Определение напряжений в трубопроводных конструкциях на основе эффекта акустоупругости

Диссертационная работа посвящена исследованию точности и достоверности определения напряжений методом акустоупругости применительно к трубопроводным конструкциям.

Актуальность проблемы.

Происходящий в настоящее время переход многих предприятий топливно-энергетического комплекса от планового ремонта ответственных объектов к ремонту «по состоянию» определяет развитие неразрушающих методов и аппаратуры инструментального контроля механических характеристик металлоконструкций для определения их надежности и оценки остаточного ресурса. Достигаемый эффект от перехода — снижение затрат на обслуживание и ремонт на 40% и продление ресурса на 30% возможен только при внедрении систем диагностики.

По оценкам экспертов среднегодовой совокупный материальный ущерб с затратами на ликвидацию чрезвычайных ситуаций техногенного характера в России в ближайшие годы может составить до 5% внутреннего валового продукта страны. Россия в настоящее время эксплуатирует свыше 150 тыс. км магистральных газопроводов. По сроку эксплуатации действующие газопроводы распределяются следующим образом: 15% -более 30 лет, 55% - от 10 до 30 лет, 30% - до 10 лет- 15% мощностей газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов эксплуатируются более 20 лет. Предотвращение катастроф при эксплуатации опасных объектов (типа атомных электростанций, трубопроводного транспорта и др.) с продляемым ресурсом требует квазинепрерывного мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) металлоконструкций и принятия решений о дальнейшей эксплуатации без участия человека.

Концепция оценки остаточного ресурса применительно к трубопроводному транспорту газа [41, 64] включает в себя следующие основные этапы [63]:

1. Анализ исходной информации, ее обработка, накопление, выбор потенциально опасных участков.

2. Инструментальный этап — обследование дефектного участка методами неразрушающего контроля: ультразвуковой контроль трещин, измерение утонения стенки, оценка уровня напряженно-деформированного состояния.

3. Расчетный этап — оценка опасности дефекта и работоспособности потенциально опасного участка.

4. Выполнение экспресс-оценки остаточного ресурса трубопровода или его работоспособности до назначения следующей инспекции.

5. Составление экспертного заключения для эксплуатирующей организации.

Определение напряженно-деформированного состояния входит в этап инструментального обследования при оценке остаточного ресурса газопроводов. В связи с этим, в настоящее время разрабатываются и внедряются методы и аппаратура инструментального неразрушающего контроля НДС, работающие на различных физических принципах: вихретоковые, рентгеновские, тензометрические, капиллярные, магнитные, оптические, акустико-эмиссионные, вибрационные, тепловые, с использованием струнных датчиков и т. д. Среди этих методов наибольшее развитие получили акустические методы контроля. К основным достоинствам ультразвукового контроля, благодаря которым он нашел широкое распространение, можно отнести высокую чувствительность, большую проникающую способность, возможность контроля при одностороннем доступе к конструкции, практическую безопасность для обслуживающего персонала, экономичность [17,18,31,32].

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы [31, 32] - активные методы и пассивные методы. Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные — только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект. Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот. Метод прохождения включает в себя амплитудный, теневой, временной теневой, велосиметрический. Методы отражения включают эхо-метод, эхо-зеркальный метод, дельта метод, дифракционно-временной, ревербирационный. Метод собственных частот разделяется на метод вынужденных колебаний и свободных колебаний.

Пассивный метод разделяется на акустико-эмиссионный, вибрационно-диагностический, шумодиагностический.

Ультразвуковые методы, используемые для неразрушающего контроля материалов, можно классифицировать с учетом целей, которые эти методы преследуют [6]. В этом смысле все ультразвуковые методы можно разделить на две группы:

1) для определения локальных дефектов;

2) для определения структурных особенностей контролируемого металла.

В качестве информативных параметров в первой группе методов главным образом используют амплитуду эхо сигналов, отраженных от дефектов или ослабление амплитуды пришедшего сигнала, изменение времени распространения упругих волн вследствие огибания волной дефекта и т. д.

Во второй группе информативными параметрами могут быть скорость распространения упругих волн, дисперсия скорости упругих волн, амплитуды отражений от неоднородностей структуры, ослабление донного эхо-сигнала и другие параметры.

Одним из наиболее используемых параметров для оценки состояния деформируемых конструкционных материалов и сплавов является скорость распространения упругих волн. Кроме продольных и поперечных упругих волн в практике неразрушающего контроля часто используются поверхностные волны Рэлея и волны Лэмба [7], [8].

Акустотензометрия, которая позволяет по результатам изменения скоростей упругих волн при воздействии начальных напряжений судить о напряженном состоянии, является одним из перспективных методов контроля НДС металлоконструкций. Исходя из того, что эффективность экспресс-контроля определяется прежде всего быстродействием, низкой стоимостью оборудования и готовностью его к применению, простотой обслуживания, представляется перспективным применение ультразвуковых волн для мониторинга и экспресс-контроля напряженно-деформированного состояния трубопроводов и конструкций. Использование различных типов акустических волн позволяет проводить мониторинг напряженного состояния, вызванного различными воздействиями. Практический интерес к исследованиям в области акустоупругости также вызван возможностью определения констант упругости третьего порядка.

Ранее проводимые НИИИС совместно с ВНИИГАЗ экспериментальные исследования в области акустической тензометрии [34, 36] подтверждают возможность определения механических напряжений при двухосном напряженном состоянии в упругой и упруго — пластической области с достаточной для инженерных целей точностью [36].

Работа выполнялась по теме «Разработка измерительно-аналитического комплекса мониторинга напряженно-деформированного состояния трубопроводов и конструкций», шифр «Диагностика», направления 1, 2 (руководитель д.ф.-м.н. Киселев В.К.) (договор НИИИС с ОАО ГАЗПРОМ № 3405−02−80 от 14.05.2002 г.) — комплексной программе РАН, раздел II «Машиностроение» по теме «Разработка методов диагностики напряженнодеформированного состояния, структуры и свойств материалов и элементов конструкций, основанных на применении эффектов нелинейной акустики» (2001;2003 г. г.) — по гранту РФФИ 03−02−16 924 «Нелинейные акустические волны в неоднородных, поврежденных и структурированных материалах. Теория. Эксперимент. Приложения.» (руководитель д.ф.-м.н., профессор Ерофеев В.И.).

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование эффекта акустоупругости, точности акустического метода определения одно-и двухосных напряжений элементов трубопроводных металлоконструкций. А также расширение круга задач, решаемых при помощи акустоупругош эффекта.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

Провести численный анализ изменения скоростей продольных и поперечных упругих волн в твердых телах с начальными напряжениями при применении различных вариантов линеаризированной теории упругости, провести сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Для нескольких марок конструкционных сталей экспериментально получить константы упругости третьего порядка.

Провести сравнительный анализ применения различных вариантов линеаризированной теории упругости для расчета скорости поверхностной волны Рэлея в предварительно напряженных твердых телах. Провести сравнение расчетных данных с экспериментом.

Экспериментально подтвердить влияние растягивающих и изгибных напряжений на скорость распространения поверхностных волн Рэлея.

Провести испытания разработанного опытного образца прибора для измерения механических напряжений на стендах НИИИС,.

ООО «Волготрансгаз», ИТЦ «Оргтехдиагностика», в лабораторных и в полевых условиях. Научная новизна. В диссертационной работе: получены соотношения для нахождения скоростей объемных волн и поверхностных волн Рэлея учитывающие физическую нелинейность, содержащую константы упругости четвертого порядкадля расчета скоростей продольных, поперечных акустических волн и поверхностных волн Рэлея в телах с начальными напряжениями численно проанализированы различные варианты задач линеаризированной теории упругостипо результатам измерения скоростей продольных и поперечных волн в преднапряженных телах получены константы упругости третьего порядка для стали 15ХСНД и стали 3 по уточненным формулампредложена и экспериментально подтверждена возможность измерения изгибных напряжений с использованием поверхностных волн Рэлея. Практическая значимость работы. Создаваемая аппаратура, работающая на эффекте акустоупругости с использованием продольных и поперечных акустических волн, позволяет проводить мониторинг напряженного состояния металлоконструкций, в том числе трубопроводных конструкций, без изменения режима их эксплуатации. Использование поверхностных акустических волн Рэлея позволяет расширить диапазон прикладных задач, решаемых при помощи акустоупругого эффекта — возможность определения механических напряжений в приповерхностных слоях. Использование результатов инструментального определения напряженного состояния возможно для определения надежности и оценки остаточного ресурса i ответственных объектов топливно-энергетического комплекса.

На защиту выносятся следующие положения: соотношения для нахождения скоростей объемных волн и поверхностных волн Рэлея учитывающие физическую нелинейность, содержащую константы упругости четвертого порядкачисленный анализ различных вариантов задач линеаризированной теории упругости для расчета скоростей продольных, поперечных акустических волн и поверхностных волн Рэлея в телах с начальными напряжениямиэкспериментально полученные значения констант упругости третьего порядка для стали 15ХСНД и стали 3 по уточненным формуламвозможность измерения изгибных напряжений с использованием поверхностных волн Рэлеяиспытания разработанного опытного образца прибора для измерения однои двухосных напряжений на стендах НИИИС, ООО «Волготрансгаз», ИТЦ «Оргтехдиагностика», в лабораторных и в полевых условиях. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

2-ой международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, ВНИИАЭС, 22−23 марта 2001 г.

3-м научно-техническом совещании — семинаре «Аналитика, диагностика и средства автоматизации для нефтегазового комплекса», ВНИИТФА, Москва — ГЦИПК г. Обнинск 23−25 апреля 2001 г.

4-м научно-техническом совещании — семинаре «Аналитика, диагностика и средства автоматизации для нефтегазового комплекса», ВНИИТФА, Москва — ГЦИПК г. Обнинск 9−11 апреля 2002 г. региональном молодежном научно-техническом форуме «Будущее технической науки нижегородского региона», Hi «ГУ, Нижний Новгород, 14 мая 2002 г.

8-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Нижний Новгород, 10−14 февраля 2003 г.

10-м международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Москва — Ярополец, МАИ, 9−13 февраля 2004 г.

Всероссийской научной конференции, посвященной памяти профессора А. И. Весницкого «Волновая динамика машин и конструкций», Нижний Новгород, 1−5 июня 2004 г.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований отражены в 11 публикациях [16,20−23,25−28, 34,36].

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы — 107 стр., в том числе, 39 иллюстраций, 12 таблиц. Список использованной литературы включает 87 наименований. Во введении рассмотрена концепция остаточного ресурса применительно к трубопроводному транспорту. Проведен обзор акустических методов, используемых в задачах неразрушающего контроля.

выводы.

Пайкд.

Эпоксидный кл Металлиза! ЦТС.

Рис. 3.3.6. Датчик поверхностных волн Рэлея.

Угол ввода продольной волны в в материал выбирается из условия оптимального возбуждения: где Си — скорость продольных волн в материале клина, Сг — скорость поверхностной волны Рэлея в исследуемом материале. Если взять скорость продольной волны в оргстекле 2600 м/с, а скорость рэлеевской волны в металле 2800 м/с, то угол 0 составит 68°.

В методе клина возбуждается практически только одна рэлеевская волна, уровень возбуждаемых объемных волн лежит на 20−30 дБ ниже [8].

В ходе работы в соавторстве разработан опытный образец прибора для измерения напряжений НПИН-01 (рис. 3.1.1), работающий на основе алгоритмов определения однои двухосных механических напряжений, которые используют результаты измерения времен распространения ультразвуковых продольных и поперечных волн.

3.3.1).

Разработаны акустические датчики для генерации и приема ультразвуковых продольных, поперечных и поверхностных волн (рис. 3.3.1, 3.3.2,3.3.4 — 3.3.6), входящие в состав акустотензоизмерителя НПИН-01.

Глава IV.

Результаты испытаний ультразвукового измерителя напряжений.

В главе приведены результаты испытаний опытного образца прибора измерения однои двухосных напряжений на стендах в лабораторных и полевых условиях. Проводились измерения напряжений при однои двухосном напряженном состоянии.

§ 1. Измерение одноосных напряжений.

Прибор испытывался в лабораторных условиях на образцах сталей Х70, ст. 3, 15ХСНД. При этом образцы подвергались одноосному растяжению на разрывных машинах ZD 10/90 и РМ50. На образцы устанавливался комплексный акустический датчик и определялись значения напряжений по результатам измерения времен распространения поперечных волн взаимно перпендикулярных поляризаций.

Образец из стали Х70 (45,4×9,5) подвергался ступенчатым нагрузкам на разрывной машине РМ50 — 4,3, 8,6, 12,9, 8,6 4,3, 0 тс. Производилась калибровка прибора (тарировочный эксперимент), при этом снимались значения времен распространения поперечных волн в ненапряженном состоянии и при нагрузках F равных 4,3, 8,6 и 12,9 тс. Значения акустоупругого коэффициента при одноосном напряженном состоянии рассчитывалось по формуле (4.1.1) и усреднялись по результатам не менее 3-х экспериментов.

Для стали Х70 усредненное значение акустоупругого коэффициента составило 6×104 МПа.

Результаты измерений напряжений при различных значениях нагрузки F представлены на рис. 4.1.1 ив таблице 4.1.1. 350 300 250 200 5 о 150 100 50 0.

0 2 4 6 8 10 12 14.

F, тс.

Рис. 4.1.1 Значения измеренных и рассчитанных напряжений образца стали Х70 при различных нагрузках- + и О — расчетные и измеренные значения напряжений соответственно.

Для характеристики точности обычно служит приведенная погрешность, выраженная в долях номинального значения измеряемой величины. Если в качестве номинального значения принять предел текучести материала, то суммарная погрешность акустического метода и измерительного прибора 5ст может быть выражена разностью измеренного и расчетного значений, отнесенной к значению предела текучести данного материала [15]. Значения предела текучести Сто, 2 для стали Х70 принималось равным 400 МПа, для стали 15ХСНД — 380 МПа, для стали 3 — 220 МПа [51,62]. о, а о.

1-Т—1-г.

Заключение

.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, составляющих предмет диссертации, проведен анализ скоростей распространения продольных, поперечных упругих волн и поверхностных волн Рэлея в телах с начальными напряжениями. Для определения точности акустического измерителя механических напряжений проведены его испытания на различных стендах. Основные результаты и выводы работы сводятся к следующему.

1. Получено, что для нахождения скоростей упругих волн в телах с начальными напряжениями, одновременный учет геометрической и физической нелинейности, содержащей константы упругости третьего порядка, дает удовлетворительное совпадение результатов расчета с экспериментом для сталей. Учет физической нелинейности, содержащей константы упругости четвертого порядка, существенных поправок не дает.

2. Получено, что геометрически линейная теория позволяет рассчитывать скорости продольных, поперечных волн и поверхностных волн Рэлея в телах с начальными напряжениями, если при расчетах использовать константы упругости третьего порядка, полученные с помощью геометрически линейной теории.

3. Предложена и экспериментально подтверждена возможность измерения изгибных напряжений при использовании поверхностных волн Рэлея.

4. Разработан (в соавторстве) опытный образец прибора для измерения напряжений НПИН-01, состоящий из электронного блока, портативного компьютера и комплексного датчика, работающий на основе алгоритмов определения однои двухосных механических напряжений, по результатам измерения времен распространения ультразвуковых продольных и поперечных волн.

5. Проведены лабораторные и полевые испытания опытного образца акустического измерителя механических напряжений НПИН-01 и экспериментально определена приведенная погрешность измерения одно-и двухосных напряжений. Результаты испытаний указывают на то, что приведенная к пределу текучести материала погрешность измерения одноосных напряжений не превышает 6%, двухосных напряжений — не более 10%.