Введение к работе
Актуальность работы
Крайняя важность трубопроводных систем и отсутствие адекватной альтернативы ставят задачу поддержания их в работоспособном состоянии, каковая может решаться несколькими путями. Перспективным путем решения является разработка и внедрение новых материалов и конструкций, обладающих большим сроком службы, на реконструируемых и заново строящихся объектах. Однако, для эксплуатируемых трубопроводов, весь объем которых невозможно реконструировать в краткосрочной перспективе, остается частичная замена участков, полностью исчерпавших свой реальный ресурс работоспособности.
Так как для большей части эксплуатируемых сегодня трубопроводов превышен нормативный срок эксплуатации, то к методам мониторинга их технического состояния предъявляются повышенные требования по достоверности и производительности. Это объясняется стремлением максимально сократить текущие расходы на ремонт трубопроводов при минимальном уровне аварийности.
Проблема диагностирования состояния конструкций не нова. Однако, применяемые сегодня методы в большинстве своем основываются на использовании электронного оборудования, с развитием которого и стали разрабатываться различные методы неразрушающего контроля. При этом разные методы (ультразвуковые, рентгенографические, вихретоковые, магнитопорошковые, акустикоэмиссионные и др.) используют различные физические свойства материалов: способность пропускать, отражать и рассеивать звуковые и электромагнитные волны; электрическое и звуковое сопротивление. Одну из групп таких методов диагностирования составляют магнитные методы, основанные на определении состояния конструкций из магнитных материалов по особенностям изменения свойств их магнитного поля, характерным для известных явлений и процессов, происходящих в них. Магнитные методы предоставляют широкий ассортимент средств для определения состояния поверхности, характера структуры и напряженно-деформированного состояния конструкций из магнитных материалов, чем объясняется их широкое распространение и обширные перспективы развития.
Существенное влияние на общие и локальные магнитные свойства материалов оказывают операции, как механические, так и термические, проводимые над ними в процессе производства и обработки.
Подавляющее большинство существующих методов диагностирования технического состояния направлены на выявление физических макродефектов металла и оценку степени их опасности исходя из геометрических размеров. Классификация размеров дефектов носит формальный характер и не отражает фактические структурные и механические характеристики металла в зонах выявленных дефектов. Известно, что многие объекты (например, трубопроводы) часто эксплуатируются с дефектами в течение длительного периода, а разрушение происходит не в зоне дефекта, а в области, в которой отсутствуют видимые
повреждения или трещины. Тем не менее, при проведении металлографических или рентгеноструктурных исследований в очагах разрушения обнаруживаются отклонения в структуре: строчки пластинчатого перлита в феррито-перлитных сталях или хрупкие неметаллические включения, не выявляемые традиционными методами неразрушающего контроля, изменение дислокационной структуры металла, выражающееся в повышении напряжений в решетке, и другие аномалии структурного состояния металла (рис.1).
Указанные аномалии структурного состояния могут вызвать, в свою очередь, возникновение усталостных микротрещин, не выявляемых традиционными методами неразрушающего контроля.
Из вышеизложенного, становится ясно, что основными этапами процесса оценки риска опасных производственных объектов должны быть:
- обнаружение локальных зон концентрации напряжений, которые в свою
очередь могут являться наиболее вероятными местами разрушения объекта;
определение параметров напряженно-деформированного состояния в наиболее опасных зонах концентрации напряжений;
определение фактических структурно-механических характеристик материала в указанных зонах.
Цель работы
Изучение связи действующих в ферромагнетике механических напряжений с полем рассеяния последнего, определение характера зависимости, связывающей изменение напряжений с изменением поля рассеяния объекта, а также материаловедческое подтверждение физических основ метода магнитной томографии металла.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
- изучение связи действующих в ферромагнетике механических напряжений с его внешним магнитным полем на примере отрезка трубопровода, подвер-
гаемого воздействию избыточного внутреннего давления различной величины;
определение характера зависимости, связывающей изменение величины механических напряжений, действующих в металле трубы, с изменением ее магнитного поля.
исследование аспектов применения метода магнитной томографии металла с точки зрения материаловедения.
Научная новизна
1. Установлено, что в процессе длительной эксплуатации в газонефтепродук-
топроводах происходят значительные изменения структуры металла:
уменьшение искажений микроструктуры возникших при обработке давлением в процессе производства труб;
снижение плотности дислокаций у внешней стенки трубы на 37% относительно внутренней поверхностью в случае коррозионного разрушения;
повышение плотности дислокаций у внешней поверхности на 50% относительно внутренней поверхности в случаях дефектов механического происхождения (вмятины, гофры и т.п.).
Все это приводит к повышению уровня внутренних напряжений второго рода.
Полевые натурные исследования подтвердили обоснованность применения метода магнитной томографии металла для выявления областей концентрации механических напряжений, что подтверждено последующими металлографическими исследованиями и рентгеноструктурным анализом.
Впервые проведено исследование магнитного поля полноразмерного трубопровода, при величинах напряжений от нуля до близких к пределу текучести, с сопоставлением данных магнитометрии, тензометрии, металлографического и рентгеноструктурного анализов, а также компьютерного моделирования методом конечных элементов.
Разработана и испытана методика полевых измерений индукции магнитного поля на поверхности трубопровода и способы калибровки напряжений.
Показано, что зависимость абсолютного изменения магнитной индукции от изменения величины механических напряжений, построенная по пяти или более точкам для каждого из 108 однокомпонентных измерений, имеет линейный характер в области от нуля до уровня, близкого к пределу текучести.
Практическая ценность работы
- Результаты проведенных исследований были использованы при разработке
проекта национального стандарта «Диагностика технического состояния и
оценка работоспособности трубопроводов бесконтактными магнитными ме
тодами. Метод магнитной томографии. Общие требования». Стандарт вне
сен в Технический комитет по стандартизации ТК 71 «Гражданская оборо
на, предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций».
- Результаты проведенных исследований были использованы при разработке
дополнений к нормативной документации Американского Общества Инже
неров-Механиков (ASME), поданных на рассмотрение в ASME, в рамках
контракта между ООО НТЦ «Транкор-К» и Малазийской нефтегазовой кор
порацией ПЕТРОНАС.
Личный вклад автора
Автор лично осуществлял лабораторные эксперименты, результаты которых изложены в диссертации, исследовал микроструктуру методом оптической микроскопии, подготавливал и производил тензометрические измерения, выполнял обработку и анализ полученных результатов; участвовал в проведении механических испытаний, исследованиях микроструктуры методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа остаточных напряжений, а также в компьютерном моделировании напряженного состояния металла. Основные положения диссертационной работы сформулированы автором лично.
Достоверность полученных результатов
Обеспечивается воспроизводимостью и согласованностью анализируемых данных, применением современных методов исследования микроструктуры и механических свойств стали, широким использованием статистических методов обработки, положительным опытом применения полученной информации при разработке проектов нормативных документов
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите
Работа соответствует формуле и пункту 6 области исследования специальности 05.16.09 - «Материаловедение (металлургия)»: Разработка и совершенствование методов исследования и контроля структуры, испытание и определение физико-механических и эксплуатационных свойств материалов на образцах и изделиях.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на:
II научно-практической конференции «Инновационный потенциал молодых специалистов как залог динамичного развития газовой промышленности», ЗАО «Ямалгазинвест», г.Москва (2006);
Заседании научно-координационного совета Федерального центра науки и высоких технологий «Всероссийский Научно-Исследовательский Институт по Проблемам Гражданской Обороны и Чрезвычайных Ситуаций» (2009);
Региональная конференция «Региональные программы и проекты инновационного развития регионов Сибири на 2010-2012 годы», г. Красноярск (2010);
- Международной Заочной Научно-Практической Конференции, г. Новосибирск (2012).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано две печатные работы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, и одна монография.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 128 страницах, содержит 29 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.
