Assessment of Stress-Strain State of Pipelines Based on the Measurements of Magnetic Characteristics in Field Conditions

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Магистральные трубопроводы в процессе работы испытывают нагрузки различного характера. К нагрузкам относятся: растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие, сдвиговые и их комбинации [1, 2]. Источниками таких нагрузок являются: сила тяжести, действующая на трубопровод, реакция опор, давление грунта, внутреннее давление содержимого, смещение опор, внешние нагрузки на участках перехода [3—5]. Каждая из этих нагрузок влияет на магнитные свойства объекта контроля. Чтобы применять магнитную методы неразрушающего контроля для определения напряженно-деформированного состояния (НДС), нужно однозначно определить влияние нагрузок и их комбинаций на магнитные свойства. Существующие работы можно разделить на две группы: полевые испытания на трубопроводах и лабораторные исследования с использованием стационарных установок. Первые дают представление о наличии связей НДС и магнитных свойств, но в них, в основном, используются измерительные приборы, позволяющие определить только один параметр, например, коэрцитиметры [6—8]. Во вторых используются стандартные методики и стационарное оборудование, но они неприменимы на реальных объектах типа трубопроводов [9]. Вследствие этого отсутствуют широко распространенные методики определения напряженно-деформированного состояния по величинам магнитных свойств.

В качестве информативных параметров выбираются различные магнитные свойства: коэрцитивная сила (наиболее часто используемый параметр), остаточная магнитная индукция, максимальная дифференциальная магнитная проницаемость и другие. Также могут использоваться комбинации измеряемых параметров или одни и те же параметры, но измеренные в различных направлениях [10]. Для одноосной нагрузки анизотропия коэрцитивной силы (т.е. разность коэрцитивных сил в двух взаимно перпендикулярных направлениях) показывает монотонную и близкую к линейной зависимость от напряжений [10], поэтому часто применяется на практике [11, 12]. Существует метод контроля сжимающих напряжений по значениям напряженности магнитного поля, соответствующим пикам дифференциальной или обратимой магнитной проницаемости [13, 14].

Наиболее перспективными в контексте контроля массивных объектов выглядят исследования, в которых используются приставные измерительные преобразователи, позволяющие измерять сразу несколько магнитных параметров или всю петлю магнитного гистерезиса [15—19].

В связи с вышесказанным понятно, что остается актуальным вопрос разработки методики магнитного контроля напряженно-деформированного состояния трубопроводов и приборов, их реализующих в полевых условиях. Целью работы являлось установление потенциальной возможности использования магнитных параметров для контроля НДС участков трубопроводов путем проведения полевых исследований с использованием магнитного структуроскопа с приставным измерительным преобразователем.

ОБЪЕКТЫ КОНТРОЛЯ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЕТОВ

Полевые исследования проводились на участках трубопровода двух труб (рис. 1 и 2), являющихся надземными переходами, с одинаковым номинальным диаметром и толщиной стенки (упрощенная схема этих труб с указанием номинальных размеров показана на рис. 3). Длины надземного перехода L для труб «А» и «Б» были равны 46,4 и 34,6 м соответственно. Материал трубопровода — конструкционная сталь 17Г1С [20].

 

Рис. 1. Схема надземного перехода «А»

 

Рис. 2. Схема надземного перехода «Б»

 

Рис. 3. Упрощенная схема трубы без указания сварных швов

 

Измерения проводились с помощью магнитного мультитестера ММТ-3 [17] (рис. 4) и магнитного структуроскопа КРМ-Ц-К2М [8] (рис. 5). Структуроскоп КРМ-Ц-К2М измеряет коэрцитивную силу по току размагничивания $H_c^{КРМ}$. ММТ-3 позволяет получать петлю магнитного гистерезиса и рассчитывать соответствующие магнитные характеристики: коэрцитивная сила по индукции H_c, остаточная магнитная индукция B_r, максимальная магнитная индукция B_m и другие. Контроль НДС только по коэрцитивной силе, определенной по току размагничивания, приводит к неоднозначной оценке НДС низколегированных сталей [10], а также к влиянию на показания прибора формы и размеров изделия и других факторов [16, 21].

 

Рис. 4. Магнитный мультитестер ММТ-3

 

Рис. 5. Магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М

 

При измерении магнитных характеристик приставные преобразователи приборов (см. рис. 4, 5) помещались на внешнюю поверхность объекта контроля таким образом, чтобы перемагничивание и измерение происходило вдоль направления хода трубы (по оси) и поперек хода трубы (по кольцу). Зоны контроля находились на пересечении трех поперечных сечений и четырех продольных сторон на 3, 6, 9 и 12 ч (см. рис. 3).

Методика и рекомендации по расчету напряженно-деформированного состояния в магистральном трубопроводе описаны в источниках [3—5]. Для определения уровня напряженно-деформированного состояния сечения обследуемого участка, согласно [3], используется коэффициент нагруженности K. Для определения коэффициента K необходимо найти коэффициенты нагруженности, соответствующие двум условиям: первому условию K₁ и второму условию $K_2^{+}$, $K_2^{-}$. Из найденных для сечения значений K₁, $K_2^{+}$, $K_2^{-}$ берется наибольшее.

Коэффициент нагруженности по первому условию K₁ вычисляется по одной из формул:

1) если осевые напряжения σ_N ≥ 0:

$K_1=\frac{{\left({\sigma }_{экв}\right)}_N}{R_1}$; (1)

2) если осевые напряжения σ_N < 0:

$K_1=\frac{{\sigma }_{экв.N}}{R_1}$, (2)

где R₁ — сопротивление растяжению (сжатию) по первому условию; (σ_экв)_N — эквивалентные напряжения по Мизесу, определяемые в соответствии с источником [3].

Осевые напряжения зависят от размеров, характеристик материала и условий эксплуатации трубы. Осевые напряжения определяются по формуле:

$\sigma N=–E{\epsilon }_T+\nu {\sigma }_h$, (3)

где E — модуль Юнга; ν – коэффициент Пуассона; ε_T — температурное расширение; σ_h — кольцевые напряжения.

Кольцевые напряжения определяются с помощью следующего выражения:

${\sigma }_h=\frac{p\cdot \left(D-2t\right)}{2t}$, (4)

где p — внутреннее давление; D — внешний диаметр трубы; t — толщина стенки трубы.

Температурное расширение определяется с помощью следующей формулы:

${\epsilon }_T={\alpha }_T∆T$, (5)

где ∆T — максимальный перепад температур, определяемый согласно источнику [5]; α_T — коэффициент температурного расширения (линейного расширения).

Эквивалентные осевые напряжения σ_экв.N определяются так:

${\sigma }_{экв.N}=\sqrt{{\left(n{\sigma }_N\right)}^2-n{\sigma }_h{\sigma }_N+{\sigma }_N^2}$, (6)

где n — коэффициент надежности по внутреннему давлению (коэффициент перегрузки), который, согласно [3], принимается равным 1,1.

Значение R₁ определяется с помощью выражения:

$R_1=\frac{m}{k_1{k}_n}{R}_1^n$, (7)

где $R_1^n$ — нормативный предел прочности материала трубы; m — коэффициент условий работы участка газопровода; k₁ — коэффициент надежности по материалу трубы; k_n — коэффициент надежности по назначению трубопровода. Коэффициенты m, k₁ и k_n берутся согласно источнику [4].

Для точек на сечении трубы с растягивающими и сжимающими напряжениями используется две разные формулы для определения коэффициента нагруженности по второму условию:

1) для точки с растягивающими напряжениями (σ_f ≥ 0):

$K_2^{+}=\frac{{\sigma }_f}{R_2}$; (8)

2) для точки со сжимающими напряжениями (σ_f < 0):

$K_2^{-}=\frac{{\sigma }_{экв.f}}{R_2}$, (9)

где σ_f — максимальные суммарные продольные напряжения (фибровые напряжения); σ_экв.f — эквивалетные фибровые напряжения; R₂ — сопротивление растяжению (сжатию) по второму условию.

При расчете фибровых напряжений учитываются не только размеры, характеристики материала и условия эксплуатации трубы, но и кривизна оси на разных координатах участка трубопровода. Ось трубопровода — условная линия, проходящая вдоль трубопровода через центр его поперечного сечения [22]. Фибровые напряжения определяются для двух крайних точек поперечного сечения трубы по формуле:

${\sigma }_f=E(\pm {\epsilon }_b–{\epsilon }_T)+\nu {\sigma }_h$, (10)

где ε_b — изгибная деформация.

Изгибная деформация определяется с помощью выражения:

${\epsilon }_b=\frac{D}{2\kappa }$, (11)

где κ — результирующая кривизна оси на поперечном сечении трубы, которая определяется согласно [3].

Эквивалентные фибровые напряжения определяются с помощью следующего выражения:

${\sigma }_{экв.f}=\sqrt{{\sigma }_h^2-{\sigma }_h{\sigma }_f+{\sigma }_f^2}$. (12)

Значение R₂ определяется с помощью выражения:

$R_2=\frac{m}{k_2{k}_n}{R}_2^n$, (13)

где $R_2^n$ — нормативный предел текучести материала трубы; k₂ — коэффициент надежности по материалу трубы, который, согласно [3, 5], для наземных трубопроводов берется равным 0,9.

Если K превышает единицу, то это значит, что не выполняются первое и/или второе условие, т.е. на этом участке присутствуют значительные механические напряжения (табл. 1).

 

Таблица 1. Принимаемые решения в зависимости от уровня нагруженности участка газопровода

K	Решение
K ≤ 1	Разрешается эксплуатация газопровода при рабочем (проектном) давлении
1 < K ≤ 1,2	Корректировка положения оси участка газопровода в соответствии с плановым ремонтом До планового ремонта требуется периодическое техническое обслуживание участка
K > 1,2	Вывод из эксплуатации с последующим ремонтом

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Расчет коэффициента нагруженности показал, что в надземном переходе «А» нет сечений с превышением порога K = 1, значит труба полностью пригодна для эксплуатации, а часть надземного перехода «Б» превышает пороговые значения K = 1,2, следовательно, требуется вывод из эксплуатации этой трубы.

По полученным результатам измерений магнитных характеристик на трубах «А» и «Б» были построены цветовые карты распределения характеристик по поверхности трубы (рис. 6—9), в которых крестиками обозначены точки измерений, а цвета получены за счет интерполяции измерений между этими точками.

 

Рис. 6. Распределение (топограммы) максимальной магнитной индукции по трубам «А» (а, в) и «Б» (б, г), измеренной по оси (а, б) и кольцу (в, г) с помощью ММТ-3

 

Рис. 7. Распределение (топограммы) коэрцитивной силы по трубам «А» (а, в) и «Б» (б, г), измеренной по оси (а, б) и кольцу (в, г) с помощью ММТ-3

 

Рис. 8. Распределение (топограммы) остаточной магнитной индукции по трубам «А» (а, в) и «Б» (б, г), измеренной по оси (а, б) и кольцу (в, г) с помощью ММТ-3

 

Рис. 9. Распределение (топограммы) коэрцитивной силы по трубам «А» (а, в) и «Б» (б, г), измеренной по оси (а, б) и кольцу (в, г) с помощью КРМ-Ц-К2М

 

На рис. 6—8 представлены карты распределения максимальной магнитной индукции B_m, коэрцитивной силы H_c и остаточной магнитной индукции B_r, полученные с помощью ММТ-3 при измерении по оси (а, б) и по кольцу (в, г) трубопровода.

По рис. 6 видно, что значения B_m, измеренные по кольцу, ниже, чем B_m, полученные по оси. Определено, что значения B_m по оси находятся в диапазоне от 172 до 178 отн. ед., а по кольцу — от 155 до 170.

На рис. 7 видна тенденция к уменьшению H_c при увеличении K как по оси, так и по кольцу. Наиболее заметна такая тенденция на 3 и 12 ч при измерении по оси и на 3 ч при измерении по кольцу.

Также и на рис. 8 видна тенденция к уменьшению B_r при увеличении K. Наиболее заметна такая тенденция на 12 ч при измерении по оси и на 6 ч при измерении по кольцу.

На рис. 9 представлены карты распределения коэрцитивной силы $H_c^{КРМ}$, полученные с помощью ММТ-3 при измерении по оси (а, б) и по кольцу (в, г) трубопровода.

По рис. 9 видно, что по всем сторонам трубы в сечении с K = 0,91 значения $H_c^{КРМ}$, измеренные по кольцу, значительно ниже, чем в сечениях с K = 0,82. При этом значения $H_c^{КРМ}$ слабо зависят от K в диапазоне от 0,91 до 1,35, а наилучшая чувствительность наблюдается на 3 и 12 ч. По оси тенденция к уменьшению $H_c^{КРМ}$ при увеличении K видна только на 3 ч, а по остальным сторонам такой тенденции не наблюдается.

Анализируя цветовые карты распределения магнитных характеристик, показанные на рис. 6—9, можно сделать следующие выводы:

1. По рис. 6 можно сделать предположение о том, что показания B_m по кольцу ниже, чем по оси, потому что перемагничивание по кольцу может происходить не по предельной петле гистерезиса. Это говорит о том, что измерения с помощью приставного преобразователя лучше проводить по оси трубы, либо использовать специальные наконечники при измерениях по кольцу.
2. По оси наибольший градиент значений H_c, измеренных с помощью ММТ-3, наблюдался на 3 и 12 ч (рис. 7а, б), а значений B_r — на 12 ч (рис. 8а, б).
3. По кольцу наибольший градиент значений H_c наблюдался на 3 ч (рис. 7в, г), а значений B_r — на 6 ч (рис. 8в, г).
4. При измерении с помощью КРМ-Ц-К2М наибольший градиент по оси наблюдался на 3 ч, а по кольцу — на 3 и 12 ч (см. рис. 9).

На рис. 10—12 показаны усредненные по четырем зонам каждого поперечного сечения (см. рис. 3) значения магнитных характеристик в зависимости от определенного для каждого из этих сечений коэффициента нагруженности, а на рис. 13 — от фибровых напряжений.

 

Рис. 10. Зависимость усредненной по четырем зонам в сечении трубы коэрцитивной силы, измеренной с помощью ММТ-3 по оси (а) и по кольцу (б), от коэффициента нагруженности

 

Рис. 11. Зависимость усредненной по четырем зонам в сечении трубы остаточной магнитной индукции, измеренной с помощью ММТ-3 по оси (а) и по кольцу (б), от коэффициента нагруженности

 

Рис. 12. Зависимость усредненной по четырем зонам в сечении трубы коэрцитивной силы, измеренной с помощью КРМ-Ц-К2М по оси (а) и по кольцу (б), от коэффициента нагруженности

 

Рис. 13. Зависимость усредненных по четырем зонам в сечении трубы значений коэрцитивной силы (а) и остаточной магнитной индукции (б), измеренной с помощью ММТ-3 по оси, от фибровых напряжений

 

Из рис. 10—12 видно, что результаты измерений, полученные с помощью КРМ-Ц-К2М, не поддаются однозначной трактовке: одному и тому же значению коэрцитивной силы соответствует значение коэффициента нагруженности как меньше 1, так и больше 1,2. Однозначное различие между значениями коэффициента нагруженности в его критических значениях были получены косвенно по магнитных характеристикам, измеренным прибором ММТ-3 в направлении расположения датчика по оси. По этим результатам видно, что сечения трубопровода, характеризующиеся повышенными значениями коэффициента нагруженности и фибровых напряжений, отличаются от слабонагруженных сечений пониженными значениями H_c и B_r.

Из рис. 13 видно, что коэрцитивная сила H_c монотонно убывает с увеличением фибровых напряжений, а при напряжении выше 300 МПа наблюдается резкое падение H_c в 1,4 раза. Значения B_r от фибровых напряжений меняются немонотонно. При напряжениях в диапазоне от 100 до 150 МПа чувствительность B_r к напряжениям значительно выше, чем у H_c.

Рассмотрим наиболее информативные для выявления разницы в значениях коэффициента нагруженности магнитные характеристики (см. рис. 14 и 15, характеристики, измеренные на 12 ч). Полученные зависимости аналогичны зависимостям, показанным на рис. 10, 11, из чего можно сделать заключение о возможности контроля НДС на одной стороне трубы на 12 ч.

 

Рис. 14. Зависимость значений коэрцитивной силы (а) и остаточной магнитной индукции (б), измеренных с помощью ММТ-3 по оси, в зонах, расположенных на 12 ч, от коэффициента нагруженности

 

Рис. 15. Зависимость значений коэрцитивной силы (а) и остаточной магнитной индукции (б), измеренных с помощью ММТ-3 по оси, в зонах, расположенных на 12 ч, от фибровых напряжений

 

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что оптимальным местом для определения напряженно-деформированного состояния с помощью магнитных характеристик является сторона на 12 ч, т.е. верхняя часть трубы, а измерения лучше проводить при направлении измерения по оси.

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований было установлено:

1. Наиболее опасным для разрушения сечениям, в которых коэффициент нагруженности превысил критическое значение 1,2, соответствуют измеренные пониженные значения коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции, полученные при направлении измерения вдоль оси трубопровода.
2. Измерение одновременно двух параметров петли магнитного гистерезиса, а именно коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции, позволит повысить достоверность контроля и чувствительность к напряженно-деформированному состоянию, избежать ошибок в интерпретации полученных результатов.
3. Оптимальным местом для определения напряженно-деформированного состояния с помощью магнитных характеристик является сторона на 12 ч, т.е. верхняя часть трубы, а измерения необходимо проводить при намагничивании вдоль оси трубы.
4. Для измерений вдоль кольца трубопровода перспективным является создание специальных наконечников, которые позволят усилить контакт между образцом и преобразователем.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России по теме «Диагностика», № 122021000030-1 и договора о сотрудничестве № 05с/22 от 15 ноября 2022 г.

作者简介

K. Myznov

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: myznov@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

O. Vasilenko

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: vasilenko@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

V. Kostin

M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: kostin@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

V. Tronza

Gazprom Transgas Yekaterinburg LLC

Email: myznov@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

A. Bondina

Gazprom Transgas Yekaterinburg LLC

Email: myznov@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

S. Kukushkin

Gazprom Transgas Yekaterinburg LLC

Email: myznov@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

N. Tryakina

Gazprom Transgas Yekaterinburg LLC

Email: myznov@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

A. Salomatin

Gazprom Transgas Yekaterinburg LLC

Email: myznov@imp.uran.ru
俄罗斯联邦, Yekaterinburg

参考

补充文件