CC BY
20СВАРКА
УДК 621.791
О.И. Филиппов1; О.И. Колесников2; А.С. Куркин3, e-mail: [email protected]
1 ПАО «Транснефть» (Москва, Россия).
2 Лаборатория сварки и неразрушающего контроля ООО «НИИ Транснефть» (Москва, Россия).
3 ФГАУ «Научно-учебный центр «Сварка и контроль» при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана» (Москва, Россия).
Оптимизация норм оценки допустимости дефектов сварных соединений, выявляемых по результатам радиографического контроля
В отраслевой нормативной документации отсутствуют критерии классификации несплошностей, обнаруженных по результатам радиографического контроля. Это снижает достоверность результатов неразрушающего контроля и приводит к увеличению необоснованных ремонтов сварных соединений. Кроме того, установление различных норм отбраковки для типов дефектов, определяемых по результатам анализа их проекций на рентгеновском снимке, приводит к отсутствию удовлетворительной повторяемости результатов контроля. Таким образом, в настоящее время актуальным является вопрос об изменении критериев оценки качества за счет установления однозначных правил принятия решения об отнесении изображения несплошности к определенному типу. Для установления единых норм для дефектов различного типа, имеющих сходные изображения на рентгеновских снимках, были проведены: компьютерное моделирование процесса нагружения сварного соединения с дефектами, возникающего при эксплуатации магистральных трубопроводов; механические испытания образцов, вырезанных из натурных сварных соединений; испытания натурных образцов на долговечность и статическую прочность, имитирующие работу трубопровода в течение 30 лет. Полученные результаты позволили провести оптимизацию норм оценки допустимости дефектов типов «несплавление», «шлаковое включение», «пора» и «цепочка пор» в кольцевых сварных соединениях с учетом опасности разрушения при наличии таких дефектов и возможности их выявления радиографическим контролем.
Ключевые слова: сварные соединения, радиографический контроль, компьютерное моделирование, натурные образцы, дол говечность.
O.I. Philippov1; O.I. Kolesnikov2; A.S. Kurkin3, e-mail: [email protected]
1 Transneft PJSC (Moscow, Russia).
2 Laboratory of welding and nondestructive testing, Transneft Natural research institute LLC (Moscow, Russia).
3 FAU (Federal Autonomous Institution) Scientific-educational center «Welding and control» at Bauman State Technical University (Moscow, Russia).
Optimization of Evaluation Standards of Acceptability of Weld Defects Detected by Radiographic Inspection
The sectoral regulatory documents don't contain the classification criteria for discontinuities detected on the results of radiographic testing. This reduces the accuracy of the results of non-destructive testing, and increases the causeless repairs of welds. In addition, the different rejection rates for the types of defects identified by the analysis of their x-ray projections reduce the repeatability of testing results. Thus, now is vital the changing of quality criteria by the establishing of unambiguous rules for the image classification to a certain type of discontinuity. To create the common standards for the defects of different types but with similar radiographic images, were carried out: computer simulations of the main pipelines' welded joints with defects under operation loading; mechanical tests on samples cut from the welded joints; tests of full-scale specimens for durability, simulating the 30-year operation of a pipeline. The results obtained allowed to optimize the rejection rates for such types of defects as «lack of fusion», «slag inclusion», «pore» and «chain of pores» in the circumferential welds with regard to the destruction risk and detectability by the radiographic testing.
Keywords: welded joints, radiographic testing, computer simulation, full-scale samples, durability.
84
№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
WELDING
Несмотря на развитие различных методов контроля, радиографический остается основным методом оценки качества сварных стыков при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов.
Его главные достоинства - возможность получения большого объема достоверной информации о форме и размерах дефектов в сварных соединениях и относительно слабое влияние субъективных факторов на результаты контроля. Важно и то, что этот метод является традиционным методом приемочного контроля трубопроводов, накоплен многолетний опыт его практического применения. Недостатками являются получение, как правило, лишь одной проекции дефекта и низкая выявля-емость трещиноподобных дефектов. Главный недостаток методики контроля, требующий устранения, - отсутствие в отраслевой нормативной документации критериев оценки опасности обнаруженных несплошностей. Это снижает достоверность результатов контроля и приводит к необоснованным ремонтам сварных соединений. Следует иметь в виду, что каждый такой ремонт - это не только дополнительные затраты, но и риск появления новых дефектов. Согласование критериев оценки дефектов затрудняет столкновение интересов специалистов по строительству и по эксплуатации нефтепроводов. В существующих отраслевых нормах не учитывается степень нагруженно-сти конструкции, поэтому их основной функцией остается поддержание технологической дисциплины при строительстве и ремонте. Стремясь избежать ремонта, строители обычно выступают за ослабление норм. Специалисты по эксплуатации опасаются аварий и требуют ремонта всех найденных несплошностей. Проведенные в ходе НИР расчеты и эксперименты были нацелены на то, чтобы обеспечить безопасность и при этом избежать перебраковки. В нормативных документах предусмотрено выявление по результатам кон-
Рис. 1. Изображения различных дефектов при радиографическом контроле: а) подрез; б) зашлакованный карман; в) несплавление Fig. 1. The images of variety defects in radiographic control: a) undercut; b) the slagged pocket; c) faulty fusion
Рис. 2. Зависимость КИН от высоты трещиноподобного дефекта, расположенного в средней части толщины стенки трубы
Fig. 2. The dependence of the stress intensity factor from the height of crack-like defect located in the middle of the wall thickness of the pipe
Выход дефекта на поверхность трубы VJ*" The output of the defect on the surface of the pipe
YA Ï
— —■ —■—
L.v» - 2 мм
Ы
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Расстояние центра дефекта от внутренней поверхности The distance of the center of the defect from the inner surface
Рис. 3. Зависимость КИН от расстояния дефекта от свободной поверхности трубы
Fig. 3. The dependence of the stress intensity factor from the distance of the defect and a free
surface of a pipe
Ссылка для цитирования (for citation):
Филиппов О.И., Колесников О.И., Куркин А.С. Оптимизация норм оценки допустимости дефектов сварных соединений, выявляемых по результатам радиографического контроля // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. No 3. С. 84-89.
Philippov O.I., Kolesnikov O.I., Kurkin A.S. Optimization of Evaluation Standards of Acceptability of Weld Defects Detected by Radiographic Inspection. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 3, P. 84-89. (In Russian)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3 march 2017
85
СВАРКА
IipiWwpbx- | jg-ffcrosortwaa... |Ц ресурс
Рис. 4. Компьютерное моделирование роста и слияния дефектов Fig. 4. Computer modelling of the growth and the merging of defects
Рис. 5. Зависимость долговечности сварного соединения от размера дефекта в направлении толщины стенки трубы (цифра у кривой - глубина залегания дефекта от поверхности трубы в мм)
Fig. 5. Dependence of durability of the welded joint from the size of the defect in direction of the wall thickness of the pipe (the curve figure is the depth of the defect from the surface of the pipe, mm)
троля множества разнообразных дефектов. Рис. 1 показывает, насколько трудно по рентгенограмме различить подрез, зашлакованный карман и несплавление.
Это затруднение испытывают не только рядовые работники, но и высококвали-
фицированные специалисты. Расшифровки снимков, проведенные различными дефектоскопистами независимо друг от друга, показали, что лишь для нескольких разновидностей дефектов (пора, скопление пор) согласованность результатов превышает 70 %, а для не-
которых оказывается ниже 30 % [2]. Таким образом, большой ассортимент трудноразличимых дефектов снижает объективность результатов контроля. Между тем степень опасности этих разновидностей дефектов различна, и их допустимые размеры в нормативной документации существенно различаются. Целесообразно всем дефектам, дающим одинаковые изображения на снимке, присвоить единое название и установить для них одну и ту же норму, ориентируясь на худший из возможных вариантов.
Для оценки опасности различных дефектов в процессе эксплуатации были проведены расчеты долговечности трубопровода с такими дефектами с помощью программного комплекса «Ресурс сварных конструкций», разработанного в МГТУ им. Баумана [3]. Исходными данными были размеры дефекта, найденного при контроле, свойства материала и эксплуатационная нагрузка. Рассмотрен рост трещин под действием циклических изменений внутреннего давления, приводящий к разрушению трубы. Согласно отраслевым нормам возможен сброс давления в нефтепроводе до нуля в среднем один раз в сутки,что дает 10 тыс. циклов за 30 лет эксплуатации. Кроме внутреннего давления в расчете были учтены другие нагрузки, включая сварочные остаточные напряжения. Для получения свойств материала была проведена серия испытаний образцов из сварных соединений стали К56. Мерой опасности трещиноподобного дефекта является коэффициент интенсивности напряжений (КИН). Как показали расчеты, наибольшее влияние на опасность дефектов оказывают размеры в направлении толщины стенки трубы: высота дефекта (рис. 2) и его расстояние от ближайшей поверхности (рис. 3). Именно эти размеры труднее всего определить средствами радиографического контроля. На рис. 2 представлены результаты расчета для трубы диаметром 1000 мм с толщиной стенки 20 мм при уровне напряжений вдали от дефекта 250 МПа. КИН растет по мере увеличения высоты дефекта. При постоянном размере дефекта его расположение в глубине
86
№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
WELDING
сечения незначительно влияет на КИН, но при приближении к поверхности КИН резко возрастает. При расчете для каждого дефекта прослеживали историю его развития: от начала роста трещины до выхода на поверхность и прорастания насквозь (рис. 4). Рассматривали также взаимное влияние дефектов в цепочке или скоплении. Наибольшую опасность представляет дефект, выходящий на поверхность, такой как подрез. В этом случае для трубы с толщиной стенки 8 мм при длине дефекта вдоль поверхности 40 мм опасный размер дефекта по толщине составляет менее 2 мм (рис. 5). Расчеты показали, что при постоянных размерах дефекта его опасность снижается по мере роста толщины стенки трубы (рис. 6). Таким образом, наибольшую опасность представляют дефекты в тонкостенных трубах. При высоте дефекта менее 1,5 мм необходимая долговечность достигается вне зависимости от его расположения в сечении и для любой трубы с толщиной стенки 8 мм и выше.
Рис. 6. Зависимость долговечности сварного соединения от глубины залегания дефекта (число у графика - толщина стенки трубы в мм, высота дефекта - 3 мм, длина вдоль поверхности - 40 мм) Fig. 6. Dependence of durability of the welded joint from the depth of the defect (the figure on the scheme is - wall thickness of pipe, mm, the height of the defect is 3 mm, the length along the surface - 40 mm)
Для проверки проведенных расчетов были изготовлены и испытаны сварные образцы с дефектами (рис. 7). Для создания дефектов заданного размера была разработана специальная
методика, позволяющая имитировать появление несплавлений, шлаковых включений и пор.
Проведенные испытания позволили обосновать предлагаемые изменения
ВНИМАНИЕ!
Открыта подписка на журналы «ТЕРРИТОРИЯ «НЕФТЕГАЗ» и «КОРРОЗИЯ «ТЕРРИТОРИИ «НЕФТЕГАЗ»! Журналы можно получать в России и в любой стране мира. Подписка оформляется с любого месяца!
ОФОРМИТЬ ПОДПИСКУ ВЫ МОЖЕТЕ:
в редакции - по адресу 142784, г. Москва, Киевское ш., БП «Румянцево», корп. Б, под. 5, эт. 5, оф. 505Б, издательство «Камелот Паблишинг», редакция журнала «Территория «НЕФТЕГАЗ», Тел./факс: +7 (495) 240-54-57, e-mail: [email protected] по каталогу Роспечати - подписной индекс 36129
СТОИМОСТЬ ПОДПИСКИ по России: для стран СНГ:
(печатной версии) (в электронной версии) (в печатной версии)
1 номер любого журнала.....1800 руб........ 1595 руб.......... 2200 руб.
б номеров ТНГ................. 10800 руб...... 9570 руб.......... 13200 руб.
10 номеров ТНГ................ 18000 руб...... 15950 руб......... 22000 руб.
3 номера «Коррозия
«Территория НЕФТЕГАЗ»...... 5400 руб........4785 руб........... 6600 руб.
СВАРКА
а) а)
б) b)
Рис. 7. Испытания сварных образцов: а) испытательная машина EUS-100; б) разрушенный образец; в) излом образца с имитированным несплавлением
Fig. 7. Testing of welded samples:
a) the testing machine EUS-100; b) the destroyed sample; с) fracture of a sample with simulated faulty fusion
Сравнение норм оценки качества сварных соединений по результатам контроля (пример для диаметра 1020 с толщиной стенки 12 мм) Comparison of quality standards of welded joints according to the results of non-destructive control (for example, the diameter is 1020
and wall thickness is 12 mm)
ф
е д
■ ВСН 012-88, «НПС, КС»
ВСН 012-88, «МТ»
' РД 25, 160, 10-КТН-016-15 B, I
' РД 25, 160, 10-КТН-016-15 II, III, IV
Предлагаемые нормы B, I Proposed standards B, I
Предлагаемые нормы II, III, IV Proposed standards II, III, IV
Рис. 8. Оптимизированные нормы (желтый и коричневый цвет) в сопоставлении с действующими строительными нормами [4] (зеленый цвет) и предыдущими отраслевыми нормами [5] (синий цвет)
Fig. 8. Optimized standards (yellow and brown) in comparison with the accepted construction standards [4] (green) and previous industry standards [5] (blue color)
88
№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
WELDING
Рис. 9. Зависимость долговечности сварного соединения от высоты поверхностного дефекта (число у кривой - длина дефекта вдоль сварного шва; толщина стенки трубы - 12 мм) Fig. 9. The dependence of durability of the welded connection from the height of the surface defect (the figure on the curve is the length of the defect along the weld seam; the thickness of the pipe wall is 12 mm)
норм оценки допустимых размеров несплошностей. Была подтверждена возможность существенного увеличения допустимых размеров дефектов, но только в случае применения дополнительных методов контроля, позволяющих оценивать высоту и глубину залегания дефекта. Были также сварены натурные образцы для циклических гидроиспытаний с заложенными дефектами заданных размеров в кольцевом сварном шве. Они успешно прошли испытания на стенде АО «Транснефть-Диаскан».
Основное направление изменений, вносимых по результатам проведенных исследований в отраслевые нормы допустимости дефектов, выявленных по результатам радиографического контроля, - унификация и сокращение ассортимента дефектов (рис. 8). Их предлагается разделить на три класса (непротяженные, протяженные и группа дефектов). Протяженным называется дефект с отношением максимального размера на снимке к размеру в перпендикулярном направлении больше 3.
Отдельно следует рассмотреть различные цепочки и скопления дефектов. В существующих документах предусмотрена сложная процедура оценки их размеров, приводящая иногда к объединению весьма удаленных друг от друга дефектов. В новых нормах группой называются три и более дефекта, если
расстояние между ближайшими краями каждой пары дефектов - не более трех максимальных размеров дефектов этой пары, в противном случае дефекты являются одиночными. Результаты проведенных расчетов свидетельствуют также о возможности существенного увеличения допустимой длины несплошности. В действующих нормах она установлена, как правило, на уровне удвоенной толщины стенки трубы. Из рис. 9 видно, что увеличение длины в два раза, до четырех толщин
равноценно увеличению глубины поверхностного дефекта на 25 %. Дальнейшее увеличение длины практически не влияет на долговечность. Эти расчеты были также подтверждены натурными испытаниями.
Допустимую высоту несплошности также можно заметно увеличить, но только если дополнить радиографический контроль ультразвуковым. Метод контроля должен обеспечивать достаточную точность измерения высоты и глубины залегания дефекта.
References:
1. ALeshin N.P., GaLkin D.I., KoLesnikov O.I., Sorokin A.S. Statistical evaluation of the results of decoding of radiographic pictures of welded joints. Svarka i diagnistika = Welding and diagnostics, 2015, No. 1, P. 11-14. (In Russian)
2. ALeshin N.P., GaLkin D.I. Standards improvement of quality evaluation according to the results of radiographic control of welded joints of pipelines. Svarka i diagnistika = Welding and diagnostics, 2015, No. 4, P. 39-42. (In Russian)
3. Kurkin A.S., Makarov E.L. Method of calculating terms of usage of welded structures with defects. Svarka i diagnistika = Welding and diagnostics, 2012, No. 5, P. 41-44. (In Russian)
4. BCH (VSN) 012-88-2. The construction of main and commercial pipelines. Quality control and acceptance of work. (In Russian)
5. Pfl (RD) 25.160.10-KTH-016-15. Main pipeline transport of petroleum and oil products. Non-destructive control of welded joints in the construction and maintenance of pipelines. (In Russian)
Литература:
1. Алешин Н.П., Галкин Д.И., Колесников О.И., Сорокин А.С. Статистическая оценка результатов расшифровки радиографических снимков сварных соединений // Сварка и диагностика. 2015. № 1. С. 11-14.
2. Алешин Н.П., Галкин Д.И. Совершенствование критериев оценки качества по результатам радиографического контроля сварных соединений трубопроводов // Сварка и диагностика. 2015. № 4. С. 39-42.
3. Куркин А.С., Макаров Э.Л. Методика расчета ресурса сварных конструкций с наличием дефектов // Сварка и диагностика. 2012. № 5. С. 41-44.
4. ВСН 012-88-2. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качества и приемка работ.
5. РД 25.160.10-KTH-016-15. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3 march 2017
89
