CC BY
24
УДК 620.19:621.643 https://doi.org/10.24412/0131-4270-2021-5-6-48-53
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕФЕКТНЫХ УЧАСТКОВ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ
IMPROVING THE OPERATIONAL PROPERTIES OF DEFECTIVE SECTIONS OF OIL AND GAS PIPELINES BY MAGNETIC-PULSE TREATMENT
Щипачев А.М., Алжадли М.
Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Россия
Email: schipachev_am@pers.spmi.ru Email: mohammedaljadly@gmail.com
Резюме: Рассмотрены вопросы восстановления работоспособности дефектных участков трубопроводов и повышения их эксплуатационных свойств с помощью магнитно-импульсной обработки металла. Проведен теоретический анализ механизма воздействия магнитно-импульсного поля на дефекты сплошности. Установлено, что воздействие магнитно-импульсного поля проявляется как в виде давления (волнового удара), так и в виде воздействия электромагнитной силы. Описаны состав магнитно-импульсной установки и принцип ее работы. Представлены экспериментальные исследования влияния импульсного воздействия на прочностные свойства металлов, содержащих поверхностные трещины. Установлено, что ударная вязкость образцов, обработанных магнитно-импульсным полем, увеличилась на 3540% по сравнению с необработанными образцами.
Ключевые слова: дефекты сплошности, импульсное воздействие, индукционные токи, индуктор, трубопровод.
Для цитирования: Щипачев А.М., Алжадли М. Повышение эксплуатационных свойств дефектных участков нефтегазопроводов с помощью магнитно-импульсной обработки // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 5-6. С. 48-53.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-5-6-48-53
Введение
В технологических процессах изготовления и в процессе эксплуатации трубопроводов в их структуре возникают дефекты сплошности металла (газовые поры, расслоения, волосовины, ликвации, трещины различной природы и др.).
Известно, что конструкции трубопроводного транспорта постоянно находятся в сложном напряженном состоянии, подвергаются воздействиям многочисленных нагрузок (колебания давления, гидроудары, вибрационные процессы, температурные воздействия и др.).
При этом, дефекты структуры металла вызывают концентрацию напряжения в их вершинах, что приводит к быстрому росту их количества и геометрических размеров под нагрузкой, затем происходит слияние последних с образованием крупных несплошностей [1-2].
Возникновение и рост данных дефектов существенно снижают эксплуатационные свойства, усталостную долговечность и, соответственно, срок службы механических конструкций машин, включая магистральные трубопроводы [3-4].
Таким образом, раннее выявление дефектов сплошности металла и их устранение до того, как они достигнут
Andrey M. Shchipachev, Mokhammed Aljadly
Saint Petersburg Mining University, 199106, Saint Petersburg, Russia Email: schipachev_am@pers.spmi.ru Email: mohammedaljadly@gmail.com
Abstract: The article discusses the topical issue of restoring the serviceability of defective sections of pipelines and improving their operational properties using magnetic-pulse treatment of metal. A theoretical analysis of the mechanism of the action of the magnetic-pulse field on the continuity defects is carried out. As a result, It was found that the impact of the magnetic-pulse field is manifested both in the form of pressure (wave impact) and in the form of the impact of electromagnetic force. The composition of the magnetic-pulse unit and the principle of its operation were also described. Experimental studies of the effect of impulse impact on the strength properties of metals containing surface cracks were carried out. As a result of the study, it was found that the impact strength of the treated samples by magnetic-pulse treatment increased by 35-40% in comparison with untreated samples.
Keywords: continuity defects, impulse impact, induction currents, inductor, pipeline.
For citation: Shchipachev A.M., Alzhadly M. IMPROVING THE OPERATIONAL PROPERTIES OF DEFECTIVE SECTIONS OF OIL AND GAS PIPELINES BY MAGNETIC-PULSE TREATMENT. Transport and storage of Oil Products and Hydrocarbons, 2021, no. 5-6, pp. 48-53.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-5-6-48-53
критического размера, являются актуальной задачей, решение которой значительно улучшит эксплуатационные свойства рабочих элементов и продлит ресурс.
На сегодняшний день разработаны и применены различные методы восстановления несплошностей металла, в том числе электронно-лучевая обработка, термическая обработка, обработка лазерными ударными волнами, импульсная обработка и др. [5-6].
Импульсные методы обработки металлов являются упрочняющими. Наиболее эффективным методом улучшения прочностных свойств металла и повышения их надежности является магнитно-импульсная обработка металла (МИОМ).
В настоящей работе поставлена задача восстановления работоспособности поврежденных элементов магистральных трубопроводов и повышения их надежности с помощью МИОМ.
Механизм воздействия МИОМ на дефекты сплошности металла
Первые работы по применению МИОМ относятся к 1950-м годам. Анализ отечественных и зарубежных работ авторов по данной тематике показывает, что применение
I
Индуктор
Обрабатываемая деталь
МИОМ идет по трем направлениям: для формовки, сборки и сварки металла, для термообработки металла перед деформацией, для улучшения физико-механических свойств металлов и восстановления их работоспособности.
Механизм воздействия МИОМ на металлы и исследования ее влияния на свойства металлов, содержащих дефекты структуры, были описаны в работах С.Н. Постникова, Н.Н. Беклемишева, В.М. Финкеля, Ю.И. Головина, Э.А. Сателя, И.В. Кудрявцева, С.И. Кишкиной и др.
Принцип действия МИОМ заключается в том, что индуктор магнитно-импульсной установки (МИУ) преобразует текущую в нем электрическую энергию в импульсно-магнитное поле (ИМП) с индукцией В(х, Ц.
Воздействие ИМП на обрабатываемую заготовку задается как в виде импульсного давления (Р) на поверхность, так и в виде силового воздействия, действующего в скин-слое [7-8].
Давление на поверхность металла передается в виде волны сжатия, распространяющейся в металле и вызывающей пластическую деформацию несплошностей и уменьшение их размеров (рис 1.).
В случае неперемещающейся заготовки давление на поверхность выражается следующей формулой:
Р = р-ехр(-2рг)81п2(со0, (1)
где р - амплитуды давления, МПа; р - коэффициент затухания разрядного тока, С-1; t - время, мкс; ю - частота разрядного тока, кГЦ.
Силовое воздействие ИМП выражается в виде электромагнитной силы f , линии которой проникают в материал заготовки на глубину скин-слоя Ае, и наводят в нем индукционные токи (токи Фуко):
Рис. 1. Схема расположения деталей при МИОМ [9]: Яц, гц - внешний и внутренний радиусы катушки индуктора, мм
я„
ги
¡¡¡¡¡я
Рис. 2. Фазы расплавления металла вблизи трещины при МИОМ: а - трещина; б - кратер; 1 - концентрация наведенных токов в вершине трещины; 2 -повышение температуры; 3 - расплавление металла в вершине трещины; 4 - образование микрократера; 5 - увлечение размера кратера и выброс расплавленного материала внутрь трещины
f = В, 1 ,,
(2)
где f , - сила, действующая на единицу объема в скин-слое,
А; 1 - плотность индукционных токов, А-м , В, - индукция МИП, Тл.
Зависимости для В(х, 0 и у(х, 0 имеют вид [9]:
В( х, ^ = Вт.ехр(----)
К х,0
ВтЛ/2 , х, . . . х П, т ехр(----+—)
Н-оА
(3)
где А3 - глубина скин-слоя заготовки, мм; х - глубина, на которой амплитуды магнитного поля и плотности индукционных токов уменьшаются в е раз, мм; Вт - максимальная
магнитная индукция на поверхности металла; ц0 - магнитная проницаемость вакуума:
ц0 = 1,257 мкГн/м.
На рис. 1 представлена схема расположения плоского индуктора к заготовке при МИОМ.
Между тем было установлено, что при протекании индукционных токов в металле происходит концентрация линий тока на неоднородностях в материале, соответственно и в окрестности несплошностей, что приводит к локальному увеличению напряженности магнитного поля Н и плотности тока 1 и, как следствие, к нагреву этих зон.
Большие градиенты электромагнитного поля и температуры в окрестности дефектов вызывают электромагнитные, термические и динамические процессы, приводящие к изменению физико-механических свойств и структуры материала [10-11].
Температура в вершинах дефектов увеличивается вплоть до расплавления металла. При этом образуется кратер, диаметр которого может достичь нескольких миллиметров (рис. 2).
Вследствие нагрева в близлежащих к дефекту слоях происходит объемное расширение, вызывающее термодинамические сжимающие напряжения в контуре дефекта
Термические напряжения можно определить по формуле °т = Ео^ (4)
где Е0 - модуль Юнга; а[_ - коэффициент термического расширения, °С-1; Та - температура, °С.
Действие сжимающих напряжений вызывает выброс расплавленного материала из вершины внутрь трещин. В результате происходит заваривание трещин расплавленным материалом и торможение их дальнейшего развития [12-13].
В работе [14] представлен процесс образования кратера и сваривания трещин в пластине из стали 12Х18Н10Т при магнитно-импульсной обработке с помощью установки энергией 200 кДж (см. рис. 2).
Плотность индукционных токов в вершине трещины jm, необходимую для достижения температуры плавления, можно определить по формуле [15]:
1п
4(Гт - Го)(Су .у)
(1 + к) -т
0,5
(5)
заключается в преобразовании текущей в нем электрической энергии в переменное магнитное поле, действующее в его рабочей зоне.
Принципиальная схема МИУ представлена на рис. 3.
Ток разряда имеет синусоидальный затухающий характер, параметры которого (амплитуда, частота и длительность) меняются в зависимости от запасаемой энергии в конденсаторах накопителей НЭ.
На рис. 4 представлена осциллограмма разрядного тока МИУ - 3 кДж.
Энергия, запасенная в конденсаторах накопителей, равна:
= ^
2
(6)
где С - электроемкость накопителей, Ф; ин - рабочее напряжение накопителей, кВ.
При разряде электрической энергии, запасенной в накопителях, только часть преобразуется в магнитную энергию, действующую в зоне индуктора-заготовки. А большая часть
где Тт - температура плавления металла, °С; т - время импульсного воздействия, мск; Су - теплоемкость материала, Дж/К; у - удельная электропроводность материала, Сименс; к - безразмерный коэффициент, характеризующий отношение длины дефекта к его ширине.
При этом было отмечено, что неправильный режим применения МИОМ может привести к разрушению металла, так как высокая плотность токов в зоне дефектов вызывает термодинамические напряжения, превышающие критерий разрушения металла.
Исходя из вышесказанного, определение оптимальных режимов МИОМ и границ их применения является актуальной задачей, которая нуждается в дальнейшем исследовании.
Состав магнитно-импульсной установки и принцип ее работы
Магнитно-импульсная установка состоит в основном из накопителей энергии (НЭ), содержащих ряд импульсных конденсаторов, которые заряжаются до определенного уровня энергии Wн с помощью зарядного устройства.
Запасаемая в конденсаторах энергия однократно и мгновенно разряжается в контуре индуктора с помощью вакуумных или газовых разрядников [16].
Рабочим инструментом МИУ является индуктор, его задача
Рис. 3. Принципиальная схема МИУ: 1 - Преобразователь частоты; 2 - Зарядное
устройство; 3,4 - блок дозирования энергии; 5 - блок запуска разрядников; 6 -блок управления; 7 - формирователь стартового сигнала; Fv F2 - разрядники; F- замыкатель
Рис. 4. Осциллограмма разрядного тока МИУ - 3 кДж, масштаб по оси времени осциллограммы - 10 мкс/дел, по вертикали - 5 В/дел.; II, 12 - размах амплитуды 1-го и 3-го полупериода тока соответственно
ее преобразуется в тепло из-за сопротивления разрядного контура.
Обозначим безразмерный коэффициент лм, характеризующий передачу электрической энергии, протекающей в разрядном контуре, в электромагнитную энергию. Значение коэффициента зависит в основном от джоулевой потери в токопроводе индуктора и заготовки и зазора между индуктором и заготовкой и их индуктивности.
Таким образом, энергию электрического тока передаваемую заготовке, можно определить следующей формулой [17]:
= Лм К. (7)
Опираясь на вышесказанное, можно заметить, что эффективность МИУ в большой степени зависит от электропроводных свойств материала индуктора и разрядного контура, поэтому при их изготовлении с целью повышения коэффициента передачи энергии в заготовке используются материалы, обладающие высокой электропроводностью и удовлетворительными механическими характеристиками, такие как бериллиевые бронзы.
Экспериментальное оборудование и методы исследования
В качестве материала для исследования возможности восстановления работоспособности металлов, содержащих несплошности, и повышения их эксплуатационных свойств магнитно-импульсным воздействием были изготовлены три образца из бывших в эксплуатации магистральных трубопроводов, выполненных из стали 17Г1С.
На образцах с помощью испытательной машины ZDM-200 были созданы дефекты сплошности в виде надреза с выращенной трещиной радиусом 0,1 мм (рис. 5).
В ходе работы два образца были подвергнуты магнитно-импульсным воздействиям с различными характеристиками.
Магнитно-импульсная обработка образцов производилась на магнитно-импульсной установке МИУ-3 кДж, с помощью плоского одновиткового индуктора (фото 1).
В табл. 1 представлены характеристики магнитно-импульсного воздействия.
После МИОМ все образцы были испытаны на ударную вязкость с помощью маятникового копра ИО 5003-03 в соответствии с ГОСТ 9454-78. Максимальная энергия удара составила 300 кДж.
Данный метод испытания был выбран потому, что он является самым чувствительным к изменению структуры металла и его склонности к разрушению.
На фото 2 представлен маятниковый копр с образцом в момент его испытания.
Результаты определения ударной вязкости для образцов составили 38 Дж/см2 для не обработанного магнитно-импульсным воздействием образца; 51 и 60,3 Дж/см2 для образцов, подвергнутых импульсным воздействиям с параметрами 2 кДж, 41 кА и 3 кДж, 84 кА соответственно.
Снимок распределения тепловых полей при магнитно-импульсном воздействии с параметрами энергии 3 кДж и тока 84 кА показывает, что точкой интенсивного воздействия является вершина трещин, где было отмечено повышение температуры и на момент 625 мкс (момент окончания воздействия) она достигла 36 °С (рис. 6).
I Рис. 5. Образцы с трещинами
й. Усталостная трещина, г- 0.1
V 15" У-. —____-
I 1. Индуктор для магнитно-импульсного воздействия
I
Таблица 1
Характеристики магнитно-импульсного воздействия
№ образца Запасаемая энергия, кДж Импульсный ток, кД
1 2 41
2 3 84
2. Испытание образца на ударную вязкость
|Рис. 6. График распределения тепловых полей при МИО с параметрами энергии 3 кДж и тока 84 кЛ
Плотность наведенных токов в вершине трещин не достигла значения jm, необходимого для достижения температуры плавления металла, что характеризует данное воздействие как холодное диффузионное заваривание, то есть повышение ударной вязкости образцов произошло вследствие термических сжимающих напряжений в контуре дефекта
Заключение
В результате теоретического исследования было установлено, что воздействие импульсного магнитного поля на обрабатываемую заготовку задается как в виде импульсного давления (Р) на поверхность, так и в виде электромагнитной силы, действующей в скин-слое.
Экспериментально было показано повышение ударной вязкости образцов, подвергнутых МИОМ, на 40% по сравнению с необработанными образцами.
Снимок температурных полей при МИО свидетельствует о том, что повышение прочностных свойств образцов произошло в результате термических сжимающих напряжений в окрестности трещин (холодное диффузионное заваривание).
Неправильный режим применения МИОМ приведет к неудовлетворительным результатам или даже к разрушению металла при высокой плотности токов в зоне дефектов, превышающей критерий разрушения. Соответственно, определение оптимальных режимов МИО и границ их применения является актуальной задачей, которая нуждается в дальнейшем исследовании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мансурова С.Е. деформации сдвига вблизи трещины // Записки Горного института, 2010. Т. 187. С. 75-78.
2. Вансович К.А., Герасименко А.А. Оценки остаточного ресурса магистральных трубопроводов при наличии поверхностных трещин в условиях двухосного нагружения // Динамика систем, механизмов и машин. 2009. № 1. С. 31-35.
3. Kovshov S.V, Alimhanova T.A., Kitsis V.M. Methodology for assessing the risks of emergencies on the east Siberia -pacific ocean oil and gas main pipeline // International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, 2020, VOL. 10(1), p. 13-20.
4. Самигуллин Г.Х., Лягова А.А. Методика оценки степени опасности трещиноподобных днфектов в металлических конструкциях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 2. С. 99-106.
5. Голенков В.А., Дмитриев A.M., Кухарь В.Д. и др. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением. М.: Машиностроение, 2004. 404 с.
6. Щипачев А.М., Алжадли М. Современные методы залечивания микродефектов в трубопроводах // Газовая промышленность. 2021. № 7. С. 110-116.
7. Максаров В.В., Кексин А.И., Филипенко И.А., Бригаднов И.А. Технологические особенности магнитно-абразивной обработки в условиях цифровых технологий // Металлообработка. 2019. № 4(112) С. 3-10.
8. Курлаев Н.В., Гулидов А.И., Рынгач Н.А. Определение влияния основных факторов нагружения и характеристик материала на уменьшение пористости при импульсной обработке металлов давлением // Научный вестник НГТУ. 2003. № 2(15). С. 13-24.
9. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. М.: Энергоатомиздат, 1992. 414 с.
10. Рлаев. Н.В., Гулидов А.И., Юдаев В.Б., Рынгач Н.А. Моделирование воздействия ИМП на несплошности в структуре материалов деталей // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2003. № 2. С. 80-86.
11. Головин Ю.И., Кинерман В.А. Концентрация электрического и теплового полей в вершине острых дефектов в металле // Физика и химия обработки материалов. 1980. № 4. С. 26-30.
12. Финкель В.М., Головин Ю.И., Иванов В.М. и др. Об упрочнении металла в устье трещины, обтекаемой импульсом тока // Физика, и химия обработки материалов, 1981. № 2. С. 42- 45.
13. Кукуджанов К.В., Левитин А.Л. Процессы трансформации и взаимодействия микротрещин в металле под воздействием высокоэнергетического импульсного электромагнитного поля // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 2. С. 89-110.
14. Atsushi H., Tomoya., Yang Ju. Healing of Fatigue Crack Treated with SurfaceActivated Pre-Coating Method by Controlling High-Density Electric Current // 13th International Conference on Fracture June 16-21, 2013, Beijing. China, 2013. P. 233-245.
15. Головин Ю.И., Кинерман В.А. Концентрация электрического и теплового полей в вершине острых дефектов в металле // Физика и химия обработки материалов. 1980. № 4. С. 26-30.
16. Юсупов Р.Ю., Глущенков В.А. Энергетические установки для магнитно-импульсной обработки материалов. Самара: Федоров, 2013. 128 с.
17. Лущенков В.А., Карпухин В.Ф. Технология магнитно-импульсной обработки материалов. Самара: Федоров, 2014. 208 с.
REFERENCES
5.
Mansurova S.YE. Shear deformation near a crack. Zapiski Gornogo instituta, 2010, vol. 187, pp. 75-78 (In Russian). Vansovich K.A., Gerasimenko A.A. Estimates of the residual life of main pipelines in the presence of surface cracks under conditions of biaxial loading. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin, 2009, no. 1, pp. 31-35 (In Russian). Kovshov S.V, Alimhanova T.A., Kitsis V.M. Methodology for assessing the risks of emergencies on the east siberia -pacific ocean oil and gas main pipeline. International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, 2020, vol. 10(1), pp.13-20.
Samigullin G.KH., Lyagova A.A. Method for assessing the degree of hazard of crack-damping flaws in metal structures. Gornyy informatsionno-analiticheskiybyulleten', 2016, no. 2, pp. 99-106 (In Russian).
Golenkov V.A., Dmitriyev A.M., Kukhar' V.D. Spetsial'nyye tekhnologicheskiye protsessy i oborudovaniye obrabotki davleniyem [Special technological processes and pressure treatment equipment]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 2004. 404 p.
4
6. Shchipachev A.M., Alzhadli M. Modern methods of healing microdefects in pipelines. Gazovaya promyshlennost', 2021, no. 7, pp. 110-116 (In Russian).
7. Maksarov V.V., Keksin A.I., Filipenko I.A., Brigadnov I.A. Technological features of magnetic-abrasive processing in the conditions of digital technologies. Metalloobrabotka, 2019, no. 4(112), pp. 3-10 (In Russian).
8. Kurlayev N.V., Gulidov A.I., Ryngach N.A. Determining the influence of the main loading factors and material characteristics on the reduction of porosity during pulsed metal forming. Nauchnyy vestnik NGTU, 2003, no. 2(15), pp. 13-24 (In Russian).
9. Shneyerson G.A. Polya iperekhodnyye protsessy vapparature sverkhsil'nykh tokov [Fields and transient processes in the equipment of superstrong currents]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1992. 414 p.
10. Rlayev. N.V., Gulidov A.I., Yudayev V.B., Ryngach N.A. Simulation of the impact of a magnetic field on discontinuities in the structure of materials of parts. Problemy mashinostroyeniya i nadezhnosti mashin, 2003, no. 2, pp. 80-86 (In Russian).
11. Golovin YU.I., Kinerman V.A. Concentration of electric and thermal fields at the tip of sharp defects in metal. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 1980, no. 4, pp. 26-30 (In Russian).
12. Finkel' V.M., Golovin YU.I., Ivanov V.M. On hardening of metal at the mouth of a crack flowed around by a current pulse. Fizika, i khimiya obrabotki materialov, 1981, no. 2, pp. 42- 45 (In Russian).
13. Kukudzhanov K.V., Levitin A.L. Processes of transformation and interaction of microcracks in a metal under the influence of a high-energy pulsed electromagnetic field. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mekhanika, 2016, no. 2, pp. 89-110 (In Russian).
14. Atsushi H., Tomoya., Yang Ju. Healing of fatigue crack treated with surface activated pre-coating method by controlling high-density electric current. 13th Proc. of International Conference on Fracture. Beijing, 2013, pp. 233-245.
15. Golovin YU.I., Kinerman V.A. Concentration of electric and thermal fields at the tip of sharp defects in metal. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 1980, no. 4, pp. 26-30 (In Russian).
16. Yusupov R.YU., Glushchenkov V.A. Energeticheskiye ustanovki dlya magnitno-impul'snoy obrabotki materialov [Power plants for magnetic-pulse processing of materials]. Samara, Fedorov Publ., 2013. 128 p.
17. Lushchenkov V.A., Karpukhin V.F. Tekhnologiya magnitno-impul'snoy obrabotki materialov [Technology of magnetic-pulse processing of materials]. Samara, Fedorov Publ., 2014. 208 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Щипачев Андрей Михайлович, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта Andrey M. Schipachev, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of
и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет. Transport and Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
Алжадли Мохаммед, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти Mohammed Aljadly, Postgraduate Student, Department of Transport and
и газа, Санкт-Петербургский горный университет. Storage of Oil and Gas, Saint Petersburg Mining University.
5-6 • 2021
53
