого - влияние исходной анизотропии на величину акустоупругих коэффициентов. Исходная система уравнений для получения расчетных соотношений должна быть записана следующим образом:

К =К(1 + кпсг1 +кп°г) Уъ = У3°(1 + кг1ах + к,2а2)

о

(1.15)

0

Из системы (1.14) получаем выражения для напряжений и

(1.16)

где:

к -к

g ____ 32 22

^2 =

^3 =

fe - ки)(к32 -к22)-кз2 -fe — кп — к21)(к32 -кп) (1.17)

fe -кп)(к32 — к22) -fe — к2})(к32 ~к12) (1.18)

к31 -кп (1.19)

-кп)(к32 -к22) к31 -fe -к21 — k2i)(k32 -К г)

£ __Л31 "71_

(к31 — ки)(к32 -k22) — (k3i-k21 ){k32 -k12)

В классических работах по акустоупругости обычно предпринимаются попытки получить теоретически, а затем использовать на практике коэффициенты акустоупругости для двухосного напряженного состояния через легко определяемые экспериментально коэффициенты акустоупругости для одноосного напряженного состояния. В силу особенностей поведения текстурованных материалов этот путь может привести к значительной погрешности.

В случае текстурованных материалов наиболее строгой представляется процедура определения акустоупругих коэффициентов кп,к21,к12,к22 предполагающая испытание двух групп образцов, вырезанных вдоль и поперек текстуры материала (продольные и поперечные образцы)

В первом случае упругие напряжения обозначим СГ} (соответствует осевому напряжению материала трубопровода), во втором случае (У2 (соответствует кольцевому напряжению).

Из экспериментов по упругому нагружению продольных образцов, в которых регистрировались зависимости акустических параметров d¡ и от и 2 величины действующего напряжения, получим акустоупругие коэффициенты: кп,к21

£ _ 8 ^Аdx _ 1 ddx 11 бег, d® Эст,

(1.17)

Ad2 ч 1 ddn

21 5о", d\ d\ Ser,

Из аналогичных экспериментов по упругому нагружению поперечных образцов получим акустоупругие коэффициенты : к12,к22

Э 1 дд.,

~~ а ^ лО ) _" 70 Д

£ _ " * 2

В случае одноосного напряженного состояния уравнение акустоупругости имеет вид:

а = К'(А0-А) (1Л9)

где А - значение акустической анизотропии, рассчитываемое по формуле: (1-20)

'1

А0 - исходное (нулевое) значение анизотропии,

задержки импульсов упругих поперечных волн, распространяющихся перпендикулярно плоскости действия напряжений с векторами поляризации, направленными соответственно параллельно и перпендикулярно линии действия напряжения;

К'- коэффициент упругоакустической связи, определяемый в процессе тарировочных экспериментов.

Существующие экспериментальные данные указывают на то, что величина коэффициента К Для одного класса материалов достаточно стабильна, и практически вся погрешность определения напряжения в режиме безнулевой тензометрии определяется точностью восстановления параметра Д>

В третьей главе описываются аппаратно-программные средства для проведения акустических измерений.

В основу методики амплитудно - временных измерений положен алгоритм корректного измерения синфазных точек на осциллограмме многократно отраженных импульсов в случае использования объемных (продольных и сдвиговых) волн.

В соответствии с результатами современных исследований для обеспечения наименьшей случайной погрешности временных измерений и увеличения устойчивости измерительного алгоритма в качестве информативной точки в упругом импульсе необходимо брать точку пересечения нулевого уровня после первого максимума.

Был разработан специальный алгоритм и его программная поддержка для определения информативных синфазных точек.

С участием автора была разработана одна из конфигураций автоматизированной акустической системы, предназначенной для оценки физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния материала.

Ниже описаны аппаратно - программные компоненты системы, а также используемые оригинальные пьезоэлектрические преобразователи.

Аппаратная часть системы, содержит:

- блок накопления акустической информации, назначение которого -излучение и прием зондирующих акустических импульсов мегагерцового диапазона, их преобразование в цифровой код, запись в устройство хранения и передача в ПЭВМ;

- комплект оригинальных акустических датчиков;

- ПЭВМ типа NOTEBOOK;

В основу работы аппаратной части системы положен способ подробной регистрации всей серии отраженных акустических импульсов для ее последующей обработки средствами программной части системы.

Для передачи первичной акустической информации в обрабатывающую часть системы (компьютер типа NOTEBOOK) производится последовательное преобразование осциллограммы отраженньк импульсов с определенным шагом дискретизации с момента зондирования исследуемого материала и до прихода п-го отраженного импульса.

Экспериментальные исследования показали, что оптимальной величиной для шага дискретизации является величина 10 не. Эта величина позволяет в рамках решаемой задачи обеспечить относительную погрешность определения временных параметров, не превышающую значения 10'5.

При решении задач мониторинга напряженного состояния, а также при определении абсолютных значений действующих осевых напряжений в трубопроводе, использовались специальные комплексные датчики, техническим результатом использования которых является одновременное получение информации о задержках отраженных импульсов упругих волн различных типов, с учетом изменений температуры контролируемого объекта.

Данная задача решается тем, что комплексный ультразвуковой датчик содержит корпус с выполненными в нем отверстиями в которых установлены подпружиненные по своей продольной оси ультразвуковые преобразователи, причем в корпусе датчика выполнены три отверстия в которых установлены ультразвуковые преобразователи, один с продольной поляризацией излучаемой ультразвуковой волны, два других с поперечной поляризацией во взаимно перпендикулярных плоскостях, также в датчике с противоположной ультразвуковым преобразователям стороны соосно с ними выполнены винты с возможностью перемещения по продольной оси ультразвуковых преобразователей.

Кроме того, в корпусе датчика выполнен термодатчик, функцию которого выполняет совмещенный продольный преобразователь.

Для измерений акустической системой использовались комплексные датчики (рис.1).

Рис. 1. Комплексный датчик Так же использовались раздельно - совмещенные датчики головных волн, выполненные в одном конструктиве с жесткой базой. Конструкция головного датчика (рис.2).

2 1 4 5 3 6

Л_/_/

Рис.2. Датчик головных волн: 1 - двусторонний клин из оргстекла, 2 - излучатель, 3 - приемник, 4 - излучатель - приемник «термоимпульсов», 5 - корпус, 6 - высокочастотный кабель Датчик состоит из двустороннего клина из оргстекла 1 с углом ввода ультразвука 27.5° (для объектов контроля из стали), излучателя 2 и приемника 3 с центральной частотой 4 МГц. Дополнительно датчик содержит излучатель — приемник продольных объемных волн 4, генерирующий последовательность импульсов, распространяющихся перпендикулярно плоскости клина.

База Ь (расстояние между поверхностями излучения и приема) обеспечивала возможность различной ориентации датчика на рабочей поверхности образца.

Температурное изменение суммарного акустического пути приводит к значительным погрешностям временных измерений. Для учета этих температурных эффектов используется специальный дополнительный преобразователь 4, формирующий «термоимпульс». Задержка «термоимпульса» определяется временем его прохождения только в оргстекле и зависит от температуры преобразователя линейным образом. В дальнейшем в процессе измерения задержек импульсов головных волн в расчетный алгоритм вносились соответствующие корректирующие поправки.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной проверки предложенного алгоритма определения НДС.

Для проведения тестовых экспериментов были разработаны специализированные образцы на растяжение (рис. 3 и рис. 4). Форма образцов выбиралась с целью смоделировать в них НДС, аналогичное НДС в линейной части газопроводов, которое характеризуется отношением

Значения напряжений стх и оу в образце №1 (т. 1, т.2), полученные экспериментальным и расчетных путем (смотри таблицу 1).

_Таблица 1

Точка 1 Расчётные значения Измеренные значения

Нагрузка, т 0Х, МПа су, МПа сх, МПа оу, МПа

2 23 58 22 67

4 45 115 50 143

6 68 172 74 201

Точка 2 Расчётные значения Измеренные значения

Нагрузка, т сх, МПа су, МПа сх, МПа сту, МПа

• 2 0 30 -4 34

4 2 61 -9 58

6 4 91 2 92

Рис. 4. Образец №2. Вид конечно-элементной модели

Значения напряжений ох и ау в образце №2 (т.1, т.2, т.З), полученные экспериментальным и расчетных путем (смотри таблицу 2).

Таблица 2

Точка 1 Расчётные значения Измеренные значения

Нагрузка, т ох, МПа оу, МПа ох, МПа Сту, МПа

1,5 -69 1,96 -60 8

2,5 -130 11 -120 20

Точка 2 Расчётные значения Измеренные значения

Нагрузка, т сх, МПа су> МПа ох, МПа Оу, МПа

1,5 -35 35 -32 45

2,5 -60 60 -65 63

Точка 3 Расчётные значения Измеренные значения

Нагрузка, т ох, МПа оу, МПа ох, МПа Оу, МПа

1,5 125 89 130 70

2,5 260 170 268 127

Был проведен комплекс экспериментальных исследований на образцах из трубной стали с целью выяснения возможности использования

головных волн в задачах контроля механических напряжений и сравнения этих возможностей с возможностями объемных и поверхностных волн.

На рис. 5 приведены акустоупругие кривые (зависимости относительных изменений задержек от напряжения) для головных и рэлеевских волн. Исходными считались значения задержек, соответствующие напряжению 100 МПа.

у 1 ^

100 150 200 250 300 сг,МПа Рис. 5. Акустоупругие кривые для Рэлеевских (1) и головных (2) волн

На рис. 6 приведены акустоупругие кривые (зависимости относительных изменений задержек от напряжения) для головной волны в разных направлениях относительно действия нагрузки, д/

\

....... /

/ '

1V

1 !

у ^ 1 - -----4------ 2 \ i "—г ----Г-

О 20 40 60 80 100 120 140 160 „ , „„

МПа

Рис. 6. Акустоупругие кривые для головных волн: 1 - вдоль нагрузки, 2 - поперёк нагрузки, 3 - под 45°

Значения напряжений су полученные экспериментальным и расчетным путем, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Точка 1 Расчётные значения Измеренные значения

Нагрузка, т ау, МПа ау, МПа

ч 65 78

8 118 104

10 150 135

Исследование влияния упругих напряжений на величину задержки импульсов головных волн показало наличие акустоупругого эффекта, сопоставимого по величине с акустоупругим эффектом для объёмных волн. Головные волны обладают рядом преимуществ, связанных с простотой их возбуждения по сравнению с поперечно поляризованными объёмными волнами и значительно меньшей чувствительностью к состоянию поверхности по сравнению с Рэлеевскими волнами.

В пятой главе представлена методика определения НДС линейной части газопровода.

В случае применения представленной методики совместно с компьютерной программой «Ресурс», разработанной на кафедре МТ-7 МГТУ им. Н.Э. Баумана, возможно проведение измерения напряжений по упрощённой схеме, измерение производится только в 3-х точках внешней части трубы соответственно в 9-12-3 часа (т.е. при раскопке верхней части траншеи). Определение напряжений в любой точке по контуру трубы выполняется расчётом при помощи ПК «Ресурс».

Основные выводы и результаты.

1. Анализ дефектности трубопроводов показал необходимость оценки остаточного ресурса, т.к. возраст 80% МГ превышает 15 лет. В условиях резкого нарастания потока отказов (в основном, по причине коррозии) после 10-15 лет эксплуатации практически вся система МГ нуждается в диагностических обследованиях и оценке надежности и остаточного ресурса.

2. Решение о надёжности и остаточном ресурсе сварных конструкций следует принимать на основе определяемых инструментально физико-механических характеристик металла и расчетного анализа поведения дефекта при дальнейшей эксплуатации.

3. Разработан алгоритм определения напряжений, основанный на соотношениях, аналогичных уравнениям фотоупругости и методика определения коэффициентов упругоакустической связи, позволяющая учитывать влияние исходной анизотропии на величину акустоупругих коэффициентов, в случае сильно текстурованных сталей.

4. В случае сильно текстурованных сталей процедура определения акустоупругих коэффициентов требует испытание двух групп образцов, вырезанных вдоль и поперек текстуры материала трубопровода (продольные и поперечные образцы).

5. Разработан специальный алгоритм для обеспечения наименьшей случайной погрешности временных измерений и увеличения устойчивости измерительного алгоритма. В качестве информативной точки в упругом импульсе необходимо брать точку пересечения нулевого уровня после первого максимума.

6. Головные волны обладают рядом преимуществ, связанных с простотой их возбуждения по сравнению с поперечно поляризованньми объёмными волнами и значительно меньшей чувствительностью к состоянию поверхности по сравнению с Рэлеевскими волнами. Головные волны могут быть использованы для определения поверхностных напряжений.

7. Разработаны ультразвуковые датчики для введения различных типов волн и методика контроля напряженного состояния линейной части газопровода различными типами волн. Представленная методика контроля прошла проверку на специально созданном стенде-имитаторе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Об особенностях использования акустического метода контроля напряженного состояния трубопроводов из сталей с регулируемой прокаткой / Н.П. Алешин, А.Л. Углов, A.A. Хлыбов, М.А. Прилуцкий // Контроль. Диагностика.-2008. - №1.- С. 28 - 30.

2. Акустический метод определения осевых напряжений для произвольного участка трубопровода / Н.П. Алешин, А.Л. Углов, A.A. Хлыбов, М.А. Прилуцкий // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.-2008. - №3.-С. 26-28.

3. Алешин Н.П., Углов А.Л., Прилуцкий М.А. О возможности использования головных волн для контроля механических напряжений // Сварка и диагностика.-2008. - №3,- С. 17 - 19.

4. Прилуцкий М.А. Методы определения напряженно-деформированного состояния сварных металлоконструкций

// Известия вузов. Машиностроение.-2008. - №4.- С. 45-54.

Подписано к печати 18.05.09. Заказ №339 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ. 9 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Виды магистральных газопроводов

1.2. Материалы, применяемые при изготовлении магистральных 10 газопроводов

1.3. Виды эксплуатационных нагрузок, действующих на 11 магистральные газопроводы

1.4. Анализ дефектности магистральных газопроводов

1.5. Анализ существующих методов контроля НДС 13 Выводы по главе

Глава 2. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ 21 МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Основные положения

2.2. Алгоритм измерений информативных акустических параметров

2.3 Алгоритм определения упругих напряжений

2.4 Определение осевых напряжений в трубопроводах в режиме 38 безнулевой тензометрии

Выводы по главе

Глава 3. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ 46 СРЕДСТВА СПЕКТРАЛЬНО-АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Спектрально - акустическая система «АСТРОН»

3.2. Конструктивные особенности используемых преобразователей.

3.3. Методика акустических измерений 57 Выводы по главе

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

ПРЕДЛОЖЕННОГО АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НДС

4.1. Проверка определения 1 и 2-х осного НДС на плоских образцах

4.2. Проверка определения 1 и 2-х осного НДС на трубных образцах

4.3. Результаты применения головных волн 84 Выводы по главе

Глава 5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НДС ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ 90 ГАЗОПРОВОДА

Выводы по главе

В настоящее время при производстве сварных конструкций существует определенная вероятность образования различных сварочных дефектов, имеющих металлургический и технологический характер. В основном металле также часто имеются дефекты, образующиеся при производстве металла и последующем изготовлении из него изделий (труб, деталей и т.д.). Приемочный контроль не гарантирует 100% выявляемости дефектов вследствие недостаточного совершенства техники неразрушающего контроля. Поэтому некоторая часть сварных конструкций поступает в эксплуатацию с дефектами. В процессе эксплуатации возможно появление новых дефектов, обусловленных перегрузками при монтаже, превышением нормативных рабочих нагрузок, повреждением в результате контакта с коррозионными средами, ухудшением механических свойств материала с течением времени и т.п. Как правило, пропущенные при выходном контроле и образовавшиеся при эксплуатации дефекты выявляются в процессе плановой диагностики конструкций. По результатам диагностики требуется решить вопрос о надежности и остаточном ресурсе конструкций.

Анализ дефектности трубопроводов показал необходимость оценки остаточного ресурса т.к. возраст 80% магистральных газопроводов (МГ) превышает 15 лет. В условиях резкого нарастания потока отказов (в основном, по причине коррозии) после 10-15 лет эксплуатации практически вся система МГ нуждается в диагностических обследованиях и оценке надежности и остаточного ресурса [1,2].

В соответствии с нормативными документами дефекты могут классифицироваться как допустимые и недопустимые. В последнем случае требуется прекращение эксплуатации конструкций. К сожалению, это решение в отношении действующих объектов (особенно социально-значимых: газопроводов и др.) часто не может быть реализовано незамедлительно.

К тому же нормы допустимости дефектов часто недостаточно научно обоснованы, т.к. не учитывают полностью и точно конкретных условий эксплуатации в части степени нагруженности дефектного узла конструкции, формы и размеров дефектов, свойств материала в зоне дефектов, напряженно-деформированного состояния (НДС) и т.д. Поэтому нормативные значения могут иметь существенные отклонения как в положительную, так и в отрицательную стороны. Таким образом, решение о надёжности и остаточном ресурсе конструкции следует принимать на основе оценки НДС и расчетного анализа поведения дефекта при дальнейшей эксплуатации.

Задача определения физико-механических характеристик для оценки остаточного ресурса обусловила разработку многочисленных методов — механических, оптических, электрических, магнитных, рентгеновских и других. При наличии определенных достоинств каждый из перечисленных методов обладает и рядом недостатков.

Проведенный анализ показал, что акустический метод определения напряжений, основанный на эффекте акустоупругости, в отличие от методов, основанных на других физических принципах (таких как фотоупругость, магнитоупругость и др.) и часто превосходящих метод акустоупругости по чувствительности к изменениям напряжений, результаты применения методов акустоупругости в реальных инженерных ситуациях для материалов со сложной структурой, показывают их меньшую суммарную погрешность. Это связано с повышенной информативностью параметров упругих волн, обеспечивающих идентификацию структуры материала и конкретизацию используемых тарировочных кривых. В силу близости природы и взаимосвязи упругих характеристик металла и ультразвуковых волн акустические методы контроля являются весьма эффективными [1,3].

Эффект акустоупругости заключается в том, что скорость поляризованных волн, распространяющихся в напряженном твердом теле, зависит от величины напряжения. На практике под термином акустоупругость» понимают зависимость скорости ультразвука от механических напряжений.

При рассмотрении вопросов, связанных с распространением волн в деформированных твердых телах, представлений линейной теории упругости оказалось недостаточно. Объясняется это, в первую очередь, тем, что деформация представляет собой нелинейное явление, поскольку тензор деформации выражается в общем случае нелинейно через производные соответствующих проекций векторов деформации по координатам. Опираясь на работы Ф. Мурнагана по нелинейной пятиконстантной теории упругости, М. Био сделал вывод о том, что условия распространения упругих волн при отсутствии и наличии начальных напряжений в среде принципиально различаются [4,5].

В 70-х гг. во ВНИИНКе (г. Кишинев) начинаются интенсивные исследования явления акустоупругости, направленные на разработку теоретических представлений, методик контроля, портативной диагностической аппаратуры.

Значительный вклад в развитие теории и практики акустоупругости внесли работы 80-х годов советских учёных А.Н. Гузь, О.И. Гуща, Ф.Г. Махорт и др. [6-8].

В.М. Бобренко, А.Н. Куценко, М.С. Вангели и др. внесли значительный вклад в развитие матричного подхода к задачам акустоупругости [8 - 10].

Б.А. Конюхова и Н.Е. Никитина провели работы по использованию нелинейного взаимодействия упругих волн для контроля напряжений в условиях структурной неоднородности материала.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по акустодиагностике НДС во Фраунгоферовском институте неразрушающего контроля (КРР) под руководством Э. Шнайдера. Для расчёта скорости ультразвуковых волн используется методология, основанная на решении уравнений движения, где выводится зависимость скорости ультразвуковых волн от трехосных напряжений. Зная коэффициенты Мурнагана для конкретных материалов по скоростям ультразвука определяются остаточные напряжения в материалах [12].

В Обнинском государственном техническом университете атомной энергетики под руководством А.И. Трофимова ведутся работы над автоматизированной системой ультразвукового контроля напряженного состояния металла. Для расчёта скорости ультразвуковых волн используется методология основанная на решении уравнений движения [13,34].

В Нижнем Новгороде A.J1. Углов занимается вопросами спектрально -акустической оценки физико-механических характеристик конструкционных материалов [14].

Поскольку ультразвуковые методы обеспечивают уникальную возможность получения интегральной оценки по всему объему реальной детали в условиях эксплуатации, понятен постоянно возрастающий интерес к ним во всех промышленно развитых странах, причем существует ряд центров в СНГ, США, Японии, Германии, Франции. Так, например, в США исследования в области акустодиагностики напряженно-деформированного состояния субсидируются такими организациями, как министерствами обороны, энергетики, транспорта, NASA, National Science Foundation.

Однако, остается нерешенным вопрос о практическом применении методов акустоупругости на реальных инженерных объектах таких как магистральные газопроводы. При исследовании полей напряжений в промышленных образцах возникает множество дополнительных проблем связанных со сложностью в общем случае НДС, влиянием внешних факторов, отсутствием надёжной портативной аппаратуры, методик контроля и соответствующего метрологического обеспечения.

К числу наименее исследованных задач акустоупругости, решение которых в настоящий момент является в то же время наиболее востребованным, относятся задачи безнулевой акустической тензометрии.

Решение этих задач хотя бы в ряде частных случаев чрезвычайно важно для ответственных дорогостоящих технических объектов, таких как магистральные трубопроводы, непроектные нагрузки на которые могут вызвать их разрушение.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Анализ существующих методов акустического определения двухосного напряженного состояния текстурированных материалов с целью выяснения причины их неудовлетворительной точности и разработка оптимального алгоритма и методики определения коэффициентов упругоакустической связи.

2. Создание и экспериментальная проверка способа определения осевых напряжений в материале газопроводов, основанный на использовании принципа восстановления начального ненапряженного состояния материала за счет использования дополнительных акустических измерений.

3. Разработка и экспериментальные исследования конструкции специальных датчиков, обеспечивающих измерение всех акустических параметров, необходимых для реализации как режима акустического мониторинга напряжений, так и режима безнулевой тензометрии.

4. Апробация разработанной методики определения напряженно -деформированного состояния линейной части газопровода.

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ

1. Анализ дефектности трубопроводов показал необходимость оценки остаточного ресурса т.к. возраст 85% МГ превышает 15 лет. В условиях резкого нарастания потока отказов (в основном, по причине коррозии) после 10-15 лет эксплуатации практически вся система МГ нуждается в диагностических обследованиях и оценке надежности и остаточного ресурса.

2. Решение о надёжности и остаточном ресурсе сварных конструкций следует принимать на основе определяемых инструментально физико-механических характеристик металла и расчетного анализа поведения дефекта при дальнейшей эксплуатации.

3. Установлены причины неудовлетворительной точности ряда методов акустического определения НДС. Разработан оптимальный алгоритм определения напряжений, основанный на соотношениях, аналогичных уравнениям фотоупругости и методика определения коэффициентов упругоакустической связи, позволяющая учитывать влияние исходной анизотропии на величину акустоупругих коэффициентов, в случае сильно текстурованных сталей.

4. В случае сильно текстурованных сталей процедура определения акустоупругих коэффициентов, предполагает испытание двух групп образцов, вырезанных вдоль и поперек текстуры материала трубопровода (продольные и поперечные образцы).

5. Разработан специальный алгоритм для обеспечения наименьшей случайной погрешности временных измерений и увеличения устойчивости измерительного алгоритма.

6. Головные волны могут быть успешно использованы в ряде задач по повышению достоверности определения НДС. Головные волны обладают рядом преимуществ, связанных с простотой их возбуждения по сравнению с поперечно поляризованными объёмными волнами и значительно меньшей чувствительностью к состоянию поверхности по сравнению с Рэлеевскими волнами.

1. Щербинский В.Г., Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 496 с.

2. Харионовский В.В. Надежность и ресурс конструкций газопроводов. -М.: ОАО «Издательство «Недра», 2000. 467 с.

3. Никитина Н.Е. Исследование структурного и напряженного состояния твердых сред с помощью упругих волн: Дис. . д.т.н. Н.Новгород.:Нф ИМАШ РАН, 1994. - 327 с.

4. Зарембо Л.К., Красильников В.В. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966.-519 с.

5. Труэлл Р., Эльбаум И., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела.- М.: Мир, 1972. 307 с.

6. Методика. Техническая диагностика. Определение напряжений в элементах конструкций акустическим методом / А.Н. Гузь, О.И Гуща, Б.А. Конюхов и др. Горький: Гф ВНИИНМАШ, 1977. - 32 с.

7. Гузь А.Н. О линеаризованной теории распространения упругих волн в твердых телах с начальными напряжениями // Прикладная механика, -1978. N4. - С.3-32.

8. Гузь А.Н. ,Махорт Ф.Г. ,Гуща О.И. Введение в акустоупругость.-Киев: Наукова думка, 1977. -162 с.

9. Бобренко В.М., Куценко А.Н., Рудаков A.C. Акустическая тензометрия // Контроль. Диагностика. 2001. - №4. - С.23-39.

10. Анисимов В.А., Бобренко В.М., Куценко А.Н., Шереметиков A.C. Расчетные соотношения акустической тензометрии для поверхностных волн Рэлея // Дефектоскопия. 1993. - №1. - С.59-64.

11. Куценко А.Н., Шереметиков A.C., Анисимов В.А. Контроль напряжений с помощью поверхностных акустических волн Рэлея // Дефектоскопия. -1990. № 7. - С.95-96.

12. Schneider E. Untersuchung der materialspezifischen Einflüsse und verfahrenstechnische Entwicklungen der Ultraschallverfahren zur Spannungsanalyse an Bauteilen. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2000. -154 s.

13. Трофимов А.И., Минин С.И., Трофимов M.A. Методы контроля и снятия напряжений в основном металле и сварных соединений конструкций АЭС. М.: Энергоатомиздат, 2005. - 272 с.

14. Углов А.Л., Попцов В.М., Углова О.В. Современные акустические методы контроля качества материалов элементов машин и конструкций. -М.: ВНИИКИ, 1989. 36с.

15. Трофимов А.И., Минин С.И., Трофимов М.А. Методы контроля динамических напряжений в элементах конструкций ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 2005. - 203 с.

16. Неразрушающий контроль. Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004. - Т.4. -736 е.: ил.

17. Мурзаханов Г.Х. Диагностика технического состояния и оценка остаточного ресурса магистральных трубопроводов: Учебное пособие /Под ред. А.И. Владимирова, В.Я. Кершенбаума. М.: Национальный институт нефти и газа, 2005. - 72 с.

18. Канайкин В.А., Матвиенко А.Ф. Разрушение труб магистральных газопроводов. — Екатеринбург: Уральский Университет, 1997. 102 с.

19. Гриб В.В. Диагностика технического состояния оборудования нефтегазохимических объектов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2002. -268 с.

20. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах

21. Г.Н. Чернышев, A.JI. Попов, В.М. Козинцев, И.И. Пономарев М.: Наука.Физматлит, 1996. - 63 с.

22. Антонов A.A. Разработка научных основ метода определения остаточных напряжений в сварных конструкциях с применением голографическойинтерференции: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., 1984. - 470 с.

23. Никитина Н.Е Влияние собственной анизотропии материала на точность измерения напряжений методом акустоупругости // Дефектоскопия. -1996.-№8.-С. 77-84.

24. Акустический метод определения напряжений в условиях структурной неоднородности материала / Б.А. Конюхов, Н.Е. Никитина Н.Е, А.Е. Розенталь, A.JI. Углов // Доклады X Акустической конф. (Секция Н). -М.: Акуст. Институт, 1983. С. 127-130.

25. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Билута Л.Б. Взаимосвязь структуры и механических свойств инструментальной углеродистой стали со скоростью распространения ультразвуковых колебаний // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1992. - № 2. — С. 69 — 71.

26. Schreider Е., Chu S.L., Salama К. Nondestructive determination of mechanical properties //Rev. Progr. Quant. Nondestruct. 1985. - P.867-873.

27. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. - 399с.

28. Бондаренко А.П., Кондратьев А.И. Измерение дисперсии скорости и затухания упругих волн // Акустический журнал. 1981. - №1. - С.51-55.

29. Заявка на изобретение № 2000132492. Способ измерения механических напряжений в конструкционных материала / А.Л. Углов, В.М Попцов, О.Ю. Баталин. Приоритет от 25.12.2000 г.

30. Заявка на изобретение № 2001103566. Способ измерения осевых механических напряжений в трубопроводах / А.Л. Углов, О.Ю Баталин. Приоритет от 06.02.2001 г.

31. Углов А.Д., Попцов В.М. Новая автоматизированная система неразрушающего контроля прочности и надежности элементов машин и конструкций //Машиностроитель. 1993. - №11. - С.2-4.

32. Заявка на изобретение № 2002107763. Комплексный ультразвуковой датчик / А.Л. Углов, В.М. Андрианов, О.Ю. Баталин. Приоритет от 29.03.2002 г.

33. Кондратьев А.И. Прецизионные измерения скорости и затухания ультразвука в твердых телах // Акустический журнал. 1990. - № 3. -С.470-476.

34. СНиП 2.05.06-85 Магистральные трубопроводы. М: Государственный комитет СССР по делам строительства, 1985. - 40 с.

35. СНиП П-23-81 Стальные конструкции. М: Государственный комитет СССР по делам строительства, 1982. - 57 с.