Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Воробьев Яков Владимирович

Материаловедческое обоснование
применимости магнитной томографии металла
для диагностирования ферромагнитных трубопроводов

05.16.09 Ц Материаловедение (металлургия)

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва Ц 2012

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

Научный руководитель:        кандидат технических наук, доцент
Волгина Наталия Ивановна

Официальные оппоненты:        Масленков Станислав Борисович доктор технических наук, профессор, главный  редактор журнала Технология металлов

Соколовская Элина Александровна кандидат технических наук, доцент кафедры металловедения и физики прочности НИТУ МИСиС

Ведущая организация:        Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина

Защита диссертации состоится 7 июня 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.127.01 в ФГБОУ ВПО Московский государственный вечерний металлургический институт по адресу: 111250, г.аМосква, ул.аЛефортовский вал, 26, ауд.а206.

Телефон: (495) 361-14-80; факс: (495) 361-16-19;
e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный вечерний металлургический институт и на сайте ВАК

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф.        Смирнов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

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

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

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

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

Подавляющее большинство существующих методов диагностирования технического состояния направлены на выявление физических макродефектов металла и оценку степени их опасности исходя из геометрических размеров. Классификация размеров дефектов носит формальный характер и не отражает фактические структурные и механические характеристики металла в зонах выявленных дефектов. Известно, что многие объекты (например, трубопроводы) часто эксплуатируются с дефектами в течение длительного периода, а разрушение происходит не в зоне дефекта, а в области, в которой отсутствуют видимые повреждения или трещины. Тем не менее, при проведении металлографических или рентгеноструктурных исследований в очагах разрушения обнаруживаются отклонения в структуре: строчки пластинчатого перлита в феррито-перлитных сталях или хрупкие неметаллические включения, не выявляемые традиционными методами неразрушающего контроля, изменение дислокационной структуры металла, выражающееся в повышении напряжений в решетке, и другие аномалии структурного состояния металла (рис.1).

               

а        б        в

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

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

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

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

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

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

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

Цель работы

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

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

-        изучение связи действующих в ферромагнетике механических напряжений с его внешним магнитным полем на примере отрезка трубопровода, подвергаемого воздействию избыточного внутреннего давления различной величины;

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

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

Научная новизна

1. Установлено, что в процессе длительной эксплуатации в газонефтепродуктопроводах происходят значительные изменения структуры металла:

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

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

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

Все это приводит к повышению уровня внутренних напряжений второго рода.

2. Полевые натурные исследования подтвердили обоснованность применения метода магнитной томографии металла для выявления областей концентрации механических напряжений, что подтверждено последующими металлографическими исследованиями и рентгеноструктурным анализом.
3. Впервые проведено исследование магнитного поля полноразмерного трубопровода, при величинах напряжений от нуля до близких к пределу текучести, с сопоставлением данных магнитометрии, тензометрии, металлографического и рентгеноструктурного анализов, а также компьютерного моделирования методом конечных элементов.
4. Разработана и испытана методика полевых измерений индукции магнитного поля на поверхности трубопровода и способы калибровки напряжений.
5. Показано, что зависимость абсолютного изменения магнитной индукции от изменения величины механических напряжений, построенная по пяти или более точкам для каждого из 108 однокомпонентных измерений, имеет линейный характер в области от нуля до уровня, близкого к пределу текучести.

Практическая ценность работы

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

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

ичный вклад автора

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

Достоверность полученных результатов

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

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

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

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:

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

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

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

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

Публикации

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

Структура и объем работы

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

Тензометрические измерения проводились с помощью проволочных тензорезисторов КФ4 и КФ5 номинальным сопротивлением 200 Ом.

Для образцов металла, отобранных от экспериментального трубопровода, было выполнено исследование микроструктуры на микроскопах Ломо (Россия), Polyvar Met (Германия) х100 - 500 с микротвердомером Duromat 4000 и NEOPHOT-32 (Германия, ф. Карл Цейс Иена).

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

Степень загрязненности неметаллическими включениями определяли по ГОСТ 1778: бальную оценку осуществляли методом Ш-4 по наиболее загрязненному месту шлифа при увеличениях х100. Подсчет объемного процента количества включений и распределение их по размерам выполняли методом "П" при х520, просматривая по 100 полей зрения.

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

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

- усталость;

- развитие докритической трещины;

- механический долом.

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

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

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

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

Рис. 3. Микроструктура металла трубы (200): слева Ц в центральной зоне (по толщине металла), справа Ц вблизи наружной поверхности трубы

Рис. 4. Микротрещины на внутренней поверхности коррозионной язвы, (500).

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

Таблица 1

Результаты определения напряжений второго рода
и степени концентрации напряжений

Образец	Ширина рентгеновской линии В(211),μрад	окальная концентрация напряжений α	σ11, кГ/мм2	Плотность дислокаций ρ*109,см-2
1 а) внешняя поверхность	12,2	59,3	30,6	1,7
1 б) середина стенки	13,34	56,6	36,5	2,07
1 в) внутренняя поверхность	15,7	46,4	46,8	2,7
2 а	12,8	63,5	34,1	1,85
2 б	12,8	60,0	34,1	1,85
2 в	14,7	51,3	41,7	2,5
3 а	11,6	60,0	27,5	1,53
3 б	12,8	62,7	33,7	1,87
3 в	14,8	56,4	42,0	2,4
4	14,5	58,9	41,6	2,31

В ходе исследований применялось следующее оборудование:

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

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

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

Экспериментальная установка (рис.а5) представляет собой прямолинейный трубопровод, концы которого закрыты сферическими заглушками, лежащий на деревянных опорах. Трубопровод имеет впускные и выпускные заглушки для заполнения водой, опорожнения и создания избыточного внутреннего давления, а также манометр для измерения последнего. Над трубопроводом параллельно его оси смонтированы деревянные направляющие, позволяющие поступательно перемещать оборудование параллельно оси трубопровода. Установка для уменьшения воздействия посторонних магнитных воздействий смонтирована в сводчатом алюминиевом ангаре на земляном полу.

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

Экспериментальная работа включала в себя следующие этапы:

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

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

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

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

В эксперименте были получены следующие результаты:

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

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

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

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

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

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

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

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

       

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

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

Значительное влияние на полученные данные оказывает окружающая среда:

а) постоянное магнитное поле Земли;

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

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

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

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

Учитывая, что данные тензометрии при этом показали, что продольные напряжения при создании избыточного внутреннего давления пропорциональны кольцевым и много меньше последних, на данном этапе исследования можно пренебречь продольной составляющей растягивающих напряжений.

       а        б

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

       а        б

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

       а        б

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

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

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

Рис. 10. Изображения векторов магнитной индукции при различных величинах избыточного внутреннего давления в трубопроводе.
Серии векторов построены в системах координат, привязанных к проекции положения соответствующего датчика на ось трубопровода.
У концов векторов стрелками показана последовательность векторов
при повышении внутреннего давления в трубопроводе.

В пятом разделе содержится обоснование применимости метода магнитной томографии металла.

Результаты металлографического исследования и рентгеноструктурного анализа.

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

Рис. 11. Структура стали в образце, х100.

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

Таблица 2

Результаты измерения микротвердости (при Р=100 г)

Зона образца	Значения микротвердости НV, кГ/мм2.	Средние значения НVср.
1	230, 240, 250, 265, 225	242
2	200, 210, 205, 207, 205	205
3	190, 195, 200, 196, 190	194
4	190, 192, 200, 189, 195	193

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

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

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

Рентгеновскую съемку проводили в Fe-α излучении на дифрактометре ДРОН-3 в режиме записи интерференционных линий (211). Проекция линейного рентгеновского пучка на излома имеет ширину 4 мм. Средний уровень напряжений оценивали по изменению полуширины интерференционной линии (211) на середине ее максимума, которая прямо пропорциональна изменению микронапряжений.

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

- усталость;

- развитие докритической трещины;

- механический долом.

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

В процессе усталости с увеличением числа циклов происходит накопление повреждений и возрастает средний уровень остаточных напряжений и должна увеличиваться их локальная концентрация. Собственно процесс усталостного разрушения должен приводить к релаксации среднего уровня -напряжений (благодаря образованию и развитию трещины). При механическом доломе-разрыве, связанном с большой пластической деформацией, микронапряжения должны  возрастать (наклеп). Локальная концентрация микронапряжений должна быть ниже, чем при усталостном развитии трещины.

Разный характер изменения микронапряжений при развитии разрушения на разных этапах открывает возможность идентификации этапов (и всего разрушения) рентгенографическим методом на основании характера изменения величины микронапряжений и их локальной концентрации. Это имеет особенно важное значение при выявлении и изучении возможных отрицательных эффектов, связанных с переиспытаниями повышенным давлением.

В работе идентифицировали тип разрушения, сканируя поверхность от внешней стенки к внутренней. Локальную концентрацию напряжений оценивали путем анализа лхвостов дифрактограмм - кривых участков слабой интенсивности, полагая, что высокие локальные микронапряжения (искажения решетки) сосредоточены в малых объемах по сравнению с размером зерна. По ширине рентгеновских интерференций (211) также определяли плотность дислокаций, характеризующую степень наклепа. Величину внутренних напряжений рассчитывали по формуле:

где

Δа/а - деформация решетки; Е - модуль упругости.

Результаты измерений представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты определения напряжений второго рода
и степени концентрации напряжений

Зона образца	Ширина рентгеновской линии В(211),μрад	окальная концентрация напряжений α	σ11, кГ/мм2	Плотность дислокаций ρ*109, см-2
1 внешняя поверхность	14,5	56,38	41,5	2,3
2 середина стенки	12,8	62,7	33,7	1,87
3 внутренняя поверхность	11,6	60	27,5	1,53

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

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

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

Общие выводы

1. Проведенными исследованиями на модели трубопровода показано:

-        Магнитная индукция внешнего поля стального трубопровода вблизи его поверхности изменяется на 30Е40 мТл при изменении величины механических напряжений от нуля до уровня близкого к пределу текучести.

-        Зависимость абсолютного изменения магнитной индукции от изменения величины механических напряжений с учетом точности оборудования имеет линейный характер в области от нуля до уровня, близкого к пределу текучести.

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

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

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

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

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

-        в случае коррозионного разрушения ближе к наружной поверхности уровень микронапряжений на 65,4% ниже, чем в слоистых участках коррозионной язвы, при этом плотность дислокаций у внешней стенки ниже, чем у внутренней (1,7 и 2,7х109 см-2 соответственно);

-        поверхности внутренних микротрещин в рентгенографической интерпретации представляет собой сочетание высоких напряжений (41,6акГ/мм2) и плотности дислокаций (2,3х109см -2).

3. Проведенными металлографическими исследованиями и рентгеноструктурным анализом удалось впервые подтвердить изменения структуры и наличие локальных зон концентрации напряжений в областях магнитных аномалий, выявленных методом МТМ.
4. Разработана и испытана методика полевых измерений магнитного поля на поверхности трубопровода и способы калибровки напряжений.

Результаты металлофизических исследований металла аномальных зон, выявленных при испытаниях по разработанной методике, полностью коррелируют с результатами аналогичных исследований металла, отобранного от действующего трубопровода.

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

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

6. Проведено моделирование напряженного состояния аномальных сечений методом конечных элементов и рассчитано распределение приведенных напряжений по Мизесу в области сечений 15,7 м и 31 м при величинах внутреннего давления 6 и 8 МПа.
7. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке национального стандарта Диагностика технического состояния и оценка работоспособности трубопроводов бесконтактными магнитными методами. Метод магнитной томографии. Общие требования. Стандарт внесен в Технический комитет по стандартизации ТК 71 Гражданская оборона, предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций.
8. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке дополнений к нормативной документации Американского Общества Инженеров-Механиков (ASME), поданных на рассмотрение в ASME, в рамках контракта между ООО НТЦаТранкор-К и Малазийской нефтегазовой корпорацией ПЕТРОНАС.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. ВоробьеваЯ.аВ., ВолгинааН.аИ., ХуснутдиноваЛ.аА., КамаевааС.аС. Использование ферромагнитных свойств металла для диагностирования технического состояния и прогнозированияа ресурса стальных трубопроводов. Технология металлов, №а1, 2010;
2. ГорошевскийаВ.аП., КамаевааС.аС., ВолгинааН.аИ., ВоробьеваЯ.аВ. Расчет безопасного давления и периода безаварийной работы трубопроводов по результатам магнитной томографии. Ремонт, восстановление, модернизация, №а4, 2010;
3. Воробьев Я.В., Горошевский В.П., Волгина Н.И. Материаловедческие аспекты использования метода магнитной томографии для диагностики трубопроводов. Материалы Международной Заочной Научно-Практической Конференции Вопросы науки и техники. Часть II. Новосибирск, 2012 г.
4. В.В. Салюков, В.Н. Медведев, Ф.Г. Тухбатуллин, М.И. Королев, Н.И. Волгина, Я.В. Воробьев, В.С. Иванов, В.С. Урусов. Влияние технологии производства труб на их предрасположенность к коррозионному растрескиванию под напряжением. Монография. М.: ООО ИР - Газпром, 2007. - 116ас.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям