Современное состояние и перспективы развития ультразвукового метода исследования напряженного состояния трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2395-2397

2395

УДК 620.179.16:539.319

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

© 2011 г. Н.Е. Никитина

Нижегородский филиал Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

[email protected]

Поступила в редакцию 24.08.2011

Выявлены основные преимущества метода акустоупругости для исследования напряженного состояния магистральных и технологических трубопроводов. Приведены результаты экспериментальной проверки возможностей метода акустической тензометрии на задаче теории упругости, имеющей аналитическое решение (нагружение закрытой трубы внутренним давлением). Рассмотрены основные проблемы применения метода для неразрушающего контроля механических напряжений в трубопроводах действующих объектов, связанные с разбросом акустических свойств материала труб. Приведены результаты изучения акустических свойств материала магистральных и технологических трубопроводов. Показаны возможности определения напряжений «in situ» в действующих технологических трубопроводах компрессорных станций.

Ключевые слова: магистральные и технологические трубопроводы, напряженное состояние, неразрушающий ультразвуковой контроль.

Метод акустоупругости, реализованный с помощью сдвиговых и продольных упругих волн [1], имеет определенные преимущества для исследования напряженного состояния труб в сравнении с электротензометрией, рентгеновским и магнитным методами. Акустоупругость как способ измерения напряжений — «механика без посредников». Основой способа является упругоакустический эффект, то есть линейная зависимость скоростей упругих волн от механических напряжений. Коэффициенты этой зависимости строго определяет нелинейная теория упругости твердого тела, а сами упругие волны — это, по существу, высокочастотные механические колебания, распространяющиеся в твердых телах.

Основные преимущества метода — сравнительная простота перехода от одноосных к двухосным напряжениям и слабая зависимость от марки материала, его структуры и технологической обработки коэффициентов пересчета акустических параметров в «силовые». Возможность экспериментального определения плоского напряженного состояния конструкционного материала весьма актуальна при контроле тонкостенных металлоконструкций, таких, как магистральные и технологические трубопроводы. Ультразвуковой метод позволяет надежно находить величины как растягивающих, так и сжимающих напряжений в трубах и может быть продуктивно использован не только для измерения монтажных и эксплуатаци-

онных напряжений, но и для определения остаточных сварочных напряжений в электросварных трубах и действующих трубопроводах.

Возможности метода акустоупругости неоднократно экспериментально проверены при гидроиспытаниях закрытых труб и трубных кату -шек. В теории упругости эта задача имеет аналитическое решение, вследствие чего является хо -рошим тестом для проверки результатов неразрушающего контроля двухосных напряжений арбитражным расчетным методом. При ступенчатом нагружении указанных объектов внутренним давлением проведены ультразвуковые измерения и найдены значения двухосных напряжений. Результаты многочисленных экспериментов показали, что разница измеренных методом акустической тензометрии и рассчитанных по известной величине внутреннего давления значений осевых и окружных напряжений не превышает 4—5% от предела текучести исследованных сталей.

Разумеется, кроме очевидных достоинств, у рассматриваемого метода есть и свои недостатки. Главным из них является то, что изменения скоростей упругих волн во всем диапазоне нагрузок между пределами текучести при сжатии и растяжении той или иной стали едва могут превысить 1—2% от их номинальных значений. В то же время естественный разброс скоростей упругих волн по объему исследуемого материала может быть сравнимым или значительно превышать ука-

занные величины. Наиболее отчетливо этот факт проявляется при изучении явления двулучепре-ломления сдвиговых волн в напряженном материале, величина которого прямо пропорциональна разности главных напряжений в плоскости, перпендикулярной направлению их действия. Параметр акустической анизотропии, количественно характеризующий влияние напряжений на двулучепреломление, в реальном конструкционном материале может едва достигать или быть значительно меньше соответствующей величины, определяемой микроструктурой (в частности текстурой), пластической деформацией или другими «собственными» физико-механическими характеристиками материала.

Материал труб небольшого (300-500 мм) диаметра, используемых в технологических трубопроводах, в основном характеризуется тем, что параметры анизотропии, обусловленные структурным и напряженным состоянием, сравнимы по величине. В то же время анизотропия некоторых марок стального проката, применяемого при изготовлении труб большого (800-1400 мм) диаметра, в 20 раз превышает величину, соответствующую напряжениям, равным пределу текучести материала. Экспериментальное исследование прямошовных труб диаметром 1020 мм из стали 10Г2ФБЮ, применяемых при строительстве магистральных трубопроводов, от заготовки до выхода с завода, позволило выявить значительную неоднородность распределения величины собственной акустической анизотропии металла в стальном прокате и готовой трубе (от 4% в середине до 8% к краю листа).

Такая специфика акустических свойств материала труб играет важную роль при решении проблемы определения напряжений в изделиях и конструкциях, уже находящихся под напряжением в момент проведения акустических измерений, то есть так называемой «безнулевой» акустической тензометрии [1]. Два примера практического применения эффекта акустоупругости для определения напряженного состояния действующих трубопроводов демонстрируют два различных способа получения недостающей информации. При измерении методом акустоупругости непроектных осевых напряжений в трубопроводной обвязке пылеуловителей газокомпрессорной станции [2, с. 99-108] для получения дополнительной информации использована трубная катушка, вырезанная из трубы аварийного запаса труб объекта. При решении аналогичной задачи в трубопроводах аппарата воздушного охлаждения газа [2, с. 109-120] такой возможности не было, и для определения «нулей отсчета» акустических пара-

метров были использованы те точки конструкции, в которых не должно возникать существенных напряжений при подвижках опорной системы трубопроводной обвязки.

В первом случае метод акустоупругости был применен для исследования трубопроводов пылеуловителей действующей газоперекачивающей станции, находящихся под рабочим давлением 2.8 МПа. Ультразвуковые измерения проведены в трубах входа и выхода газа 12 пылеуловителей с помощью портативного прибора ИН-5101А, производимого инженерной фирмой «ИНКОТЕС». Для изучения акустических свойств ненапряженного материала использована труба аварийного запаса труб исследуемого объекта. Лабораторные исследования конструкционного материала показали, что величина собственной акустической анизотропии материала технологического трубопровода невелика, а ее разброс по периметру трубы эквивалентен приложению механического напряжения 60 МПа, то есть около 17% от предела текучести трубной стали, принятого равным 360 МПа. Фактически это будет неустранимая техническими средствами ошибка ультразвукового метода измерения напряжений в готовой конструкции. Прямые измерения напряжений методом акустоупругости использованы для уточнения прочностного расчета трубопроводной обвязки. Результаты совместного использования экспериментального и расчетного метода помогли найти значения напряжений в тех точках, где прямые измерения провести невозможно.

Второй задачей, решенной методом «безнулевой» акустической тензометрии, было измерение непроектных осевых напряжений в трубах надземной части обвязки аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа газокомпрессорной станции.

Считая, что окружные напряжения в трубах одинаковые, т. к. в них одно и то же рабочее давление, определяли разницу осевых напряжений в «закрепленных» и более «свободных» точках конструкции, которая должна быть близка к величине напряжений в закрепленных точках. Данные экспериментов подтверждены в ходе выполнения ремонтных работ. После разрезания вертикальной трубы входа газа края реза сместились по вертикали на 87 мм, на выходе - на 50 мм. Также присутствовали и горизонтальные смещения краев реза. Указанные смещения свидетельствуют о наличии значительных напряжений в трубопроводах обвязки АВО газа и подтверждают результаты ультразвукового контроля.

Таким образом, для слабоанизотропных сталей, применяемых в основном для труб техноло-

гических трубопроводов, ошибка определения напряжений «in situ», при неизвестных «нулях отсчета» акустических параметров, может быть не намного больше той, что соответствует варианту акустической тензометрии. Для сильноанизотропных материалов труб, используемых в основном в магистральных трубопроводах, надо искать более «радикальные» пути решения указанной проблемы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №10-08-01108-а.

Список литературы

1. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.

2. Акустоупругость как способ измерения механических напряжений: Сб. статей / Под ред. Н.Е. Никитиной. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2010. 128 с.

THE STATE OF ART AND THE POTENTIAL OF THE DEVELOPMENT OF THE ULTRASONIC METHOD OF THE INVESTIGATION OF THE STRESSED STATE OF PIPELINES

N. Ye. Nikitina

The main advantages of the method of acoustoelasticity for investigating the stressed state of linear and technological pipelines are revealed. The results of the experimental verification of the potential of the acoustical tensometry method are presented, using the example of loading a closed pipe by inner pressure (the analytical solution of the problem is well-known in the theory of elasticity). The basic disadvantages of the method in analyzing nondestructive testing of mechanical stresses in pipelines of real obj ects are considered. The results of experimentally studying the acoustic properties of the material of linear and technological pipelines are given. The possibility of evaluating stresses «in situ», in real technological pipelines of compressive stations, is demonstrated.

Keywords: linear and technological pipelines, stressed state nondestructive ultrasonic testing.