Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ средств и методов контроля напряженно деформированного состояния и надежности нефтегазопроводов 10
1.1. Состояние проблемы надежности и оценки НДС трубопроводных конструкций 10
1.2. Методы оценки напряженного состояния трубопроводов нефтяной и газовой промышленности 12
1.3. Физические методы, основанные на использовании магнитомеханических явлений
1.3.1. Физические основы магнитных методов 22
1.3.2. Магнитострикционный метод 25
1.3.3. Метод измерения шумов Баркгаузена 26
1.3.4. Метод магнитной памяти металла (ММПМ) 27
1.3.5. Метод магнитной анизотропии 30
1.3.6. Феррозондовый метод 30
1.3.7. Коэрцитиметрический метод
1.4. Выбор неразрушающего метода контроля НДС трубопроводов 34
1.5. Исследования, проводимые в области коэрцитиметрии 37
1.6. Применение метода измерения коэрцитивной силы для оценки напряженного состояния 40
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Выбор точек контроля напряженного состояния газонефтепроводов 44
2.1. Использование МКЭ применительно к расчету трубопроводных конструкций 45
2.2. Моделирование трубопровода балочными конечными элементами . 54
2.3. Упрощенная схема проведения оценочного расчета 59
Выводы по главе 2 62
Глава 3. Испытание полых цилиндрических образцов в условиях плосконапряженного состояния 63
3.1. Определение параметров экспериментального образца для проведения испытаний 63
3.2. Выбор прибора для проведения экспериментов 66
3.3. Исследование влияния напряженного состояния металла на коэрцитивную силу металла в условиях действия внутреннего давления.
3.4. Исследование зависимости коэрцитивной силы в условиях действия касательных напряжений 77
3.5. Сопоставление результатов проведенных экспериментов с известными зависимостями 88
3.6. Интерпретация результатов магнитного контроля 91
Выводы по главе 3 93
Глава 4. Методика оценки плосконапряженного состояния нефтегазопроводов на основе магнитного метода 94
4.1. Проведение коэрцитиметрического контроля 94
4.2. Обработка результатов коэрцитиметрического контроля 95
4.3. Определение значения коэрцитивной силы ненагруженного материала „ 106
4.4. Компьютерная программа для проведения анализа результатов магнитного контроля трубопроводов 110
Выводы по главе 4 115
Глава 5. Промышленное опробование метода на надземных технологических трубопроводах компрессорных станций и оценка экономического эффекта от внедрения 116
5.1. Проведение магнитного контроля технологических трубопроводов КС 116
5.1.1. Объекты контроля 116
5.1.2. Расчет допустимых значений толщины стенки 117
5.1.3. Геодезическая съемка горизонтальных участков технологических трубопроводов 119
5.1.4. Определение величины расчетного сопротивления материала ОК растяжению (сжатию) 120
5.1.5. Проведение коэрцитиметрического контроля трубопроводов компрессорных станций 121
5.1.6. Анализ результатов магнитного контроля с использованием разработанной методики 123
5.2. Расчет эффективности инвестиционного проекта внедренияметодики на трубопроводах компрессорных станций 145
Выводы по главе 5 159
Список используемой литературы 160
- Физические методы, основанные на использовании магнитомеханических явлений
- Моделирование трубопровода балочными конечными элементами
- Исследование зависимости коэрцитивной силы в условиях действия касательных напряжений
- Определение значения коэрцитивной силы ненагруженного материала
Введение к работе
Актуальность темы. Россия обладает одной из самых развитых сетей промысловых и магистральных трубопроводов для транспортирования нефти и газа. Независимо от типа прокладки трубопроводов, их металл в процессе эксплуатации испытывает воздействие значительных механических нагрузок и коррозионно-активной среды. В ряде случаев эти факторы приводят к аварийным разрушениям трубопроводов.
Под действием напряженного состояния металл изменяет свои функциональные свойства, в частности, прочностные, вязкопластические, а также трещиностой-кость. Кроме этого напряженное состояние является доминирующим фактором развития коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), которое является причиной более половины всех разрушений магистральных трубопроводов большого диаметра.
Расследование причин аварий на трубопроводах показывает, что в ряде случаев воздействие нагрузок приводит к образованию трещин и разрушению металла без следов коррозионного воздействия.
Таким образом, целостность нефтегазопроводов в значительной степени зависит от своевременного выявления мест с повышенными напряжениями и последующего проведения ремонтных мероприятий. На практике задачу оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) решают расчетными методами, однако их достоверность невысока т.к. обычно неизвестно начальное положение трубопровода, а существующие физические методы определения напряжений, в полной мере не адаптированы для оценки напряженного состояния трубопроводов.
Поэтому разработка методики оценки напряжений в нефтегазопроводах на основе физических методов неразрушающего контроля, позволяющей локализовать напряженные участки и оперативно проводить мероприятия по их реконструкции, является весьма актуальной научно-практической задачей.
Работа базируется на результатах научных работ многих ученых и исследователей, среди которых: Р.В. Агиней, И.Н. Андронов, В.К. Бабич, М.П. Берштейн, Г.В. Вида, Ф. Видена, А.И. Гардин, Э.С. Горкунов, Ю.И. Драгошанский, А.А. Дубов, О.М. Иванцов, А.А. Ильюшин, В.В. Клюев, А.С. Кузьбожев, А.Н. Кузнецов, Н.С. Кузнецов, В.Г. Кулеев, М.Н. Михеев, В.Ф. Мужицкий, В.Ф. Новиков, А.П. Ни-чипурук, Б.Е. Попов, В.П. Табачник, А.Т. Туманов, В.В. Харионовский, М.Н. Щербинин и др.
Цель работы. Развитие метода оценки напряженно-деформированного состояния нефтегазопроводов по коэрцитивной силе металла.
Задачи исследования:
Проанализировать состояние средств и методов оценки напряженно деформированного состояния нефтегазопроводе".
Определить критерии оценки параметров напряженно-деформированно состояния трубопроводов, обусловленного внутренним давлением среды и крутя щим моментом, по коэрцитивной силе металла на основе результатов лабораторні испытаний полых цилиндрических образцов.
Разработать методику оценки напряженного состояния действующих трубопроводов по коэрцитивной силе металла.
Разработать алгоритм, реализующий методику оценки параметров НДС трубопроводов.
Оценить экономическую эффективность разработанных технических решений.
Научная новизна:
В упругой области нагружения трубчатых образцов экспериментально определено, что при измерении коэрцитивной силы (Не) в направлении деформирования величина Не возрастает при отрицательной относительной деформации и убывает при положительной.
Доказан единый характер зависимости коэрцитивной силы, измеренной в направлении деформирования, от величины деформации трубчатых образцов стали 17Г1С, независящий от вида их нагружения.
Установлен порог растягивающих напряжений, составляющий для стали 17Г1С порядка 0,5сто,2, выше которого оценивать напряжения не целесообразно, т.к. дальнейшее изменение коэрцитивной силы сравнимо с погрешностью измерений.
Экспериментально установлена зависимость разности показаний коэрпити-метра, полученных при намагничивании во взаимно противоположных направлениях, от величины касательных напряжений. С ростом касательных напряжений разность коэрцитивной силы, полученной при намагничивании вдоль оси трубопровода во взаимно противоположных направлениях, увеличивается.
Теоретически обосновано и опытно апробировано выражение для определения максимальной величины относительной деформации материала в точке контроля, также получена система уравнений, связывающая значения коэрцитивной силы и деформаций в четырех точках одного сечения трубопровода, решение которой позволяет рассчитать значение коэрцитивной силы ненагруженного металла и оценить параметры НДС конструкции.
Основные защищаемые положения:
- методика проведения и результаты лабораторных испытаний полых ци
линдрических образцов в условиях плосконапряженного состояния, создаваемого
внутренним давлением и крутящим моментом.
критерии и алгоритм оценки напряженного состояния действующих нефтегазопроводов по результатам измерения коэрцитивной силы в точках контрольных сечений трубопровода.
результаты интерпретации данных магнитометрического контроля на трубопроводах компрессорных станций ООО «Газпром трансгаз Ухта».
Практическая значимость. Разработан промышленный регламент и компьютерная программа, позволяющие с достаточной для инженерных расчетов точностью и с минимальными временными затратами оценить напряженное состояние действующих газонефтепроводов по результатам измерения коэрцитивной силы. Резуль-1ты работы опробованы при оценке НДС технологических трубопроводов компрессорных станций 000 «Газпром трансгаз Ухта». Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит более 19 млн. руб. за период реализации проекта (2009-015гг.)
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и об-
уждались на Научно-технических конференциях молодежи ОАО «Северные маги-
ральные нефтепроводы» (г. Ухта, ОАО «Северные МН», 2007, 2008, 2009), Меж-
гаародных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех-2008,2009,2010»
ТТУ, Ухта, 2008-2010 гг.), Конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ
г. Ухта, УГТУ, 2008-2010 гг.), 14-ой Международной конференции «Транспорт и
едиментация твердых частиц» (г. Санкт-Петербург, СП6ТТИ им. Плеханова, 2008),
аучно-практических конференциях молодых специалистов и ученых филиала
ОО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта «Инновации в газовой отрасли — 2009, 2010»
г. Ухта, филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2009, 2010), III Международной науч-
о-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта
ападной Сибири» (г. Тюмень, ТГНГУ, 2009), V Международной учебно-научно-
1 тактической конференции «Трубопроводный транспорт - 2009» (г. Уфа, УГНТУ,
009).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, ти глав, заключения. Содержит 174 страницы текста, 42 рисунка, 16 таблиц, спи-ок литературы из 125 наименований.
Физические методы, основанные на использовании магнитомеханических явлений
Физической основой для разработки магнитных методов оценки параметров НДС является магнитоупругий эффект - изменение намагниченности тела под действием механических напряжений. При этом изменяются магнитная проницаемость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, величина магнитострикции и другие магнитные характеристики, которые могут быть приняты в качестве информативных при исследовании напряженного состояния ферромагнитных материалов. С помощью этих методов на сегодняшний день возможно определение одноосного напряженного состояния конструкции, разности главных напряжений и пластической деформации [114].
Стали трубопроводов по магнитным свойствам относятся к ферромагнетикам. Ферромагнетик разбит на определенные области (домены), каждая из которых намагничена до точки насыщения. Домены разделены границами, толщина которых зависит от свойств материала.
В размагниченном состоянии, несмотря на намагниченность каждого домена суммарный магнитный момент ферромагнетика равен 0. Под действием магнитного поля в ферромагнетике происходит изменение магнитных моментов доменов на направление поля и ферромагнетик приобретает суммарный магнитный момент, отличный от 0.
Магнитные методы оценки внутренних напряжений разработаны в 1939 году учеными Акуловым Н.С. и Киренским Л.В. В основе этих методов лежит зависимость свободной энергии магнитной анизотропии Fau от уровня действующих внутренних напряжений. Выражение для FaM области ферромагнетика, подвергнутой однородному растяжению или сжатию выглядит следующим образом [40]: FOM = i(aia2 +a2a3 +а?аз)+і 2а?а2аз + з(аіа2 + а-2аз +аіаз) - іооКт? +а2Ї2 +азУз)+2 пі(аіа2УіУ2 +а1а3у1у3 +а2а3у2уз)] + 2?і,11(а1а2у1у2 ч-а зУ з +а2а3у2Уз) (1) где К( — константы анизотропии; ai - направляющие косинусы вектора спонтанной намагниченности Js относительно тетрагональных осей кристалла кубической симметрии; Л , Лщ - константы магнитострикции; у І - направляющие косинусы линии действия напряжений относительно тетрагональных осей; ст- напряжения, действию которых подвергается рассматриваемая область ферромагнетика.
В каждом конкретном случае ориентацию Js, т. е. значения ах, аг, аъ можно определить из условия минимума Faw. Выражение (1) можно рассматривать как сумму двух членов. Порядок первого определяет величина Кх, а порядок второго - произведение а-Я , Для железа Кх w4.8-103 эрг/смЗ, / оо =19.5-106. В упругой области деформирования уровень напряжений ст не может превышать предела текучести. Для малоуглеродистых сталей величина a соответствует 175...245 МПа. В этом случае произведение а Хюо 200МПа-19,5-1(Г6 2-Ю8 -2-Ю"5 = 4-Ю4 эрг/см2, т. е. на порядок меньше Кх. Откуда следует, что в выражении (1) член, содержащийст, в первом приближении можно не учитывать. Условию минимума F в этом случае будет удовлетворять группа решений: aj=0 а2=0 а3=1 aj =1 а2 =0 а3 =0 \ aj=0 а2=1 а3-0 т. е. вектор s может быть ориентирован в направлении одной из трех осей намагничивания. Для железа более выгодным с точки зрения минимума FMl становится ориентация Js вдоль оси намагничивания, кото рая ориентирована под минимальным углом к линии действия а, если действуют напряжения растяжения; при сжатии - вдоль той оси намагничивания, которая ориентирована под минимальным углом к плоскости, перпендикулярной линии действия ст. Таким образом, в ферромагнетике ориентация Js будет зависеть от знака и уровня действующих внутренних напряжений.
Прикладывая внешнюю нагрузку к ферромагнетику, мы изменяем существующий баланс напряжений, что вызывает переориентацию Js, возникает магнитная текстура и, как следствие, изменение его магнитных свойств. Так, растяжение поликристаллического образца железа приводит к преимущественной ориентации спонтанной намагниченности вдоль осей намагничивания, близких к направлению растяжения, что вызывает рост начальной магнитной проницаемости в этом направлении и уменьшение ее в перпендикулярном направлении. Для малоуглеродистых сталей наблюдается аналогичная ситуация. На рисунке 1.2 показаны изменения кривой намагничивания, обусловленные действием внешней нагрузки [71]. Видно, что под воздействием напряжений изменяется не только начальная магнитная проницаемость, но и дифференциальная магнитная проницаемость на участке кривой, где процессы смещения границ доменов в основном закончились и идут процессы вращения вектора спонтанной намагниченности. Наблюдаемые в этой области изменения можно объяснить с помощью представлений о «текстуре вращения», развитых в [41, 74]. Там же показано, что условие минимума Fav в общем случае будет не точная ориентация Js вдоль какой-то оси легкого намагничивания (ОЛН.), а некоторое отклонение этого вектора от указанного направления. Величина и направление этого отклонения должна зависеть при этом от соотношения величины Кх и произведения сг-Л1и (которые также отличаются примерно на порядок). Возникновение «текстуры вращения» и является причиной изменения дифференциальной магнитной проницаемости кривой намагничивания в области процессов вращения вектора Js. Возможность существования связи между структурой, магнитными и механическими свойствами ферромагнитных материалов обусловлена схожим характером взаимодействия с элементами микроструктуры смещающихся доменных стенок, подвижностью которых определяются параметры магнитных структурно-чувствительных характеристик и дислокаций, способность к скольжению которых определяет прочностные и пластические свойства металлов.
Среди магнитных методов определения внутренних напряжений, использующих эффект магнитоупругости, достаточно часто применяются следующие: магнитострикционный, метод, основанный на эффекте Барк-гаузена и коэрцитиметрический метод [46, 48, 49, 73].
Моделирование трубопровода балочными конечными элементами
Проведение магнитного контроля параметров НДС на протяженных участках трубопроводов невозможно, поэтому существует необходимость предварительного выявления наиболее нагруженных участков. Таким образом, к магнитному контролю должны быть представлены лишь те сечения, которые характеризуются повышенными напряжениями.
При проектировании трубопроводов основными нагрузками, в соответствии с главным нормативным документом СНиП 2.05.06-85 , является: собственная масса трубопроводов с обустройствами, внутреннее давление, температурные воздействия и воздействия неравномерных деформаций грунтов.
Влияние перечисленных нагрузок достаточно эффективно учитывается при проектировании. Но в процессе эксплуатации трубопроводы дополнительно испытывают ещё и статические, повторно статические и циклические нагрузки.
Дополнительные нагрузки, действующие в период эксплуатации, приводят к быстрейшей выработке ресурса трубопроводов, и наиболее распространенными и опасными являются так называемые непроектные нагрузки со стороны опорной системы и нагрузки, возникающие от внешних источников (оползни, сезонные подвижки грунта), учесть которые при проектировании невозможно. При больших просадках участков трубопровода возникают пластические деформации. Поэтому оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) и определение наиболее нагруженных участков трубопроводов с учётом (статических и динамических) нагрузок, действующих при эксплуатации, является важным фактором в определении условий безопасной эксплуатации трубопровода.
Существует несколько подходов к решению задачи определения НДС действующих трубопроводов. Однако следует помнить, что использование известных физических методов так же, как и применение тензо-метрических измерений, не могут быть применены в значительных масштабах из-за их трудоемкости и сложности.
В связи с этим для определения напряжений необходимо разработать экспериментально — теоретический подход, который заключается в расчете НДС трубопровода по известному текущему положению его оси. Таким образом, для реализации данного метода будет необходимо иметь информацию о проектном положении трубопровода и о его текущем состоянии.
В основном сам математический аппарат для решения задач о прочности и надёжности различных конструкций был разработан давно и изложен в многочисленных учебниках[76, 112]. Однако зачастую решения получены в виде бесконечных числовых или функциональных рядов. Прш этом расчёт неимоверно усложняется, вероятность ошибок возрастает, доверие к результатам падает.
Для проведения расчетов можно использовать достаточно универсальный численный метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ - это вариант прямых вариационных методов, широко применяемый для решения, в первую очередь, задач механики деформированного твердого тела. Основными преимуществами использования, МКЭ при численном анализе равновесия пространственных конструкций являются теоретически доказанная сходимость данного метода для эллиптических задач и возможность использования нерегулярных расчетных сеток, позволяющая моделировать тела сложной геометрической формы с требуемой точностью. Это особенно важно, поскольку помимо линейной части трубопровода существует необходимость оценки и таких сложных объектов, как конструкции сетей промышленных трубопроводов, которые представляют собой топологически сложные пространственные системы с множеством разветвлений, пересечений, тройников, отводов и т.д., находящихся в условиях действия широкого спектра нагрузок[27, 124].
Он позволяет по известному положению изогнутой оси трубопровода определить изгибные напряжения. Продольные напряжения в трубопроводе от давления продукта и температуры могут быть оценены приближенно как для защемленного трубопровода, т.е. для трубопровода, не испытывающего продольные и поперечные перемещения.
При постановке задачи анализа прочности трубопроводов будем считать, что нам известны геометрическая конфигурация и характеристики физико-механических свойств материалов конструкции трубопроводной системы, находящейся в эксплуатации. Также при использовании известных методик расчета необходимы параметры обобщенных силовых факторов, действующих на данную конструкцию. Под обобщенными силовыми факторами здесь подразумеваются все воздействия, приводящие к возникновению в трубопроводах статического НДС, например, давление транспортируемой среды, температурный перепад, вынужденное смещение от проектного положения и т.п. [102]
На основании исходной информации необходимо выполнить анализ сложного НДС как всей трубопроводной системы в целом, так и отдельных ее элементов, оценить реальную прочность наиболее нагруженных участков и определить соответствие расчетных запасов прочности этих участков требуемым нормативам.
В общей постановке, задача определения НДС пространственной конструкции при действии статических нагрузок является краевой задачей механики деформированного твердого тела. В предположении бесконечно малых деформаций, данная задача сводится к решению при заданных граничных условиях системы, состоящей из дифференциальных уравнений равновесия (уравнений Навье), геометрических соотношений (уравнений Копій, устанавливающих связь между перемещениями и деформациями, и уравнений совместности деформаций Сен-Венана), физических уравнений, определяющих связь между напряжениями и деформациями.
Исследование зависимости коэрцитивной силы в условиях действия касательных напряжений
Размеры образца выбирались исходя из требований теории подобия. Образец должен представлять собой физическую модель трубопровода, на которой должны воспроизводиться в уменьшенном масштабе все основные воздействия, характерные для исследуемого вида напряженного состояния.
Физическое моделирование [68] основывается на теории подобия. При моделировании в первую очередь стремятся обеспечить механическое подобие, включающее: геометрическое, кинематическое (поля скоростей потока в пространстве и во времени) и динамическое подобие (подобия систем действующих сил различной физической природы - инерции, тяжести, давления, вязкости и т.д.).
В нашем случае основными величинами считаются радиус модели трубопровода R и толщина стенки h. Их коэффициенты подобия соответ R h ственно необходимо принимать равными kR =-JL , kh = —, где RH, hH, RM К основные величины натурного объекта, RM, hM, - соответствующие величины модели. Причем из условия геометрического подобия kR=kh=k .Зная коэффициенты подобия основных величин, на основании физических законов можно получить коэффициенты для остальных величин. Так, например, при изгибе участка трубопровода возникают изгибные напряжения, которые могут быть определены из выражения (3.1) &ич, м.. W. (3.1) Определим коэффициент подобия для изгибающего момента Мтг .при условии, что в модели должны возникать изгибные напряжения, равные напряжениям в реальном трубопроводе. Для начала выразим коэффициент подобия для момента сопротивления кольцевого сечения. Значение момента сопротивления может быть выражено следующим образом: W = лО1 V Тогда коэффициент подобия для момента сопротивления может быть определен из выражения:
Соответственно из условия, что напряжения от действия изгибающего момента в материале модели и натурного объекта должны быть одинаковы, , воспользовавшись выражением (3.1), можно записать: М -W \ М изгН _1У1изгН Yr хМ _ L . 1У1изгН _ 1 изгМ Кн-МизгМ МизгМ Откуда можно выразить, что км = къ. Таким образом геометрическое подобие модели трубопровода позволяет получать выражения для коэффициентов подобия силовых характеристик разрабатываемой модели. Этот факт позволяет нам при выборе параметров экспериментальной модели ограничиться лишь геометрическим подобием двух основных параметров - диаметра трубопровода и толщины стенки.
Поскольку известно, что большая часть газопроводов имеет диаметр от 720 до 1420 мм, то в качестве натурного объекта было решено рассматривать трубу 1420x14. Для модели коэффициент подобия основных величин к=10, таким образом исследуемая модель должна иметь диаметр d=142 мм и толщину стенки h=l,4 мм
Для реализации коэрцитиметрического метода при оценке НДС трубопроводов необходима аппаратура, позволяющая производить измерения коэрцитивной силы в диапазоне 1- -60 А/см с основной погрешностью не более 5%.
Для проведения испытаний использовался прибор КМ-445.1. Коэр-цитиметр КМ-445.1 является переносным прибором общего применения для работы в лабораторных и производственных условиях и предназначен для измерения коэрцитивной силы изделий из ферромагнитных материалов. Различные его модификации позволяют проводить измерения с питанием от сети 220 В или от автономного источника питания напряжением 12 В. Прибор выпускается фирмой «Микроакустика» и зарегистрирован в Реестре Системы сертификации средств измерений (рисунок 3.2).
Работа коэрцитиметра основана на перемагничивании по предельной петле гистерезиса участка объекта контроля, замыкающего полюса преобразователя коэрцитиметра измерении значения тока в размагничивающей катушке преобразователя в момент равенства нулю магнитного потока в магнитопроводе. В качестве нуль-индикатора магнитного потока в магнитопроводе используется датчик Холла. Измеренное значение размагничивающего тока пересчитывается в электронном блоке в значение коэрцитивной силы, которое индицируется на дисплее.
Определение значения коэрцитивной силы ненагруженного материала
Для определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов, находящихся в эксплуатации изначально необходимо расчетными методами определить наиболее опасные участки, выбрать характерные сечения трубопровода, в каждом из которых назначить по 4 точки контроля, соответствующих верхней, нижней и двум боковым образующим трубы. Такой выбор точек контроля позволит не только более точно оценить напряженное состояние материала конструкции в данном сечении, но и проверить полученные данные.
Известно, что внутреннее давление приводит к возникновению осевых и кольцевых напряжений, при этом их величина одинакова на всей поверхности трубопровода, соответственно, такой вид внешней нагрузки в равной степени будет оказывать влияние на результаты коэрцитиметрического контроля во всех четырех точках при условии намагничивания в направлении действия главных напряжений. Отсюда можно заключить, что при условии равных значений Не во всех контрольных точках сечения, трубопровод не испытывает дополнительных воздействий от внешних факторов и напряженное состояние материала обусловлено только внутренним давлением, а, соответственно поддается точному расчету.
Для случая наличия сдвиговых напряжений (чистый сдвиг) возникают касательные напряжения, при этом их величина также одинакова на всей поверхности участка трубопровода. Однако при этом площадка главных напряжений ориентирована под углом 45 к оси трубопровода. Таким образом в случае чистого сдвига коэрцитивная сила, измеренная в направлении 45 под углом к оси трубопровода также должна быть одинакова для всех четырех контрольных точек одного сечения. Для случая изгибных напряжений результаты контроля для точек одного сечения будут отличаться, но при этом величина напряжений в двух противоположных точках (верхняя и нижняя образующие или две боковые) будет одинаковой по модулю и отличной по знаку.
Для того, чтобы учесть все возможные случай нагружения трубопровода при определении его напряженно-деформированного состояния необходимо провести измерения коэрцитивной силы металла, намагничивая его в 8 направлениях. Ориентация датчика коэрцитиметра относительно оси трубопровода при проведении измерений изображена на рисунке 4.1.
Для интерпретации данных коэрцитивного контроля необходимо попарно рассмотреть результаты измерений.
В ходе проведенных экспериментов было установлено, что при условии измерения коэрцитивной силы в направлении, соответствующем направлению одной из главных осей, полученные значения для двух взаимно противоположных направлений не должны отличаться. Допустима несущественная разница этих значений (в пределах 10 %), которая может быть обусловлена влиянием внутренней структуры материала и погрешностью измерений.
На основании данного вывода при обработке полученных данных в первую очередь необходимо произвести оценку величины отклонения показаний коэрцитиметра, полученные при намагничивании в двух взаимно противоположных направлениях.
Поскольку наиболее значимой компонентой внешней нагрузки на действующий трубопровод является внутреннее давление, которое вызывает существенные напряжения в продольном и поперечном направлении, то начинать анализ контроля рекомендуется с результатов, полученных при намагничивании в этих направлениях.
Определить положение главных осей можно по наличию разницы в показаниях коэрцитиметрии, проведенной вдоль оси трубопровода в двух взаимно противоположных направлениях. Известно, что существенная разница между двумя показаниями свидетельствует о наличии касательных напряжений. Таким образом оценить характер напряженного состояния можно по величине АНс\\ (4.1). АЯсНЯСіІІ Яс2ІІ-100% (4.1) Нс2 _1_ где Нсх - большее из двух значений, измеренных в поперечном направлении к оси трубопровода, А/м; Нс2 - меньшее из двух значений, измеренных в поперечном направлении к оси трубопровода, А/м.
В случае, если АНс 25%, расчеты будут осуществляться в предположении, что действие касательных напряжений не существенно, и направление одной из главных осей совпадает с направлением оси трубопровода.
В случае если ЛЯс 10% для дальнейших расчетов за коэрцитивную силу в продольном направлении предлагается считать среднее ариф метическое двух полученных значений, которое определяется по выражению (4.2) Яс=/щу (42) Для случая, когда величина отклонения двух измерений коэрцитивной силы АНс\\ 10%, для дальнейших расчетов за величину коэрцитивной силы в продольном направлении предлагается принимать меньшее из двух значений. Это связано с тем, что в соответствии с рисунком 3.20 меньшему значению коэрцитивной силы соответствует большая величина растягивающих деформаций. Таким образом, выбрав меньшее значение коэрцитивной силы, мы получаем ошибку в безопасную сторону. При этом следует помнить, что если в точке контроля имеет место сжимающие напряжения (отрицательные деформации), то выбрав меньшее из двух показаний коэрцитиметра, мы искусственно занизим величину деформации. Это допустимо, поскольку известно, что сжимающие напряжения менее опасны по сравнению с растягивающими. При этом указанной ошибки можно избежать, если известна величина коэрцитивной силы на ненагруженном материале (Нс0). Для этого необходимо произвести сравнение большего из двух значений коэрцитивной силы (Нсх ) с нулевым значением (значение коэрцитивной силы на ненагруженном материале Нс0 ). Для случая, когда Нсг\\ Нс0 имеют место сжимающие напряжения, соответственно, за коэрцитивную силу в поперечном направлении следует принимать наибольшее из двух значений (Не \\= Нсх )
