CC BY
54
УДК 620.169.2
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10103
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ МЕТАЛЛА ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ СОСУДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, НА ОБЪЕКТАХ ПАО «ГАЗПРОМ»
RESEARCH OF APPLICATION OF METAL MAGNETIC MEMORY METHOD FOR DIAGNOSTIC OF VESSELS OPERATING UNDER PRESSURE AT OBJECTS OF GAZPROM
Т.А. Петрова1, Р.Р. Хасанов1, Н.С. Ахметзянов2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2477-4986, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6244-7532, E-mail: [email protected]
2 ООО «Газпром трансгаз Уфа», 450054, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9982-4402,
E-mail: [email protected]
Резюме: В данной статье рассмотрен метод магнитной памяти металла, который позволяет выявлять зоны концентрации напряжений (ЗКН) и таким образом контролировать напряженно-деформированное состояние оборудования. Цель статьи -исследование применения метода магнитной памяти металла для проведения технического диагностирования сосудов, работающих под давлением, с помощью прибора ИКН-2М-8 на образцах, предварительно прошедших усталостные испытания. Приведены результаты исследования в виде графических зависимостей тангенциальной и нормальной напряженности магнитного поля по верхней и нижней сторонам образца и графики результирующей напряженности магнитного поля. По результатам исследования было установлено, что данный метод позволяет определять стадии образования трещины, что очень важно при оценке остаточного ресурса сосудов.
Ключевые слова: усталостные испытания, магнитная память металла, собственные магнитные поля рассеяния, зона концентрации напряжений, измеритель концентрации напряжений, напряженно-деформированное состояние.
Для цитирования: Петрова Т.А., Хасанов Р.Р., Ахметзянов Н.С. Исследование применения метода магнитной памяти металла при диагностировании сосудов, работающих под давлением, на объектах ПАО «Газпром» // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 1. С. 14-18.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10103
Tatyana A. Petrova1, Rustyam R. Khasanov1, Nail S. Akhmetzyanov2
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2477-4986, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6244-7532, E-mail: [email protected]
2 LLC Gazprom transgaz Ufa, 450054, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9982-4402, E-mail: [email protected]
Abstract: This article discusses the method of magnetic memory of metal, which allows you to identify stress concentration zones and thus control the stress-strain state of the equipment. The purpose of the article is to study the application of the metal magnetic memory method for the technical diagnosis of pressure vessels using the stress concentration meter on samples that have previously undergone fatigue tests. The article presents the results of the study in the form of graphical dependences of the tangential and normal magnetic field strengths on the upper and lower sides of the sample and graphs of the resulting magnetic field strengths. According to the results of the study, it was found that this method allows you to determine the stages of crack formation, which is very important when assessing the residual resource of the vessels.
Keywords: fatigue tests, metal magnetic memory, intrinsic scattering magnetic fields, stress concentration zone, stress concentration meter, stress-strain state.
For citation: Petrova T.A. , Khasanov R.R., Akhmetzyanov N.S. RESEARCH OF APPLICATION OF METAL MAGNETIC MEMORY METHOD FOR DIAGNOSTIC OF VESSELS OPERATING UNDER PRESSURE AT OBJECTS OF GAZPROM. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 1, pp. 14-18.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10103
Выявление дефектов на стадии зарождения является одной из важных задач неразрушающего контроля (НК). Существующие методы НК, такие как феррозондовый, эффект Холла, магнитопорошковая дефектоскопия, не решают данной задачи, так как они направлены на поиск уже развитых дефектов. При использовании этих методов необходима специальная подготовка и намагничивание контролируемой поверхности. Также к их недостаткам можно отнести выявление дефектов на небольшой глубине 0,1-0,3 мм [1].
Альтернативой вышеперечисленным методам служит метод магнитной памяти металла (ММПМ), который позволяет выявлять зоны концентрации напряжений (ЗКН) и
таким образом контролировать напряженно-деформированное состояние оборудования. Метод основан на использовании собственных магнитных полей рассеяния (СМПР), то есть отсутствует необходимость специального намагничивания поверхности. Вследствие взаимодействия СМПР с магнитным полем Земли на поверхности сосуда образуется градиент магнитного поля, который измеряется специализированным магнитометрическим прибором - измерителем концентрации напряжений. Преимущества метода МПМ перед традиционными методами:
1) не требуется специальной подготовки поверхности для проведения контроля;
2) нет необходимости в намагничивании поверхности, так как используется естественная намагниченность;
3) прибор, используемый для контроля, может применяться в широком диапазоне температур от -15 до +55 °С;
4) не имеется ограничений по толщине контролируемого оборудования.
Сосуды, работающие под давлением, являются опасным производственным объектом [2]. Они представляют собой один из основных видов технологического оборудования, которое эксплуатируется на объектах ПАО «Газпром». Поэтому необходимо выполнение работ по техническому диагностированию сосудов согласно требованиям нормативно-технической и эксплуатационной документации, необходима периодическая диагностика этих сосудов во избежание срыва технологического процесса. Существует достаточное количество методов и средств диагностирования, однако они направлены на поиск уже развитых дефектов, и поэтому необходим метод, позволяющий обнаруживать ЗКН - основные источники возникновения повреждений. Таким методом является ММПМ, который способен анализировать остаточную намагниченность металла.
ММПМ основан на регистрации и анализе распределения СМПР, возникающих на сосуде в ЗКН и дефектов металла [3]. СМПР показывают необратимое изменение намагниченности в направлении действия максимальных напряжений от рабочих нагрузок. СМПР возникает в зонах устойчивых полос скольжения дислокации, обусловленных действием рабочих нагрузок. В результате взаимодействия собственного магнитного поля с магнитным полем Земли в ЗКН на поверхности объекта контроля образуется градиент магнитного поля рассеяния, который фиксируется специализированными магнитометрами. Механизм возникновения собственного магнитного поля на скоплениях дислокации обусловлен закреплением доменных границ, когда эти скопления становятся соизмеримы с толщиной доменных стенок [4].
ММПМ имеет ряд преимуществ перед традиционными методами неразрушающего контроля [5]:
1) метод не требует специальных намагничивающих устройств, так как в ходе работы прибора применяется намагничивание сосуда;
2) места концентрации напряжений от рабочих нагрузок определяются в процессе их контроля;
3) не требуется зачистка металла и подготовка контролируемой поверхности;
4) приборы, используемые при диагностике, имеют малые габариты, автономное питание и регистрирующие устройства;
5) прибор может использоваться в широком диапазоне температур от -15 до +55 °С и относительной влажности до 80%;
6) не имеет ограничений по толщине контролируемого оборудования.
Для проведения диагностики ММПМ используют измеритель концентрации напряжений (ИКН). Существуют
различные модели этого прибора, конкретно при проведении исследований, приведенных в данной статье, был использован ИКН-2М-8. По принципу работы прибор является специализированным феррозондовым магнитометром с восемью каналами измерений. По величине и характеру изменения напряженности магнитного поля рассеяния Н измеряемого прибором, определяют зоны концентрации напряжений на сосуде.
Напряженность магнитного поля на шкалах прибора про-градуирована в А/м (Ампер/метр). Длина регистрируемого перемещения датчика проградуирована в миллиметрах. Интенсивность изменения поля по длине dH/dx проградуи-рована в (А/м)/мм ((Ампер/метр)/миллиметр). Главные отличительные признаки прибора [6]:
1) многоканальность - 8 каналов измерения - позволяет использовать разнообразные сканирующие устройства для различных объектов контроля;
2) блок памяти для записи результатов контроля;
3) жидкокристаллический экран для отображения графической информации непосредственно при контроле.
В процессе эксплуатации сосуды дополнительно испытывают статические и циклические нагрузки. Поэтому оценка напряженно-деформированного состояния и определение наиболее нагруженных участков сосуда является приоритетной задачей, которая должна решаться на протяжении всего периода эксплуатации для того, чтобы обеспечить исправное состояние сосуда.
Чтобы определить реальное состояние физико-механических свойств металла сосуда, была организована серия испытаний стандартных образцов, изготовленных из сосуда, работающего под давлением. В качестве сосуда в данной статье рассматривается пылеуловитель. Экспериментальное исследование образцов на установке усталостных испытаний проводилось в механической мастерской Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Образцы изготавливались для испытаний на малоцикловую усталость, так как стенки сосудов за весь период
Рис. 1. Эскиз стандартного образца для испытаний на малоцикловую усталость
эксплуатации испытывают число циклов нагружения, не превышающее значения 5-104. Чертеж образца представлен на рис. 1.
Фактическое рабочее давление сосуда составляет 5,5 МПа. Верхняя граница интервала давления при циклических испытаниях стенда была принята равной максимальному рабочему давлению сосуда 7,5 МПа.
Также на рис. 2 представлена принципиальная схема установки усталостных испытаний. Экспериментальный стенд для малоцикловой усталости работает следующим образом. Необходимо подключить розетку 1 к электросети. Затем включается тумблер 2 путем подъема его переключателя в режим «включено»; электродвигатель 3 приводится в действие и через муфту 5 вращает входной вал редуктора 6. В редукторе 7 происходит понижение скорости вращения, и вместе с этим на его выходном валу 8 образуется крутящий момент, который через шкив 9 и ременную передачу 10 приводит в движение шарнирно-пово-ротный механизм 13. Далее механизм приводит в движение основания для образцов, которые имитируют циклические нагрузки на образцы.
По чертежу, представленному на рис. 1, были изготовлены образцы для проведения испытания. Затем образцы были подвержены циклическим испытаниям с заданным количеством циклов, чтобы снимать промежуточные показания при помощи прибора ИКН-2М-8. Сбор данных проводили через каждые 4000-5000 циклов. Схема образца для проведения усталостных испытаний и последующих магнитных измерений показана на фото 1. До проведения испытаний на образцы были нанесены линии, чтобы проводить замеры между этими линиями; таким образом, точки замера находятся на одинаковом расстоянии.
Рис. 2. Принципиальная схема установки усталостных испытаний по схеме чистого симметричного изгиба: 1 - розетка; 2 - тумблер; 3 - электродвигатель; 4 - вал электродвигателя; 5 - муфта; 6 - входной вал редуктора; 7 - редуктор; 8 - выходной вал редуктора; 9 - шкив; 10 - ременная передача; 11 - вал; 12 - опора; 13 - шарнирно-поворотный механизм; 14 - основание для образцов
12
1. Образцы с нанесенной разметкой для проведения измерения магнитных характеристик
I
Рис. 3. Тангенциальная напряженность постоянного
магнитного поля по длине зоны по верхней стороне образца
Рис. 4. Нормальная напряженность постоянного магнитного поля по длине рабочей зоны по верхней стороне образца
* 9
¡^О
СО со = 2
* 2 М
о
-50 -100 -150 -200 -250 -300
0 20 40 60 80 100 120 140
0 циолов 2 4004
5000 <1 300
циоло X
10000 о с; 200
циоло 0 1 о с 100
15000 Ф о
циоло ^ о з: 0
17500 с= го г -100
циоло :Е СО
21500 го -200
циоло о
26500 Ш о з: п: -300
циоло о л о -400
31500 о
циоло -500
20
40
ДО-.: 5 80
* * *—I—
* *
» *
100 120 140
* >
Длина рабочей зоны, L мм
Длина рабочей зоны, L мм
♦0 циклов
.5000 циклов
»10000 циклол
15000 киклюл
ж 17КК00 циклол
.2Ю05 циклол
260500 циклюл
3Ю05 циклюл
0
Рис. 5. Тангенциальная напряженность постоянного
магнитного поля по длине рабочей зоны по нижней стороне образца
0
ТС ~
9- S
СО ГО = 2
£ е
И
-^о -100 -150 0000 -000 i500 i350
0 20 40 60 080 100 120 140
♦ » f ■ ■ ■ ■■■■■■ ■ • •
* * * » ж ж ж * - * ж , Л. Л. ± ^ i i i i A
9 • * -
* ■
" - . "
Рис. 6. Нормальная напряженность постоянного магнитного поля по длине рабочей зоны по нижней стороне образца
Длина рабочей зоны, L мм
0 циклов 3450600
5000 < 300
ицкцкилилкоколвлвоовв £=
10000 .a 200
ицкцкилилкоколвлвоовв 15000 о о х :Е О с о 100
ицкцкилилкоколвлвоовв £ о 0
17500 a. с= 1100
ицкцкилилкоколвлвоовв СО ¡X
1253510105050000 СО i200
ицкцкилилкоколвлвоовв _а о
6256050 0 го ? о х т i300
циклов о. ск о i400
1351050 0 о о
циклов с= i500
.........
20 40 **60^^50 100 120 140
-. —*—É—®——-м--—а—--
Длина р>абочей зоны, 0 мм
Рис. 7. Результирующая напряженность постоянного
магнитного поля по длине рабочей зоны по верхней стороне образца 500 5 450 4100 ! £ 350
Ü 3000
§1 250
m ü 2000 ГО ^
150
5 о
§и° 100 l¡ 50
«I 0
0
20 ¿10 60 80 100 Длина рабочей зоны,, L мм
I
120 140
0 циклов
5000
циклов .о <
10000 о£ х
00 клов х ^ CD м
1^000 ^ ¡2 тс С
10иклов с 2 ГО о
1ло00 с с о я
L-ИKЛ0B н-
¡111500 м
циклов §-2
6и2к5к6лл0о5о0в0в0 сн
циклов ф о
¡31500 С 53
циклов CZ
Рис. 8. Результирующая напряженность постоянного
магнитного поля по длине рабочей зоны по нижней стороне образца
600
500
400
300
200
100
; í *»
20
40 60 80 100 Длина рабочей зоны, L мм
120 140
0 циклов
5000 циклов
10000 циклов
15000 циклов
1775500 ццииккллоовв
21500 циклов
26500 циклов
31550(0 циклов
0
Рис. 9. Перепад результирующей напряженности
постоянного магнитного поля по длине по верхней стороне образца
300
^ I
; ,-250
р I 200
: щ
г °
! ¡Е 1 50 ?!
11 100 50 : 0
H = -°д )0019n3 - 0,0029n2 - 0,0011 n + 93,958
Рис. 10. Перепад результирующей напряженности
постоянного магнитного поля по длине по нижней стороне образца
300
250
£ з:
О. СС % ° 200
t ¡
150
100
yj W
S^. ^
CD О SU. о
350
H2 0,0019n + 0,0011 n + 84,23
*
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Количеств0 циклов, n
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Количество циклов, n
Результаты замеров заносились в программный комплекс Microsoft Exel для проведения расчетов напряженности для каждой выделенной зоны и построения графических зависимостей (зависимость относительной напряженности магнитного поля от длины рабочей зоны образца, подверженной циклическому нагружению для соответствующего уровня поврежденности металла образца).
По представленным! таблицам построены следующие графики:
1) графики тангенциальной и нормальной напряженно-стей магнитного поля по верхней и нижней стороне образца (рис. 3-6);
2) графики результирующей напряженности магнитного поля (рис. 7-8).
По оси абсцисс располагается длина рабочей зоны образца L в миллиметрах, а по оси ординат величина напряженности магнитного поля Н (А/м). Верхняя сторона образца соответствует внутренней стенке пылеуловителя, а нижняя сторона - внешней стенке.
По результатам обработки данных были рассчитаны перепады результирующей напряженности постоянного магнитного поля по всей длине рабочей зоны по формуле:
Hr =^Ht
-Hi
(1)
где Ht - тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля, А/м; Hn - нормальная составляющая напряженности магнитного поля, А/м.
Результаты расчетов представлены в виде графиков на рис. 9-10.
Анализируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
1. По графикам на рис. 9-10 установлено, что после 5000 циклов, то есть условно при 15-20% от ресурса образуются и накапливаются микропластические деформации
сдвига зерен металла под действием нагрузок. Это соответствует первой стадии зарождения трещины. На промежутке от 10 000 до 17 500 циклов протекает вторая стадия (20-50% от ресурса). Из накопленных сдвигов зарождаются и развиваются микротрещины, которые, в свою очередь, растут и сливаются в макротрещины, что соответствует третьей стадии. На 21 500 циклах (68-70% от ресурса) начинается быстрый рост макротрещин, и на 31 500 циклах (100%) происходит внезапное хрупкое разрушение образца.
2. Также было установлено небольшое различие в графиках перепада результирующей напряженности постоянного магнитного поля Hr по верхней и нижней сторонам образца. По верхней стороне образца перепад результирующей постоянного магнитного поля ниже, чем по нижней стороне образца на 3-5%. Данное различие, прежде всего, обуславливается тем, что образцы вырезаны из пылеуловителя, который уже эксплуатировался. Нижняя часть образца соответствует внешней стенке пылеуловителя, на которую приходятся больше напряжений, чем на внутреннюю стенку пылеуловителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СТО Газпром 2-2.3-491-2010. Техническое диагностирование сосудов, работающих под давлением, на объектах ОАО «Газпром». М.: ООО «Газпром экспо», 2010. 160 с.
2. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25.03.14 г. № 116. Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающие под избыточным давлением» (с изменением на 12.12.2017 г.) // Официальный сайт компании «Консультант Плюс». URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_163796/ (дата обращения: 21.12.2019).
3. ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009 Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 2. Общие требования // Электронный фонд правовой и технической документации «Техэксперт». URL: http://docs.cntd. ru/document/1200075955 (дата обращения: 25.12.2019)
4. Дубов А.А., Колокольников С.М. Методические указания по техническому диагностированию сосудов и аппаратов с использованием метода магнитной памяти (ММП) металла. М: ООО «Энергодиагностика», 2012. 33 с.
5. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: Учеб. пособие. М.: Издательский дом «Спектр», 2012. 395 с.
6. Паспорт и инструкция по эксплуатации измерителя концентраций напряжений ИКН-2М-8. М.: ООО «Энергодиагностика», 2006. 82 с.
REFERENCES
1. STO Gazprom 2-2.3-491-2010. Tekhnicheskoye diagnostirovaniye sosudov, rabotayushchikh pod davleniyem, na oti'yektakh OAO «Gazprom» [STO Gazprom 2-2.3-491-2010. Technical diagnostics of pressure vessels at the facilities of Gazprom]. Moscow, Gazprom ekspo Publ., 2010. 160 p.
2. Prikaz Federal'noysluzhbypo ekologicheskomu, tekhnologicheskomu iatomnomu nadzoru ot25.03.14 g. № 116. Ob utverzhdenii Federal'nykh norm i pravil v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Pravila promyshlennoy bezopasnosti opasnykh proizvodstvennykh oti'yektov, na kotorykh ispol'zuyetsya oborudovaniye, rabotayushchiye pod izbytochnym davleniyem» (s izmeneniyem na 12.12.2017g.) (Order of the Federal Service for ecological, technological and atomic supervision dated March 25, 2014 No. 116. On approval of the Federal norms and rules in the field of industrial safety "Industrial safety rules for hazardous industrial facilities using equipment operated under overpressure" (amended on 12 December 2017)) Available at: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_163796/ (accessed 21.12.2019).
3. GOST R ISO 24497-2-2009 Kontrol1 nerazrushayushchiy. Metod magnitnoy pamyati metalla. Chast 2. Obshchiye trebovaniya (GOST R ISO 24497-2-2009 Non-destructive testing. The method of magnetic memory of metal. Part 2. General requirements) Avaialble at: http://docs.cntd.ru/document/1200075955 (accessed 25 December 2019)
4. Dubov A.A., Kolokol'nikov S.M. Metodicheskiye ukazaniya po tekhnicheskomu diagnostirovaniyu sosudoviapparatov s ispol'zovaniyem metoda magnitnoy pamyati (MMP) metalla [Guidelines for the technical diagnosis of vessels and apparatuses using the method of magnetic memory (MMM) of metal]. Moscow, Energodiagnostika Publ., 2012. 33 p.
5. Dubov A.A., Dubov Al.A., Kolokol'nikov S.M. Metod magnitnoy pamyati metalla i pribory kontrolya [Method of magnetic memory of metal and control devices]. Moscow, Spektr Publ., 2012. 395 p.
6. Pasport i instruktsiya po ekspluatatsii izmeritelya kontsentratsiy napryazheniy IKN-2M-8 [Passport and instruction manual of the voltage concentration meter IKN-2M-8]. Moscow, Energodiagnostika Publ., 2006. 82 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Петрова Татьяна Архиповна, магистрант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Хасанов Рустям Рафикович, к.т.н., доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Ахметзянов Наиль Сабитович, к.т.н., ведущий инженер, ООО «Газпром трансгаз Уфа».
Tatyana A. Petrova, Undergraduate of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Rustyam R. Khasanov, Cand. Sci. (Tech.)), Assoc. Prof. of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Nail S. Akhmetzyanov, Cand. Sci. (Tech.), Lead Engineer, LLC Gazprom transgaz Ufa.
