Промышленные испытания разделительной емкости методом акустической эмиссии Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 620.16

И.Ю. Быков, профессор кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности (МОНиГП), ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», Институт геологии, нефтегазодобычи и трубопроводного транспорта; Д.А. Борейко, аспирант кафедры МОНиГП, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», Институт геологии, нефтегазодобычи и трубопроводного транспорта, e-mail: diacont_dboreyko@mail.ru; А.Л. Смирнов, директор ООО «ЭкспертСтрой» (г. Ухта), e-mail: es-ukhta@mail.ru

Промышленные испытания разделительной емкости методом акустической эмиссии

В статье представлены результаты обследования сосуда - разделительной емкости, работающего под давлением. Сосуд семь лет является выведенным из эксплуатации по результатам экспертизы традиционными методами неразрушающего контроля. Для исследования выбран метод акустико-эмиссионных испытаний.

Ключевые слова: гидравлические испытания, акустическая эмиссия, сосуд давления, неразрушающий контроль, нагружение.

Объектом исследований является сосуд - разделительная емкость, эксплуатирующийся в Вуктыльском ГПУ ООО «Газпром добыча Краснодар». Внешний вид сосуда представлен на рисунке 1, технические характеристики - в таблице 1.

Сосуд был выведен из эксплуатации в мае 2007 г. по результатам экспертизы промышленной безопасности. Фактический срок службы сосуда на момент выведения из эксплуатации составлял 34 года при проектном сроке 20 лет. При проведении экспертизы использовались традиционные методы неразрушающего контроля (визуальный и измерительный контроль (ВИК), твердометрия, толщинометрия, ульт-

развуковой контроль(УЗК) и магни-топорошковая дефектоскопия (МПД)). Результаты ВИК, твердометрии, УЗК и МПД оказались удовлетворительными, не выявлено никаких отклонений от

Рис. 1. Сосуд - разделительная емкость (объект исследования)

паспортных данных. Решение о выведении сосуда из эксплуатации было принято только по результатам толщи-нометрии, которая выявила серьезное расслоение металла обечайки. Результаты толщинометрии стенки обечайки сосуда, наглядно иллюстрирующие расслоение, представлены на рисунке 2а [1]. На рисунке 2б представлено 3D-изображение сосуда с расположением границ расслоения. Измеренные значения толщин в указанной зоне находились в пределах 15-35 мм при проектном значении толщины стенки обечайки 55 мм.

Руководствуясь ПБ 03-593-03 и СТО Газпром 2-2.3-491-2010, эксплуатирующей организацией было принято

Таблица 1. Технические характеристики сосуда

Параметры Единицы измерения Показатели

Рабочее давление, Рраб МПа 6,0

Расчетное давление, Ррасч МПа 6,0

Давление при гидроиспытании, Рпр = 1,25Рр МПа 7,5

Температура рабочей среды 0С От +30 до 0

Расчетная температура 0С 30

Рабочая среда конденсат, газ, метанол, пластовая вода

Характеристика рабочей среды малоагрессивная, взрывоопасная,токсичная

Рабочий объем сосуда, V м3 50,0

Номинальная объем сосуда, V м3 50,0

DIAGNOSIS

а) б)

Рис. 2. Схема расположения точек замера толщины стенки сосуда с визуализацией границ расслоения:

а) развертка сосуда; б) 3D-изображение местоположения расслоения: 1 - левая граница расслоения; 2 - правая граница расслоения

решение о проведении АЭ-контроля сосуда с целью подтверждения достоверности результатов толщинометрии и принятия окончательного решения о допустимости его эксплуатации.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью исследования является определение координат и мониторинг развития источников акустической эмиссии, связанных с несплошностя-ми в объеме стенки сосуда, а также максимально допустимого рабочего давления для объекта в текущем его состоянии. Для достижения поставленной цели решено провести гидравлические испытания с параллельным акустико-эмиссионным контролем для выявления потенциально опасных источников акустической эмиссии (III и IV классов) и дополнительным контролем методом магнитной памяти металла для определения напряженного состояния в зонах выявленных источников.

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

Акустико-эмиссионный контроль проводится в соответствии с ГОСТ Р 52727-2007, ПБ 03-593-03 «Правила организации и проведения акусти-ко-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов» и СТО Газпром

2-2.3-491-2010. Для контроля применяется портативная акустико-эмисси-онная система «Эксперт-2014». Схема расположения датчиков представлена на рисунке 3а, развертка регистрирующей программы с расставленными датчиками - на рисунке 3б и 3Э-изо-бражение - на рисунке 3в. Испытательное давление выбирается в соответствии с расчетным давлением

сосуда, однако из соображений безопасности с учетом текущего технического состояния сосуда максимальную испытательную нагрузку было решено принять не более 7,0 МПа. На предварительных испытаниях после измерения амплитуды шумов, которая составила примерно иш = 40 дБ, был установлен фиксированный порог регистрации сигналов на уровне

а)

Г 2 4 3_

m -g J 4*

Stil

mi АЪ tum 2ЙЛ im

б)

/ гд

V ! А

:

Рис. 3. Схема расположения датчиков на сосуде:

а) схема сосуда; б) программная развертка сосуда; в) 3D-изображение сосуда: 1 - датчик преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ); 2 - технологический патрубок; 3 - люк-лаз; 4 - листы обечайки; 1-8 - порядковые номера датчиков

Таблица 2. Классификация источников АЭ по амплитудному признаку для высокопрочных корпусных сталей

Класс источника АЭ Признаки формирования класса источника АЭ

I класс Источник, для которого зарегистрировано менее 5 импульсов АЭ амплитудой, меньшей иак

II класс Источник, для которого зарегистрировано 5 или более импульсов АЭ амплитудой, меньшей иак

III класс Источник, для которого зарегистрировано 1-3 импульса АЭ амплитудой, превышающей иак

IV класс Источник, для которого зарегистрировано 4 и более импульсов АЭ амплитудой, превышающей иак

ип = иш + 15 дБ = 55 дБ. (1)

Измеренная скорость звука составила 3100 м/с при затухании 0,28 дБ/м. На-гружение производилось ступенчато в соответствии с [2] и с выдержками давления примерно по 3 минуты. Фактический график нагружения во

р.тI 5Я

13

г?

Рис. 4. Фактический график нагружения сосуда

время гидравлических испытаний представлен на рисунке 4. Разрывы при выдержках давлений 2,8 и 4,5 МПа связаны с ликвидацией протечек через технологические патрубки и люк-лаз в процессе испытаний. По результатам акустико-эмиссион-ного контроля на локационной карте

выделяются локальные скопления акустических сигналов, в которых затем будет произведен дополнительный контроль по методу магнитной памяти металла в соответствии с ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009 «Контроль неразруша-ющий. Метод магнитной памяти металла. Часть 2. Общие требования».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве основного результата аку-стико-эмиссионных испытаний рассматривается локационная карта в виде развертки боковой поверхности и 3D-локации. Для начала рассматривался вариант без применений программных фильтров по амплитуде, активности, длительности и т.п. для предварительной оценки полученных данных. Полученная картина представлена на рисунке 5. Как видно из рисунка 5, очень четко прослеживается, что сигналы выстроились в три линии. После проведения замеров расстояний между этими линиями подтвердилось предположение о том, что сигналы линий 1 и 2 исходят от краев расслоения, координаты которого измерены во время толщиноме-трии. Линия 3, вероятно, показывает место начала нового расслоения. Далее проводится фильтрация лоцированных сигналов при помощи программных фильтров. Применяются одновременно три фильтра: 3 <С <10000; 5<С к<10000 и

~ ~ пик ' соб

70<А _<120. Полученная после

макс. дБ

фильтрации картина представлена на рисунке 6.

Как видно, большое количество сигналов оказались шумовыми. Это, вероятно, объясняется тем, что вблизи краев расслоения при воздействии давления происходит локальное движение металла, в результате которого возникает акустическая эмиссия, амплитуда которой не превышает 70 дБ.

Лечении БОЮНЯН («ГН*|ВСЧИ7ТИ

Обм*т. ВГПУНШ7.14 [С$12345) 10,07.7034 И:» 7:7$ по 10.07-7014 16.13:06}

1 .1 '■ч - Г 3 > I

' : "/V

О? 4.77 7.» ».Я &.Т5 п ПО 1,137 1764 - -¡-т * * 2т' V '« * В

1 ■ 3

1 1

1 1

а : а

: !

1. ;; ? * ^ Д .... ■

I , *". ■. ■ .. / № г" /ч V®, *. * ■ ^ л

0,00 1,17 2,35 3,57 469 5,87 7.« 8,31 9Д9 10,56 11,73

Образующая сосуда, м

Рис. 5. Локационная карта развертки обечайки сосуда и 3Э-локация: 1, 2, 3 - порядковые номера границ расслоений

DIAGNOSIS

Таблица 3. Результаты анализа выявленных источников АЭ

Номер источника по рисунку 8 Класс источника Степень активности Количество сигналов с амплитудой меньше иак (для I и II классов) или больше иак (для III и IV классов) Интервалы давлений, при которых проявлялся источник, МПа

И1 III Пассивный источник 2 1,5-2,8 4,2-6,8

И2 IV Катастрофически активный источник 5 4,5-6,8

ИЗ IV Катастрофически активный источник 5 1.4-2,7 4.5-6,8

И4 IV Катастрофически активный источник 7 1,7-2,6

И5 III Критически активный источник 1 ~ 4,5 ~ 6,8

И6 IV Катастрофически активный источник 10 1,3-2,8 ~ 4,5 ~ 6,8

И7 IV Катастрофически активный источник 5 ~ 1,0 ~ 2,2

И8 I Пассивный источник 4 ~ 4,0 ~ 6,5

И9 II Активный источник 1 ~ 1,7 ~ 6,8

И10 I Пассивный источник 4 ~ 2,5 6,5-6,8

И11 IV Катастрофически активный источник 6 1,5-1,7 4,5 6,3-6,8

И12 II Активный источник 11 4,5 6,5-6,8 4,0-5,3

На рисунке 6 отчетливо видны локальные скопления сигналов. Эти скопления образованы источниками АЭ, которые могут являться потенциально опасными и требуют оценки их активности. Методика оценки активности заключается в том, что в программе для постобработки на локационной карте выделяется одно из скоплений сигналов, затем открывается дискретный график зависимости максимальных амплитуд от времени. На графике амплитуд также появляются выделенные точки - это сигналы, которые были выделены на локационной карте. Таким образом, можно отследить амплитуды сигналов источника АЭ, время возникновения этих сигналов и в соответствии с графиком нагружения по рисунку 4 определить давление на момент возникновения

Лпкы^ил. БпнПкш ГЙПРрК1ПГП> £М5ы*т 6Л1У I007.14 |CSU345] it 10.07.2014 1Sl12J5IIO 10.07 JOW 16:13.W>

© ■ 1 I© ©

® Н a

В a

• а.) < 1" ■ Ф ©

■ чт @ 1 ^ ', ® «г • ■ 1

3,52 4,69 5/87 7.04

Образующая сосуда, м

Рис. 6. Локационная карта развертки боковой поверхности после фильтрации

ДИАГНОСТИКА

а)

S -

I

I

S'

О Я

ь

Ллк* ця naftepwftfri,

(f, ТЭ.07,А15:' 7l?S Гй 16Л7.7Л4 I

1.V

£f

w; О i а

У':) i.77

i

■1,4-

о / 1 3

i 9 / i

m ■prn г 1 ■ • ( 1 £ • 1 " Ч" ** а'4

■>,17 7Д5

f,5H ."Ш 7,си а.>1

Образующая сосуда, м

б)

ш и

и

3

< 10

Прототр во вроненм АЭ очрпнетрм (яоц) В о коопя поверхность

ими smuiaii7.n(csi2ätsi

(е 1D0720H151225 по 100?20Н161306I

; :: : ^ I > - : !.

■¡•м-«« : i t <

100? ¿ОМ IS 12-23

: : i : <

Ж

т »t

Время, мин

T.W

Iii

Рис. 7. Определение амплитуд источников АЭ:

а - выделение сигналов источника АЭ; б - определение амплитуд сигналов и времени их возникновения

сигнала. Локационная карта с выделенным источником АЭ и соответствующий дискретный график амплитуд представлен на рисунках 7а и 7б соответственно.

Далее необходимо классифицировать найденные источники в соответствии с критерием по степени активности. Для классификации источников выбран амплитудный критерий по [2], который

с учетом измеренного уровня шумов и установленного порога выглядит следующим образом:

и > и = и + 15 дБ, (2)

ак п ш п , \ /

где иак - амплитудный уровень классификации источника АЭ, дБ. Обычно выбирают 11ак = 11п + (20-30) дБ [2]. Для нашего случая, с учетом

(1), примем UaK = 55 + 25 = 80 дБ. Классификация источников АЭ по амплитудному признаку для высокопрочных корпусных сталей представлена в таблице 2.

В соответствии с критерием (2) и таблицей 2 были классифицированы источники АЭ на боковой поверхности обечайки сосуда. Выявленные и классифицированные источники обозначены на рисунке 8. Так как целью исследований является определение возможности эксплуатации сосуда на пониженном давлении, необходимо установить, при каких давлениях проявлялись сигналы от выявленных активных источников III и IV класса, являющихся потенциально опасными. Для этого анализируется время возникновения сигналов от источника АЭ и соответствующее этому времени давление. Результаты анализа сведены в таблицу 3. Как видно из таблицы 3, источники III и IV классов проявляются даже при незначительном давлении. Источник И7 начинал свою активность уже при 1,0 МПа, а остальные аналогичные источники - в основном при 1,5 МПа. Это означает, что фактическое максимально допустимое давление для эксплуатации сосуда на момент исследования составляет не более 1,0 МПа.

выводы

1. По результатам акустико-эмисси-онной диагностики подтвердилось присутствие расслоения в основном металле обечайки, обнаруженное при проведении экспертизы промышленной безопасности в 2007 г. [1]. Кроме того, обнаружена новая граница расслоения, которую традиционными методами обнаружить не удалось.

2. Обнаружены дополнительные опасные участки,которые не были выявлены традиционными методами, что свидетельствует о перспективности акустико-эмиссионного метода контроля.

3. Максимально допустимое давление для сосуда на момент исследования акустико-эмиссионным методом составило 1 МПа, в связи с чем сосуд не может быть использован по прямому назначению.

82

№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

Рис. 8. Выявленные и классифицированные источники: 2-7 - местоположение датчиков; И1-И12 - источники АЭ

Литература:

1. Заключение № 25-ТУ-11253-2008 экспертизы промышленной безопасности технического устройства «Сосуд - разделительная емкость». Зав. № 485. Рег. № 243. Предприятие ООО «Севергазпром», объект ВГПУ УКПГ-2 (по состоянию на май 2007 г.). - Ухта, 2007.

2. Неразрушающий контроль [Текст]: Справочник: В 8 т. / Под ред. В.В. Клюева. - 2-е изд., испр. -Т. 7: в 2 кн. - Кн. 1: Иванов В.И., Власов И.Э. Метод акустической эмиссии. - Кн. 2: Балицкий Ф.Я., Барков, А.В. Баркова Н.А. и др. Вибродиагностика. - М.: Машиностроение, 2006. - 829 с.: ил.

UDC 620.16

I.Yu. Bykov, Professor of the Department of oil and gas sector machines and equipment, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education Ukhta State Technical University, Institute of Geology, Oil and Gas production and Pipeline transport; D.A. Boreyko, PhD candidate of the Department of oil and gas sector machines and equipment, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education Ukhta State Technical University, Institute of Geology, Oil and Gas production and Pipeline transport, e-mail: diacont_dboreyko@mail.ru; A.L. Smirnov, Director of EkspertStroy LLC ( Ukhta), e-mail: es-ukhta@mail.ru

Industrial testing of clarifiers using acoustic emission method

The article describes results of testing the clarifier vessel operated under pressure. The vessel was decommissioned seven years ago following the results of expert examination using traditional method of non-destructive testing. Method of acoustic emission is chosen for the research.

Keywords: hydraulic test, acoustic emission, pressure vessel, non-destructive testing, loading.

References:

1. Opinion No. 25-Ty-11253-2008 of the safety expert review of the technical device «Clarifier vessel». Serial No. 485. Registration No. 243. Severgazprom LLC, facility Vuktyl Gas Production Department, Complex gas treatment plant No. 2 (as of May 2007). - Ukhta, 2007.

2. Nerazrushayutshiy kontrol' (Non-destructive testing) [Text]: Reference book: In vol. 8 / Edited by V.V. Klyuev. - 2nd edition, revised. - Vol. 7: in 2 books. - Book 1: Ivanov V.I., Vlasov I.E. Metod akusticheskoi emissii (Method of acoustic emission). - Book 2: Balitskiy F.Ya., Barkov A.V., Barkova N.A. et al. Vibrodiagnostika (Vibration-based diagnostics). -Moscow: Mashinostroyeniye, 2006. - 829 p.: ill.

РОССИИСКИИ РАЗРАБОТЧИК И ПРОИЗВОДИТЕЛЬ противокоррозионных и огнезащитных лакокрасочных материалов марки Акрус®, специального и промышленного назначения.

НАДЕЖНЫЕ СТРАТЕГИИ ЗАЩИТЫ

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014

«ллли.акрус.рф www.akrus-akz.ru infoaakrus-akz.ru 117420, г. Москва, ул. Наметкина, д. 10Б тел./факс: +7(495) 363 5669