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

K. E. Myznov; Мызнов К. Е.; O. N. Vasilenko; Василенко О. Н.; V. N. Kostin; Костин В. Н.; V. S. Tronza; Тронза В. С.; A. N. Bondina; Бондина А. Н.; S. S. Kukushkin; Кукушкин С. С.; N. Yu. Tryakina; Трякина Н. Ю.; A. S. Salomatin; Саломатин А. С.

doi:10.31857/S0130308224120068

Оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводов по результатам измерения магнитных характеристик в полевых условиях

Авторы: Мызнов К.Е.¹, Василенко О.Н.¹, Костин В.Н.¹, Тронза В.С.², Бондина А.Н.², Кукушкин С.С.², Трякина Н.Ю.², Саломатин А.С.²
Учреждения:
1. Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН
2. ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»
Выпуск: № 12 (2024)
Страницы: 69-80
Раздел: Электромагнитные методы
URL: https://bakhtiniada.ru/0130-3082/article/view/273547
DOI: https://doi.org/10.31857/S0130308224120068
ID: 273547

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведена серия измерений на двух участках трубопровода из стали 17Г1С с помощью двух измерительных приборов: магнитный мультитестер ММТ-3 и магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М. Получены карты распределения коэрцитивной силы, остаточной магнитной индукции и максимальной магнитной индукции по трубам. Рассчитан коэффициент нагруженности для разных поперечных сечений трубопровода. Построены графики зависимости усредненных по поперечному сечению магнитных характеристик от коэффициента нагруженности. Выявлено, что наиболее опасным для разрушения сечениям, в которых коэффициент нагруженности превысил критическое значение 1,2, соответствуют пониженные значения коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции, полученные при направлении измерения вдоль оси трубопровода. Показано, что измерение вдоль оси на верхней части трубопровода, т.е. на 12 ч, показывает аналогичную зависимость, как и для усредненных по сечению значений, а это означает, что в наземных переходах трубопровода может быть достаточным измерение только на 12 ч.

Ключевые слова

напряженно-деформированное состояние, труба, трубопровод, надземный переход, магнитный метод, неразрушающий контроль

Полный текст

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 $H_{c}^{К Р М}$ . 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:

$K_{1} = \frac{{(σ_{э к в})}_{N}}{R_{1}}$ ; (1)

2) если осевые напряжения σ_N < 0:

$K_{1} = \frac{σ_{э к в . N}}{R_{1}}$ , (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:

$σ N = - E ε_{T} + ν σ_{h}$ , (3)

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

Кольцевые напряжения определяются с помощью следующего выражения:

$σ_{h} = \frac{p \cdot (D - 2 t)}{2 t}$ , (4)

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

Температурное расширение определяется с помощью следующей формулы:

$ε_{T} = α_{T} ∆ T$ , (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:

$σ_{э к в . N} = \sqrt{{(n σ_{N})}^{2} - n σ_{h} σ_{N} + σ_{N}^{2}}$ , (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):

$K_{2}^{+} = \frac{σ_{f}}{R_{2}}$ ; (8)

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

$K_{2}^{-} = \frac{σ_{э к в . f}}{R_{2}}$ , (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:

$σ_{f} = E (\pm ε_{b} - ε_{T}) + ν σ_{h}$ , (10)

где ε_b — изгибная деформация.

Изгибная деформация определяется с помощью выражения:

$ε_{b} = \frac{D}{2 κ}$ , (11)

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

Эквивалентные фибровые напряжения определяются с помощью следующего выражения:

$σ_{э к в . f} = \sqrt{σ_{h}^{2} - σ_{h} σ_{f} + σ_{f}^{2}}$ . (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 $H_{c}^{К Р М}$ , 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 $H_{c}^{К Р М}$ , измеренные по кольцу, значительно ниже, чем в сечениях с K = 0,82. При этом значения $H_{c}^{К Р М}$ 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 $H_{c}^{К Р М}$ 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:

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.
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).
По кольцу наибольший градиент значений H_c наблюдался на 3 ч (рис. 7в, г), а значений B_r — на 6 ч (рис. 8в, г).
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:

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.
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.
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.
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.

Об авторах

К. Е. Мызнов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: myznov@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

О. Н. Василенко

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: vasilenko@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург