Содержание к диссертации
Введение
Некоторые малоизученные явления и факторы, определяющие работоспособность и безопасность магистральных трубопроводов 13
Роль неизученных явлений в безопасности трубопроводов 13
Старение металла труб при длительной эксплуатации 15
Напряженное состояние трубопроводов и методы контроля 17
Состояние аварийности и организационные проблемы 19
Оценка остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов 30
Срок службы, срок амортизации и остаточный ресурс 30
Механизмы изменения механических свойств металла труб. Деформационное старение 33
Сравнение механических свойств металла труб аварийного запаса и действующего трубопровода с сертификатными данными 36
Термическое восстановление исходного состояния металла труб 43
Коэрцитивная сила и механические свойства металла труб 49
Методика оценки остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов 59
Выводы по разделу 2 67
Методы контроля напряженного состояния действующих магистральных трубопроводов 69
Принципы измерения напряжений на действующих магистральных трубопроводах 71
Анализ методов измерения напряжений, основанных на разных физических явлениях
3.3. Магнитные методы контроля напряженного состояния действующих трубопроводов 91
Выводы по разделу 3 101
4. Механические методы контроля напряжённо- деформированного состояния
4.1. Способы механических воздействий для определения остаточных напряжений 102
4.2. Голографическая интерферометрия и её использование для измерения напряжений 105
4.3. Развитие расчётных методов применительно к оценке остаточных напряжений механическим воздействием 107
4.4. Численное решение задачи о контактном внедрении твердого шара в предварительно напряженное упругопластическое тело 116
4.5. Сравнительные испытания методов контроля напряжений 119
Выводы по разделу 4 126
5. Некоторые предложения по совершенствова нию системы экспертизы промышленной безопасности 127
5.1. Система экспертизы промышленной безопасности 127
5.2. Требования к экспертным организациям 129
5.3. Аттестация и переаттестации экспертов 132
5.4. Некоторые предложения 137
Общие выводы 139
Литература
- Старение металла труб при длительной эксплуатации
- Механизмы изменения механических свойств металла труб. Деформационное старение
- Магнитные методы контроля напряженного состояния действующих трубопроводов
- Развитие расчётных методов применительно к оценке остаточных напряжений механическим воздействием
Введение к работе
Актуальность работы
Благодаря функционированию системы экспертизы промышленной безопасности, усилению контроля технического состояния, внедрению современных методов диагностики в последние годы количество аварий на магистральных нефтегазопроводах неуклонно уменьшалось и достигло некоторого предела. Дальше снизить аварийность традиционными методами (диагностика и ремонт) не удается.
До настоящего времени в официальных докладах об аварийности в нефтегазовой отрасли приводилась классификация отказов по внешним признакам: несоответствие проекту, металлургический дефект, заводской дефект, строительный брак, коррозия, механическое повреждение, дефект сварки. Такая классификация в лучшем случае пригодна для статистики, но для дальнейшего снижения аварийности практически непригодна, поскольку не раскрывает истинную природу явлений и механизмы разрушений. Поэтому год от года происходят аварии на разных трубопроводах по одним и тем же причинам. Примером тому является стресс-коррозия, которая наблюдается на трубопроводах уже более полувека, а защита до сих пор не создана из-за недостаточной изученности механизмов явления.
Таким образом, дальнейшему снижению аварийности препятствуют, как минимум, два фактора:
1) недостаточная изученность некоторых важных физических явлений, сопутствующих развитию разрушений и используемых в основе методов контроля и диагностики;
2) недостаточное использование организационного и человеческого потенциала на уровне экспертов и научных кадров, особенно при исследовании малоизученных явлений и совершенствовании нормативной базы.
В настоящее время большое место уделяется методам внутритрубной диагностики (ВТД), однако роль ее часто преувеличивают, забывая, что этот метод не универсален. Остаются без внимания некоторые важные показатели, такие как изменения напряженно-деформированного состояния трубопроводов и старение металлов труб при длительной эксплуатации. Наряду с дефектами, которые контролируются средствами ВТД, эти показатели являются определяющими в формировании прочности, ресурса, безопасности трубопроводов. Несмотря на несомненные успехи в разработке средств контроля, именно эти показатели пока не подаются надёжному контролю. Главная причина этого – недостаточная изученность процессов, происходящих в трубопроводе при старении, и некоторых явлений, заложенных в основу работы приборов.
Влияние человека на безопасность системы обычно изучается с целью минимизации значения человеческого фактора. При этом пользуются традиционными методами: отбором персонала по состоянию здоровья и психологическим показателям, обучением, тренировками, аттестациями. Это даёт положительные результаты, но, как выяснилось, только до определённого уровня. Как показывает анализ, человеческий фактор главным образом изучался на уровне исполнителей (операторов, машинистов, диспетчеров) и практически не изучался на уровне руководителей, экспертов, научных кадров, разработчиков нормативных документов. Совершенно очевидно, что проявление человеческого фактора на нижнем уровне носит локальный характер (связан только с этим конкретным человеком и его рабочим местом), а на более высоком уровне – систематический характер. Если в инструкции из-за недостаточной изученности вопроса будут указаны неправильные методы борьбы с опасным явлением, то это явление будет происходить на всех трубопроводах, во всех регионах, независимо от исполнителей низшего звена (например стресс-коррозия). И это будет происходить, пока не будут установлены истинные механизмы явления и не определены методы борьбы.
Таким образом, система обеспечения безопасности объектов нефтегазового комплекса требует существенных изменений на базе планомерного изучения новых и малоизученных явлений, сопутствующих отказам и разрушениям, а также совершенствования системы экспертизы промышленной безопасности за счёт более широкого привлечения экспертов с опытом ведения научных исследований и учёных отраслевых институтов.
Исходя из этого, были сформулированы цель и задачи настоящей работы.
Цель работы совершенствование системы обеспечения безопасности магистральных нефтегазопроводов планомерными исследованиями новых и малоизученных явлений и использованием результатов на практике.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1. Анализ проблемы аварийности магистральных нефтегазопроводов и исследование малоизученных факторов, ограничивающих безопасность при их длительной эксплуатации;
2. Исследование зависимости физических свойств металла труб при длительной эксплуатации трубопроводов и разработка новых методов неразрушающего контроля динамики старения неразрушающими физическими методами;
3. Исследование реакции напряжённого металла труб на внешние воздействия и совершенствование методов контроля напряжений на действующем трубопроводе;
4. Анализ эффективности использования организационно-человечес-кого потенциала в обеспечении безопасности магистральных трубопроводов и разработка предложений по совершенствованию системы экспертизы промышленной безопасности при анализе аварийных ситуаций.
Методы решения поставленных задач
При разработке основных положений диссертационной работы использовались традиционные методы: анализ состояния аварийности по разным источникам, собственные расследования аварий, физические эксперименты, математическое моделирование, положения механики разрушения, теорий упругости и пластичности, численные методы.
Основой для решения данных задач явились работы ведущих ученых: Р.М. Аскарова, Х.А. Азметова, В.А. Винокурова, А.Г. Гареева, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, В.В. Ерофеева, Р.С. Зайнуллина, Н.Л. Зайцева, А.Г. Игнатьева, П.В. Климова, В.И. Михайлова, Е.М. Морозова, Ф.М. Мустафина, Ю.И. Пашкова, М.В. Шахматова, О.И. Стеклова, К.М. Ямалеева и других.
Научная новизна результатов работы
1. Выполнен анализ источников погрешности при оценке остаточного ресурса металла труб по результатам сравнения механических свойств до и после эксплуатации. Основные источники погрешности: разброс свойств металла труб в пределах партий и марок сталей, отсутствие базы данных с исходными свойствами, несовершенность способов восстановления металла в исходное состояние.
2. Найден режим восстановления металла до уровня, соответствующего исходному состоянию трубы. Для этого требуется образец, вырезанный из трубопровода, подвергнуть двум операциям: 1) восстановительному отжигу по режиму: нагрев до 500 С, выдержка 1,5 ч, охлаждение с печью (после этого металл переходит в состояние листа после прокатки); 2) правке на прессе и деформированию растяжением на величину (после этого металл переходит в исходное состояние трубы).
3. Установлена практически однозначная корреляция между коэрцитивной силой и состоянием металла в разные моменты жизненного цикла: состояние листа после прокатки, состояние поставки труб и монтажа трубопровода, длительная эксплуатация до уровня деформаций 5 %. Отсюда предложен метод оценки остаточного ресурса металла магистральных трубопроводов, основанный на измерении коэрцитивной силы.
4. Проанализированы основные из существующих методов контроля напряженного состояния и взаимосвязь физических явлений, использованных на их основе. Показано, что наиболее достоверные методы измерений напряжений основаны на акустических и механических воздействиях. Установлено, что эти методы обладают наибольшей точностью за счёт того, что исключается влияние побочных факторов и явлений типа магнитного и электромагнитного полей, а используется однозначная связь между механическими воздействиями и механическими напряжениями.
5. Наиболее совершенный метод механического воздействия на металл – вдавливание твердого шарика диаметром 2…5 мм на глубину до 0,1 мм; наиболее совершенный метод регистрации отклика – измерение перемещений и деформаций в зоне отпечатка с помощью голографической интерферограммы поверхности. Численным методом решена контактная задача о внедрении твердого шарика в ограниченное тело конечной толщины с учётом упругопластических деформаций и начальных (исходных) напряжений. Установлены основные закономерности, позволяющие повысить точность расшифровки интерферограммы.
На защиту выносятся:
1. Классификации аварийности по признакам: неизученное явление, несовершенство средств контроля, недостаток диагностической информации, методические недостатки научно-технической документации, организационные упущения, ошибка человека; с раскрытием их сути и формированием специальной базы данных. Такая база является лучшей экспериментальной основой для совершенствования нормативной базы и развития системы безопасности в отрасли;
2. Результаты исследований, позволившие найти взаимосвязь деформационного старения металла труб с изменением коэрцитивной силы, тем самым создать методическую базу для неразрушающего контроля свойств металла при длительной эксплуатации;
3. Анализ магнитных методов контроля напряженного состояния трубопроводов, который позволил сделать заключение, что они регистрируют интегральный показатель, одновременно зависящий от ряда факторов: свойств металла, его структурных особенностей, состояния дефектности, напряжённого состояния. На действующих трубопроводах разделить вклад каждого из них – малоэффективная задача. Поэтому магнитные методы следует рассматривать только в режиме поиска аномальных зон с целью последующего детального обследования другими методами.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Проанализированы факторы и явления, оказывающие влияние на безопасность системы магистральных трубопроводов. Их можно разделить на две группы: известные и малоизученные. Установлено, что с увеличением срока эксплуатации количество малоизученных факторов и явлений растёт, проявляются ранее неизвестные, не отражённые в действующей нормативной базе отрасли. Безопасность трубопроводов в основном определяется наличием второй группы явлений.
2. Результаты исследований взаимного влияния механических свойств с физическими полями позволяют совершенствовать технологию и технику диагностирования трубопроводов в двух направлениях: неразрушающий контроль динамики старения металла труб при длительной эксплуатации и контроль напряженно-деформированного состояния, включая остаточные напряжения после выполнения технологических операций (сварка, монтаж, ремонт).
3. Предложены и обоснованы направления повышения эффективности системы экспертизы при изучении аварийных ситуаций, позволяющие снизить отрицательную роль ряда малоизученных явлений при проектировании и эксплуатации трубопроводов и оборудования, более динамично совершенствовать нормативную базу отрасли, в итоге существенно снизить вероятность аварий по повторяющимся причинам и механизмам.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
Международных научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2011, 2012, 2013 гг.);
Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2011, 2012 гг.);
63-ей научно-технической конференции cтудентов, аспирантов и молодых учёных УГНТУ (Уфа, 2012 г.);
Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (Уфа, 2011, 2012 гг.);
Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2011, 2012 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в 19 научных трудах, в том числе в 5 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 148 наименований. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 14 рисунков, 15 таблиц.
Старение металла труб при длительной эксплуатации
Ко второй группе также можно отнести явления, вызывающие старение металла труб при длительной эксплуатации [13, 10, 91, 102, 116]. В настоящее время учёный мир в России разделился на два лагеря. Одни не признают существование этого явления, по крайней мере, для нефтепроводов. Иначе это потребовало бы постепенного снижения рабочих давлений, следовательно, и объёмов перекачки нефти, в то время как по программам развития отрасли объёмы добычи и транспорта нефти необходимо наращивать. Другие учёные и специалисты (газовики) признают старение металла, но сильно расходятся в объяснениях механизмов явления и количественном описании закономерностей. Поэтому практически нет рекомендаций по методам контроля старения металла и методам оценки безопасности трубопроводов с учётом старения. О методах торможения старения даже задачи не ставятся.
Как известно, в обеспечении работоспособности и безопасности трубопроводов важное место занимает контроль и диагностика. Без этих работ невозможно следить за развитием процессов, определяющих техническое состояние трубопроводов. Поэтому особенно в последние годы происходит бурное развитие средств контроля и методов оценки. Однако и в этом направлении наметились несколько тенденций, связанных с неизученностью или недостаточной изученностью явлений. Например, требуется неразрушающими методами определить, насколько изменились свойства металла труб в процессе длительной эксплуатации, и соответствуют ли они современным условиям и нормам. Для этого необходимо найти взаимосвязь искомых параметров (пределов текучести и прочности, запаса пластичности и ударной вязкости, трещиностойкости и вязкости разрушения) от тех параметров, которые могут быть измерены неразрушающими методами (ультразвуковые, магнитные, электрические, рентгеновские и радиографические, контактно-механические и др.). Как правило, между этими всеми параметрами и величинами нет однозначной зависимости. Все зависимости многофакторные и имеют многоступенчатый косвенный характер. Поэтому очень важно правильно трактовать результаты измерений. Для этого необходимо понимать суть явлений. Иначе можно сделать совершенно неправильные выводы.
В качестве такого примера можно рассмотреть деформационное старение металла труб при длительной эксплуатации. Механические испытания образцов металла показывают, что имеется тенденция повышения предела прочности с увеличением срока эксплуатации трубопровода. Отсюда можно сделать вывод, что со старением металла повышается прочность трубопроводов. И действительно, по формулам СНиП 2.05.06-85 расчётное напряжение напрямую связано с пределом прочности. Но, если разобраться с механизмами деформационного старения, то можно увидеть, что кажущееся повышение прочности связано с накоплением и блокировкой дислокаций в кристаллической структуре металла, что затрудняет пластическую деформацию. То есть, металл при старении становится более хрупким, падает трещиностойкость. Накопление внутренних напряжений ведёт к механохимическому эффекту -снижению коррозионной стойкости. Таким образом, вместе с незначительным повышением предела прочности происходит ускоренное понижение всех остальных полезных свойств металла.
Другой пример из области электрохимической защиты трубопроводов при изношенном изоляционном покрытии. Для того, чтобы катодный защит ный потенциал был на достаточном уровне на всех участках, приходится значительно повышать его на месте подключения к СКЗ [26, 43]. Однако не все знают, что повышение катодного потенциала выше определенного уровня "запускает" стресс-коррозию, которая сопровождается растрескиванием металла и для трубопровода гораздо опаснее, чем общая и язвенная коррозия. Не все знают, что электрохимическая защита вовсе не защищает от стресс-коррозии, а может только ускорить. И тем более не знают, что существует предел стресс-коррозии, аналогичный пределам текучести, усталости, тре-щиностойкости, прочности [66]. Это понятие ни в одном нормативном документе не отражён, поэтому на наших трубопроводах практически нет защиты от стресс-коррозии.
В настоящее время существует много приборов, которые, судя по рекламным материалам, позволяют вести контроль состояния металла действующих трубопроводов (без вырезки образцов для испытаний). Это - очень нужные приборы, но эффективность их будет оставаться сомнительной, пока не будут изучены физика этих явлений и приборов.
Механизмы изменения механических свойств металла труб. Деформационное старение
Из приведенных выше данных следует, что для определения остаточного ресурса металла эксплуатируемых труб нужны другие подходы и методики, прежде всего в части определения исходных механических характеристик металла труб. К настоящему времени известен ряд публикаций посвященных этому вопросу [6, 22, 57, 58, 94, 103, 116, 138]. Авторы этих работ принимают модель старения металла, согласно которой в процессе эксплуатации в металле труб происходит постепенное накопление микроповреждений (дислокаций, вакансий, микротрещин и т.п.). Этому процессу способствуют микропластические деформации под действием рабочих нагрузок и напряжений. Всё это приводит к постепенному и неуклонному изменению основных механических свойств металла труб в процессе длительной эксплуатации.
Действительно, трудно себе представить сталь, которая бы сохранялась в неизменном состоянии веками. Во-первых, сталь - искусственное образование, которого в природе нет. В природе (на Земле) железо встречается в виде окислов и солей. Во-вторых, сталь является термодинамически неустойчивой конструкцией из атомов железа и примесей. Путём специальной термомеханической обработки получена такая структура, которая обеспечивает необходимое сочетание прочности и пластичности. Поэтому за счёт продол жающихся тепловых и силовых воздействий сталь неизбежно должна (по законам термодинамики) постепенно возвращаться в своё более устойчивое состояние. На это может потребоваться разное время в зависимости от внешних условий. В условиях эксплуатации магистральных трубопроводов это время может быть сопоставимо со сроками эксплуатации в зависимости от рабочих нагрузок, температуры, влажности и состава окружающего грунта.
Возникает вопрос: как в металле трубопровода, который эксплуатируется в упругом режиме, могут происходить пластические деформации? Этот вопрос возникает, если рассматривать металл как сплошное однородное тело, которое деформируется по заданной диаграмме деформирования "деформация - напряжение" (рисунок 2.1).
В этой диаграмме выделены области упругих и пластических деформации (ОТ и ТВ соответственно), а рабочее давление Р находится в упругой области ОТ. Но нельзя забывать, что это только модель, позволяющая объяснять некоторые явления и решать практические задачи. Фактически картина несколько другая. Граница между областями упругой и пластической деформаций весьма условная. За предел текучести принимается напряжение стт, при котором в металле накапливаются необратимые пластические деформации на уровне 0,2 %. Если металл нагрузить до напряжения ар и затем разгрузить, то остаточные деформации будут значительно ниже, но больше нуля.
Данный факт объясняется кристаллическим строением сталей. Отдельные кристаллы образуют зерна, которые выстраиваются в произвольном порядке. Зоны между зернами заполнены практически беспорядочно, содержать инородные молекулы, микропустоты. Кроме того, сами кристаллы содержат несовершенства в виде вакансий, внедрений и дислокаций. Поэтому при деформировании металла распределение деформаций не будет однородным по зернам. В некоторых зернах напряжения превышают предел упругости при незначительных нагрузках. С увеличением нагрузки таких зерен становится всё больше, и сами зерна меняют формы и размеры. Если нагрузка достигает предела текучести ат, то пластическое деформирование можно заметить уже практически по всему сечению образца, а не только в отдельных зернах.
Таким образом, пластические деформации в металле существуют всегда, даже без внешней нагрузки, под действием остаточных напряжений. Они и приводят к постепенной деградации механических свойств, что связано с накоплением дислокаций и повреждений в кристаллической структуре и, в конечном счете, к исчерпанию ресурса прочности. В соответствии с таким механизмом, технология восстановления исходных механических свойств металла труб должна привести к "залечиванию" накопленных повреждений. Этого можно добиться только путем проведения термической обработки.
Так, автор работы [69] предлагает следующий метод определения остаточного ресурса трубопроводов. От действующего трубопровода, остановленного по какой-либо причине, вырезается катушка (часть трубы) и изготавливаются образцы для механических испытаний. Образцы делятся на две партии. Одна партия доводится до разрушения, тем самым имитируется дальнейшая эксплуатация трубопровода до выхода его из строя по механизму разрыва. Другая партия образцов подвергается "залечиванию" методом термической обработки - рекристаллизационному отжигу при всестороннем сжатии выше предела ползучести
Магнитные методы контроля напряженного состояния действующих трубопроводов
Принято считать, что методы измерений физических величин разделяются на две группы: прямые и косвенные. Примерами прямых методов являются измерение длины с помощью линейки или рулетки, измерение электрического напряжения вольтметром, измерение массы с помощью весов, измерение температуры с помощью термометра и т.д. Примеры косвенных методов: определение толщины стенки трубы по времени прохождения ультразвукового импульса, определение химического состава металла по его спектру излучения при нагревании электрической дугой, определение скорости небесных тел по эффекту смещению спектров излучения согласно эффекту Доплера, определение концентрации напряжений по числу интерференционных полос картине фотоупругости и т.д.
Однако при более глубоком рассмотрении можно убедиться, что все методы измерения по существу являются косвенными. Например, при измерении длины мы определяем отметки на шкале линейки. Сама линейка является посредником между предметом и измеряемой величиной (длиной). Если предмет один, то линеек может быть много и они могут отличаться друг от друга. Линейки могут быть изготовлены из разных материалов, которые по-разному реагируют на температуру. Следовательно, температура может внести коррективы в показание линейки. Здесь измеряемую величину (длину предмета) оцениваем с помощью другого предмета - линейки. Следовательно, измерение длины с помощью линейки - всё же, косвенный метод.
При измерении электрического напряжения с помощью вольтметра происходит ещё более длинная цепочка событий. От точек, между которыми измеряется напряжение (разность потенциалов), вольтметр отбирает некоторый (небольшой) электрический ток, который проходит через легкую катушку и взаимодействует с магнитным полем. Эта сила поворачивает катушку, которая связана со стрелкой. Показание стрелки на встроенной шкале и при нимается за измеряемое напряжение. Таким образом, в данном случае напряжение определяет ток, ток определяет силу, сила определяет деформацию пружины, деформация пружины определяет показание стрелки. Это есть не что иное, как косвенный метод, причём, многоуровневый.
При измерении массы с помощью весов происходит следующая цепь событий. В поле тяготения Земли на массу действует сила притяжения. Эта сила давит на пружину весов. Пружина сжимается (или растягивается) и вместе с этим смещает стрелку. Показание стрелки на шкале принимается за массу. То есть, здесь масса определяет силу, сила - деформацию, деформация - показание стрелки. На любом из этих этапов могут быть внесены искажения, что скажется на результате измерений. Если этими же весами измерять массу на Луне, где притяжение меньше, то масса получится в 6 раз меньше. Если жесткость пружины изменится по какой-то причине, то результат тоже будет другим. Таким образом, и измерение массы с помощью весов является косвенным методом.
И наконец, измерение температуры с помощью термометра. Ртуть как рабочее вещество изменяет объём при изменении температуры. Стекло термометра (сосуд) тоже реагирует на температуру. При нагревании ртуть и стекло расширяются, но ртуть значительно больше. В результате ртуть стремится занять больший объем и поднимается по стеклянной трубочке вверх. Уровень ртутного термометра определяется шкалой и указывает на температуру. И в этом случае тоже имеем многоэтапное взаимодействие измеряемой среды, ртути, стекла, температурное расширение, изменение объема ртути, повышение высоты столбика. И в итоге по высоте столбика ртути и определяем температуру воздуха.
Данные простые примеры нас убеждают, что разделение на прямые и косвенные методы измерений весьма условное. К некоторым методам и приборам настолько привыкли, что даже не задумываемся о тех явлениях, на которых они основаны. Такие методы обычно считаем прямыми. Если метод относительно нов, и поэтому наше внимание не может отвлечься от лежащих на их основе явлений, то мы этот метод считаем косвенным.
Таким образом, разделение методов измерений на прямые и косвенные неправильно. Все методы косвенные, поскольку измеряют реакцию объекта на различные воздействия через цепь самых разных явлений и событий. Задача метода измерений и прибора состоит в том, чтобы не нарушалась количественная однозначность этих явлений и обеспечивалась объективность результатов измерений. Например, при измерении массы тела с помощью весов должен получаться один и тот же результат, независимо от температуры, влажности, времени года, освещённости, магнитного поля и т.д. Если показания весов кроме массы ещё "чувствуют", например, температуру и гравитационное поле и ещё что-то, то полученный результат, строго говоря, уже не будет массой, а будет какой-то интегральной величиной.
Вернёмся к методам измерений механических напряжений. Начнём с того, что вспомним, что такое механическое напряжение и как его обычно измеряют.
Напряжение определяется как отношение внутренних сил к площади действия этих сил. Аналогично определяется давление - отношение внешних сил к площади. Поэтому напряжения и давление имеют одинаковую размер ность - Паскаль Па = Н/м . Давление жидкости или газа измеряют манометром, который использует законы Паскаля и Гука (газ или жидкость давит на определённую площадь внутри манометра, это вызывает сжатие пружины, происходит поворот стрелки, это фиксируется на шкале).
В случае напряжения мы не можем использовать манометр, поскольку внутренние силы в твёрдом теле не подчиняются закону Паскаля, поэтому их не можем направить на прибор по шлангу. Поместить внутрь твердого тела прибор тоже не можем. Поэтому напряжения в металле не всегда можем измерить. Достаточно точно можем определять напряжение только при испытании образцов на разрывной машине. При этом сила внешняя (растягиваю щая образец) и силы внутренние (сопротивление образца разрыву) равны согласно III закону Ньютона и положениям теоретической механики. Этим можем воспользоваться для определения напряжений. А площадь, через которую передаются внутренние силы, равна площади сечения образца и определяется измерением с помощью штангельциркуля. Но так определяем только среднее напряжение по сечению, а фактическое распределение напряжений по сечению остаётся неизвестным. То есть, данный метод является экспериментально-расчётным. При этом воздействие оказывает разрывная машина, и она же фиксирует действующую силу с помощью встроенного динамометра.
В случае действующих трубопроводов внутренние силы (действующие внутри стенки труб) неизвестны. Внешние силы (по отношению к стенке труб) известны только частично: знаем только давление продукта, а реакция грунта и действие других конструктивных элементов трубопровода неизвестны. Поэтому в лучшем случае можем рассчитать только те компоненты напряжений, которые зависят только от давления продукта и не зависят от других сил. С некоторым приближением можно считать, что окружное напряжение в стенке труб зависит только от внутреннего давления. Остальные компоненты напряжений (продольные, касательные) неизвестны, и их невозможно определить, не зная все другие нагрузки.
Следовательно, здесь надо применять другие подходы, использующие другие физические явления. Для этого необходимо проанализировать реакцию металла на различные виды воздействий, найти из них те, которые чувствительны к внутренним напряжениям. При этом весьма желательно, чтобы реакция на эти воздействия максимально зависела от механических напряжений, и минимально зависела от других побочных факторов. Затем на их основе найти наиболее эффективные методы измерения напряжений.
Развитие расчётных методов применительно к оценке остаточных напряжений механическим воздействием
Как известно, ферромагнитные материалы (в том числе все трубные стали) имеют доменную структуру. Каждый домен имеет свой магнитный момент, ориентированный в определенном кристаллографическом направлении, которое называют направлением "легкого намагничивания". Ориентации магнитных моментов доменов различны в зависимости от внутренних и внешних воздействий. Общий магнитный момент металла складывается из моментов доменов. Если магнитные моменты всех доменов выстраиваются одинаково, то металл переходит в магнитонасыщенное состояние и становится магнитом. Домены отделены друг от друга доменными границами, которые совершают скачкообразные переходы под действием температурного влияния и магнитного поля. Поэтому процесс намагничивания не является непрерывным, а состоит из небольших скачкообразных изменений - щелчков, связанных с резким перемагничиванием отдельных доменов в приложенном магнитном поле. Данный эффект называют эффектом Баркгаузена (скачки или шумы Баркгаузена).
Согласно теории магнитоупругости, если магнитное поле вызывает деформации кристаллов и доменов, то существует и обратное явление - влияние деформаций на магнитное поле. То есть, при деформировании материала домены предпочитают выстраиваться в некотором направлении, связанном с направлением деформации. Происходит смещение направления "легкого на магичивания" доменов. Перемагничивание доменов сопровождается шумами Баркгаузена.
Эти явления происходят в магнитном поле Земли, которое оставляет свой след в металле. Под совместным влиянием деформаций (напряжений) и магнитного поля Земли в металле формируется определенное собственное магнитное поле.
Поля деформаций и напряжений в металле зависят от действующих нагрузок (рабочего давления, реакции грунта и т.д.), а также от структурных особенностей самого металла и накопившихся дефектов. В окрестности дефектов появляется концентрация напряжений и деформаций, следовательно, в этих зонах намагниченность будет отличаться от её среднего уровня в металле в целом.
Таким образом, в собственном магнитном поле металла содержится информация о напряженном состоянии металла, а также о структурных особенностях и о состоянии дефектности. На этом и основаны магнитные методы контроля. Из них наиболее широкое применение нашли: - магнитошумовой метод; - метод магнитной памяти металла; - метод магнитной локации.
Магнитошумовой метод основан на эффекте Баркгаузена как следствии явлении магнитострикции - изменении формы и размеров ферромагнитных материалов при изменении магнитного поля. Это явление - наглядное проявления взаимосвязи различных физических полей: механических и магнитных. В результате магнитоупругого взаимодействия в материалах с положительной магнитной анизотропией (железо, большинство сталей) напряжения сжатия уменьшают интенсивность шума Баркгаузена, в то время как напряжения растяжения увеличивают ее. Этот эффект и используется в магни-тошумовом методе оценки напряжений.
Магнитошумовые приборы калибруют для сталей различных марок. Точная калибровка производится на крестообразных образцах, упрощенная -в полевых условиях по кольцевым напряжениям исследуемого трубопровода. К приборам этого типа относятся: Stresscan-500C, «Интроскан», «Пнон-01» и др. Измерение напряжений на действующем трубопроводе осуществляется в соответствии с СТО Газпром 2-2.3-243 [117].
Достоинствами данного метода являются оперативность и относительная простота процедур контроля, относительно невысокие требования к подготовке мест измерений.
Недостатки: низкая чувствительность при измерениях на материалах с высокой твердостью, сильная нелинейность характеристики при деформациях сжатия, значительная погрешность при низких уровнях напряжений. Метод не позволяет выделять отдельные компоненты напряжений, их ориентацию. В зонах сварных соединений погрешность измерений сильно растёт.
На действующих трубопроводах данный метод может быть использован как средство оценки общего состояния, в частности, при шурфовых обследованиях.
Метод магнитной памяти основан на эффекте появления высокой намагниченности металла в зонах больших деформаций. Причём, этот эффект возникает самопроизвольно, без источника искусственного намагничивания, только на фоне слабого магнитного поля Земли.
Примеров проявления этого эффекта много. Многие замечали возникновение высокой намагниченности металла, например, при распиле ножовкой металлического изделия, или на конце отвертки после её воздействия на шурупы, или в местах трения металлических деталей, например шестеренок. Некоторые эксперты замечали сильную намагниченность металла в местах разрушений. Опыт показывает, что "самонамагничиванию" подвержены практически все узлы оборудования и конструкций. С "самонамагничиванием" борются, периодически проводя размагничивание судов, энергетического оборудования, шарикоподшипников и др. Однако мысль, что собственное магнитное поле объекта несёт в себе информацию о напряженном состоянии изделия и дислокационной структуре металла, появилась только недавно.
Результаты исследований в этом направлении отражены в работах А.А. Дубова [17, 52-55]. Выяснилось, что эффект самопроизвольного намагничивания наблюдается при циклических деформациях в поле слабого магнитного поля, когда энергия деформаций много больше энергии магнитного поля. При накоплении деформаций меняется дислокационная структура металла, что приводит к выстраиванию доменов в направлении деформирования, и это проявляется как повышение намагниченности.
