Разработка методики и оборудования определения напряженно-деформированного состояния линейной части газопроводов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

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

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

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

4. Апробация разработанной методики определения напряженнодеформированного состояния линейной части газопровода.

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ.

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

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

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

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

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

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