Коррозионные и стресс-коррозионные процессы в магистральных газопроводах, обнаружение и оценка параметров дефектов с использованием вихретокового сканера Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

К.м. дзиоев, д.э.н., вице-президент, ООО «Стройгазконсалтинг»; К.д. Басиев, д.т.н., научный консультант; в.в. Борисенко, технический консультант; А.с. Богачев, технический консультант,

ООО «СпецРемДиагностика»

коррозионные и стресс-коррозионные процессы в магистральных газопроводах, обнаружение и оценка параметров дефектов с использованием вихретокового сканера

Анализ причин аварий на нефтегазопроводах свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Наиболее частыми причинами образования трещин являются поверхностные дефекты.

Закономерности развития несквозных поверхностных трещин изучены не в полной мере вследствие трудностей, связанных с экспериментальными и теоретическими исследованиями, поэтому исследование кинетики усталостного разрушения поверхностной трещины представляет теоретический и практический интерес.

Кинетика развития поверхностной трещины характеризуется тремя стадиями (рис. 1).

Первая стадия развития трещины при циклических испытания стали Х70 характеризуется интенсивным ростом трещины по толщине образца (составляет 30-35% толщины) и отсутствием изменений размера по поверхности (рис. 2). На второй стадии наблюдается замедленный рост трещины по толщине и поверхности, и при достижении отношения а/ = 1 вторая стадия развития полуэллиптической трещины переходит в третью, завершающую стадию.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что они могут быть использованы при определении опасности дефекта и поведения его в эксплуатационных условиях. Сопоставление критической трещины с размерами раз-

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

N*103 цикл

Рис. 1(а).

вивающеися трещины при циклических испытаниях позволит определить запас дефектной трубы по уровню давления и принять обоснованное решение о последующих действиях [1]:

=0,8om, R=0,6; /330цик/мин.

В работе проведены исследования образцов из ст. Х70 с двумя поверхностными трещинами при циклическом нагружении при ;

Значительный рост двух трещин происходит в результате их взаимного влияния (рис. 3).

N*10* цикл

Рис. 1. Развитие наведенных трещин эллиптической формы по поверхности (б) и толщине (а) и образцов из трубной ст. Х70, 01420 мм, 5 = 18,5 мм при циклическом нагружении ата = 0,8оТ, R = 0,6 1 - исходное состояние; 2 - после действия коррозионной среды

Видеть больше!

Новый тепловизор testo 885:

создавайте термограммы наивысшего разрешения на безопасном расстоянии от объекта.

на правах рекламы

Тепловизор testo 885 идеально подойдет для:

- определения уровня жидкости в резервуарах

- диагностики состояния электрооборудования

- обнаружения утечек из газопроводов

- поиска энергопотерь

* Качество изображения с технологией SuperResolution 640x480 пикселей и температурная чувствительность < 30 мК

•Расширение диапазона измерений до 1200 °С (с высокотемпературной опцией)

•Автоматическое распознавание места замера и сохранение снимков

$

ООО Тэсто Рус • (495) 221-62-13 • [email protected]

На рисунке 4 приведены экспериментально полученные результаты для двух наведенных трещин и одиночной трещины после выдержки в коррозионноактивной среде. Коррозионная среда ускоряет рост трещин по сравнению с образцами, испытанными без среды. Максимальные размеры двух наведенных трещин достигаются при циклическом нагружении исходных образцов при 170 т. цикл., а после выдержки в коррозионной среде - при 130 т.цикл.

Для одиночной трещины максимальные размеры достигаются при 260 т.цикл., а после действия коррозионной среды - при 190 т.цикл.

С увеличением размера трещины по поверхности от 8,0 до 31,0 мм наблюдается интенсивное развитие трещин (рис. 5).

Так, трещина 11 = 8,0 мм достигает максимального размера по поверхности при циклическом нагружении при 300 т.цикл., а трещина 13 = 31,0мм - при 150 т.цикл.

Следовательно, большая вероятность того, что протяженные трещины могут перерасти в магистральную и привести к разрушению трудопровода.

Для создания эффективных методов защиты против стресс-коррозионного растрескивания, а также для создания новых марок трубных сталей, стойких к этому виду разрушения, необходимо создание модели, позволяющей объяснить механизмы процессов, протекающих в материалах трубопроводов. Перечисленным требованиям отвечает разработанный образец в виде цилиндрической формы с жесткой вставкой и вырезом в центральной части (рис. б).

В лабораторных условиях были получены стресс-коррозионные трещины на сталях ст20, Х46, Х70 (рис. 7), которые свидетельствуют о сложной природе их образования и о многостадийном процессе, происходящем в течение длительного времени при контакте напряженного металла трубы с околотрубной агрессивной средой.

Исследованием циклической трещи-ностойкости системы трещин является изучение скорости распространения по поверхности и толщине, кинетики формообразования, а также взаимное влияние развивающихся трещин

Рис. 2. Кинетика развития наведенного дефекта по поверхности и толщине образца из ст. Х70, трубы 01420 мм, t = 18,5мм при циклическом нагружении а max = 0,8вТ, R = 0,6

а - в исходном состоянии; б - после действия коррозионной среды /, ММ

так

20 40 6«

100 120 140 160 180 200 220 240 260

Рис. 3. Развитие одиночной (1) и двух (2, 3) наведенных трещин эллиптической формы на образцах из трубной ст. Х70, 01420 мм, б = 18,5 мм, при циклическом нагружении атах = 0,8оТ, R = 0,6

</, ММ 18

16

14

12

10

8

6

4

2

О

2 /

Геометрнчсгкко размеры плведгпммх Т[>ОШИН 21 1ш 7,5 мм. 01ш 1,63 мм 21г= 8 мм, 02= 1,79 мм 21з= 7,5 мм, А.г= 1,69 мм 1

3

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

N*10* цикл

/, мм

0

20 40 60 80

100 120 140 160 180 200 ЛПО3 цикл

Рис. 4. Влияние коррозионной среды на развитие двух (1, 2) и одиночной (3) трещин эллиптической формы по толщине (а) и поверхности (б) образцов из трубы ст. Х70, 01420 мм, 5 = 18,5 мм при циклическом нагружении

на геометрические параметры вновь образованных трещин, после слияния двух и большего количества стресс-коррозионных трещин. На рисунке 8 представлен фрагмент развития стресс-коррозионной трещины в стенке трубы из стали 70.

Установлен характер развития стресс-коррозионных трещин при циклическом нагружении стали 20, Х46 и Х70.

Таким образом, разработанная методика позволяет оценить склонность трубных сталей и новых долговечных материалов к зарождению стресс-коррозионных трещин, изучению скорости их распространения по толщине и по поверхности с учетом условий эксплуатации.

Оптимальным методом контроля поверхностных и подповерхностных дефектов металла является, как известно, вихретоковый метод. Основные типы преобразователей, использующиеся при таком контроле, - это дифференциальные вихретоковые преобразователи (ДВТП), обеспечивающие высокую чувствительность за счет повышения селективности контроля. Однако несмотря на все свои достоинства, они имеют один общий недостаток, связанный с их конструктивной особенностью: разнесенные между собой в пространстве измерительные катушки оказываются связаны с различными участками материала,что делает практически невозможным полностью скомпенсировать сигналы от неоднородности материала, зазора и наклона преобразователя.

Для исключения перечисленных выше факторов был разработан новый тип дифференциального преобразователя с совмещенными, ортогонально расположенными катушками. Такая конструкция позволяет повысить селективность контроля, т.к. один и тот же участок материала контролируется обеими катушками одновременно, и увеличить чувствительность за счет того, что преобразователь реагирует лишь на тангенциальную составляющую поля от дефекта. Кроме всего прочего, конструкция преобразователя позволяет одновременно выявлять дефекты в двух ортогональных направлениях.

Для решения задачи обнаружения поверхностных трещин с глубиной от 0,3

а

б

мм и протяженностью от 5 мм был изготовлен преобразователь с площадью сечения рабочей зоны 7 х 7 мм. Оценка чувствительности преобразователя проводилась на образце из стали 17ГС, с нанесенными продольными и поперечными рисками протяженностью 15 мм и глубиной 0,5, 1, 2 и 3 мм.

Испытания проводились с использованием универсального вихретокового дефектоскопа и системы двухкоординатного сканирования. На рисунке 9 представлен результат контроля образца, полученный при его сканировании с шагом 1 мм и рабочим зазором 2 мм.

Как видно из результата, преобразователь уверенно выявляет все искусственные дефекты независимо от их ориентации, при этом амплитуда сигнала позволяет оценивать глубину дефекта.

Для контроля поверхности тела трубы был разработан опытный образец автоматизированного сканера с блоком из восьми преобразователей, обеспечивающих контроль линии шириной 100 мм.

Испытания сканера проводились на образцах труб с искусственными дефектами, предназначенными для испытания наружных сканеров-дефектоскопов.

На рисунке 10 представлен общий вид сканера, который состоит из рамы, установленной на двух независимых приводных модулях с магнитными колесами, предназначенными для перемещения сканера по окружности трубы и линейном приводе, обеспечивающем продольное перемещение установленного на него блока преобразователей.

Рис. 5. Влияние начальных размеров наведенных трещин на их развитие при циклическом нагружении образцов из ст. Х70

Рис. 6. Крестообразный образец с жесткой вставкой: схема крестообразного образца и образец с тензорезисторами и испытательный стенд

Рис. 7. Стресс-коррозионные трещины, полученные в лабораторных условиях на сталях 20 (а) и Х-46 (б)

Рис. 8. Фрагмент развития стресс-коррозионных трещин в стенке трубы стали Х70: 1 - зона коррозионномеханического развития трещины; 2 -зона роста трещины при циклическом нагружении

Вихретоковые преобразователи размещаются в подвижной каретке, обеспечивающей постоянный зазор между преобразователями и контролируемой поверхностью.

В ПРОЦЕССЕ ИСПЫТАНИЙ БЫЛИ ПРОКОНТРОЛИРОВАНЫ УЧАСТКА С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ДЕФЕКТОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ:

• продольные риски глубиной 2,25 мм, протяженностью 20 мм на теле трубы, сварном шве и околошовной зоне;

• имитация коррозионного поражения на теле трубы, выполненная набором отверстий глубиной 3,75 мм и диаметром 10 мм.

В результате проведенных испытаний была подтверждена работоспособность предложенной схемы контроля, выполнена оценка запаса чувствительности измерительной части сканера, а также была проведена оценка вероятности выявления дефектов блоком преобразователей при различном шаге контроля.

Литература:

1. Алимов С.В., Долгов И.А., Горчаков В.А., Сурков А.Ю., Сурков Ю.П., Рыбалко В.Т. Диагностика коррозионного растрескивания газопроводов. - Екатеринбург, 2004.

0,5 _ - 2>°

^ i'

1,0 3,0

■: ’<

v °’5 ^ ^ * * Г *■ ? *: 2 Г 4 . > ** > Î* - т * > 2,0 * 3,0 *: > ! 11 lï • ; л '* ■ ■ * ■ S* Иг*. ¿С»

Ч Ц : К :! % $ Ï < - * ■ # % i

Рис. 9. Дефектограмма контроля образца с искусственными дефектами

Рис. 10. Испытания сканера на образце трубы с искусственными дефектами