Бесконтактная Диагностика Технического Состояния Трубопроводов

Неразрушающий контроль - магнитная томография трубопроводов!
  • Homepage in English
  • Homepage in Russian
  • Homepage in Spanish

Материаловедческие аспекты использования метода магнитной томографии для диагностики трубопроводов

Воробьев Яков Владимирович
аспирант МГВМИ, ст. научный сотрудник ООО НТЦ «Транскор-К», г. Москва
Горошевский Валериан Павлович
канд. техн. наук, технический директор ООО НТЦ «Транскор-К», г. Москва
Волгина Наталья Ивановна
канд. техн. наук, зав. лабораторией металловедения ООО НТЦ «Транскор-К», г. Москва


Трубопроводный транспорт играет большую роль во многих отраслях промышленности. Трубопроводы и сосуды, работающие под давлением подвержены различным дефектам вследствие коррозионного износа, механических и электрических воздействий. Большинство трубопроводов изготавливаются из углеродистых и микролегированных сталей, которые являются ферромагнитными материалами.

Инновационным предложением по обеспечению безопасности эксплуатации пожароопасных объектов трубопроводного транспорта - особенно нефте- и газопроводов, не подлежащих внутритрубному инспектированию, является контроль напряженно-деформированного состояния металла. Согласно РД 102-008-2002 [3] без вскрытия грунта и удаления изоляционного покрытия обследовано свыше 12000 км подземных трубопроводов. В результате обоснован ремонт аварийно-опасных объектов России и зарубежных стран (Узбекистан, Белоруссия, Молдова, Украина, Хорватия, Аргентина, Колумбия, Бразилия, Мексика, Великобритания, Китай, Малайзия, Сирия, Саудовская Аравии, США и др.).

Метод магнитной томографии металла заключается в бесконтактном сканировании магнитного поля трубопровода с последующей интерпретацией полученных данных [1, 2]. Он позволяет выявлять области концентрации напряжений в металле трубопроводов, которые зачастую связаны с дефектами металла, в том числе с аномалиями микроструктуры, которые не могут быть выявлены другими методами неразрушающего контроля (рис. 1).

Другими словами, метод основан на аппаратно-программном выявлении местоположения дефектов металла – за счет регистрации изменения магнитной проницаемости при изменении напряжений под действием механических нагрузок или структурных изменений в металле трубопровода (деформация труб, внутренняя и наружная коррозия, провисы, оползневые нагрузки и т. п.). Эффективность выявления дефектов металла при этом сопоставима с аналогичным показателем внутритрубной дефектоскопии и составляет в среднем 75 %.

Рисунок 1. Примеры аномалий структурного состояния металла, не выявляемых традиционными методами неразрушающего контроля:
а) вытянутые неметаллические включения, х200; б) искажения структуры, связанные с локальной деформацией, х200; в) выделения на дислокациях, х2000

а б в

Напряжения в металле вызывают возникновение магнитомеханического эффекта (обратного магнитострикции), а в зонах концентрации напряжений проявление указанного эффекта также неоднородно и приводит к неоднородным изменениям (аномалиям) внешнего магнитного поля трубопровода.

Для изучения связи напряжений, действующих в металле, проведен эксперимент с исследованием магнитного поля рассеяния стального трубопровода при различных величинах избыточного внутреннего давления. При этом данные магнитометрии сопоставлялись с результатами тензометрии, металлографического и рентгеноструктурного анализа, а также компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния. Были получены зависимости величины магнитной индукции от напряжения в металле трубопровода для различных точек окружающего пространства. Установлен линейный характер указанных зависимостей.

Рисунок 2. Изображения векторов магнитной индукции при различных величинах избыточного внутреннего давления в трубопроводе. Серии векторов построены в системах координат, привязанных к проекции положения соответствующего датчика на ось трубопровода. У концов векторов стрелками показана последовательность векторов при повышении внутреннего давления в трубопроводе.

После проведения исследований на стенде от экспериментального трубопровода были отобраны образцы. Образцы отбирали с целью обоснования применимости метода магнитной томографии для обследования нагруженных конструкций. Их отбирали от мест с наибольшими значениями магнитных аномалий, зафиксированных магнитометром СКИФ в процессе эксперимента на стенде, один образец отобрали от трубы до проведения испытаний.

На основании представленных результатов и анализа литературных данных, исходили из того, что могут иметь место следующие этапы, существенно отличающиеся эволюцией напряженно-деформированного состояния стали в области очага разрушения:

  • усталость;
  • развитие докритической трещины;
  • механический долом.

Развитие каждого из указанных частных процессов должно сопровождаться своими характерными изменениями внутренних микронапряжений в стали (или не вызывать таковых). Так, основной характерной особенностью хрупкого усталостного разрушения являются высокие внутренние микронапряжения, и особенно их высокая неоднородность распределения в микробъемах (локальная концентрация микронапряжений). Под микронапряжениями в данном случае понимали внутренние напряжения, уравновешивающиеся в объеме одного или нескольких зерен. Однако, у границы зерна или, например, в области у неметаллического включения и др. фаз могут возникать внутренние напряжения, намного превышающие средний уровень. Поэтому их можно рассматривать как потенциальные очаги зарождения трещины. Эти микронапряжения уравновешиваются в областях намного меньших размера зерна и трактуются как степень локальной концентрации напряжений в зерне или степень неоднородности их распределения.

В процессе усталости с увеличением числа циклов происходит накопление повреждений и возрастает средний уровень остаточных напряжений и должна увеличиваться их локальная концентрация. Собственно процесс усталостного разрушения должен приводить к релаксации среднего уровня -напряжений (благодаря образованию и развитию трещины). При механическом доломе-разрыве, связанном с большой пластической деформацией, микронапряжения должны возрастать (наклеп). Локальная концентрация микронапряжений должна быть ниже, чем при усталостном развитии трещины. Разный характер изменения микронапряжений при развитии разрушения на разных этапах открывает возможность идентификации этапов (и всего разрушения) рентгенографическим методом на основании характера изменения величины микронапряжений и их локальной концентрации.

В работе идентифицировали тип разрушения, сканируя поверхность от внешней стенки к внутренней. Локальную концентрацию напряжений оценивали путем анализа «хвостов» дифрактограмм - кривых участков слабой интенсивности, полагая, что высокие локальные микронапряжения (искажения решетки) сосредоточены в малых объемах по сравнению с размером зерна. По ширине рентгеновских интерференций (211) также определяли плотность дислокаций, характеризующую степень наклепа. Величину внутренних напряжений рассчитывали по формуле:

s11 =(Da/a)Е,

где Dа/а - деформация решетки; Е - модуль упругости.

Металлографическое исследование образцов, отобранных от аномального сечения трубопровода, имеющего дефект типа гофр, показало сильное искажение структуры и уплотнение феррито-перлитных полос в исследованном сечении (рис. 3).

Рисунок 3. Структура исследованной стали в исходном состоянии и в месте образования гофра, х100

а б

Таблица. Обобщенные результаты измерения твердости и рентгенографического анализа

Зона образца Средние значения твердости, HVср Ширина рентгеновской линии В(211),mрад Локальная концентрация напряжений a s11 ,кГ/мм2 Плотность дислокаций
r*109,см-2
Внешняя поверхность 242 14,5 56,38 41,5 2,3
Середина стенки 205 12,8 62,7 33,7 1,87
Внутренняя поверхность 194 11,6 60 27,5 1,53

Таким образом, результаты металлофизических исследований подтвердили обоснованность применения метода магнитной томографии металла для выявления опасных зон концентрации напряжений в металлоконструкциях.

Список литературы:

  1. Воробьев Я. В., Волгина Н. И., Хуснутдинов Л. А., Камаева С. С. Использование ферромагнитных свойств металла для диагностирования технического состояния и прогнозирования ресурса стальных трубопроводов. «Технология металлов», № 1, 2010, с. 46 - 49.
  2. Горошевский В. П., Камаева С. С., Волгина Н. И., Воробьев Я. В. Расчет безопасного давления и периода безаварийной работы трубопроводов по результатам магнитной томографии. «Ремонт, восстановление, модернизация», № 4, 2010, с. 15 - 19.
  3. РД 102-008-2002 «Инструкция по инспектированию технического состояния трубопроводов бесконтактным магнитометрическим методом». МИНЭНЕРГО РФ, М., 2003, 52 с.

Читайте также