Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния безопасной эксплуатации оборудования неф тегазовой отрасли
Анализ аварийности на объектах нефтегазовой отрасли
Методы оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов
Электромагнитная диагностика оборудования 25
Применение электромагнитных методов неразрушающего контроля для оценки напряженно-деформированного состояния металла оборудования
Выводы по первой главе 3 8
Оборудование и методики исследования влияния статического и циклического нагружения на электромагнитные параметры металла
Выбор материалов для исследований 39
Проведение исследований электромагнитных параметров металла
Установки и оборудование для проведения испытаний на усталость, статическое растяжение и металлографических исследований
Математическая обработка электромагнитных параметров металла
Определение погрешности прямых измерений 58
Выводы по второй главе 62
Влияние малоциклового и статического нагружения металла оборудования на его электромагнитные параметры, и их взаимосвязь с содержанием углерода и средним размером зерна
Выбор режимов термической обработки для получения различных размеров зерна
Влияние генерируемой частоты и внешней среды на исследование электромагнитных параметров
Исследование переходных характеристик сталей при статическом нагружении
Исследование влияния циклического нагружения на электромагнитные параметры стали 20
Выводы по третей главе 86
Разработка метода оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов по электромагнитным параметрам
Выводы по четвертой главе 92
Основные результаты и выводы 93
Список использованных источников
- Электромагнитная диагностика оборудования
- Применение электромагнитных методов неразрушающего контроля для оценки напряженно-деформированного состояния металла оборудования
- Установки и оборудование для проведения испытаний на усталость, статическое растяжение и металлографических исследований
- Влияние генерируемой частоты и внешней среды на исследование электромагнитных параметров
Введение к работе
Актуальность работы. Оборудование опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли работает в условиях механических нагрузок, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. В связи с чем очень важно определять предельное состояние металла и возможность дальнейшей безопасной эксплуатации такого оборудования.
Транспортировка углеводородного сырья на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях осуществляется с помощью трубопроводных систем. В настоящее время накопленные повреждения и остаточный ресурс оборудования определяются по фактическим данным о режимах работы и действующих напряжениях, деформациях, температурах и состоянии дефектов и не учитываются изменения структуры, содержания углерода, фазового состава металла в процессе эксплуатации металлоконструкций. Поэтому работа, направленная на разработку методов оценки предельного состояния металла оборудования с учетом содержания углерода, структуры материала и вида нагружения, представляется актуальной. Разработка методов оценки ресурса безопасной эксплуатации технических устройств опасных производственных объектов является одним из приоритетных направлений специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность». Установление закономерностей и критериев оценки разрушения материалов от действия механических нагрузок относится к области исследований специальности 05.02.01 «Материаловедение». Таким образом, проблема повышения безопасной эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли путем предупреждения развития разрушения материала с учетом его структуры и содержания элементов носит междисциплинарный характер.
В настоящее время специалистами все больше внимания уделяется методам и средствам неразрушающего контроля, позволяющим оценивать уровень деградации материала с использованием косвенных параметров, для реализации которых широкое распространение получили электромагнитные методы. На сегодняшний день разработано несколько методов диагностики технического со-
стояния оборудования, основанных на использовании взаимосвязи изменения механических и электрофизических свойств металлов. Но они не позволяют однозначно идентифицировать текущее состояние из-за сложности процессов, протекающих в металле оборудования при эксплуатации, и трудоемкости обработки диагностической информации. Одним из возможных путей решения данной проблемы является подход, основанный на анализе отклика системы "электромагнитный преобразователь (ЭМП) - металл" на типовое возмущающее воздействие с применением электромагнитного метода контроля. Впервые данный подход был предложен для оценки предельного состояния металла, которое характеризовалось склонностью к хрупкому разрушению*. При этом была разработана карта динамики разрушения для стали 09Г2С, позволяющая оценивать ее предельное состояние. Однако в предложенном подходе не рассмотрены: влияние исследуемого материала (структура, содержание различных элементов), параметры входного воздействия сигнала (напряжение, частота), условия окружающей среды, вид нагружения материала и др.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритма оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов с применением электромагнитного метода контроля с помощью карты динамики разрушения сталей, полученной на основе анализа переходных характеристик «ЭМП - металл», с учетом содержания углерода и среднего размера зерна в материале.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Подбор оптимальных параметров частоты входного электромагнитного воздействия для разработки карты динамики разрушения.
-
Исследование переходных характеристик сталей с разным содержанием углерода и разным размером зерна при статическом нагружении электромагнитным методом неразрушающего контроля.
-
Исследование влияния циклического нагружения стали 20 с разным размером зерна на изменение электромагнитных параметров материала.
* Баширова Э.М. Оценка предельного состояния металла оборудования для переработки углеводородного сырья с применением электромагнитного метода контроля: автореферат .... канд. техн. наук. - Уфа: УГНТУ, 2005.
-
Построение карты динамики разрушения сталей для оценки предельного состояния металла с учетом структуры материала и содержания углерода и выявление критерия предельного состояния металла.
-
Разработка метода оценки предельного состояния металла оборудования, работающего в условиях статического и циклического нагружения, по изменению его электромагнитных параметров.
Научная новизна
1 Установлены оптимальные диапазоны частоты входного электромаг
нитного воздействия для оценки предельного состояния сталей с учетом содержа
ния углерода и среднего размера зерна: сталь 10 (19 мкм), сталь 20 (15 мкм) - 500-
800 Гц; сталь 45 и 65Г - 500-700 Гц; сталь 10 (28 мкм, 32 мкм), сталь 20 (25 мкм,
35 мкм)-400-700 Гц.
-
Показана возможность применения параметра разности значений корней характеристического уравнения [Re,-Reo; нц-Ьпо], полученных по результатам решения дифференциального уравнения системы «ЭМП - металл» для оценки предельного состояния металла оборудования. Полученный параметр позволяет определить переход металла из упругой области в упругопластическую (для тер-мообработанного и нетермообработанного металла) и из упругопластическои к пластической зонам (для термообработанного материала).
-
Впервые для оценки предельного состояния металла оборудования получены карты динамики разрушения для сталей с разным содержанием углерода и размером зерна с учетом статического и усталостного нагружения.
Практическая значимость работы
Разработанная методика определения предельного состояния конструкционных материалов по деформационным картам используется в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Разрушение конструкционных материалов в условиях переработки нефти и газа» при подготовке магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП УГНТУ.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 57 - 59-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г.Уфа, 2006-2008 гг.), республиканской научно-технической конференции «Проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий» (г.Уфа, 2008 г.), а также на Всероссийском открытом конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РФ «Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г.Уфа, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе имеется одна публикация в ведущем научном рецензируемом журнале.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 135 наименований; содержит 110 страниц машинописного текста, в том числе 33 рисунков, 6 таблиц.
Электромагнитная диагностика оборудования
При анализе напряженно-деформированного состояния трубопроводов условно разделяют возникающие в нем деформации: основные (упругие деформации от давления); дополнительные (деформации от изгиба и овализа-ции поперечного сечения) и локальные (деформации в зонах концентрации и сварных швов).
Таким образом, нагруженность трубопроводов и их элементов в процессе эксплуатации имеет сложный характер, зависящий от многих факторов. В общем случае на трубу действуют усилия, указанные на рис. 1.1.
Основным силовым фактором является внутреннее давление Р транспортируемого продукта. Величина действующих продольных усилий Nx от внутреннего давления зависит от искривленности оси трубопровода, его взаимодействия с окружающей средой и температуры транспортируемого продукта.
С уменьшением радиуса кривизны трубопровода продольные осевые напряжения возрастают и в зависимости от перемещения трубопровода в пределах допуска на упругий изгиб могут достигать 50% кольцевых сгу.
Дополнительные воздействия в виде изгибающего Ми и крутящего Мх моментов на напряженно-деформированное состояние трубопровода могут быть вызваны деформациями грунта в результате горных разработок в зоне прокладки трубопровода, землетрясениями, деформациями и переформированием профиля поверхности в зоне водных преград и другими факторами.
Считается, что подземные трубопроводы, как правило, работают при стационарном режиме; однако при пусках и остановках, с изменениями температуры транспортируемого продукта и окружающей среды трубопроводные системы, работающие в условиях самокомпенсации деформаций, подвергаются воздействию повторных циклических термомеханических нагрузок. В наибольшей степени циклическому нагружению подвергнуты трубопроводы, транспортирующие жидкие продукты. Циклическому воздействию окружающей среды подвергаются открытые участки трубопроводов. На эти участки могут воздействовать также кратковременные нагрузки — ветровые, от массы снега и т.п. Кроме того, трубопроводы насосных и компрессорных станций испытывают воздействие вибрационных нагрузок от работающих перекачивающих агрегатов и от аэрогидродинамических воздействий потоков жидкостей и газов. Количественно циклическая нагруженность трубопроводов пока изучена недостаточно.
Во время эксплуатации возможно изменение температуры стенки трубопровода по причине сезонах и суточных колебаний температуры окружающей среды. Цикличность температуры, как и цикличность давления, вызывает возникновение переменных напряжений и деформаций, что существенно меняет статическую схему нагружения, вызывает образование и разрушение гофров, кольцевых швов и развитие различных родов дефектов.
Таким образом, изучение механизма эксплуатационного накопления повреждений, в том числе в условиях циклического нагружения металла конструкции является актуальной задачей в области повышения безопасности и надежности работы оборудования.
Эксплуатационными факторами, определяющими прочность, является максимальные уровни и цикличность давления, температура, поперечно-продольная деформация системы «грунт-труба». Обеспечение статической прочности трубопроводов при действии только внутреннего давления не исключает возможности их разрушения при эксплуатации от других факторов. Считается, что начальный уровень прочности и конструктивной надежности у газо- и нефтепроводов одинаковый, а эксплуатационные условия существенно различны [86,107,114,134].
Оборудование опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли работают в условиях механических нагрузок, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. В связи с чем, очень важно определять предельное состояние металла и возможность дальнейшей безопасной эксплуатации такого.оборудования [22, 23, 76, 122, 134].
Предельным состоянием называется состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. С предельным состоянием неразрывно связано понятие ресурс оборудования. Ресурсом называется суммарная наработка объекта (сосуда) от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние [46].
В настоящее время предельное состояние технологических трубопроводов определяется при проведении экспертизы промышленной безопасности [119]. Технологические трубопроводы подвергаются при эксплуатации коррозионно-эрозионному износу, поэтому предельное состояние оборудования наступает при уменьшении толщины его стенки до предельной величины птред ниже которой либо не обеспечивается необходимый запас его несущей способности, либо оно подлежит отбраковке в соответствии с нормами РД 38.13.004-86, т.е. птред=тпах (tR, готб), где готб -.отбраковочная толщина согласно РД, a tR - минимально допустимая по условию прочности (расчетная) толщина, определяемая по формуле: PD 2ф[ст] + Р
Применение электромагнитных методов неразрушающего контроля для оценки напряженно-деформированного состояния металла оборудования
Для проведения исследования электромагнитных параметров использовался измерительный комплекс, состоящий из внешнего измерительного устройства TiePie SCOPE HS801 (рисунок 2.1); электромагнитного преобразователя (ЭМП); персонального компьютера (ПК) и металлических образцов. Выбор устройства TiePie SCOPE HS801 был обусловлен его компактностью, функциональной законченностью, высокой производительностью и просто той в использовании. Погрешность внешнего измерительного устройства составляет 1%. Программное сопровождение внешнего измерительного устройства позволяет работать под управлением компьютера и обеспечивает его работу в режимах осциллографа, цифрового вольтметра, анализатора спектра, регистратора переходных процессов и функционального генератора и осуществляет связь ЭМП с ПК.
На рисунке 2.2 представлена принципиальная схема измерения. Для проведения исследований электромагнитных параметров на образец устанавливается проходной ЭМП трансформаторного типа. Электромагнитный преобразователь состоит из возбуждающей (генераторной) обмотки, подключенной к выходу генератора переменного тока, и измерительной обмотки, подключенной к блоку измерения внешнего измерительного устройства. Обмотки нанесены на диэлектрический каркас (рисунок 2.3). При воздействии переменного электромагнитного поля, создаваемого генераторной обмоткой, в металле контролируемого образца возникают вихревые токи, которые создают свое электромагнитное поле, противодействующее внешнему полю. Поле вихревых токов фиксируется измерительной обмоткой. Таким образом, вихретоко-вый метод контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей обмоткой в электропроводящем объекте контроля (в образце) этим полем. ЭМП является источником электромагнитного поля. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на обмотки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Эта ЭДС служит сигналом, передающим информацию об объекте в блок измерения [42, 99].
На вход системы «ЭМП - металл» генерируется ступенчатый сигнал с заданной частотой и напряжением ЗВ (рисунок 2.4). Выходной сигнал с исследуемого образца поступает на внешнее измерительное устройство и фик сируется на ПК. Общий вид сигнала отклика от измерительной обмотки ЭМП на осциллоскопе TiePieSCOPE HS801 показан на рисунке 2.5. Реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях называется переходной характеристикой [24].
Выходной сигнал с металла на осциллоскопе В процессе экспериментальных исследований использовались цилиндрические образцы с утонением, выполненным в виде проточки, необходимым для локализации зоны контроля (над ним устанавливался ЭМП). Схема образца для проведения испытаний представлена на рисунке 2.6.
Эксперименты по исследованию электрофизических параметров материала проводились по методике [15] оценки предельного состояния материала с применением электромагнитного метода контроля.
Технологические трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию статических и циклических нагрузок. Кроме того, для трубопроводов присуща малоцикловая усталость (при пусках-остановках, с изменением температуры транспортируемого продукта и окружающей среды). В связи с этим экспериментальные исследования в работе были построены по двум направлениям: при статическом и циклическом нагружении металла.
Циклическое нагружение осуществлялось в области малоцикловой усталости и проводилось на установке усталостных испытаний, которая позволяет осуществлять усталостное нагружение по схеме поперечного изгиба при вращении при консольном нагружении в упругопластической области. Испытания проводились согласно ГОСТ 25.502 [43].
Установка разработана на кафедре МАХП УГНТУ [67]. Для проведения исследований при малоцикловой усталости был разработан узел нагру жения образцов для этой установки. Принципиальная схема установки с узлом нагружения приведена на рисунке 2.7.
Узел нагружения представляет собой диск 6, установленный на вал 4 и зафиксированный с помощью болта 5. В диск 6 устанавливается исследуемый образец. Нагружение осуществлялось с помощью грузов 8, 9, 10, которые вместе с образцом жестко крепились к вращающемуся диску. Для задания необходимых напряжений в установке применялись различные грузы, прикрепляемые к образцу.
Установки и оборудование для проведения испытаний на усталость, статическое растяжение и металлографических исследований
В процессе эксплуатации технологический трубопровод испытывает статическое нагружение и циклическую нагрузку в малоцикловой области. Для исследования кинетики усталостного разрушения был проведен анализ изменения корней характеристического уравнения, полученных при математической обработке электромагнитных параметров металла при различных режимах нагружения, что отражено в работах [49, 50, 73, 129, 131, 135]. Для изучения влияния статического нагружения на изменение электромагнитных параметров сталей были проведены исследования при статическом одноосном растяжении образцов, результаты которых представлены в публикациях [49, 128, 129, 131].
Структура металла по длине трубопровода отличается, что может быть вызвано термической обработкой как при изготовлении, так и при сварке отдельных элементов (например, структура основного металла и зоны термического влияния); эксплуатационными факторами (высокая температура, длительная эксплуатация) [22, 61, 62, 86, 122]. Поскольку электрофизические и механические свойства металла связаны на уровне кристаллической решетки, то при обработке информации, полученной при электромагнитных измерениях, необходимо учитывать неоднородность структуры. Поэтому в работе были проведены исследования электрофизических свойств сталей с разными размерами зерна в материале. Для получения разных размеров зерна были подобраны режимы термообработки.
С целью исследования влияния содержания углерода на электромагнитные параметры металла были изучены стали 10, 20, 45 и 65Г.
На выходной электромагнитный сигнал с металла оказывают влияние параметры входного электромагнитного воздействия (частота, напряжение), условия окружающей среды и др. Поэтому перед проведением эксперимен тов по исследованию электрофизических свойств материала был произведен подбор оптимальной частоты для сталей 10, 20, 45 и 65Г, а также изучение влияния внешних условий на электромагнитные параметры стали. Данные исследования подробно представлены в работах [49, 129, 66, 97, 125-127].
Таким образом, исследования электромагнитных параметров металла были разделены на следующие этапы: - выбор режимов термической обработки для получения различных размеров зерна для сталей 10 и 20 (п. 3.1); - изучение влияния генерируемой частоты электромагнитного сигнала и внешней среды на электромагнитные параметры сталей 10, 20, 45, 65Г (п. 3.2); - исследование электромагнитных параметров сталей с разным содержанием углерода при статическом растяжении (стали 10, 20, 45, 65Г) (п. 3.3); - исследование электромагнитных параметров металла сталей 10 и 20 с разным размером зерна при статическом растяжении (п. 3.3); - исследование электромагнитных параметров металла при малоцикловом нагружении стали 20 с разным размером зерна (п.3.5).
С целью получения разных размеров зерна в материале были подобраны режимы термической обработки. Для выявления взаимосвязи размера зерна и параметров термообработки были подготовлены образцы и проведены металлографические исследования.
Образцы сталей 10 и 20 были исследованы после обработки в следующих режимах: горячекатаная сталь в состоянии поставки; отжиг при температуре 900С в течение 30 мин., охлаждение в печи; отжиг при температуре 1000С в течение 20 мин., охлаждение в печи. Определение величины зерна металла образцов осуществлялось с помощью промышленной системы обра ботки и анализа изображений SIAMS 600.
В таблице 3.1 представлено изменение среднего размера зерна в зависимости от термообработки, где видно, что в материалах с увеличением температуры выдержки произошло увеличение размера зерна по сравнению с образцом в состоянии поставки. Для различия значений размеров зерна, полученных при разных режимах термообработки, были присвоены номера: зерно №1, зерно №2, зерно №3.
Влияние генерируемой частоты и внешней среды на исследование электромагнитных параметров
На карте выделены три области: область А - область, соответствующая безопасной эксплуатации оборудования, выполненной из материала сталь 20, с средним размером зерна №1. область В - область, соответствующая безопасной эксплуатации оборудования, выполненной из материала сталь 20, с средним размером зерна №2. область С - область, соответствующая безопасной эксплуатации оборудования, выполненной из материала сталь 20, с средним размером зерна №3
Если полученные точки на карте выходят за пределы области А (для размера зерна №1), области В (для размера зерна №2), области С (для размера зерна №3), то это означает, что металл достиг предельного состояния и эксплуатация его должна быть прекращена в случае подтверждения другими методами контроля. При этом критерием предельного состояния будет являться уровень накопленных повреждений N/Np = 0,71.
Область, соответствующая безопасной эксплуатации технологических трубопроводов с средним размером зерна №2 находится между областями, область, соответствующие размерам зерна №1 и №3 (рисунок 3.19). Такое расположение областей можно объяснить тем, что при уменьшении размера зерна ЭМП начинает воспринимать сигнал не с каждой составляющей (зерно), а с совокупности структурных составляющих (группа зерен).
Для исследований влияния размера зерна на электромагнитные параметры были подобраны режимы термообработки с целью получения разных размеров зерна. Образцы сталей 10 и 20 были исследованы после обработки в следующих режимах: горячекатаная сталь в состоянии поставки (зерно №1); отжиг при 900 С в течение 30 мин., охлаждение в печи (зерно №2); отжиг при 1000С в течение 20 мин., охлаждение в печи (зерно №3).
Разработана методика определения интервала значений частоты входного воздействия для разработки карты динамики разрушения сталей. Установлены оптимальные диапазоны значений частоты для сталей: сталь 10 (19 мкм), сталь 20 (15 мкм) - 500-800 Гц; сталь 45 и 65Г - 500-700 Гц; сталь 10 (28 мкм, 32 мкм), сталь 20 (25 мкм, 35 мкм) - 400-700 Гц.
Получена карта динамики разрушения для сталей 10, 20, 45 и 65Г без термообработки в координатах [Rei-Re0; Imj-Imo] для статического нагруже-ния, полученного по результатам измерения переходных характеристик. На карте определены две области: область, соответствующая упругому деформированию, и область, соответствующая упругопластическому деформированию. Граница перехода металла в последнюю область соответствует предельному состоянию металла.
Любое комплексное число на комплексной плоскости представляется вектором, проведенным из начала координат в эту точку, и геометрически параметр [Rej-Re0; Invlnio] представляет собой разность векторов в данный момент нагрузки і и без нагрузки.
Получена карта динамики разрушения для термообработанных сталей 10 и 20 для статического нагружения в координатах [Rej-Re0; Imj-Imo]. На карте определены области, соответствующие упругому, упругопластическому, пластическому деформированию и область непосредственно перед разрушением. Граница перехода металла в пластическую область соответствует предельному состоянию металла. Результаты исследований электромагнитных параметров при малоцикловом усталостном нагружении позволили обозначить на комплексной плоскости три области скопления корней характеристического уравнения, полученных для переходных характеристик при разных уровнях накопленных повреждений: Ni/Np =0-0,29 (1 зона); Ni/Np =0,29-0,71 (2 зона) и N;/Np 0,71 (3 зона). Переход в 3 зону был принят за критерий предельного состояния, который определился как Nj/Np=0,71.Ha основе полученных результатов была разработана карта динамики разрушения для малоциклового нагружения стали 20 с разными размерами зерна.
