Оценка метода измерения параметров магнитной анизотропии для возможности контроля развития эрозионно-коррозионного износа оборудования Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

2023;13(4):46-50 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ _ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ

OPERATION OF FACILITIES NUCLEAR INDUSTRY

УДК 620.19: 621.039.5 https://doi.org/10.26583/gns-2023-04-06 EDN TRKSTY

Оценка метода измерения параметров магнитной анизотропии для возможности контроля развития эрозионно-коррозионного

износа оборудования

А.К. Адаменков1 * , И.Н. Веселова2 <¡ El

1АО «Атомстройэкспорт», г. Москва, Россия 2Волгодонский инженерно-технический институт - филиал научного исследовательского ядерного университета

«КЯ1ФП», г. Волгодонск, Ростовская обл., Россия 13 INVeselova@mail.ru

Аннотация. Представлены результаты дальнейших исследований в области оценки развития эрозионно-коррозионного износа (ЭКИ) элементов трубопроводов с помощью магнитно-анизотропного метода контроля напряженно-деформированного состояния ферромагнитного материала. Проведенные исследования показали, что регистрируемые параметры магнитно-анизотропного метода, такие как разность главных механических напряжений (РГМН), позволяют однозначно установить количественное соответствие уровню действующих в контролируемой зоне напряжений. Доказана возможность определения соответствия уровня действующих напряжений величине РГМН, фиксируемой сканером StressVision при обследовании конструкции. Показано, что для организации мониторинга развития ЭКИ с использованием магнитно-анизотропного метода необходимо периодически контролировать изменения РГМН и её дисперсии и, при фиксировании точек пресечения, назначать дополнительные обследования другими, более трудоемкими, методами. Подтверждена возможность организации мониторинга развития ЭКИ оборудования на основе использования механизма прогнозирования ресурса трубопровода в соответствии с положениями нормативной документации.

Ключевые слова: метод магнитоанизотропии, мониторинг эрозионно-коррозионного износа (ЭКИ) металла, зона пластических деформаций, оценка напряженного состояния, цикличность нагружения.

Для цитирования: Адаменков А.К., Веселова И.Н. Оценка метода измерения параметров магнитной анизотропии для возможности контроля развития эрозионно-коррозионного износа оборудования. Глобальная ядерная безопасность. 2023;13(4):46-50. https://doi.org/1Q.26583/gns-2023-Q4-Q6

Я) ф©

For citation: Adamenkov A.K., Veselova I.N. Evaluation of measuring magnetic anisotropy parameters method to monitor the development of erosion and corrosion wear of equipment. Global nuclear safety. 2023;13(4):46-50 (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2023-04-06

Evaluation of measuring magnetic anisotropy parameters method to monitor the development

of erosion and corrosion wear of equipment

Andrey K. Adamenkov1 , Irina N. Veselova2 m

1 JSC Atomstroyexport, Moscow, Russian Federation 2 Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk, Rostov

region, Russia El INVeselova@mail.ru

Abstract. The paper presents the results of further research in the field of assessing the development of erosion and corrosion wear (ECW) of pipeline elements using a magnetic and anisotropic method to monitor the stress-strain state of ferromagnetic material. The conducted studies show that the recorded parameters of the magnetic anisotropic method, such as the principal mechanical stress difference, make it possible to unambiguously establish a quantitative correspondence to the level of stresses operating in the controlled zone. The possibility of determining the correspondence of the level of effective stresses to the value of the principal mechanical stress difference recorded by the StressVision scanner during the inspection of the structure is proven. The paper shows that in order to organize monitoring of the development of ECW using the magnetic anisotropic method it is necessary to monitor periodically changes in the principal mechanical stress difference and its dispersion and when fixing cut-off points, prescribe additional examinations with other more labor-intensive methods. The possibility of organizing monitoring of ECW equipment development based on the use of a pipeline resource forecasting mechanism in accordance with the provisions of regulatory documentation is confirmed.

© Адаменков А.К., Веселова И.Н., 2023

2023;13(4):46-50 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety 47

Адаменков А.К., Веселова И.Н.. Оценка метода измерения ... / Adamenkov A.K., Veselova I.N. Evaluation of measuring magnetic ...

Keywords: magnetoanisotropy method, monitoring of erosion and corrosion wear (ECW) of metal, plastic deformation zone, stress state assessment, loading cyclicity.

В настоящее время российская атомная отрасль является одной из передовых в мире по опыту эксплуатации атомных станций, квалификации персонала АЭС. Возрастающие требования нормативных документов к безопасности АЭС и конкурентная борьба на энергетическом мировом рынке определяют требования по научно-технологическому совершенствованию отрасли1. Действующими нормами и правилами Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору2 установлены требования к управлению ресурсом оборудования и трубопроводов атомных станций. В частности, определена необходимость проведения мониторинга и прогнозирования тенденций механизмов деградации оборудования и трубопроводов АЭС и их материалов. Постоянное совершенствование способов обнаружения проявлений механизмов деградации, периодичность их контроля, а также анализ результатов контроля должны обеспечивать выявление механизмов деградации на ранней стадии их проявления и принятие своевременных мер до возникновения необратимых последствий из-за их развития.

Для трубопроводов и оборудования второго контура определяющим аспектом управления ресурсом является мониторинг эрозионно-коррозионного износа (ЭКИ) металла3.

В предыдущих работах показана возможность эффективного мониторинга ЭКИ трубопроводов с помощью регулярного (периодического) обследования их потенциально опасных участков методом магнитной анизотропии [1, 2]. Показана достаточная информативность зависимости одного из критерия данного метода - разность главных механических напряжений (РГМН) от изменения толщины участка модели трубопровода.

С целью определения зависимости количественных значений РГМН от действующих напряжений в материале трубопровода проведены натурные испытания образцов, изготовленных из металла, аналогичному материалу трубопроводов. Для испытаний были

1 Атомная энергетика в России до 2035 года. - ООО «Издательский дом Энергетика и промышленность». - Режим доступа: https://www.eprussia.ru/market-and-analytics/4925570.htm (дата обращения: 21.07.2023).

2 Методика оценки технического состояния остаточного ресурса трубопроводов энергоблоков АЭС. - Утверждена и введена в действие приказом концерна «Росэнергоатом» от 27.06.2000 № 318. - Руководящий документ РД-Э0-0185-00. - Режим доступа: https://a3-eng.com/assets/files/8434/rd-eo-185-00.pdf (дата обращения: 21.07.2023).

3 Требования к управлению ресурсом оборудования и тру-

бопроводов атомных станций. Основные положения. - Вве-

дены в действие приказом Ростехнадзором от 15.10.2015 № 410. - Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии НП-096-15. - Режим доступа: https://docs.secnrs.ru/documents/nps/Hn-096-15/Hn-096-15.pdf (дата обращения: 21.07.2023).

изготовлены образцы из сталей Ст3 и 10ГНМФА с размерами 200х60х8 мм (рис. 1) с нанесенной на них сеткой 15х15 мм и концентратором напряжений типа

4

«прямоугольный паз» .

Рисунок 1. Фотография испытываемого образца Figure 1. A photo of the test specimen

Механические свойства сталей Ст3 и 10ГНМФА представлены в таблицах 1 и 2, где ств - предел кратковременной прочности, МПа; стт - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа; 55 - относительное удлинение при разрыве, (%).

Таблица 1. Механические свойства Ст3

Table 1. Mechanical properties of St3

Сортамент в в, , МПа в T , МПа в 5 , %

ТУ 0893-014-002121792004 370-490 205-255 24

Таблица 2. Механические свойства 10ГНМФА Table 2. Mechanical properties of 10GNMVA

Сортамент •в, , МПа •г , МПа в 5 , %

ТУ 0893-014-002121792004 540-700 345-590 16

Образцы размещались в захватах машины разрывной Р-50 для последующего постепенного нагруже-ния. Выполнялось поэтапное нагружение образца с шагом 25 кН с выдержкой времени для выполнения:

- обследования зоны предполагаемого разрушения с помощью сканера механических напряжений «ЗЦеББ^юп»5 [3];

- измерения утонения зоны пластических деформаций.

Нагружение выполнялось до момента разрушения образца (рис. 2)

4 Александров А.В. Сопротивление материалов. - 3-е изд. -Москва: Высшая школа, 2003. - C. 380-383. - Режим доступа: https://pnu.edu.ru/media/filer public/2013/04/10/21 alexan drov-potapov sopromat2003.pdf (дата обращения: 17.07.2023).

5 Сканер механических напряжений «Stressvision®» Expert, версия 2.013. Паспорт ФЛ 413.175.001 ПС ТУ 4276-00782237826-13. - Режим доступа: https://stressvision.ru/ stressvision-expert/ (дата обращения: 17.07.2023).

48 2023;13(4):46-50 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety

Адаменков А.К., Веселова И.Н. Оценка метода измерения ... / Adamenkov А.К., Veselova I.N. Evaluation of measuring magnetic ...

Рисунок 2. Фотография момента разрушения Figure 2. A photo of destruction moment

Действующие напряжения оценивались расчетным путем как отношений действующего усилия к поперечному сечению образца. Так получены результаты испытаний, представленные в таблицах 3, 4.

Таблица 3 - Формат фиксируемых результатов испытаний образца из стали 10ГНМФА толщиной 8 мм Table 3. Format of recorded test results of 8 mm thick 10GNMVA steel specimen

Таблица 4. Параметры безразмерной величины РГМН и дисперсии образца из стали 10ГНМФА толщиной 8 мм Table 4. Parameters of dimensionless value of principal mechanical stress difference and dispersion of 8 mm thick 10GNMVA steel specimen_

РГМН Дисперсия

176,89 124957

233,69 119403

332,96 96517,6

361,72 96313,4

Результаты обследования образца, выполненные сканером механических напряжений «З^еББ^зюп» фиксировались в памяти прибора. Алгоритм обработки данных, реализованный в программном обеспечении устройства, позволяет оценивать, кроме прочих значений6, РГМН и дисперсию как безразмерных величин (см. табл. 4).

Обработка результатов позволила построить графические зависимости величины РГМН для каждого образца от уровня действующих в сечении напряжений (рис. 3).

6 См. постраничную ссылку 5.

Рисунок 3. Графики зависимости величины РГМН от уровня напряжений для каждого материала Figure 3. Diagrams of dependence of principal mechanical stress difference value on the stress level for each material

Построение графических зависимостей устанавливает однозначное соответствие величины РГМН действующему уровню напряжения при, в нашем случае, одноосном нагружении. Анализ полученных зависимостей указывает на аналогичность полученных зависимостей «РГМН - напряжение» кривым «деформация-напряжение». С другой стороны, наличие на графике экстремума не позволяет провести однозначную идентификацию контролируемой зоны в окрестностях этой точки.

Учитывая то, что физический смысл дисперсии -это площадь, на которой происходит рассеяние параметра, выполнена дальнейшая обработка зафиксированных данных (рис. 4). А именно, построены графики зависимости нормированных значений РГМН и отношения РГМН к его дисперсии в каждом опыте. Полученные графические зависимости позволяют сделать предположение о том, что точки пересечения кривых, в которых вычисляемые значения частных производных меняют знак [4, 5], характеризуют начало этапов структурных изменений материалов:

- точка 1 - завершение области упругих деформаций материала;

- точка 2 - завершение пластических деформаций.

Усилия растяжения, кН Ширина образца, мм Действующее напряжение, МПа

25 60 52,1

50 60 104,2

200 57,3 436,3

225 55,8 504,0

250 | Разрушение образца

2023; 13(4):46-50 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety 49

Адаменков А.К., Веселова И.Н. Оценка метода измерения... / Adamenkov A.K., Veselova I.N. Evaluation of measuring magnetic ...

Напряжение, МПа

-РГМН -Отношение

Рисунок 4. Графики изменения нормированных значений РГМН величины отношения РГМН к его дисперсии Figure 4. Diagrams of changes in standardized principal mechanical stress difference values of the ratio to its dispersion

Аналогичные графические зависимости характерны и для образца из стали 3.

Оценивая уровни НДС конструкции, можно утверждать, что достижение материала конструкции области начала пластической деформации является недопустимым фактором при развитии ЭКИ [6].

Полученные данные позволяют установить соответствие величины РГМН и величины напряжений, действующих в контролируемой области конструкции.

Выводы:

1. Доказана возможность определения соответствия уровня действующих напряжений величине РГМН, фиксируемых сканером StressVision при обследовании конструкции.

2. Показано, что для организации мониторинга развития ЭКИ [2] с использованием магнитно-анизотропного метода необходимо периодически контролировать изменения РГМН и её дисперсии и, при фиксировании точек пресечения, назначать дополнительные обследования другими, более трудоемкими, методами.

3. Учитывая монотонный характер изменения во времени величины РГМН при организации мониторинга возможно использование механизма прогнозирования ресурса трубопровода в соответствии с положениями1 [7], приняв при этом в качестве предельного значения диагностического параметра значение РГМН, соответствующее пределу текучести материала.

4. При разработке технологии обследования сканером StressVision, первым этапом должно быть испытание образца, из которого изготовлены конструкции, во время его нагружения при тензометрическом сопровождении.

1 Нормы допускаемых толщин стенок элементов трубопроводов из углеродистых сталей при эрозионно-коррозионном износе. - Введены в действие приказом АО «Концерн Росэнергоатом» от 06.08.2015 №9/876-П. - Руководящий документ РД ЭО 1.1.2.11.0571-2015.

50 2023;13(4):46-50 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety

Адаменков А.К., Веселова И.Н. Оценка метода измерения ... / Adamenkov A.K., Veselova I.N. Evaluation of measuring magnetic ...

СПИСОК ЛИTЕРATУРЫ / REFERENCES

1. Томаров RB, Шипков A.A., Комиссарова Т.Н. Эрозионно-коррозионный износ энергетического оборудования: исследования, прогнозирование и предупреждение. Ч. 2. Прогнозирование и предупреждение общей и локальной эрозии-коррозии. Теплоэнергетика. 2018;8:17-28. https://doi.org/10.1134/S0040363618080076~

2. Aдамeнков A.К., Beсeлова И.Н. Моделирование эрозионно-коррозионного износа трубопроводов и мониторинг его развития на основе магнитоанизотропного метода. Глобальная Ядерная Безопасность. 2021;(3):68-74. https://doi.org/10.26583/gns-2021-03-07

3. Жуков OB., Жуков B.O, Копица Н.Н. Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления. Патент РФ, № 2195636. 2002. 18 с. Режим доступа: https://rusneb.ru/catalog/000224 000128 0002195636 20021227 C2 RU/ (дата обращения: 17.07.2023).

4. Aдамeнков A.K, Beсeлова И.Н., Шпицер B^. Оценка развития эрозионно-коррозионного износа с помощью метода измерения магнитной анизотропии. Глобальная ядерная безопасность. 2019;9(1):113-119. Режим доступа: http://gns.mephi.ru/sites/default/files/journal/file/ru.2019.1.3.5.pdf (дата обращения: 17.07.2023).

5. Sakai Y., Unishi H., Yahata T. Non-destructive method of stress evaluation in linepipes using magnetic anisotropy sensor. Jfe technical report. 2004;3. Available at: https://www.jfe-steel.co.jp/en/research/report/003/pdf/003-09.pdf (accessed: 29.07.2023).

6. Ничипурук A.H, Сташков A.H, Огнева М.С., Кулеев BT., Царькова Т.П., Костин B.H О возможности использования магнитных методов для оценки уровня одноосных пластических деформаций и остаточных напряжений в низкоуглеродистых сталях. Сварка и диагностика: сборник докладов международного форума. Екатеринбург, 25-27 ноября 2014 г. Екатеринбург: УрФУ, 2015. С. 201-207. Режим доступа: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/30919/1/sid 2014 33.pdf (дата обращения: 29.07.2023).

7. Бараненко B.H, Маркочев BM., Янченко ЮА. Эксплуатационный контроль эрозионно-коррозионного износа трубопроводов на российских AЭC с BBЭР. Теплоэнергетика. 2011;5; 41-48. Режим доступа: http://tepen.ru/uploads/archive/2011/05 11.pdf (дата обращения: 29.07.2023).

ВКЛАД АВТОРОВ:

Адаменков А.Н. - разработка технологии проведения эксперимента, проведение эксперимента, обработка результатов эксперимента;

Веселова И.Н. - разработка концепции сравнительного эксперимента и оценки результатов, проведение эксперимента, оформление текста статьи.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ: Без дополнительного финансирования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ:

Андрей Константинович Адаменков, к.т.н., главный эксперт дирекции пуско-наладочных работ АО «Атом-стройэкспорт», Москва, Российская Федерация. ORCID: https://orcid.org/QQQQ-0QQ1-7342-Q231 WoS: O-1921-2Q18 e-mail: anri_61@ mail.ru

Ирина Николаевна Веселова, к.т.н., доцент кафедры атомной энергетики Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Волгодонск, Ростовская обл., Российская Федерация. ORCID: https://orcid.org/QQQQ-QQQ1-5867-569Q WoS: M-1893-2Q18 e-mail: INVeselova@mail.ru

AUTHORS' CONTRIBUTION:

Adamenkov А.К. - development of the experiment technology, conducting the experiment, processing the results of the experiment;

Veselova I.N. - development of the concept of a comparative experiment and evaluation of the results, conducting the experiment, design of the text of the article.

FUNDING: No additional funding.

CONFLICT OF INTEREST:

The authors declare no conflict of interest.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS:

Andrey K. Adamenkov, Cand. Sci. (Eng.), Chief Expert of

the Commissioning and Start-up Directorate of JSC At-

omstroyexport, Moscow, Russian Federation.

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7342-0231

WoS: O-1921-2018

e-mail: anri_61@ mail.ru

Irina N. Veselova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Nuclear Engineering Department, Volgo-donsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI»; Volgodonsk, Rostov region, Russian Federation. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5867-5690 WoS: M-1893-2018 e-mail: INVeselova@mail.ru

Поступила в редакцию 06.10.2023 После доработки 27.11.2023 Принята к публикации 30.11.2023

Received 06.10.2023 Revision 27.11.2023 Accepted 30.11.2023