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

20 ЛЕТ ОАО «ГАЗПРОМ»

УДК 620.19:621.643

К.М. Дзиоев, вице-президент, ООО «Стройгазконсалтинг»; К.Д. Басиев, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой сопротивления материалов и строительной механики, e-mail: basiev_kd@mail.ru;

Л.Н. Величко, к.т.н., доцент, заведующая кафедрой технологии художественной обработки материалов, СКГМИ (ГТУ); В.В. Борисенко, генеральный директор; А.С. Богачев, технический директор,

ООО НПЦ «КРОПУС»

КОРРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕТОКОВОГО СКАНЕРА

Исследована трещиностойкость образцов из металла труб с поверхностными трещинами, дающая качественную оценку влиянию вида напряженного состояния на циклическую трещиностойкость металла и сварных соединений труб, а также свидетельствующая о падении сопротивляемости материала развитию усталостного разрушения при ужесточении схемы напряженного состояния как на воздухе, так и в коррозионной среде. Для обнаружения и оценки поверхностных и подповерхностных дефектов использовали вихретоковый метод, с новым типом дифференциального преобразователя, который выявляет все искусственные дефекты независимо от их ориентации, при этом амплитуда сигнала позволяет оценивать глубину дефекта.

Анализ причин аварий на нефтегазопроводах свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора и высоких нагрузках, нерегулярный характер приложения которых вызывает в зонах концентрации напряжений переменные поля упругопластических деформаций, что приводит в этих зонах к накоплению повреждений и к возникновению усталостных трещин. Наиболее частыми причинами образования усталостных трещин являются поверхностные дефекты. Закономерности развития несквозных 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.

Следует отметить, что скорость распространения усталостной трещины в направлении толщины и по поверхности образца зависит от коэффициента интенсивности напряжений (КИН) [1].

Поверхностные трещины при циклических испытаниях в процессе их роста сохраняют полуэллиптическую форму и определяются параметрами а (глубина трещины) и 21 (длина трещины по поверхности). Кинетика развития поверхностной трещины зависит от начальных размеров трещины, вида напряженного состояния,условий эксплуатации (наличие коррозионной среды) и конструктивно-технологических признаков реальной конструкции. Неглубокие и вытянутые по поверхности полуэллиптические трещины при циклическом растяжении в начальном этапе своего развития стремятся к полукруглой форме, и при достижении определенной глубины по толщине образца наблюдается тенденция к сплющиванию контура трещины и уменьшению отношения а/1.

Одной из причин сплющивания по-луэллиптической трещины является изгибающий момент, возникающий вследствие несимметричности сечения, ослабленного развивающейся трещи-

ной. Величина изгибающей составляющей определяется через деформации с помощью тензодатчиков, наклеенных на фронтальную и тыльную поверхности образца.

Деформации на поверхности образца, вызванные изгибающим моментом, зависят от размеров трещины и способа закрепления образца. Для бесконечно большой пластины изгибающий момент равен нулю, так как в этом случае не происходит смещение нейтральной линии сечения в процессе роста трещины.

Весьма важным является определение критического значения внешнего растягивающего напряжения, при достижении которого трещина начинает развиваться и тем самым вызывает частичное или полное разрушение металла. В качестве критерия условно принята гипотеза о том, что распространение трещины совпадает с плоскостью, в которой растягивающие напряжения ад достигают максимального значения [2].

52 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № 2 \\ февраль \ 2013

Растягивающие напряжения бв определяют по формуле (1)

К. / 0 30\ ЗК, / . 0 . 30^

on =—И= 3cos— + cos— +—7= sm—+ sin—

0 4л/2ЇЧ 2 2 / 4л/2г \ 2 2)

Предельное растягивающее напряжение соответствует:

О*________________________

З0, • 2 Л t t 0*К (2)

cos—sin a 1-ctqa-tq—

0 =2arctq

1 —y/l + 8ctq2 ot 4ctqa ‘

(3)

где а - угол между осью ОХ и направлением напряжения, угол между осью ОХ и осью трещины - 90-а.

°°____________ (4)

a = -

в* / 0* cos3—cos2 a 1 - 3 tq a- tq—

а0—- предельное напряжение

*/я/

при <2 = 0.

Предельное напряжение зависит от длины и угла наклона трещины (рис. 1).

На рисунке 2 приведена зависимость ов*/ав° от угла наклона трещины.

Дшиа (рсшины. ч

Рис. 1. Зависимость предельного напряжения ав* от длины и угла наклона трещины

Рис. 2. Зависимость отношения вв]вв° от угла наклона трещины, ав* - предельное напряжение при а * О, ов° - предельноенапряжение при а =0

Авторами работы проведено экспериментальное исследование развития поверхностной трещины на образцах из стали Х70 длиной 450 мм, шириной 110 мм и толщиной 56 мм. В пластине имеется начальная поперечная трещи-

18

16

14

12

10

8

б

4

2

(I, мм

i.2J 1 W 1 і )

г ^2

ІЄО! Г ■етрическне размеры наведенных г N

решин в образцах из стази Х70 2//= 7,5 мм, (¡1= 1,69 мм

112- 8 мм, (1: 1,76 мм .

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

NM03 цикл

Рис. 3. Развитие наведенных трещин эллиптической формы (1, 2) по толщине (а) и поверхности (б) образцов из трубной ст. Х70,

01420 мм, = 18,5 мм при циклическом нагружении Отах = 0,8 б(, I* = 0,6.

11 - исходное состояние;

2 - после действия коррозионной среды

на. С значительной степенью точности ее можно считать полуэллиптической с большей полуосью 5 мм (точка, выходящая на поверхность пластины) и меньшей 2 мм (наиболее заглубленная точка трещины). Проведенные экспериментальные исследования показывают, что после 180 тыс. циклов нагружения пластины с максимальным напряжением 400 МПа и минимальным 250 МПа трещина сохраняет вытянутую вдоль поверхности форму, хотя вытянутость уменьшается за счеттого, что в большей степени трещина растет в глубину, чем вдоль поверхности. Меньшая полуось трещины увеличивается с 2 до 12 мм (в б раз), а большая - с 5 до 15 мм (в 3 раза). Созданная математическая модель

роста эллиптическои трещины позволяет анализировать КИН и рост трещины по двум точкам: наиболее заглубленной и выходящей на поверхность. Оценка живучести пластины с поперечной полуэллиптической трещиной осуществлялась в детерминированной постановке с использованием уравнения Пэриса, описывающего линейный участок кинетической диаграммы усталостного разрушения [3].

^=с(д^,г и

аЫ

где АТ1 - размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН) за цикл, определяемый по размаху напряжений До = Доп,ах-Аот1П;

¿-характерный размер трещины (малая или большая полуоси эллипса);

ЛГ- число циклов;

С, тп - эмпирические коэффициенты. Для определения роста малой и большой полуосей трещины в процессе увеличения числа циклов задавался шаг изменения циклов нагружения и определялось увеличение размеров трещины за каждый шаг в двух точках: наиболее заглубленной и выходящей на поверх-ность.Кинетика развития наведенной трещины характеризуется тремя стадиями (рис. 3).

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. 4).

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ 20 ЛЕТ ОАО «ГАЗПРОМ»\\ 53

20 ЛЕТ ОАО «ГАЗПРОМ»

Рис. 4. Кинетика развития наведенного дефекта по поверхности и толщине образца из ст. Х70, трубы 01420 мм,

£ = 18,5 мм при циклическом нагружении Стах = 0,8 б(, К = 0,6.

а) - исходное состояние,

б) - после воздействия коррозионной среды

На второй стадии наблюдается замедленный рост трещины по толщине и поверхности, и при достижении отношения

°/г\

вторая стадия развития полуэллипти-ческой трещины переходит в третью завершающую стадию.

Для обнаружения и оценки поверхностных и подповерхностных дефектов использовали вихретоковый метод, с

новым матричным 8-элементным преобразователем (рис. 5) и автоматизированным наружным сканером, обеспечивающим передвижение матричного преобразователя по поверхности тела трубы (рис. 6).

В качестве измерительного прибора сканера использовался новый вихретоковой дефектоскоп ВСД-40, позволяющий работать с многоканальными матричными преобразователями и имеющий возможность сохранения результатов контроля с привязкой к координатам контролируемого изделия.

В процессе испытаний были проконтролированы три участка с различными видами дефектов:

- продольные риски на теле трубы;

- продольные риски на сварном шве и околошовной зоне;

- имитация коррозионного поражения на теле трубы, выполненная набором отверстий глубиной 4 мм, диаметром от 3 до 6 мм, которые были выявлены независимо от их ориентации, при этом амплитуда сигнала преобразователя позволила оценивать глубину дефекта. 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 развивающейся трещины при циклических

испытаниях позволит определить запас дефектной трубы по уровню давления и принять обоснованное решение о последующих действиях [4]:

- немедленное удаление дефектного места или его ремонт тем или иным способом;

- снижение рабочего давления газа по отношению к уровню давления, существовавшего в трубопроводе до обнаружения дефекта;

- сохранение прежних условий эксплуатации газопровода в течение определенного срока (гарантированного остаточного ресурса) с последующим повторным внеплановым обследованием дефектного места;

- сохранение прежних условий эксплуатации до проведения очередного планового обследования участка газопровода (при восстановлении состояния изоляционного покрытия и параметров ЭХЗ).

Таким образом, исследования трещи-ностойкости образцов из металла труб с поверхностными трещинами дают качественную оценку влиянию вида напряженного состояния на циклическую трещиностойкость металла и сварных соединений труб, а также свидетельствует о падении сопротивляемости материала развитию усталостного разрушения при ужесточении схемы напряженного состояния как на воздухе, так и в коррозионной среде.

рис. 5. матричный вихретоковый преобразователь

рис. 6. исследование трубы с искусственными дефектами автоматизированным наружным сканером

Литература:

1. Сушинский А.И. Прогнозирование докритического роста несквозных трещин в элементах конструкций/ Дисс. канд. техн. наук. - Львов, 1985. - 190 с.

2. Панасюк В.В., Саврук М.П., Дацышин А.П. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. - Киев: Наукова думка, 1976.

3. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974.

4. Диагностика коррозионного растрескивания газопроводов / С.В. Алимов и др. - Екатеринбург, 2004.

Ключевые слова: магистральные трубопроводы, усталостные трещины, дифференциальный вихретоковый преобразователь.

54 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\ \\ № 2 \\ февраль \ 2013

на правах рекламы

А АКУСТИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЬНЫЕ Акс СИСТЕМЫ

Адрес: 115598, г. Москва, ул. Загорьевская, д. 10, корп. 4 ТелУФакс: (495) 984-74-62,777-66-09 www.acsys.ru;market@acsys.ru

Автоматизированный контроль сварных швов

Назначение

Особенности

• Ультразвуковой контроль реализован на базе двух многоэлементных антенных решеток и алгоритмов цифровой фокусировки апертуры (ЦФА), что обеспечивает максимально возможную для ультразвукового метода чувствительность к дефектам, селекцию их типов, измерение эквивалентной площади и полный контроль всего сечения шва и околошовной зоны.

• Акустический контакт обеспечивается за счет автоматической подачи контактной жидкости из бака через инжекторы непосредственно под антенные решетки, что создает стабильный акустический контакт при малом расходе жидкости и позволяет контролировать не менее 10 погонных метров сварного шва от одной заправки бака.

• Лазерно-оптический канал непрерывно измеряет положение антенных решеток относительно оси сварного шва.

• Магнитное мотор-колесо для надежного перемещения и удержания сканера на всей окружности трубы.

• Трехмерный датчик угла наклона и система позиционирования GPS / ГЛОНАСС / Galileo обеспечивают пространственную привязку получаемых результатов.

• Bluetooth гарнитура оператора (наушник) позволяет оперативно следить за процессом проведения контроля в зашумленных условиях и дистанционно управлять движением сканера-дефектоскопа.

• Протокол контроля с перечнем обнаруженных дефектов и их параметров, а так же результаты проверки на соответствие проконтролированного шва действующим нормам отбраковки отображаются на встроенном дисплее.

• Литий-феррум-полимерный аккумулятор обеспечивает непрерывную работу устройства в течение 4 часов с возможностью полного цикла заряда за 15 мин.

Сканер-дефектоскоп А2051 Бса11Т предназначен для комплексного автоматизированного контроля стыковых сварных соединений металлоконструкций при толщине свариваемых деталей от 4 до 40 мм и радиусе кривизны внешней поверхности от 300 мм.

Ультразвуковым методом обеспечивается измерение толщины деталей, выявление и ранжирование дефектов сварного шва: пор, непроваров, шлаковых включений, трещин, подрезов и расслоений в околошовной зоне. Лазерно-оптическим способом обеспечивается измерение смещения кромок шва, размеров и профиля валика усиления, обнаружение и измерение дефектов на внешней поверхности шва и околошовной зоны.

Основной областью применения А2051 Бсаит является производственный и эксплуатационный контроль трубопроводов.

Технические характеристики

Чувствительность к дефектам сварного шва

Точность измерения геометрии сварного шва

Скорость сканирования

Диапазон контролируемых толщин

Объем бака для контактной жидкости

Радиус кривизны

контролируемой поверхности

Диапазон установки скорости ультразвука

Время непрерывной работы

от аккумулятора, не менее

Габаритные размеры

Масса, не более

Диапазон рабочих температур

от 0,5 кв. мм 0,2 мм 2 м/мин от 4 до 40 мм 1 л

от 300 мм

от 1 000 до 9 999 м/с 4ч

415x166x146 мм 10 кг

от -20 до +50 °С