image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 11 2017

Диагностика

01.11.2017 10:00 Контроль неоднородности напряженно-деформированного состояния горизонтальных стальных резервуаров методом магнитной памяти металла
Контроль напряжений при оценке ресурса технических устройств, применяемых на опасных производственных объектах, является актуальной проблемой. Оценка ресурса потенциально опасных технических объектов на основе экспресс-метода магнитной памяти металла выполняется по энергетическому соотношению между магнитными и механическими показателями деформационного упрочнения металла, полученными в ходе лабораторных исследований на образцах при статических и циклических нагрузках. Однако величина магнитного показателя и, соответственно, градиента собственного магнитного поля рассеяния обусловлена реальным соотношением нормальных и касательных напряжений в зонах концентрации напряжений и может отличаться от величин, полученных в лабораторных условиях (исследованиях). Поэтому наработка банка данных по магнитным параметрам (магнитный показатель, градиент собственного магнитного поля рассеяния) на основании опыта контроля реальных резервуаров, находящихся в эксплуатации, является наиболее ценной частью методики контроля. С использованием метода магнитной памяти металла исследовано напряженно-деформированное состояние тонкостенных цилиндрических резервуаров для нефтепродуктов. Применялись приборы типа измерителя концентрации напряжений. В зонах концентрации напряжений для идентификации дефектов проводился дополнительный контроль с использованием традиционных методов неразрушающего контроля: магнитопорошковой и ультразвуковой дефектоскопии, ультразвуковой толщинометрии и др. По результатам исследования установлено, что значения градиента собственного магнитного поля рассеяния в зонах концентрации напряжений для каждого типоразмера разные, но при этом предельный магнитный показатель для одной марки стали имеет постоянную величину. Для различных типоразмеров резервуаров получены характеризующие предельное состояние металла значения магнитных параметров (градиент собственного магнитного поля рассеяния, магнитный показатель), при которых, как правило, выявляются недопустимые дефекты при проведении дополнительного дефектометрического контроля.
Ключевые слова: цилиндрический стальной резервуар (сосуд), магнитная память металла, зона концентрации напряжений, магнитный контроль, напряженно-деформированное состояние, неразрушающий экспресс-метод.
Ссылка для цитирования: Кожинов М.И. Контроль неоднородности напряженно-деформированного состояния горизонтальных стальных резервуаров методом магнитной памяти металла // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 11. С. 24–28.
Открыть PDF


Контроль напряжений при оценке ресурса нефтепродуктовых резервуаров, как и любого другого технического устройства, применяемого на опасном производственном объекте, в настоящее время является актуальной темой. Конструкция почти постоянно находится в напряженном состоянии, что особенно критично при интенсивном циклическом режиме нагружения, а также при низких температурах, когда конструкции становятся чувствительными к концентраторам напряжений. Определение фактического напряженно-деформированного состояния (НДС) с выявлением зон концентрации напряжений (ЗКН) является важной задачей при диагностировании резервуаров в соответствии с нормативными документами [1–3]. Наиболее эффективными для неразрушающего контроля напряжений элементов резервуаров в условиях упругопластической деформации являются экспрес-методы технической диагностики, к которым относится метод магнитной памяти металла (МПМ).

Метод МПМ представляет собой относительно новое направление в диагностике НДС ферро- и парамагнитных изделий. Он основан на регистрации и анализе распределения напряженности собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) на поверхности изделий в целях определения зон концентрации напряжений, дефектов, неоднородности структуры металла и сварных соединений из ферро- и парамагнитных материалов [4, 5]. Метод не требует специальной зачистки металла и искусственного намагничивания. В соответствии с [5] СМПР возникают на поверхности изделия в зонах скопления дислокаций под действием рабочих или остаточных напряжений и в зонах максимальной неоднородности структуры металла. Более подробно физические основы и практические возможности метода МПМ представлены в работах [6–8].

1.png

Экспериментально установлено, что СМПР на поверхности объектов контроля (стальных образцов, трубопроводов, сосудов), проявляющие магнитную текстуру, интегрально отображают дефекты и структурные неоднородности материала, а также фактические остаточные напряжения и деформации (например, [9, 10]).

Целью настоящего исследования является наработка банка данных по магнитным параметрам (магнитный показатель m, градиент собственного магнитного поля рассеяния Kин), характеризующим предельное состояние метала для различных типоразмеров нефтепродуктовых резервуаров, эксплуатирующихся в различных климатических и грунтовых условиях.

Исследовано более 60 изготовленных из сталей Ст3 и 09Г2С горизонтальных резервуаров диаметром 1500–3240 мм, широко применяемых для хранения нефтепродуктов. Они представляют собой замкнутые цилиндрические сосуды, состоящие из нескольких листовых обечаек (поясов). Обечайки резервуаров выполнены из листов шириной 1000–1500 мм и длиной 1000–6600 мм, число продольных сварных швов – 1–4 в зависимости от радиуса и толщины оболочки. Бльшая часть (90 %) обследованных резервуаров была собрана и сварена автоматической сваркой под слоем флюса в заводских условиях. Срок эксплуатации обследованных резервуаров – 11–54 лет. Техническое диагностирование проводилось на нефтебазах Европейского Севера, Ямало-Ненецкого автономного округа, Восточной Сибири и Дальнего Востока в рамках частичного (без вывода из эксплуатации) и полного обследования.

1_1_9.png

В качестве основного метода оценки технического состояния резервуаров для оперативного определения поврежденных зон (ЗКН) применялся метод МПМ. Для идентификации дефектов (геометрических параметров дефектов) осуществлялся дополнительный дефектометрический контроль (ДДК) с использованием традиционных методов неразрушающего контроля: магнитопорошковой и вихретоковой дефектоскопии, ультразвуковой дефектоскопии, ультразвуковой толщинометрии (УЗТ), визуально-оптического и измерительного контроля (ВИК) и др. Контроль резервуаров методом МПМ осуществлялся в автоматическом режиме без специальной зачистки металла и искусственного намагничивания. Применялись специализированные малогабаритные магнитометрические измерители концентрации напряжений со сканирующими устройствами, позволяющие регистрировать распределение напряженности СМПР в диапазоне ±2000 А/м с погрешностью не более 5 % и выявлять ЗКН и НДС с точностью до 1 мм. Полное сканирование корпуса резервуаров выполнялось в меридиональном и кольцевом направлениях [4].

Кольцевое сканирование резервуаров проводилось в трех сечениях обечайки (пояса), меридиональное сканирование – по восьми образующим через 45° по окружности между кольцевыми сварными швами, а также вдоль образующих корпуса. Сканирование сварных швов выполнялось согласно методике [4, 11] последовательно по всей их длине (два преобразователя при контроле по зонам термического влияния располагались с обеих сторон шва, а один преобразователь, соответственно, посередине между ними).

Оценка неоднородности напряженного состояния в локальных ЗКН определялась энергетическим соотношением между магнитными и механическими параметрами, полученными в экспериментальных и теоретических исследованиях [6, 8]:

1_1.png,                                              (1)

 

где Kmax – максимальное значение градиента поля, фиксируется при контроле методом МПМ в ЗКН, (А/м)/мм; Kср – средневзвешенное значение градиента поля, полученное расчетом по результатам его измерения в ЗКН с использованием программного продукта «ММП-Система», (А/м)/мм; σв – условный предел прочности, МПа; σT – условный предел текучести, МПа;

1_1_1.png,                                             (2)

 

где n – количество зон КН, выявленных на данном объекте контроля (ОК);
1_1_2.png – градиент магнитного поля рассеивания i-ми точками контроля для j-го канала измерений.

В ходе многолетних исследований [7, 8] установлено, что параметр m является характеристикой деформационного упрочнения материала в зонах структурных концентраторов, а предельная величина mпр рассматривается как константа материала, характеризующая деформационную способность металла в ЗКН на стадии упрочнения перед разрушением. Если отношение механических параметров (1) находится в пределах 0,5–0,8, то металл еще не склонен к хрупкому разрушению, и вероятность зарождения трещин низка. Однако при увеличении этого отношения и приближении его к единице и выше металл исчерпывает запас упрочняемости, его равномерная деформация очень мала, и вследствие этого контролируемая ЗКН представляет опасность, так как в ней могут образоваться трещины.

При обработке и анализе результатов распределения напряженности СМПР и его градиента на элементах резервуаров был введен порог отбора. Выбор порога отбора ЗКН поясняется на примере горизонтального резервуара РГС-75 (рис. 1). Из рис. 1 видно, что вне ЗКН величина градиента поля dH/dx (Kин) приближается к минимальным значениям, поэтому для расчета максимального градиента магнитного поля принимались только градиенты поля со значением Kин ≥ 1,0•103 (А/м)/мм, зафиксированные в локальных ЗКН. Следует отметить, что для монтажных сварных швов, выполненных ручной дуговой сваркой, нижний уровень остаточной намагниченности, как правило, находится в диапазоне 1,5–3,0•103 (А/м)/мм.

Среднеарифметическое значение 1_1_3.png, рассчитанное по соотношению (2), для 30 резервуарных конструкций в локальных ЗКН оказалось равным 2,0–14,6.103 (А/м)/мм, максимальные значения градиента магнитного поля – 4,0–21,4•103 (А/м)/мм. На основании статистической обработки данных контроля резервуаров с использованием пакета программ MS Excel были получены предельные значения магнитного показателя m для разных типоразмеров резервуаров, изготовленных из сталей Ст3 и 09Г2С (рис. 2). Как видно из рис. 2, результаты расчетов показывают, что магнитный показатель mпр, определенный по соотношению (1), находится в следующем диапазоне:

• 1,6–2,0 для резервуаров из марки Ст3;

• 1,2–1,5 для резервуаров из марки стали 09Г2С.

Следует отметить, что этот вывод хорошо согласуется с выводами исследований, представленными в работе [8].

В дальнейшем, используя энергетическое соотношение (1) между магнитными и механическими показателями деформационного упрочнения, на практике можно рассчитать уровень напряжений в ЗКН на основании измеренных фактических показателей 1_1_4.png.

1_1_10.png

В результате выполненных исследований методом МПМ и анализа данных дополнительного дефектометрического контроля ЗКН были получены предельные значения градиента поля 1_1_5.png, соответствующие недопустимым дефектам основного и наплавленного металла в локальных микронных зонах (рис. 3).

Следует отметить, что горизонтальные резервуары работают под налив, для них определяющими дефектами являются трещиноподобные и коррозионные повреждения [12, 13].

Вопросы исследования магнитных параметров на дефектных участках резервуарных конструкций рассмотрены ранее в работе [14], где показано, что по значениям напряженности СМПР и его градиента можно определять параметры коррозионных и трещиноподобных повреждений без проведения дополнительных дефектоскопических измерений.

Оценка ресурса потенциально опасных технических объектов (трубопроводы, резервуары, сосуды, котлы и конструкции различного назначения из феррои парамагнитных материалов) на основе экспресс-метода магнитной памяти металла выполняется по энергетическому соотношению (1) между магнитными и механическими показателями деформационного упрочнения металла в ЗКН на основании измеренных фактических максимальных показателей 1_1_4.png и фактической наработки элементов конструкции резервуаров на дату контроля Tф.

Для оценки предельного срока эксплуатации Tпр элементов конструкции в ЗКН используется следующее соотношение [15]:

1_1_6.png,                                              (3) 

где 1_1_5.png – предельное значение градиента поля, фиксируется при контроле методом МПМ в ЗКН на объекте контроля, характеризующим предельное состояние металла по условиям прочности и начальное развитие повреждений, (А/м)/мм.

Следует отметить, что при определении остаточного ресурса по методологии [8], как правило, фактический уровень напряжений в локальной ЗКН в разы превышает справочное значение предела прочности, так как оно является средневзвешенным значением исследуемой характеристики по некоторому объему испытанного материала (образца). Фактическая локальность концентрации напряжений в месте зарождения повреждения в ЗКН составляет 1–2 мкм (по длине), по данным исследований [7, 8].

Отсюда следует, что через выражение (3) можно дополнительно оценить ресурс каждого отдельного элемента конструции, используя в качестве делителя средневзвешенное значение градиента поля  1_1_3.png при условии, что 1_1_7.png . Преимуществом приведенного подхода является возможность оценки среднего ресурса, представляющего собой наиболее веротное (ожидаемое) значение ресурса резервуара, по которому можно планировать необходимые затраты на ремонт или замену резервуара (объекта).

Таким образом, проведенные исследования неоднородности НДС горизонтальных цилиндрических резервуаров позволяют сделать следующие выводы:

1) установлены значения магнитных параметров 1_1_5.png и mпр металла резервуаров, позволяющие определять дефектные участки основного металла, сварных соединений и оценивать их качество при проведении контроля с применением прибора типа ИКН. Именно в зонах со значениями градиента СМПР (1_1_5.png) при проведении ДДК были выявлены недопустимые дефекты;

2) показано, что значения градиента СМПР (1_1_8.png1_1_3.png) в зонах концентрации напряжений для каждого типоразмера разные, но при этом магнитный показатель mпр из одной марки стали имеет постоянную величину.



← Назад к списку


im - научные статьи.