автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Развитие теории, создание способов, средств и технологии определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов магнитными методами неразрушающего контроля

т,

На правах рукописи /

Кузнецов Алексей Николаевич

Развитие теории, создание способов, средств и технологии определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов магнитными методами неразрушающего контроля

Специальность 05.11.13 -Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

3 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2013

005534063

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ) Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника» МГУПИ Шатерников Виктор Егорович. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Покровский Алексей Дмитриевич; доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник МНПО «СПЕКТР» Шелихов Геннадий Степанович;

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

«Приборостроение, метрология и сертификация» ФГБОУ ВПО

«Госуниверситет-УНПК»

Подмастерьев Константин Валентинович.

Ведущая организация: Федеральное бюджетное учреждение Научно-технический центр «Энергобезопасность» (Ростехнадзор). Защита состоится «26» ноября 2013 г. В 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний ученого совета МГУПИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учредителя, просьба направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан 23 сентября 2013 г. Ученый секретарь

Диссертационного совета Д212.119.01, Доктор технических наук, профессор

Филинов В.В.

1. Общая характеристика работы.

Актуальность

Трубопроводный транспорт является одним из самых дешевых и надежных транспортов при доставке жидких и газообразных продуктов на значительные расстояния. Как правило, трубопроводы изготавливаются из стальных труб, соединенных между собой сваркой. Технические и эксплуатационные характеристики трубопроводов обеспечиваются за счет выбора необходимого типа труб с заданным уровнем физико-механических свойств металла этих труб. Однако в процессе длительной эксплуатации технические характеристики трубопровода изменяются и могут перейти критические значения, при которых возможно «самопроизвольное» разрушение трубопровода.

Как известно действующие трубопроводы подвержены комплексу воздействий, приводящих к деструкции его металла. При этом из-за неравномерности таких воздействий по длине трубопровода степень деструкции металла в отдельных зонах может достигнуть критических значений и привести к разрушению трубопровода при нормальной работе основной части трубопровода.

Отправными точками, характеризующими появление в металле трубопровода элементов деструкции можно назвать: повышение плотности дислокаций (снижение пластических свойств металла); образование пор и микротрещин (элементы разрушения); коррозию металла.

Рассматривая весомость факторов, приводящих к ускоренной деструкции металла в локальных зонах, можно отметить, что главенствующее значение в этом процессе имеют действующие в данной зоне металла трубопровода механические напряжения. Причем, чем выше уровень напряжений, тем деструкция металла наступает быстрее.

Исследования по оценке распределения отказов на трубопроводах после различных сроков эксплуатации показывают, что количество отказов резко возрастает после 15 лет эксплуатации.

В этом же интервале времени наблюдается существенное снижение ударной вязкости металла труб и других характеристик, определяющих его пластические свойства. Например, относительные удлинение и сужение металла при эксплуатации трубопровода более 20-ти лет снижается более чем на 30% , а ударная вязкость металла уменьшается до значений, ниже нормативных требований.

Проводимые работы в соответствии с действующей нормативной документацией по оценке состояния трубопроводов, в том числе внутритрубная диагностика не обеспечивают необходимую надежность. Разрушения трубопроводов происходят, в том числе и на участках подвергнутых диагностике. Эти данные свидетельствуют о недостаточной достоверности оценки состояния трубопроводов по результатам диагностики.

В связи с этим работы, направленные на создание методологии нераз-рушающей оценки состояния действующих трубопроводов, являются актуальными.

Цель работы и задачи исследований

Целью диссертации является разработка методологии неразрушающего определения ресурса безопасной эксплуатации действующих стальных трубопроводов на основе исследования и создания методик и средств выявления локальных зон трубопровода с максимальной деструкцией металла и определении степени этой деструкции.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать состояние металла трубопроводов, разрушенных в процессе аварий, выявить закономерности изменения свойств металла и влияние внешних факторов на наступление разрушений;

- расчетно-экспериментальным путем оценить качественные изменения свойств металла в локальных зонах трубопроводов, работающих под давлением и разработать методику определения предельного состояния этого металла;

- разработать критерии оценки состояния металла трубопроводов в процессе их эксплуатации;

- исследовать и предложить информативные параметры средств неразрушающего контроля для реализации разработанных критериев оценки состояния трубопроводов;

- разработать и внедрить средства неразрушающего контроля для измерения выбранных информативных параметров;

- разработать и внедрить методики неразрушающего определения информативных параметров состояния трубопровода;

- разработать и внедрить методологию оценки состояния действующих стальных трубопроводов на основе данных неразрушающего контроля и измерений в локальных зонах трубопровода;

- разработать и внедрить методологию оценки ресурса безопасной эксплуатации действующих трубопроводов.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в разработке на базе магнитных методов неразрушающего контроля и теории металловедения научно-методических основ комплексного неразрушающего контроля состояния стальных конструкций в процессе их эксплуатации и выражается в следующем:

- на основе определения пространственного положения трубопровода получены соотношения, позволяющие выявлять зоны трубопровода с максимальными напряжениями, как правило, участки с минимальным радиусом изгиба трубы, а также установлено, что на протяженных прямолинейных участках трубопровода (длиной больше 20 наружных диаметров этого трубопровода), работающего под давлением, осевые напряжения близки к нулю;

- разработан алгоритм определения предельного значения деструкции в стальных трубопроводах, заключающийся в последовательности технологических операций по определению первой точки деструкции стали при ее деформировании;

- разработана модель изменения доменной структуры стали под нагрузкой, заключающаяся в представлении прохождения границ доменов по узлам кристаллической решетки, в которых имеются неоднородности и перемещении этих границ при механическом и магнитном воздействии на сталь, позволяющая прогнозировать изменение магнитных характеристик стали при изменении ее свойств;

- определен параметр магнитного метода неразрушающего контроля (коэрцитивная сила), позволяющий оценить степень деструкции стальных трубопроводов;

- получены соотношения, показывающие, что коэрцитивная сила стали пропорциональна величине относительной пластической деформации стали в степени 1/2;

- разработан метод определения коэрцитивной силы на основе регистрации времени с начала перемагничивания стали до максимума ЭДС сигналов магнитного шума за каждый период перемагничивания;

- получены соотношения позволяющие использовать параметры магнитного шума в стали (ЭДС магнитного шума вдоль и поперек трубы) для определения абсолютных значений напряжений действующих в трубопроводе.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработана и внедрена методика определения ресурса безопасной эксплуатации стальных трубопроводов на основе оценки степени деструкции металла труб в локальных зонах с максимальным уровнем напряжений и деформаций;

- разработана и внедрена методика выявления зон деструкции в стальных трубопроводах на основе измерения коэрцитивной силы в зонах с максимальными напряжениями и деформациями;

- разработана и внедрена методика определения напряжений в действующих трубопроводах магнитным методом на основе измерения ЭДС магнитного шума вдоль и поперек трубы;

- создан портативный магнитошумовой прибор для определения абсолютных значений напряжений в стальных трубопроводах, с автоматическим пересчетом данных измерений ЭДС магнитного шума в вдоль и поперек трубы в величины напряжений;

- создан портативный магнитошумовой прибор для определения коэрцитивной силы в поверхностных слоях стальных конструкций;

- методические разработки автора (определение наиболее опасных участков трубопровода, оценка коррозионной активности среды в зоне трубопровода, определение напряжений в трубопроводах магнитными методами) вошли в качестве обязательных в СТО Газпром 2-2.3-095-2007 «Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов»;

- методические разработки автора вошли в новые редакции ГОСТ Р 51164 и ГОСТ 9.602 в части определения локальных участков трубопроводов наиболее подверженных коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, а также свойств сталей по измеренной коэрцитивной силе;

- методические разработки автора вошли в качестве обязательных в методические указания ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) по проведению экспертизы промышленной безопасности трубопроводов, работающих под давлением;

- разработаны типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов, в области эксплуатации, обслуживания и диагностики объектов добычи и транспортировки газа системы ОАО «Газпром».

Реализация результатов работы:

1. Разработанные методики и устройства использованы:

- в ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) для определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов, а также для измерения напряжений в стальных трубопроводах различных объектов, в том числе при проведении экспертизы промышленной безопасности газопроводов в Брянской, Орловской, Смоленской, Тверской и др. областях;

в ОАО «Оргэнергогаз» для определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов на ряде объектов Газпрома, в том числе, на объектах газотранспортных предприятий «Мострансгаз», «Са-маратрансгаз», «Томсктрансгаз», «Тюментрансгаз», «Таттрансгаз», «Газпром трансгаз Ухта», «Ямбургазодобыча», на объектах в Армении, Германии и др;

- в ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» для определения напряженно-деформированного состояния участков трубопровода в местах установок вставок электроизолирующих;

- в учебном процессе предприятий Газпрома и ООО «Завод импульсной техники».

2. Разработанные типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов предписаны для повышения квалификации специалистов по транспортировке газа, входящих во 2-ю группу специальностей (должностей) в системе непрерывного фирменного профессионального образования (СНФПО) ОАО «Газпром».

3. Разработки автора использованы в НПЦ «Гарантия-М» (НИМИ) при создании магнитошумовых приборов «ПИОН-ОЗ» и «ПИОН-ОЩ».

4. Методические разработки автора защищены 4 патентами РФ на изобретения.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции (г. Сочи 2000, 2001, 2007 г.г.), Международных конференциях в Риме (2000 г.), Тунисе (2001 г.), Мальта (2003 г.), а также на семинарах в МГУПИ, НИМИ, ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» и др.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 35 печатных работ, в том числе 4 патента РФ на изобретения. 9 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ. Одна монография на 388 страницах. Две работы являются стандартами ОАО «Газпром».

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 212 страницах машинописного текста, иллюстрируется 87 рисунками, 14 таблицами и состоит из введения, 6-ти глав, общих выводов, списка литературы из 190 наименований и приложений.

Личный вклад автора

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной рабо- . те, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Математические зависимости для оценки напряженного состояния в локальных зонах действующих трубопроводов и методику выявления локальных зон трубопроводов с максимальными напряжениями и деформациями для оценки состояния металла трубопровода.

2. Критерий оценки предельного состояния Металла для определения ресурса безопасной эксплуатации стальных трубопроводов и методику определения предельной деструкции стали для оценки ресурса трубопроводов.

3. Аналитические соотношения для качественной оценки связи магнитных характеристик ферромагнетиков со степенью их пластической деформации и действующими напряжениями и методику определения ресурса стальных трубопроводов работающих под давлением.

4. Модель изменения доменной структуры стали под нагрузкой, позволяющей прогнозировать изменение магнитных характеристик стали при изменении ее свойств и методику определения степени деструкции металла в локальных зонах стальных трубопроводов с использованием магнитных методов неразрушающего контроля.

5. Методику определения напряжений в стальных трубопроводах с помощью магнитных методов неразрушающего контроля.

6. Портативные магнитошумовые приборы для определения напряжений и оценки степени пластической деформации металла в стальных объектах.

2. Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе на основе анализа разрушений трубопроводов в процессе их эксплуатации, оценки критериев и методик определения технического состояния трубопроводов отмечены закономерности разрушений трубопроводов и сформулированы задачи исследований по разработке комплексной методологии неразрушающего определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов, работающих под давлением. При этом предложено ресурс безопасной эксплуатации трубопровода определять на основе анализа со________________________ . . стояния труб в локальных зонах.

Мщ 3 О

*& '■' V.'*' > ' Рис. 1. Разрушенный участок газопровода при аварии: диаметр трубы 820 мм, толщина стенки 8,5 мм.

Анализ показывает, что основное количество аварий происходит из-за развития трещин напряжения. Данные по распределению количества аварий по годам эксплуатации, вызванных этой причиной, приведены на рис. 2. Из приведенных данных видно, что при сроках эксплуатации газопроводов от 18 до 30 лет происходит более 90% всех аварий, с максимумом в 25 лет и резкое уменьшение их числа после 35 лет эксплуатации.

Рис.2. Распределение аварий, произошедших по причине образования и развития трещиноподоб-ных дефектов.

Исследование механических свойств металла трубопровода, в процессе эксплуатации показывает, что со временем происходит существенное снижение ударной вязкости металла труб и других характеристик, определяющих его пластические свойства.

Установлено, что, например, относительные удлинение и сужение металла при эксплуатации трубопровода более 20-ти лет снижается более чем на 30% , а ударная вязкость металла (сталь 17ГС) уменьшается до 20 Дж/см2, что значительно ниже нормативных требований.

Проведенные исследования показывают, что чаще всего разрушению конструкции предшествует изменение свойств металла, а именно, повышение его чувствительности к надрезу, которое в совокупности с действующими напряжениями доводит объект до «внезапного» разрушения.

Причем разрушения происходят не на всем протяжении трубопровода, а на отдельных участках и определенных зонах. Выявление таких участков, склонных к «внезапному» разрушению создает предпосылки для разработки технологии контроля состояния трубопровода на основе измерений в локальных зонах.

В главе показано, что практические критерии оценки ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов на основе измерения свойств металла отсутствуют. В настоящее время стандартизованных методик учета свойств металла при оценке технического состояния трубопроводов нет.

<=г

£150

0

л 100

1

? 50

10 12:5 15 17,5 Годы эксплуатации, лет

Рис. 3. Изменение ударной вязкости стали 17ГС в процессе эксплуатации.

В связи с этим данные работы вошли в основные при постановке задач исследований данной диссертации.

Во второй главе приведены исследования, полученные в рамках работы над диссертацией, по определению наиболее напряженных зон трубопровода, позволяющие выполнять практические работы на действующих трубопроводах по оценке фактических значений напряжений в стенках трубопровода. Приведены основные критерии по выбору зон трубопровода для оценки состояния металла трубопровода и определения ресурса его безопасной эксплуатации с учетом действующих напряжений и состояния грунтов.

Установлено, что разрушение трубопроводов, как правило, возникает в зонах, где действуют максимальные напряжения и максимальна коррозионная активность грунтов.

На основе проведенных исследований предлагается при оценке состояния ответственных трубопроводов в первую очередь контролировать потенциально опасные участки и на них определять зоны с максимальными действующими напряжениями.

При этом к потенциально опасным, в соответствии с СТО Газпром 2-2.3095-2007 «Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов» (автор участвовал в разработке СТО), следует относить участки трубопроводов, которые характеризуются следующими признаками:

- участки, имеющие сложную конфигурацию в горизонтальной или вертикальной плоскостях;

- участки примыкания к компрессорным станциям со стороны высокого давления;

- пересечения с автомобильными или железными дорогами, другими искусственными сооружениями;

- подводные переходы;

- участки с высокой интенсивностью балластировки;

-участки с высоким уровнем грунтовых вод;

- участки, на которых имели место отказы, сопровождающиеся разрушением отдельных отрезков трубопровода.

В качестве наиболее напряженных зон в трубопроводе (в том числе на потенциально опасных участках) предлагается выбирать следующие участки:

- участки прогиба трубопровода под действием нагрузок;

-участки с нарушениями профиля сечения трубы (овалы);

- участки утонения стенок трубопровода (в том числе за счет коррозии);

- участки с различными дефектами.

Проведены аналитические оценки по выявлению в трубопроводе наиболее напряженных сечений, обусловленных прогибом трубопровода, которые позволяют на основании данных измерений прогибов на конкретных участках, выбрать зоны для проведения измерений фактических напряжений в металле и определению его механических свойств.

Такими зонами являются:

- сечения в зоне выхода трубопровода из грунта для безопорных пролетов или сечения в зоне опор;

- сечения в зоне с минимальным радиусом кривизны.

Расчеты, и эксперименты по проверке этих расчетов, позволяющие выявить зоны с максимальными действующими напряжениями, приведены ниже.

Как известно, связь напряжений с деформациями при двухосном нагру-жении (именно такая схема действует в трубопроводе) можно выразить следующими соотношениями:

а, =Е(е,+У82)/(1-у2), а2 =Е(£2+УЕ,)/(1-У2Х

(1)

где С/, <72 - осевые и окружные напряжения соответственно; Б - модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; £/, г2 - осевые и окружные деформации соответственно.

Из (1) и (2) можно записать

о> =Ее2+УСП- (3)

Экспериментальные работы по оценке действующих напряжений в трубопроводах, выполненные автором с помощью магнитошумовых приборов показали, что на протяженных прямолинейных участках трубопровода (длиной больше 20 наружных диаметров этого трубопровода), работающего под давлением, осевые напряжения О/ близки к нулю. На таких участках окружные напряжения о? можно определить из известного соотношения:

а2 =Р(Р.Т- И)/И, (4)

где Р - давление продукта в трубопроводе; Ят - наружный радиус трубопровода; И - толщина стенки трубопровода в зоне контроля.

В тоже время, при наличии на трубопроводе прогиба с радиусом Яр, вызванного различными внешними факторами, осевые напряжения уже отличны от нуля. Как видно из (3), осевые напряжения влияют на окружные

напряжения, обусловленные давлением продукта в трубопроводе. Причем степень влияния этих напряжений на различные зоны металла различна и зависит от радиуса изгиба трубопровода. Напряженное состояние трубопровода в таких зонах можно оценить, определив в них эквивалентные напряжения. На рис.4 приведен фрагмент изогнутого трубопровода и отмечены зоны с максимальной разницей эквивалентных напряжений по сечению, а именно, аэквн (в т.А) и сгэтв (в т.В).

Рис.4. Схема участка трубопровода в зоне изгиба: Ят - наружный радиус трубопровода; А - толщина стенки трубопровода; Яг - радиус изгиба трубопровода; аэкв и аэкв - эквивалентные напряжения на наружном и внутреннем участке трубопровода в зоне изгиба соответственно.

Уровень эквивалентных напряжений (ажв — напряжение, которое следует создать в растянутом образце, чтобы его напряженное состояние было равно-опасно с заданным) в т.А и т.В можно определить, используя теорию предельного состояния Мора и известное соотношение для оценки изгибных напряжений в балке при радиусе прогиба балки Яг. Такое соотношение для оценки изгибных напряжений (о#) имеет вид

где Яг - наружный радиус трубопровода.

При трехосном напряженном состоянии материала с главными напряжениями сг/хт/хт/ согласно теории предельного состояния Мора для пластичных материалов эквивалентное напряжение в конкретной точке можно определить из соотношения:

ажв=а!-ксг/, (6)

где к =<утр1<7тс {<Утр и <?тс ~ напряжения предела текучести при растяжении и сжатии материала соответственно). Для трубных сталей с высокой степенью достоверности можно принять к =1.

Для определения эквивалентных напряжений в точках А и В рассмотрим распределение главных напряжений в этих точках.

Точка А.

а/=а2 = Р(ЯТ- И)/И, а2=+сги=ЕЯт/Яг, сг/=0. Соответственно

Точка В.

ст/=02 = Р(ЯТ- И)/И, а2'=0, аз'=-аи=-ЕЯт/Яг- Соответственно

ахян = а/-а/ = [Р(ЯТ- И)/И]+ (ЕЯТ/ЯГ). ( 8 )

Как видно из соотношений (7, 8) эквивалентные напряжения на внутреннем участке изгиба трубы (ажвв) будут выше, чем на выпуклой части трубы ажвн в зоне прогиба.

Таким образом, результаты расчета позволяют определить на действующем трубопроводе наиболее напряженный участок, которым является зона с минимальным радиусом изгиба.

Оц-ЕЯт/Яг,

(5)

а,„н = а,'-а3' = Р(ЯТ- И)/И.

(7)

Для экспериментальной проверки данных выводов проведены испытания образцов труб с изгибом. Испытаны гидронагружением до разрушения отводы труб, изготовленные из стали 20. На рис. 5 показан вид исходного и разрушенных отводов: радиус гиба трубы - 238 мм; диаметр трубы - 159 мм; толщина стенки трубы - 8 мм.

что различного рода изгибы трубопровода приводят к появлению в локальных зонах изгибов дополнительных напряжений в металле, что, может привести к превышению предельной нагрузки и, как следствие, к разрушению трубопровода. Дополнительные напряжения снижают ресурс работы металла трубопровода. Установлено, что деструкция (медленное разрушение) металла проходит более интенсивно в зонах с более высоким уровнем напряжений. Кроме того установлено, что чем выше уровень действующих напряжений тем активнее происходят процессы коррозии, что особенно проявляется в зонах с высокой коррозионной активностью грунтов. Зоны изгиба подвергнуты также ускоренному износу стенки трубы изнутри за счет кавитацион-ных эффектов от движущейся по трубопроводу среды.

В связи с этим выявление зон трубопроводов с наличием изгибов является актуальной задачей. Для этого могут применяться различные известные методы и аппаратура для определения пространственного положения трубы.

Наиболее используемая методика инструментальной оценки пространственного положения трубопровода под слоем грунта заключается в возбуждении в трубопроводе электромагнитных волн и регистрации этих волн на поверхности над трубопроводом. По параметрам волн (напряженности магнитного поля) определяются места и глубины залегания трубопровода, а затем вычисляются отклонения оси трубопровода от прямой линии и выявляются участки с максимальной кривизной. В работе представлена, разрабо-

Рис.5. Образцы труб с изгибом, разрушенные при гидронагру-жении внутренним давлением.

Как видно из рис. 5, разрушение труб происходит вдоль трубы в зоне с минимальным радиусом гиба, что подтверждает правильность сделанных выше предположений.

Исследования показывают,

тайная автором, технология таких измерений и даны предложения по проведению работ с учетом установленных закономерностей по распределению напряжений по длине трубопровода, а также предложены приемы применения известных средств измерений и методика обработки информации при использовании трассоискателей и навигационных приборов, в том числе, с помощью универсального трассопоискового комплекта «Абрис» фирмы «АКА» (Россия) и системы С-8САЫ серии 2000 (Англия).

Таким образом, проведенные исследования показывают, что при оценке технического состояния трубопроводов и определения их ресурса необходимо определение фактического положения оси трубопровода, выявление зон с изгибами и проведение диагностики металла именно в таких зонах.

Основы такой методологии изложены в Методических указаниях: №МУ-04.2012 « Выявление зон с максимальной деструкцией на стальных трубопроводах, работающих под давлением» (см. Приложение к диссертации), а также в Программах обследования конкретных трубопроводов.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований связи напряженно-деформированного состояния стали с параметрами магнитных шумов, обоснованы информативные параметры МШ, позволяющие производить оценку напряженного состояния трубопроводов и определять абсолютные значения напряжений в конкретных зонах контроля на действующих трубопроводах.

Наиболее перспективным методом для определения абсолютных значений напряжений в стальных конструкциях является метод, основанный на регистрации магнитных шумов перемагничивания. При всей кажущейся изученности метода МШ, задача определения напряжений и особенно их абсолютных значений остается актуальной. Основными причинами такого положения дел является то, что на параметры сигналов МШ кроме действующих напряжений оказывают существенное влияние деформации металла, химический состав стали, термообработка, магнитные свойства и ряд других, которые к моменту проведения измерений бывают неизвестны.

Многочисленными экспериментами установлено, что при перемагничи-вании ферромагнетика на прямолинейных участках изменения магнитной индукции в этом ферромагнетике возникают высокочастотные магнитные шумы. Причем максимум шума в стальных образцах наблюдается при напряженности поля близкой к коэрцитивной силе Нс.

В качестве первоисточника магнитного шума в ряде работ рассматриваются домены и динамика их изменения при перемагничивании.

В данной работе также использована доменная теория формирования магнитных свойств в стали. При этом для аналитического объяснения формирования доменной структуры в стали использована теория атомного строения вещества.

Домены (домены Вейсса) - области вещества, в которых магнетоны (магнетоны - частицы атомного размера, которые обладают как магнитным, так и механическим моментом из-за одновременного вращения относительно собственной оси и электрического заряда и массы) объединены в группы.

Строгой теории формирования доменов на основе учета спиновых моментов электронов пока нет, но качественно, по-видимому, можно предположить, что домен формируется в объеме вещества с упорядоченным строением кристалла, в котором спиновые моменты электронов группы атомов устанавливаются параллельно, создавая определенную намагниченность этого объема, которая на макроуровне представляет собой намагниченность насыщения домена Д. Экспериментально намагниченность обнаружена в частицах в несколько ангстрем, т.е. практически установлено, что области намагниченности могут возникать в зоне равной шагу кристаллической решетки.

Можно предположить, что границы доменов должны проходить по узлам кристаллической решетки, в которых имеются неоднородности. В качестве таких неоднородностей могут быть: внедрения атомов других металлов; дислокации; неметаллические включения; поры и другие дефекты кристаллической решетки. Известно, что когда к ферромагнетику прикладывается магнитное поле или механическое усилие, происходит смещение границ доменов и поворот их вектора намагниченности. При перемещении стенки магнетон одного домена превращается в магнетон стенки у одной стороны стенки, в то время как магнетон стенки превращается в магнетон другого домена у другой стенки. При этом изменяется размер доменов и намагниченность всего ферромагнетика.

Перемагничивание материала представляется как процесс перехода его доменной структуры, в зоне размагничивания (намагничивания) и регистрации ЭДС, от однодоменной (многодоменной) к многодоменной (однодомен-ной). Появление магнитного потока сцепления при перемагничивании, в том числе отдельные скачки намагниченности (скачки Баркгаузена), приводят к возникновению в стали ЭДС МШ. На рис.6 этот механизм поясняется схемой, на которой показано изменение доменной структуры ферромагнетика, с

различным исходным размером домена в направлении намагничивания, при его перемагничивании полем Н(0 .

Различный размер домена получен за счет приложения механических напряжений различного знака, а именно: растягивающих - при ар\ нулевых -при сг0 и сжимающих - при <тсж- На рисунке домены показаны в виде секторов в круге. В каждом секторе стрелкой показано направление намагниченности домена. Доменами, определяющими процесс намагничивания, являются домены с направлением намагниченности, совпадающем с направлением действия поля (горизонтальные стрелки).

Последовательное включение в процесс перемагничивания (при приложении перемагничивающего поля) различных зон ферромагнетика будет сопровождаться изменением в нем величины магнитного потока сцепления {¿Ф/сК) и, следовательно, появлением электродвижущей силы (ЭДС МШ- Е). При постоянной скорости изменения перемагничивающего поля (Н) длительность изменения йФШ должна зависеть от исходного (до намагничивания) наиболее вероятного размера домена, причем, чем размер домена больше, тем меньше эта длительность, а, следовательно, больше скорость перемагничивания и больше величина Е=—с1Ф/Ж. Учитывая, рассмотренную выше, связь размера домена с действующими механическими напряжениями и уровнем приложенного магнитного поля, можно сделать вывод, что скорость перемагничивания ферромагнетика тем больше, чем больше в нем размеры доменов.

Установленную выше качественную связь размера домена с магнитными характеристиками стали и действующими механическими напряжениями можно получить аналитически.

Известно, что на размер домена Б существенное влияние оказывает магнитная анизотропия Ки. При этом энергия магнитной анизотропии К„ зависит от наличия в кристалле пор, включений, дислокаций и т.п. Причем известно, что Ки тем больше, чем больше число неоднородностей в единице объема. В работах Тикадзуми С. показано, что связь размера домена с величиной магнитной анизотропии можно определить из соотношения:

Ки^еа/АмО (9)

где Ки- энергия магнитной анизотропии, приходящаяся на единицу объема доменов при остаточной намагниченности, близкой к нулю; Еа - магни-

тостатическая энергия на единицу площади кристаллической поверхности; Ам - коэффициент пропорциональности.

Рис. 6. Схема изменения доменной структуры ферромагнетика при его пере-магничивании магнитным ПОЛем Н=/(1): В-/(0 - изменение магнитной индукции; Емш =/А> - эдс магнитного шума; Н=/(1) - изменение напряженности магнитного поля от -//„ до Я».

Также согласно Тикадзуми С., величину магнитной анизотропии можно определить, зная намагниченность насыщения домена и максимальное значение магнитной восприимчивости Хтах при напряженности магнитного поля равному коэрцитивной силе (Н = Нс). Такое соотношение имеет вид

В процессе экспериментов по регистрации МШ в различных сталях установлено, что максимум ЭДС наблюдается при напряженности магнитного поля близкой к коэрцитивной силе. В связи с этим можно с высокой степенью достоверности для напряженности магнитного поля близкого к коэрцитивной силе (при размагниченном состоянии стали) приравнять правые части уравнений (9) и (10) и записать:

,тах •

(10)

Л /Хтах

(П)

Тогда соотношение для оценки магнитной восприимчивости будет иметь вид:

XnaxZDAjf/Sa. (12)

В свою очередь, соотношение Релея для взаимосвязи напряженности магнитного поля (Н) и магнитной индукции (В), возникающей при перемаг-ничивании стали в области напряженности поля равного коэрцитивной силе можно записать в следующем виде:

В/Н= Хтах. (13)

Как известно, для однородного магнитного поля магнитный поток Ф через ограниченную плоскую поверхность S можно оценить из соотношения:

0=BS. (14)

Это соотношение может быть использовано для описания процессов, происходящих при возбуждении и регистрации магнитного шума, так как в классической схеме магнитошумовых приборов преобразователь имеет ограниченную поверхность ввода магнитного поля через полюсные наконечники. Из (14) видно, что линейному изменению магнитного потока соответствует линейное изменение индукции, т.е. можно записать, что

d€>/dt ~dB/dt. (15)

Обработка петель гистерезиса, зарегистрированных в перемагничивае-мых сталях синхронно с регистрацией магнитного шума (см. рис.6) показывает, что в области напряженности магнитного поля близкой к коэрцитивной силе изменение напряженности магнитного поля линейно во времени сопровождается линейным изменением магнитной индукции. Это обстоятельство позволяет записать:

dO/dt ~ dB/dH. (16)

Тогда с учетом (13) соотношение (16) можно представить в виде dO/dt -Хта*. (17)

А с учетом (12) соотношение (17) будет иметь вид:

d<t>/dt~DAJs2/ea. (18)

Из соотношения (18) видно, что ЭДС МШ при напряженности поля, близкой к коэрцитивной силе, будет тем больше, чем больше размер домена.

В свою очередь в работах C.B. Вонсовского, Я.С. Шура показано, что смещение границ домена 5D под действием внешнего напряжения 5а можно оценить с помощью соотношения

5D = (3/2)Àtоо (Р, - PO Sa, (19)

где Л/оо - константа магнитострикции для железа, Pi и Рк косинусы углов между направлениями напряжений и векторами намагниченности / и к . Из (19) видно, что для качественных оценок это соотношение можно представить в виде:

D~cr. (20)

Тогда с учетом (20) соотношение (18) можно записать в виде: Е=- ckP/dt ~ Is2 а/sa . (21)

Из (21) видно, что связь ЭДС МШ (Е) в области упругих деформаций с величиной приложенных напряжений (а) близка к линейной.

Для практической проверки полученных аналитических выводов были проведены эксперименты по нагружению различных сталей с одновременной регистрацией изменения магнитных параметров. Эксперименты выполнялись при нагружении плоских образцов с различными механическими свойствами, а также при испытании трубных заготовок. Испытывались образцы из стали 3; 20;30; 45; 40Х; 35X3HM; 30ХГСА; 17ГС; 17Г1С; 09Г2С; Х70. Магнитные параметры МШ регистрировались с помощью прибора ПИОН-01. Эксперименты показали, что амплитуда ЭДС МШ в направлении действия нагрузки (вдоль оси) возрастает при росте этой нагрузки и убывает в направлении перпендикулярном направлению действия нагрузки. Причем относительное изменение величины амплитуды ЭДС МШ при регистрации в образце поперек его оси нагружения составляет примерно 0,3 от такого же изменения при регистрации вдоль оси нагружения.

Учитывая то, что при одноосном нагружении деформации вдоль и поперек оси нагружения связаны между собой коэффициентом Пуассона ( v), величина которого близка к 0,3, можно сделать вывод, что именно деформация кристалла влияет на доменную структуру ферромагнетика и приводит к изменению параметров МШ. Эти выводы проиллюстрированы на рис. 7.

Рис. 7. Изменение ЭДС МШ при нагружении образца ИЗ СТ. 35: Относительная нагрузка - £7, /Одд

Причем упругие деформации растяжения в направлении перемагничи-вания приводят к возрастанию ЭДС, а деформации сжатия к уменьшению ЭДС.

На рис.8 приведены аналогичные данные измерения величины ЭДС МШ Е, за-

регистрированные в сталях 35ХЭНМ и ЗОХГСА в функции изменения напряжения сг/<То,2 (здесь сг, - текущее значение напряжения).

Рис.8. Зависимость ЭДС МШ (Е) от величины приложенных напряжений в сталях 35ХЗНМ и ЗОХГСА.

Характер изменения Е, аналогичный приведенному, зарегистрирован при испытании всех исследуемых сталей, в том числе и трубных. Как видно

из рисунка нагружение стали в области упругих деформаций (и/а0,2 <1) сопровождается возрастанием величины Е. Причем характер изменения величины Е в зависимости от величины упругих напряжений близок к линейному, что подтверждает правильность предположений при получении соотношения (21). В области пластических деформаций (сг/<7о.2 >1) характер изменения Е уже не линейный, так как пластическая деформация приводит к росту плотности дислокаций и, как следствие, к уменьшению размера доменов и уменьшению магнитного потока сцепления при перемагничивании.

Установлено также, что уровень ЭДС МШ существенно зависит от структуры и прочностных свойств стали. Установлено, что чем выше плотность неоднородностей в стали (в том числе полученная термообработкой и пластической деформацией), тем уровень ЭДС МШ ниже. Ниже приведены данные измерения ЭДС МШ в стали при различных схемах изменения в ней плотности неоднородностей (дислокаций), а именно, за счет термообработки стали, пластической деформации, получения различных размеров карбидных включений.

На рисунке 9 приведены данные изменения амплитуды МШ (А„) в образцах из стали 20 и стали 45. Различные прочностные свойства образцов созданы термообработкой.

I -! Сталь 20 1 |

Сталь45

1

н ' "*чч | /

\ ч | / /

* 1 Ч ¡4 н

■ч к _ ;

** ч

хч

"Т

: »

•Ь -

: *г

-Ч Н

100 500 600 700 800 900 1000

Рис.9. Изменение максимальной амплитуды (Ам) сигналов МШ в зависимости от предела текучести (о-щ) образцов из стали 20 и стали 45.

Кроме того ЭДС МШ существенно зависит от обработки поверхности и резко уменьшается при поверхностном деформировании стали.

Аналитические расчеты и эксперименты показывают, что при разработке методик контроля напряжений с помощью МШ необходимо учитывать следующее.

1. ЭДС МШ в стали тем больше, чем больше уровень действующих механических напряжений. Связь ЭДС МШ с упругими напряжениями близка к линейной.

2. Контроль напряжений возможно проводить в изделиях из стали с постоянным уровнем механических свойств и одинаковым упрочнением поверхности в обследуемых зонах (с одинаковой плотностью неоднородно-стей).

3. Измерение абсолютных значений напряжений в изделии возможно только при соответствующей градуировке средств контроля на образце с такой же структурой металла и одинаковой степенью поверхностного упрочнения, что и у контролируемого изделия.

В процессе исследований разработана методика определения абсолютных значений напряжений в трубопроводах.

В основу разработанной методики проведения измерений напряжений на трубопроводах положены известные данные по взаимосвязи напряжений и деформаций, действующих в металле трубопровода, а также установленная в процессе исследований практически линейная связь ЭДС МШ с величиной упругой деформации металла.

Исследования (расчеты и эксперименты) показали, что на протяженных прямолинейных участках трубопровода (длиной больше 20 наружных диаметров этого трубопровода), работающего под давлением, осевые напряжения о> близки к нулю. При этом окружные напряжения а2 можно определить из известного соотношения:

а2 =Рс1/2К (22 )

где Р - давление продукта в трубопроводе; с1 - наружный диаметр трубопровода; Л - толщина стенки трубопровода в зоне контроля.

Как известно связь напряжений с деформациями при двухосном нагру-жени (именно такая схема действует в трубопроводе) можно выразить соотношениями (1) и (2):

Тогда при оу =0 можно записать:

Е\ = —УС2 /Е,

(23)

е2 = а2 /Е. (24)

Исходя из изложенного выше, чувствительность (К) прибора к деформациям можно определить по данным измерений ЭДС МШ в зоне, расположенной на протяженном прямолинейном участке трубопровода (калибровочная зона). При этом необходимо проводить перемагничивание металла трубопровода в двух взаимноперпендикулярных направлениях и регистрировать ЭДС МШ в каждом направлении: Е; - при перемагничивании вдоль оси трубопровода и Е2 - при перемагничивании поперек оси, а именно, в окружном направлении.

В этом случае можно записать:

К=Ае/АЕ=(е2-8!)/(Е2-Е,)=Рс1(1 +У)/2ЕИ(Е2-Е,), ( 25 )

где Ле - разность деформаций, а ЛЕ - разность значений ЭДС МШ в двух направлениях. Полученное значение чувствительности учитывает конкретное состояние металла контролируемого трубопровода.

Тогда величину упругой деформации металла трубопровода в конкретном направлении измерения МШ можно определить как:

е,=(Е,-ЕоЖ (26)

где Е, - измеренное значение ЭДС МШ в конкретном направлении; Нерасчетное значение ЭДС МШ в зоне при нулевой упругой деформации. Это значение Е0 определяется из соотношения:

Е0=Е,+ у(Е2-Е,)/(1 +У). ( 27)

С учетом проведенных преобразований соотношения для определения механических напряжений, действующих в осевом и окружном направлениях стенки трубопровода, можно записать соответственно в виде:

оп =РС1[(Е11-ЕО)+у(Е21-ЕО)№(Е2-Е1)(1-У), (28)

о» =Рс1[(Е2,-Е0)+у(Е11-Е0)№(Е2-Е1)(1-у), ( 29 )

где Еи, Е2> - значения ЭДС МШ в контролируемой зоне при перемагничивании в осевом и окружном направлениях соответственно; сгц, о},- - осевые и окружные напряжения соответственно в /-ой точке на трубопроводе.

Из приведенных выше аналитических соотношений видно, что для определения действующих в трубопроводе упругих механических напряжений достаточно измерение ЭДС МШ в калибровочной зоне (Е2 и Е1) и в зоне контроля (Ец и Ё2д- Фактическое значение давления продукта в трубопроводе и толщина стенки трубопровода в калибровочной зоне определяются при проведении измерений Е2 и Е1ш

Результаты калибровки будут распространяться на участки трубопровода, изготовленные из того же материала и по той же технологии, что металл в зоне калибровки. Идентичность свойств оценивается: либо по проектной документации, либо путем определения известными неразрушающими методами: химсостава стали, твердости и толщины стенки трубы.

На основе этих данных разработана и внедрена методика измерения абсолютных напряжений на действующих трубопроводах. Методика используется в Программах обследования трубопроводов.

В четвертой главе приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований по поиску критерия оценки предельного состояния стали в процессе деформационного старения, пригодного для практического применения при неразрушающей диагностике стальных конструкций, в том числе трубопроводов, а также приведена методология неразрушающего определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов работающих под давлением.

Как известно, под действием возрастающей нагрузки на металл, последний будет деформироваться, т.е. будут наблюдаться смещения одной части кристалла относительно другой. В зоне нагружения выше предела текучести металла его деформация будет осуществляться за счет движения и размножения дислокаций (движение одной дислокации в металле соответствует состоянию его текучести!). Пластическое деформирование металла приведет к изменению его свойств, которое будет выражаться в упрочнении металла и снижении его пластичности (возрастает предел текучести и уменьшается относительное удлинение). Процесс деформирования металла будет при этом происходить путем передачи эстафеты движения и размножения дислокаций от одного зерна к другому. С возрастанием степени деформации в материале под действием дислокационных реакций будут образовываться объемные дефекты — поры и микротрещины.

Образование пор и микротрещин (необратимых дефектов) внутри и между зернами в процессе деформации металла (так называемая двструк-

ция) приводит к уменьшению его плотности и качественному изменению состояния металла.

Появление в стали деструкции (необратимых изменений) можно характеризовать величиной пластической деформации, при которой на кривой испытания образцов растяжением в координатах «истинные напряжение-деформация» наблюдается точка перегиба «точка деструкции» (параметр предложен Рыбаковой Л.М.). В данный момент в металле происходит переход из пластического в пластически деструкционное состояние.

Такой переход характеризуется скачкообразным изменением скорости прироста деформационного упрочнения, что графически проявляется в виде изменения угла наклона деструкционной кривой.

Исследования показали, что эта точка перегиба для различных сталей наблюдается в диапазоне от 3-х до 8-ми % пластической деформации. При этих деформациях изделие выполняет свои служебные функции, например, артиллерийский снаряд выдерживает перегрузку в 10 - 12 тыс. g ig - ускорение свободного падения).

В тоже время при степенях деформации, соответствующих точке деструкции, назовем ее е(Д), в стали могут появиться поры и микротрещины, которые являются концентраторами напряжений, способными привести сталь к «внезапному» разрушению.

Значения величины относительно деформации е(Д), при которой наблюдается точка деструкции Д для исследуемых трубных сталей, приведены в таблице 1.

Из таблицы видно, что если перевести значение относительной деформации в точке деструкции в проценты (умножить на 100%) для испытанных сталей, то можно видеть, что деструкция в этих сталях появляется при пластической деформации от 3-х до 5-ти процентов.

Таблица 1

Марка стали Ст.20 Ст.З 09Г2С 17Г1С

Относительная деформация в точке деструкции е(Д) 0.048 0,033 0,036 0,04

Как известно, в диапазоне степеней деформации 3 - 8% в трубных сталях идет активный рост плотности дислокаций, образование скоплений дис-

локаций, и, как следствие, рост концентрации напряжений в зонах скопления дислокаций, приводящих к появлению микротрещин, т.е. недопустимых дефектов.

Также известно, что для зарождения микротрещины в голове скопления дислокаций требуется напряжение, которое можно определить с помощью соотношения:

а >2у/Ъп, (30)

где у- эффективная поверхностная энергия материала при образовании микротрещины, Ъ - вектор Бюргерса, п - число дислокаций в скоплении.

Из (30) видно, что чем выше количество дислокаций п в скоплении, тем для образования микротрещины требуется меньшее напряжением.

Это обстоятельство, по-видимому, и является решающим в процессе образования отдельных микротрещин в зоне испытаний, соответствующей деформации, при которой фиксируется точка деструкции е(Ц), а именно в диапазоне деформаций стали от 3 до 8%, когда интенсивно идет процесс образования дислокаций, хотя в целом материал еще может выполнять свои служебные функции.

В связи с этим предлагается использовать состояние материала стального трубопровода на этом этапе деградации в качестве предельного для эксплуатации. При этом для конкретной марки стали это состояние следует определять по величине пластической деформации образцов, соответствующей первой точке деструкции £(Д).

Исследования показали, что дислокационные процессы при пластической деформации стали сопровождаются изменением ее магнитных свойств. При этом изменяется доменная структура стали, а именно с ростом плотности дислокаций уменьшается размер домена (/)), и как следствие, возрастает коэрцитивная сила (Нс) стали (основной магнитный параметр стали).

Целым рядом исследователей также установлено, что пластическая деформация стали сопровождается ростом ее коэрцитивной силы (основного магнитного параметра стали).

Следует ожидать, что и деструкция (появление необратимых дефектов) стали должна сопровождаться изменением ее магнитных свойств, а именно: уменьшением размеров магнитных доменов (возрастанием их количества) и, как следствие, ростом коэрцитивной силы Нс.

Известно, что напряжение тс, необходимое для преодоления дислокацией границы домена, в зависимости от диаметра домена Д можно оценить с помощью соотношения:

тс = (r/D)[l-a/(8/D)l

(31)

где 8 - толщина доменной границы; а «6 - коэффициент, зависящий от геометрии доменов; ДДж/м2) - величина энергии поверхности раздела, образующаяся при сдвиговой деформации частицы на одно межатомное расстояние в плоскости скольжения дислокации.

Из приведенного соотношения видно, что меньшему размеру домена Б соответствует большее напряжения гс — напряжение, при котором дислокация может перемещаться.

В свою очередь известно, что перемещение дислокаций и рост их плотности приводит к упрочнению металла, и росту напряжений необходимых для перемещения дислокации.

Например, величину напряжения текучести тт можно оценить из соотношения подобного:

Из (32) видно, что чем выше плотность дислокаций (р£), тем необходимо создать большее напряжение для движения дислокации.

Взаимосвязь Нс с размерами доменов была отмечена давно целым рядом исследователей. Вонсовским C.B. и Шуром Я.С. предложена математическая формула для описания такой связи. Это соотношение имеет вид

где ЛА - изменение обменного интеграла (в квантовой теории обменная энергия чисто электрического происхождения и не имеет прямого отношения к магнитным силам); I, — намагниченность насыщения домена; В — средний размер домена; / - длина волны неоднородностей интеграла обмена; 3 - толщина границы между доменами.

Соотношение (33) показывает, что с ростом линейных размеров домена (А I, б) следует ожидать уменьшения коэрцитивной силы Нс.

Поскольку размеры доменов определяются структурными неоднород-ностями в стали, а именно: плотностью дислокаций, плотностью пор, неметаллических включений и других микроскопических неоднородностей, приводящих к снижению пластических свойств стали, можно обоснованно предложить размеры доменов, и как следствие, коэрцитивную силу в качестве

tmsaGepz 1/2.

(32)

Нс= A4/1 s DIS,

(33)

стрктурно-чувствительных параметров для неразрушающего контроля состояния стали.

Ориентировочно связь коэрцитивной силы со степенью пластической деформации, как одним из основных параметров состояния стальных конструкций, можно оценить также аналитически, предположив, что размер домена определяется плотностью неоднородностей в объеме исследуемой стали. Известно, что в стали с ростом пластической деформации е необратимо увеличивается плотность дислокаций рх- В основном это увеличение плотности дислокаций при деформации подчиняется закономерности:

рг = р0+р'ер, (34)

где р0 - начальная плотность дислокаций (до деформации); р' - коэффициент размножения дислокаций; /? - показатель степени. С достаточной степенью точности можно принять ¡3=1.

Обычно не все дислокации, имеющиеся в кристалле, принимают участие в пластической деформации. Для этого может быть много причин, начиная с того, что часть дислокаций принадлежит к системам скольжения, в которых действуют низкие напряжения, и, кончая тем, что ряд дислокаций может быть заторможен мощными стопорами, не позволяющими им двигаться. Полагая, что средний размер домена й пропорционален среднему расстоянию г между соседними дислокациями, которое можно оценить с помощью известного соотношения

Г =1/р,"2, (35)

представляется возможным переписать соотношение (35) в виде

Нс~ЛАр/' /Л. (36)

Тогда, с учетом (34), связь величины коэрцитивной силы Нс со степенью деформации стали е можно представить соотношением

Нс~М(р0+р'еТ/и. (37)

Из (37) видно, что с ростом степени пластической деформации е Нс должна возрастать. Эту взаимосвязь качественно можно записать в виде:

Нс~е'. (38)

Для подтверждения взаимосвязи величины коэрцитивной силы с плотностью различных неоднородностей проведены измерения магнитных харак-

теристик в стальных образцах после их пластического деформирования до различной степени. Инициировано повышение величины структурных неод-нородностей в стали.

В таблице 2 приведены данные измерений механических свойств стали с различным химсоставом, а также значения коэрцитивной силы Нс (ток размагничивания /р, измеренный с помощью прибора КИФМ-1) при различных степенях деформации.

Таблица 2

Химический со- Механические Дефор- Ударная ¡р(Нс) мш

став свойства мация, вязкость, мА Емш,

С Мп Р, % <7, Оц,2 8 % Дж/см2 Усл.ед

МПа МПа % кси/ксг

0,2 0,48 0,1 0,02 458 366 26 0 198/153 13 39

(ГОСТ10705-80) 2 186/153 26 24

6 170/143 30 25

12 139/113 32 19

0,22 0,62 0,23 0,02 482 337 26 0 152/129 14 37

(ТУ14-ЗР-1Э-95) 2 144/118 26 31

6 126/98 30 31

12 107/81 33 33

А на рис.10 показан образец, нагруженный до разрушения, на котором цифрами отмечены зоны измерения коэрцитивной силы. В таблице 3 приведены значения Нс в зонах измерения. «Рабочая часть» образца находится в зонах 1-7.

Измерение коэрцитивной силы на образце выполнялось с помощью прибора ИКМ-02Ц. В данном приборе для перемагничивания металла используется импульсный однополюсный преобразователь, который позволяет оценивать значение коэрцитивной силы в локальной зоне с диаметром круга 10 -12 мм.

(2 3 4• 5 6 7 8 9 Ю И

-------¿аЛД«^. . -¿й!*-:----I

Рис. 10. Стальной образец после разрушения: 1 - 11 - зоны измерения #с; 1 - место разрушения образца; ширина образца в зоне 11 составляет 10 мм; толщина образца 6 мм.

Таблица 3

№ зоны 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Нс, отн.ед. 81 67 56 49 46 44 37 30 26 26 32

Установлено, что в «рабочей части» образца, проиллюстрированного на рис.10 с приближением к зоне разрушения возрастает степень его деформации.

На рис. 11 показан график изменения коэрцитивной силы (1р, мА ) в зависимости от величины пластической деформации (Е12). Как видно из графика, функция изменения коэрцитивной силы от величины деформации близка к линейной.

Данные таблиц 2, 3 и рис. 11 показывают, что коэрцитивная сила Нс при повышении степени пластической деформации возрастает, тем самым качественно подтверждаются, высказанные выше предположения о взаимосвязи коэрцитивной силы с характеристиками деструкции стали, а именно, со степенью пластической деформации Е, и представляется возможность предложить величину Не в виде информативного параметра для оценки состояния стальных трубопроводов.

Сталь ГОСТ 10705-80

1.5 2 2,5 ж'"* ,отн.«д.

Рис.11. Изменение коэрцитивной силы (ток размагничивания 1Р ) в зависимости от степени пластической деформации (е '").

В тоже время, следует отметить, что на величину Нс, кроме деструкции стали, влияет еще целый ряд факторов, таких как: химсостав (не всегда известен), технология производства труб, термические влияния в зоне сварных швов, напряженное состояние и прочее. Такие данные графически показаны на рис.12.

Рис. 12. Изменение коэрцитивной силы (1р) в образцах из стали 35, термооб-работанных на различную твердость (ИВ), при их нагружении в области упругих деформаций напряжением (о).

С учетом приведенных рассуждений, построив зависимость коэрцитивной силы от величины относительной пластической деформации в степени 'Л, представляется возможным по фактическому значению этого параметра определять степень деградации стали, в том числе определять ресурс безопасной эксплуатации металла, рассчитав запас (по коэрцитивной силе) до достижения металлом точки деструкции.

Важность этого параметра для определения предельного состояния стальных трубопроводов заключается в том, что состояние, соответствующее степени деформации в точке деструкции можно зафиксировать на работающем трубопроводе с помощью методов неразрушающего контроля.

В свою очередь, для построения этой зависимости (линейная функция соотношения (40)) достаточно знать значения коэрцитивной силы для двух значений пластической деформации стали. Для удобства можно использовать значения Нс при нулевой деформации, т.е. в исходном состоянии стали

(Нс = Нс°) и при напряжениях испытания близких к пределу прочности, т.е. при е =&(8 - относительное удлинение стали). Это значение коэрцитивной силы обозначим Нс3. Тогда можно записать: Нс —Нс3.

На рис.13 приведены данные, показывающие взаимосвязь Нс со степенью деформации трубной стали 09Г2С. Использованы данные измерений величины Нс на образцах в состоянии поставки (Нс°) и при напряжениях

предела прочности стали (Нс&). ........................ ;.............. 1

Рис. 13. Изменение коэрцитивной силы Нс в зависимости от относительной

деформации ё'2 стали 09Г2С: е(Д)"2 - значение относительной деформации в точке деструкции стали; Н? - значение коэрцитивной силы, соответствующее точке деструкции стали.

Используя такой график, и зная значение величины деформации в точке деструкции для данной стали (см., например, таблицу 1), предельное значение коэрцитивной силы Н^, соответствующее точке деструкции можно определить графически, как показано на рис.13.

Определение ресурса безопасной эксплуатации трубопровода.

На основании данных определения точки деструкции и значений коэрцитивной силы при различной степени деформации стали ресурс безопасной эксплуатации металла (Р) трубопровода предлагается определять с помощью соотношения:

Р = (НСД -НсФ)/С(Нс), (39)

где НСФ - фактическое значение коэрцитивной силы в зоне измерения на трубопроводе, С(Н,- скорость изменения коэрцитивной силы во времени, которую можно определить из соотношения:

С(Нс) = (НСФ - Нев)/Т, (40)

где Т— время эксплуатации трубопровода до момента измерения.

При контроле для выбора нужного значения Н^ (табличного) необходимо в зоне измерения определять марку стали: либо по проектной документации; либо путем оценки известными неразрушающими методами химсостава и твердости стали и их сопоставления с контрольными.

На основе полученных результатов разработана и внедрена методика неразрушающей оценки ресурса безопасной эксплуатации стальных трубопроводов, работающих под давлением.

В пятой главе изложены основные результаты исследований по созданию образцов приборов для определения абсолютных значений напряжений в стенках действующих трубопроводов, а также для оценки уровня деструкции металла трубопровода.

Конструктивные наработки приборов АФС-Р и ПИОН-01 (разработки НИМИ), легли в основу, разработанных новых образцов. В новых разработках использованы все аналоговые схемы усилительного тракта и генератора пилы, а также основные элементы направленного МШ-преобразователя. Так как, именно направленная схема перемагничивания позволяет реализовать методику определения абсолютных значений напряжений.

В качестве параметра, коррелирующего с коэрцитивной силой, предложено измерять время с момента начала перемагничивания до достижения электродвижущей силы магнитных шумов (ЭДС МШ) максимального значения. Установлено, что при равномерном размагничивании ферромагнетика от насыщения магнитные шумы достигают максимума при напряженности магнитного поля близком к коэрцитивной силе (Нс). Эти предположения поясняются схемой, приведенной на рис.14.

Рис.14. Модель изменения ЭДСМШ в ферромагнетиках с различной коэрцитивной силой (НС2 > На) при их намагничивании пилообразно изменяющимся полем: а) - ферромагнетик с коэрцитивной силой На, б) - ферромагнетик с коэрцитивной силой На; (H-t) - кривая 1 - изменение напряженности магнитного поля (тока намагничивания); (A-t) - кривая 2 - изменение амплитуды ЭДС МШ; (A-t) - кривая 3 - шум усилительного тракта прибора; Ат, АМ2 - максимальные значения амплитуды ЭДС МШ; Тш, Тм2 - время с момента превышения током намагничивания нулевого уровня до момента достижения амплитудой ЭДС МШ максимального значения.

Предлагается измерять время с момента превышения током намагничивания нулевого уровня до момента достижения амплитудой ЭДС МШ максимального значения (время тм).

На рис.15 приведены синхронные фотографии сигналов, зарегистрированные с помощью осциллографа на выходе усилительного тракта МШ-

прибора (ЭДС МШ) и на выходе генератора пилообразного напряжения при перемагничивании стальных образцов с различной коэрцитивной силой.

в)

Рис. 15. Изменение ЭДС магнитного шума (осциллирующие импульсы) и тока перемагничивания (пилообразная кривая) в стали с различной величиной коэрцитивной силы (Нс2 > На)', а) - сталь с коэрцитивной силой На; б) - сталь с коэрцитивной силой На, в) - МШ вне образца.

Из этих фото видно, что характер изменения ЭДС МШ в перемагничива-емых образцах совпадает с приведенным на рис.14. Видно, что с ростом коэрцитивной силы время Тм возрастает. Эти данные подтверждают правильность сделанных предположений и позволяют сформулировать требования к прибору, обеспечивающему регистрацию параметра Тм.

Блок-схема, разработанного прибора (ПИОН-ОЩ) показана на рис.16. На этом же рисунке приведены параметры МШ, измеряемые разработанным прибором и индицируемые на его передней панели. Кроме параметра Тм прибор позволяет регистрировать максимальное значение ЭДС МШ (А.„м) и энергию сигнала МШ (Е - сумма амплитуд импульсов МШ за полпериода перемагничивания). На экране прибора индицируются средние значения параметров, зафиксированные в пяти последовательных импульсах МШ.

Рис.16. Блок-схема прибора ПИОН-ОЩ.

Обработка информации в приборе осуществляется с использованием цифровых преобразований, а именно: сигнал с преобразователя через усилитель поступает на АЦП и далее на микропроцессор (1816ВЕ31).

Микропроцессор выполняет в приборе все функции по преобразованию информации по заданному алгоритму, а также выполняет функции управления и настройки прибора с клавиатуры.

Опытные образцы приборов ПИОН-ОЗ (для измерения абсолютных напряжений на трубопроводах) и прибор ПИОН-ОЩ (для измерения коэрцитивной силы в поверхностных слоях стальных изделий) разработаны и внедрены.

В шестой главе приведены данные по разработанным и внедренным в промышленное использование методикам и приборам, а также приведен пример конкретного применения разработок при оценке технического состояния вантового перехода газопровода через реку Кубань и Справка ОАО «Оргэнергогаз» о безаварийной эксплуатации более 500 км трубопроводов, продиагностированных автором с использованием разработанных методик и приборов.

Основные результаты работы.

В результате проведенных экспериментальных исследований и теоретических обобщений решена крупная научно-техническая проблема, важная для обеспечения безопасности трубопроводов, работающих под давлением перекачиваемого продукта - разработан комплекс методов и средств нераз-рушающего контроля состояния трубопроводов в процессе их эксплуатации на основе регистрации магнитных характеристик металла трубопроводов, позволяющий определять ресурс безопасной эксплуатации трубопроводов.

Полученные выводы и результаты можно сформулировать следующим образом.

1. Проведены исследования металла трубопроводов, разрушенных в процессе аварий, выявлены закономерности изменения свойств металла под действием внешних факторов, что позволило разработать методологию оценки предельного состояния металла трубопровода на основе анализа свойств в локальных зонах. Показано, что максимальное изменение свойств металла происходит в зонах с максимальными действующими напряжениями.

2. Разработана методика оценки уровня действующих в трубопроводе напряжений на основе анализа его пространственного положения, параметров трубы, условий перекачки продукта, коррозионной активности внешней среды, позволяющая выявить зоны трубопровода с наиболее высоким уровнем напряжений.

3. Разработана методология неразрушающей оценки технического состояния стальных трубопроводов. В основу этой методологии положено определение локальных зон прогиба и максимальной коррозии на трубопро-

воде, измерение напряжений и степени деструкции в выявленных зонах с помощью магнитных методов.

4. Предложена методика определения предельного состояния стали на основе регистрации в ней точки деструкции при пластическом деформировании образцов и фиксировании коэрцитивной силы в предельных точках деформирования, что позволило определить предельный уровень изменения коэрцитивной силы, характеризующий работоспособное состояние металла трубопровода.

5. Для использования магнитных методов неразрушающего контроля при оценке состояния стальных трубопроводов разработано модельное представление формирования доменной структуры стали при нагружении. В основу модели положено явление перестройки доменной структуры стали при воздействии механической нагрузкой и перемагничивании от однодоменной к многодоменной и обратно. Показано, что размер домена является информативным параметром магнитных свойств и структурного состояния стали. Это позволило разработать методологию определения деструкции и абсолютных величин напряжений в стальных трубопроводах магнитными методами.

6. Установлены закономерности изменения ЭДС МШ и коэрцитивной силы в стали в зависимости от действия упругих нагрузок и различной степени пластической деформации. Показано, что ЭДС МШ возрастает с ростом механических напряжений и уменьшается с ростом количества микродефектов в стали. Показано, что коэрцитивная сила растет с ростом микродефектов в стали и уменьшается с ростом упругих напряжений. Это позволило создать ряд методик по оценке напряженно-деформированного состояния стальных конструкций.

7. Теоретически и экспериментально проведен анализ информативности параметров магнитных шумов. В качестве наиболее информативных для оценки ресурса стальных трубопроводов предложено использовать ЭДС магнитного шума за время перемагничивания и время от начала перемагничива-ния до достижения ЭДС максимального значения при равномерном изменении (росте, уменьшении) напряженности магнитного поля, что позволило создать ряд методик и приборов для оценки действующих напряжений и состояния металла трубопровода.

8. Разработан алгоритм калибровки магнитошумовых приборов по чувствительности к напряжениям, позволяющий учесть состояние металла трубопровода в процессе эксплуатации. В основу алгоритма положено измере-

ние ЭДС МШ вдоль и поперек трубопровода в отдельных локальных зонах на прямолинейных участках трубопровода.

9. Разработан алгоритм определения предельного состояния трубопроводов по параметрам магнитных методов неразрушающего контроля в локальных зонах трубопровода. В основу алгоритма положено выявление наиболее напряженных участков трубопровода путем построения пространственного положения трубопровода, определение на этих участках с помощью магнитошумового метода зон с максимальным уровнем напряжений и пластических деформаций, оценка степени деструкции стали в этих зонах по величине коэрцитивной силы стали.

10. Разработаны и используются при оценке технического состояния трубопроводов:

- Методические разработки автора (определение наиболее опасных участков трубопровода, оценка коррозионной активности среды в зоне трубопровода, определение напряжений в трубопроводах магнитными методами) вошли в качестве обязательных в СТО Газпром 2-2.3-095-2007 «Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов»;

- Методические разработки автора вошли в новые редакции ГОСТ Р 51164 и ГОСТ 9.602 в части определения локальных участков трубопроводов наиболее подверженных коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, а также свойств сталей по измеренной коэрцитивной силе;

- Методические разработки автора вошли в качестве обязательных в методические указания ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) по проведению экспертизы промышленной безопасности трубопроводов, работающих под давлением, а именно:

1. Методические указания. «Определение ресурса стальных трубопроводов, работающих под давлением». №МУ-05.2012.,

2. Методические указания. «Выявление зон с максимальной деструкцией на стальных трубопроводах, работающих под давлением». №МУ-04.2012,

3. Методические указания. «Определение напряжений в действующих стальных трубопроводах магнитошумовым методом». №МУ-02.2011.

Разработанные Методические указания используются:

- в ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) для определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов, а также для измерения напряжений в стальных трубопроводах различных объектов, в том числе при проведении экспертизы промышленной безопасности газопроводов в Брянской, Орловской, Смоленской, Тверской и др. областях;

- в ОАО «Оргэнергогаз» (Газпром) для определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов на ряде объектов Газпрома, в том числе, на объектах газотранспортных предприятий «Мострансгаз», «Са-маратрансгаз», «Томсктрансгаз», «Тюментрансгаз», «Таттрансгаз», «Газпром трансгаз Ухта», «Ямбургазодобыча», на объектах в Армении, Германии и др.;

- в ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» для определения напряженно-деформированного состояния участков трубопровода в местах установок вставок электроизолирующих;

- в учебном процессе предприятий Газпрома и ООО «Завод импульсной техники».

Разрешающая способность разработанных методик по определению степени деструкции стали не хуже, чем при использовании стандартных методик испытания разрывных образцов.

Разрешающая способность, разработанных методик по определению действующих механических напряжений, не хуже 10 МПа.

Внедрение разработок подтверждено актами и заключениями предприятий.

На участках трубопроводов (более 500 км), проконтролированных по разработанным методикам под руководством автора, до сегодняшнего дня аварий не было (с 2004 по 2013 г.г.), что подтверждается Справкой ОАО «Оргэнергогаз».

11. Даны рекомендации по построению портативного магнитошумово-го прибора, позволяющего измерять магнитные параметры (ЭДС МШ и время с начала перемагничивания стали до максимума ЭДС сигналов магнитного шума за каждый период перемагничивания) для оценки, как напряженного состояния, так и наличия в объекте зон с пластической деформацией стали. Приборные разработки автора использованы в НПЦ «Гарантия-М» (НИМИ) при создании магнитошумовых приборов «ПИОН-ОЗ» и «ПИОН-ОЩ».

12. Разработан и используется:

- в ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» - опытный образец портативного магнито-шумового прибора ПИОН-ОЩ для оценки напряжений и деформаций в стальных объектах и опытный образец портативного прибора ПИОН-ОЗ для определения абсолютных значений напряжений в трубопроводах.

Внедрение разработок подтверждено 12 актами.

13. Методические разработки по оценке технического состояния трубопроводов защищены 4 патентами РФ.

14. Разработаны и используются в системе непрерывной подготовки кадров ОАО «Газпром» типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов:

- СНО 04.02.01.178.03 по курсу «Контроль и диагностика напряженно-деформированного состояния трубопроводов»;

- СНО 04.04.01.160.03 по курсу «Эксплуатация и ремонт средств элек-трохимзащиты подземных магистральных газопроводов».

Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Патент №2116635 опубл. в БИ №21 за 1998 г. Способ измерения механических напряжений в ферромагнитных изделиях / Кузнецов Н.С., Кузнецов А.Н., Артемьев Ю.Г., Резников Ю.А.

2. Патент №2111481 опубл. В БИ №20 за 1998 г. Способ градации потенциально опасных участков магистральных трубопроводов / Кузнецов Н.С., Кузнецов А.Н., Артемьев Ю.Г., Резников Ю.А.

3. Патент на изобретение №2194967 опубл. В БИ №35 от 20.12.2002 г. Способ определения остаточного ресурса конструкций /Кузнецов Н.С., Тарасюк П.С., Кузнецов А.Н.

4. Патент на изобретение №2194977 опубл. В БИ №35 от 20.12. 2002 г. Способ оценки состояния стенки трубопровода /Кузнецов Н.С., Тарасюк П.С., Кузнецов А.Н.

5. Кузнецов Н.С., Кузнецов А.Н. Оценка напряженного состояния стальных конструкций по магнитным характеристикам ферромагнетиков. /Контроль. Диагностика. 2002, №1, с.23 - 32.

6. Алимов С.В., Антипов Б.Н., Захаров A.B., Кузнецов А.Н. Оценка технического состояния и определение сроков безопасной эксплуатации трубопроводов // Газовая промышленность-2009, №1, с.60-61.

7. Кузнецов А.Н. Разработка магнитошумового прибора для регистрации зон деструкции в стальных объектах/ ISSN1561-1531.Промышленные АСУ и контроллеры, 2012, №3, с.50-52.

8. Кузнецов А.Н. Исследование влияния пластической деформации на коэрцитивную силу стали/Промышленные АСУ и контроллеры, 2012, №9,с.60-62.

9. Кузнецов А.Н. К вопросу диагностики состояния металла действующих трубопроводов/ Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика, 2012, №2, с. 55-57.

10. Кузнецов А.Н. Моделирование выявления дефектов в стальных изделиях магнитными методами/Промышленные АСУ и контроллеры,2012,№4,с.21-26.

11. А.Н. Кузнецов Исследование влияния изгибов трубопроводов на их долговечность // Газовая промышленность. 2012, №2, с. 59-61.

12. А.Н. Кузнецов Анализ критериев предельного состояния трубопроводов // Газовая промышленность. 2012, №6, с. 64-67.

13. А.Н. Кузнецов Исследование возможных причин потери металла на внутренней поверхности изогнутых трубопроводов при перекачке жидкого продукта // Газовая промышленность. 2012. №7- С. 94-95.

Публикации в других изданиях

14. Кузнецов Н.С., Кузнецов А.Н. Выявление потенциально опасных участков на ответственных трубопроводах. Научные труды межвузовской научно-технической конференции «Автоматизация-99». Дополнения, Москва, 1999, с. 266-271.

15. Кузнецов А.Н. Определение упругих напряжений в зоне прогиба действующего трубопровода. Научные труды межвузовской научно-технической конференции «Автоматизация-99». Дополнения, Москва, 1999, с. 271-275.

16. Kuznetsov N., Kuznetsov A., Chaternikov V. Estimation of stresses in pipelines by magnetic noise. 15th World Conference On Non-Destructive Testing Roma- 15-21 October 2000. IDN.505.

17. Кузнецов H.C., Кузнецов А.Н. Анализ возможности использования магнитных характеристик для контроля напряженно-деформированного состояния стальных конструкций. // Научные труды 3-ей международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы

приборостроения, информатики, экономики и права», кн. «Приборостроение», Москва, 2000, с. 110 - 113.

18. Кузнецов А.Н. Исследование магнитных шумов при нагружении трубной стали. // Научные труды 3-ей международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», кн. «Приборостроение», Москва, 2000, с. 107-110.

19. Кузнецов А.Н. Создание многопараметрового портативного магнитошу-мового прибора для оценки состояния стальных конструкций // Научные труды 4-ой международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», кн. «Приборостроение», Москва, 2001, с. 116 - 118.

20. Петров Н.Г., Халиков Р.Р., Кузнецов А.Н. Аналитические подходы к решению задачи прогнозирования безаварийной эксплуатации ЛЧМГ// Одиннадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2001» (Тунис, апрель 2001 г.) - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2001 - Том 2. Часть 2., с. 50-63.

21. Егоров И.Ф., Петров Н.Г., Захаров A.B., Вазягин C.B., Кузнецов А.Н. Комплексный подход к оценке напряженно-деформированного состояния стальных трубопроводов// Тринадцатая международная деловая встреча «Ди-агностика-2003» (Мальта, апрель 2003 г.) - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003 -Том 3. Часть 1., с. 3-6.

22. А.Н. Кузнецов, А.Н. Попов Опыт проведения работ по наземной диагностике линейной части магистральных газопроводов, шлейфов подключения КС, промысловых и межпромысловых коллекторов// Семнадцатая международная деловая встреча «Диагностика-2007» (Екатеринбург, 28 мая - 1 июня 2007 г.) - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008 - Том 1., с. 120-124.

23. А.Н. Кузнецов, А.Н. Попов Опыт выполнения работ по диагностике шлейфов подключения компрессорных станций // Материалы 26 Тематического семинара. Диагностика оборудования и трубопроводов КС. (п. Небуг, 24-29 сентября 2007 г.) - Москва 2008; Том 1, с. 79-84.

24. А.Н. Кузнецов Повышение уровня инспекционного контроля противокоррозионной защиты объектов ОАО «Газпром» //Материалы отраслевого совещания по вопросам защиты от коррозии (п. Небуг 12-15 мая 2009 г.) -М.: ООО «Газпром экспо», 2009. - с. 89-93.

25. В.Н. Медведев, А.Н. Кузнецов Итоги работы ООО «Газпром газнадзор» по контролю за техническим состоянием, соблюдением действующих норм и

правил при эксплуатации и техническом диагностировании систем защиты о коррозии ОАО «Газпром» в 2009 г. Цели и задачи на 2010 г. // Материалы от раслевого совещания по вопросам защиты от коррозии (г. Астрахань 17-2 мая 2010 г.) - М.: ООО «Газпром экспо», 2010. - с. 3-17.

26. СТО Газпром 2-3.5-454-2010 Правила эксплуатации магистральных газо проводов. М.: ООО «Газпром экспо», 2010. - 229 с.

27.СТО Газпром 2-2.3-095-2007 Методические указания по диагностическо му обследованию линейной части магистральных газопроводов. М. ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 67 с.

28. Тухбатуллин Ф.Г., Кузнецов А.Н. Итоги работы ООО «Газпром газнад зор» по контролю за обеспечением промышленной безопасности объекто защиты от коррозии ОАО «Газпром» в 2010-2011 г.г. Задачи на 2012 г.// Ма териалы отраслевого совещания по вопросам защиты от коррозии - 2013 М.: ООО «Газпром экспо», 2013, с. 11-24.

29. МУ-02.2011 Методические указания. Определение напряжений в дейст вующих стальных трубопроводах /Под ред. Кузнецова А.Н., Москва, ФБ «ЦЛАТИ по ЦФО», 2011 - 26 с.

30. Кузнецов Н.С., Кузнецов А.Н. Диагностика трубопроводов - Издано в типографии ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева», 2009. - 388 с.

31. СНО 04.04.01.160.03 Типовые учебные план и программы повышения квалификации специалистов по курсу «Эксплуатация и ремонт средств элек-трохимзащиты подземных магистральных газопроводов» /Под ред. Кузнецова А.Н., Москва, ОАО «Газпром» Филиал «УМУГазпром», 2011 - 62 с.

32. СНО 04.02.01.178.03 Типовые учебные план и программы повышения квалификации специалистов по курсу «Контроль и диагностика напряженно-деформированного состояния трубопроводов» /Под ред. Кузнецова А.Н., Москва, ОАО «Газпром» Филиал «УМУГазпром», 2012 - 70 с.

33. А.Ю. Кривдин, А.Ф. Пужайло, В.В. Щекин, P.A. Кривдин, А.Н. Светлов, В.В. Марянин, А.Н. Кузнецов Результаты применения бесконтактного магнитометрического контроля комплексом МАГ-01 при коррозионных обследованиях //Материалы отраслевого совещания по вопросам защиты от коррозии (Московская обл., п. Развилка, 26-28 сентября 2011 г.). - М.: ООО «Газпром экспо», 2013. с. 51-58.

34. МУ-05.2012 Методические указания. Определение ресурса стальных трубопроводов, работающих под давлением /Под ред. Кузнецова А.Н., Москва, ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО», 2012-26 с.

35. МУ-04.2012 Методические указания. Выявление зон с максимальной деструкцией на стальных трубопроводах, работающих под давлением /Под ред. Кузнецова А.Н., Москва, ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО», 2012 - 24 с.

Подписано в печать: 15.08.2013 Объем: 2,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 125 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

05201352026

КУЗНЕЦОВ Алексей Николаевич

УДК 620.179.17

Развитие теории, создание способов, средств и технологии

определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов магнитными методами неразрушающего контроля

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 2013 г.

Оглавление

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

Глава 1. Анализ поведения трубопроводов в процессе эксплуатации и определение задач исследования для разработки методологии оценки ресурса их безопасной эксплуатации................................................................................11

1.1. Анализ аварий на магистральном трубопроводном транспорте...............11

1.2. Исследование поведения трубных сталей под нагрузкой..........................16

1.3. Анализ действующих критериев оценки состояния трубопроводов........22

1.4. Анализ методик и неразрушающего оборудования, используемых при оценке состояния трубопроводов........................................................................32

1.4.1. Анализ неразрушающих методов контроля и оборудования для определения напряжений в стальных объектах...........................................32

1.4.2. Анализ методов и средств для определения свойств стальных трубопроводов.................................................................................................39

1.5. Задачи исследования:.....................................................................................41

Глава 2. Разработка методологии определения зон трубопровода для неразрушающей оценки его ресурса...................................................................42

2.1. Разработка методологии определения зон трубопровода с максимальными напряжениями расчетным путем............................................42

2.1.1. Разработка методики определения потенциально опасных участков трубопровода....................................................................................................42

2.1.2. Аналитические исследования прогибов на трубопроводах..............46

2.2. Исследования поведения трубопроводов в зонах с максимальными напряжениями........................................................................................................60

2.2.1. Испытания элементов труб с изгибами...............................................60

2.2.2. Исследование влияния перекачиваемого продукта на износ стенок трубопровода....................................................................................................63

2.3. Разработка методики определения пространственного положения действующих трубопроводов...............................................................................66

2.3.1. Определение изгибов трубопровода под слоем грунта.....................66

2.3.2. Определение пространственного положения трубопровода под водой.................................................................................................................77

Глава 3. Исследование и разработка методики определения абсолютных значений напряжений на действующих трубопроводах...................................80

3.1.Разработка аналитической модели изменения доменной структуры стали при нагружении......................................................................................................80

3.2. Исследование связи параметров магнитного шума с размерами доменов и напряжениями.....................................................................................................88

3.3. Исследования связи ЭДС МШ с механическими свойствами стали и действующими напряжениями.............................................................................90

3.4. Разработка методологии определения абсолютных значений напряжений в трубопроводах.....................................................................................................96

Глава 4. Исследование и разработка методологии оценки свойств стали в трубопроводах......................................................................................................104

4.1. Разработка критерия оценки предельного состояния металла стальных трубопроводов......................................................................................................104

4.2. Обоснование параметра неразрушающего метода контроля, для оценки степени деструкции стали...................................................................................111

4.3. Разработка методологии определения степени деструкции стали на основе измерения коэрцитивной силы..............................................................121

Глава 5. Разработка аппаратуры для оценки технического состояния трубопроводов......................................................................................................130

5.1. Исследование информативных параметров МШ-метода и разработка прибора для регистрации этих параметров.......................................................131

5.1.1. Исследование основных параметров известных МШ-приборов.... 135

5.1.2. Конструктивные особенности разработанных приборов................140

5.2. Результаты исследований работоспособности прибора ПИОН-ОЩ......151

Глава 6. Результаты практического применения разработок.........................156

6.1. Пример обследования вантового перехода магистрального газопровода через водную преграду........................................................................................156

6.2. Разработанные методики и приборы, акты их внедрения и использования. ................................................................................................................................167

6.3. Отчеты по проведению обследований магистральных газопроводов под руководством автора...........................................................................................169

6.4. Справка- заключение ОАО «Оргэнергогаз»..............................................172

7. Общие выводы по работе................................................................................175

8. Литература........................................................................................................180

9. Приложения......................................................................................................199

Введение

Трубопроводный транспорт является одним из самых дешевых и надежных транспортов при доставке жидких и газообразных продуктов на значительные расстояния. Как правило, трубопроводы изготавливаются из стальных труб, соединенных между собой сваркой. Технические и эксплуатационные характеристики трубопроводов обеспечиваются за счет выбора необходимого типа труб с заданным уровнем физико-механических свойств металла этих труб. Однако в процессе длительной эксплуатации технические характеристики трубопровода изменяются и могут перейти критические значения, при которых возможно «самопроизвольное» разрушение трубопровода.

Как известно действующие трубопроводы подвержены комплексу воздействий, приводящих к деструкции его металла. При этом из-за неравномерности таких воздействий по длине трубопровода степень деструкции металла в отдельных зонах может достигнуть критических значений и привести к разрушению трубопровода при нормальной работе основной части трубопровода.

Отправными точками, характеризующими появление в металле трубопровода элементов деструкции можно назвать: повышение плотности дислокаций (снижение пластических свойств металла); образование пор и микротрещин (элементы разрушения); коррозию металла.

Рассматривая весомость факторов, приводящих к ускоренной деструкции металла в локальных зонах, можно отметить, что главенствующее значение в этом процессе имеют действующие в данной зоне металла трубопровода механические напряжения. Причем, чем выше уровень напряжений, тем деструкция металла наступает быстрее.

Исследования по оценке распределения отказов на трубопроводах после различных сроков эксплуатации показывают, что количество отказов резко возрастает после 15 лет эксплуатации.

В этом же интервале времени наблюдается существенное снижение ударной вязкости металла труб и других характеристик, определяющих его пластические свойства. Например, относительные удлинение и сужение металла при эксплуатации трубопровода более 20-ти лет снижается более чем

__Л

на 30% , а ударная вязкость металла (сталь 17ГС) уменьшается до 20 Дж/см , что значительно ниже нормативных требований.

Проводимые работы в соответствии с действующей нормативной документацией по оценке состояния трубопроводов, в том числе внутритрубная диагностика не обеспечивают необходимую надежность. Разрушения трубопроводов происходят, в том числе и на участках подвергнутых диагностике. Эти данные свидетельствуют о недостаточной достоверности оценки состояния трубопроводов по результатам диагностики.

В связи с этим работы, направленные на создание методологии нераз-рушающей оценки состояния действующих трубопроводов, являются актуальными.

Цель работы и задачи исследований

Целью диссертации является создание методологии оценки ресурса безопасной эксплуатации действующих стальных трубопроводов на основе исследования и создания методик и средств выявления зон максимальной деструкции в металле трубопроводов, работающих под нагрузкой.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать состояние металла трубопроводов, разрушенных в процессе аварий, выявить закономерности изменения свойств металла и влияние внешних факторов на наступление разрушений;

- расчетно-экспериментальным путем оценить качественные изменения свойств металла в локальных зонах трубопроводов, работающих под давлением и разработать методику определения предельного состояния этого металла;

- разработать критерии оценки состояния металла трубопроводов в процессе их эксплуатации;

- исследовать и предложить информативные параметры средств нераз-рушающего контроля для реализации разработанных критериев оценки состояния трубопроводов;

- разработать и внедрить средства неразрушающего контроля для измерения выбранных информативных параметров;

- разработать и внедрить методики неразрушающего определения информативных параметров состояния трубопровода;

- разработать и внедрить методологию оценки состояния действующих стальных трубопроводов на основе данных неразрушающих измерений в локальных зонах трубопровода;

- разработать и внедрить методологию оценки ресурса безопасной эксплуатации действующих трубопроводов.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в разработке на базе магнитных методов неразрушающего контроля и теории металловедения научно-методических основ комплексного неразрушающего контроля состояния стальных конструкций в процессе их эксплуатации и выражается в следующем:

- на основе определения пространственного положения трубопровода получены соотношения, позволяющие выявлять зоны трубопровода с максимальными напряжениями, как правило, участки с минимальным радиусом изгиба трубы, а также установлено, что на протяженных прямолинейных участках трубопровода (длиной больше 20 наружных диаметров этого трубопровода), работающего под давлением, осевые напряжения близки к нулю;

- разработан алгоритм определения предельного значения деструкции в стальных трубопроводах, заключающийся в последовательности технологических операций по определению первой точки деструкции стали при ее деформировании;

- разработана модель изменения доменной структуры стали под нагрузкой, заключающаяся в представлении прохождения границ доменов по узлам кристаллической решетки, в которых имеются неоднородности и перемещении этих границ при механическом и магнитном воздействии на сталь, позволяющая прогнозировать изменение магнитных характеристик стали при изменении ее свойств;

- определен параметр магнитного метода неразрушающего контроля (коэрцитивная сила), позволяющий оценить степень деструкции стальных трубопроводов;

- получены соотношения, показывающие, что коэрцитивная сила стали пропорциональна величине относительной пластической деформации стали в степени 1/2;

- разработан метод определения коэрцитивной силы на основе регистрации времени с начала перемагничивания стали до максимума ЭДС сигналов магнитного шума за каждый период перемагничивания;

- получены соотношения позволяющие использовать параметры магнитного шума в стали (ЭДС магнитного шума вдоль и поперек трубы) для определения абсолютных значений напряжений действующих в трубопроводе.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработана и внедрена методика определения ресурса безопасной эксплуатации стальных трубопроводов на основе оценки степени деструкции металла труб в локальных зонах с максимальным уровнем напряжений и деформаций;

- разработана и внедрена методика выявления зон деструкции в стальных трубопроводах на основе измерения коэрцитивной силы в зонах с максимальными напряжениями и деформациями;

- разработана и внедрена методика определения напряжений в действующих трубопроводах магнитным методом на основе измерения ЭДС магнитного шума вдоль и поперек трубы;

- создан портативный магнитошумовой прибор для определения абсолютных значений напряжений в стальных трубопроводах, с автоматическим пересчетом данных измерений ЭДС магнитного шума в вдоль и поперек трубы в величины напряжений;

- создан портативный магнитошумовой прибор для определения коэрцитивной силы в поверхностных слоях стальных конструкций;

- разработаны типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов, в области эксплуатации, обслуживания и диагностики объектов добычи и транспортировки газа системы ОАО «Газпром».

Реализация результатов работы:

- методические разработки автора (определение наиболее опасных участков трубопровода, оценка коррозионной активности среды в зоне трубопровода, определение напряжений в трубопроводах магнитными методами) вошли в качестве обязательных в СТО Газпром 2-2.3-095-2007 «Методические указания по диагностическому обследованию линейной части магистральных газопроводов»;

- методические разработки автора вошли в новые редакции ГОСТ Р 51164 и ГОСТ 9.602 в части определения локальных участков трубопроводов

наиболее подверженных коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, а также свойств сталей по измеренной коэрцитивной силе;

- методические разработки автора вошли в качестве обязательных в методические указания ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) по проведению экспертизы промышленной безопасности трубопроводов, работающих под давлением, а именно:

* Методические указания. «Определение ресурса стальных трубопроводов, работающих под давлением». №МУ-05.2012;

* Методические указания. «Выявление зон с максимальной деструкцией на стальных трубопроводах, работающих под давлением». №МУ-04.2012;

* Методические указания. «Определение напряжений в действующих стальных трубопроводах магнитошумовым методом». №МУ-02.2011.

Разработанные методики и устройства использованы:

- в ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» (Ростехнадзор) для определения ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов, а также для измерения напряжений в стальных трубопроводах различных объектов, в том числе при проведении экспертизы промышленной безопасности газопроводов в Брянской, Орловской, Смоленской, Тверской и др. областях;

в ОАО «Оргэнергогаз» для определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов на ряде объектов Газпрома, в том числе, на объектах газотранспортных предприятий «Мострансгаз», «Са-маратрансгаз», «Томсктрансгаз», « «Тюментрансгаз», «Таттрансгаз», «Газпром трансгаз Ухта», «Ямбургазодобыча», на объектах в Армении, Германии и др.;

- в ЗАО «Трубопроводные системы и технологии» для определения напряженно-деформированного состояния участков трубопровода в местах установок вставок электроизолирующих;

- в учебном процессе предприятий Газпрома и ООО «Завод импульсной техники».

Разработки автора использованы в НПЦ «Гарантия-М» (Научно-исследовательский машиностроительный институт - НИМИ) при создании магнитошумовых приборов «ПИОН-ОЗ» и «ПИОН-ОЩ».

Внедрение разработок подтверждено актами и заключениями предприятий.

Разработанные типовые Учебные планы и Программы повышения квалификации специалистов предписаны для повышения квалификации специалистов по транспортировке газа, входящих во 2-ю группу специальностей (должностей) в системе непрерывного фирменного профессионального образования (СНФПО) ОАО «Газпром».

Методические разработки по оценке технического состояния трубопроводов защищены 4 патентами РФ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 1990, 2000, 2001, 2007 г.г.), Международных конференциях в Риме (2000 г.), Тунисе (2001 г.), Мальта (2003 г.), а также на семинарах в МГУПИ, НИМИ, ФБУ «ЦЛАТИ по ЦФО» и др.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 35 печатных работ, в том числе 4 патента РФ на изобретения. 9 работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ. Одна монография на 388 страницах. Две работы являются стандартами ОАО «Газпром».

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 212 страницах машинописного текста, иллюстрируется 87 рисунками, 14 таблицами и состоит из введения, 6-ти глав, общих выводов, списка литературы из 190 наименований и приложений.

Личный вклад автора

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работ�