close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

"Разрешаю"

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Нагинаев Константин Евгеньевич
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург - 2012
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки «Физико-технический институт» им. А.Ф.Иоффе Российской академии
наук.
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук
Савельев Владимир Николаевич
Официальные оппоненты:
Лексовский Альберт Мечеславович, доктор физико-математических наук,
профессор, ведущий научный сотрудник, ФГБУН ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН
Нефедьев Евгений Юрьевич, кандидат физико-математических наук, ОАО «НПО
ЦКТИ» им.И.И.Ползунова, заведующий лабораторией
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования «СанктПетербургский государственный Университет»
Защита состоится "25" апреля 2012г. в 16 часов.
на заседании диссертационного совета Д 212.229.05 при ФГБОУ ВПО «СанктПетербургский государственный политехнический университет» по адресу:
195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, II-й учебный корп., ауд. 265
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ
ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».
Автореферат разослан – «___» ________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат физ.-мат. наук, доцент
Воробьева Т. В.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Еще недавно прогнозирование разрушения
материалов считалось принципиально невозможным, да и в настоящее время
продолжаются дискуссии о возможности такого прогноза.
Однако,
несмотря
на
сложность
проблемы
прогнозирования,
принципиальная возможность её решения вытекает из разработанного в ФТИ
им.А.Ф. Иоффе кинетического подхода к разрушению твердых тел [Регель В.Р.,
Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. – 560 с.]. Согласно этому подходу разрушение начинается
практически с момента приложения к телу любой (а не только “предельной”) и
заключается в образовании и развитии микроскопических трещин и пор. Этот
процесс “микроразрушения” и готовит переход к макроразрыву, а долговечность
(время до разрушения) можно рассчитать на основании общего для структурно
стабильных материалов кинетического уравнения, если известны входящие в это
уравнение коэффициенты.
Однако, для широко используемых конструкционных сталей, особенно при
умеренных температурах, применимость кинетического уравнения в прямом виде
затруднено из-за нестабильности структуры (и, следовательно, коэффициентов
уравнения).
Поэтому,
согласно
кинетическому
подходу,
для
прогнозирования
разрушения конструкционных сталей необходимо изучение закономерностей
развития под нагрузкой микроскопических трещин и выявление прогностических
признаков перехода к макроразрыву. Именно такой подход к прогнозированию
разрушения и определил актуальность постановки данной работы.
Задача исследования, выявления и оценки степени опасности различных
дефектов является актуальной не только с научной, но и с технической точки
зрения, поскольку даже наличие крупных дефектов, “заложенных” при
изготовлении или монтаже оборудования не является в общем случае основанием
для выбраковки изделий после их эксплуатации в течение длительного срока
(зачастую более 20-30 лет). Поэтому обеспечение безопасной эксплуатации
4
производственных объектов связано с выявлением
развивающихся
при
эксплуатационных нагрузках дефектов типа трещин.
Применение традиционных методов неразрушающего контроля (НК) для
оценки
технического
состояния
промышленных
объектов
основано
на
гриффитсовской теории прочности и, соответственно, все нормы браковки можно
смело
назвать
геометрическими:
нормируется
максимальный
размер
недопустимого дефекта (длина трещины, диаметр поры и т.п.). Естественно, при
таком подходе не учитывается время, нет классификации обнаруженных дефектов
на развивающиеся и неразвивающиеся, следовательно, любые попытки решить
задачу оценки срока безопасной эксплуатации оборудования на основе только
традиционных методов НК не могут быть признаны эффективными.
Наиболее достоверную информацию о трещинах в металле корпуса и
элементах
технологического оборудования дает метод акустической эмиссии
(АЭ), он позволяет выявлять наиболее опасные - развивающиеся дефекты, оценить
их степень опасности и определить местоположение. Этот метод в настоящее
время широко применяется для исследования процесса разрушения различных
материалов на лабораторных образцах, на моделях промышленных объектов и
результаты этих исследований используются для оценки реального технического
состояния промышленных объектов при их АЭ контроле. Методом АЭ за
непродолжительное время можно проконтролировать весь объект, он по своей
разрешающей
способности
к
процессу
трещинообразования
значительно
превышает возможности традиционных методов НК. Поэтому разработка научно
обоснованной методики оперативного, достоверного и надежного контроля
технологических объектов с учетом всех факторов опасных производств
актуальна (целесообразна) и экономически оправдана. Задаче разработки
научной, физически обоснованной базы для определения срока безопасной
эксплуатации различного технологического оборудования с помощью АЭ
контроля и посвящена данная работа.
Цель
исследования
–
выявление
физического
критерия
начала
формирования и развития макроразрушения стальных образцов и на этой базе
разработка новой методики оценки работоспособности и срока дальнейшей
5
безопасной
эксплуатации
в
первую очередь такого оборудования, которое
мало пригодно для контроля традиционными методами неразрушающего
контроля.
Для достижения цели решали следующие основные задачи:
Проанализировать
существующие
теории,
описывающие
процесс
разрушения гетерогенных материалов.
Исследовать процесс разрушения гетерогенных материалов на всех стадиях
этого процесса и при этом получить информацию о развитии и накоплении
трещин.
Определить зависимость параметров акустической эмиссии при разрушении
гетерогенных материалов с увеличением нагрузки.
Выявить
характерные
признаки
развития
процесса
разрушения
конструкционных сталей на ранней стадии для обоснования возможности
применения АЭ контроля и для выработки критериев допуска в эксплуатацию
промышленных объектов с выявленными методом АЭ дефектами (обеспечивая
при этом необходимый уровень безопасности и время работы объектов).
Показать, что при проведении периодического акустико-эмиссионного
контроля действующего оборудования, изготовленного из конструкционных
сталей, процесс развития микротрещин от их зарождения до момента
макроразрушения
(весь
процесс
развития
разрушения)
можно
надежно
контролировать.
Провести анализ существующих подходов к определению технического
состояния,
продлению
срока
безопасной
эксплуатации
и
определению
остаточного ресурса оборудования.
На основе выявленных физических критериев контроля за процессом
разрушения конструкционных сталей, разработать, согласовать и утвердить
методику диагностирования и прогнозирования технического состояния реальных
объектов. Провести апробацию этой методики на действующем оборудовании и в
дальнейшем на основе этого документа проводить работы по продлению срока
службы этого оборудования.
Объект
исследования:
конструкционные
низколегированные
и
6
углеродистые стали.
Предмет исследования: методика по определению технического состояния
и продлению срока безопасной эксплуатации действующего оборудования.
Методы исследования: метод АЭ, другие методы НК (визуальный и
измерительный - ВИК, ультразвуковой - УЗК и др.), механические испытания,
спектральный анализ.
Защищаемые положения.
Получены
критерии
оценки
источников
акустической
эмиссии
и
соответствие их стадиям разрушения, а также на их основе - критерии оценки
технического состояния оборудования по результатам акустико-эмиссионного
контроля и критерии назначения сроков безопасной эксплуатации объекта на базе
АЭ контроля.
Акустико-эмиссионный
метод
неразрушающего
контроля
позволяет
проводить диагностику действующего оборудования в упругой области, не
вызывая необратимых изменений свойств материала, при этом получая полную
картину о наличии и степени опасности дефектов в объекте.
Акустико-эмиссионный
метод
неразрушающего
контроля
является
основным при диагностике широкого спектра оборудования, по отношению к
другим методам неразрушающего контроля.
Нормативный документ по техническому диагностированию испарителятеплообменника позволяет в необходимом и достаточном объеме проводить его
диагностику.
Научная и практическая новизна.
1. Проведение исследований, связанных с прогнозированием макроразрушения
конструкционных
сталей,
и
на
их
основе
диагностики
действующего
оборудования различных типов, изготовленного из таких материалов.
2.
Предложены
количественные
физически
обоснованные
критерии
при
использовании акустико-эмиссионного метода для контроля процесса разрушения
конструкционных сталей и для диагностики технологического оборудования.
3. На основе полученных при выполнении диссертационной работы результатов
была разработана и успешно применяется новая методика по техническому
7
диагностированию
теплообменного оборудования станции охлаждения газа
импортного производства, в том числе по продлению срока безопасной
эксплуатации
испарителей-теплообменников
отечественного
и
импортного
производства в условиях Приполярья и Заполярья.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, обусловлена
использованием современных физических методов исследования, большим
числом
экспериментов,
тщательной
сопровождения
экспериментов,
воспроизводимостью
и
проработкой
научно-методического
подтверждается
необходимым
соответствием
достаточной
результатам
других
исследователей.
Практическая значимость.
Полученные результаты позволили на базе физического подхода к
прогнозированию разрушения гетерогенных материалов предложить конкретные
прогностические
признаки
готовящегося
макроскопического
разрушения
образцов из конструкционных сталей с применением метода акустической
эмиссии. Впервые на основании разработанных критериев макроразрушения
гетерогенных
материалов проведены
работы по
определению реального
технического состояния модели трубопровода и различного технологического
оборудования. Впервые разработана и проведена апробация на действующем
оборудовании "Инструкции по техническому диагностированию теплообменного
оборудования станции охлаждения газа импортного производства" в условиях
Крайнего Севера.
Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на: III
Международной конференции "Энергодиагностика и Condition Monitoring"
(Москва, 2000); XXI тематическом семинаре "Диагностика оборудования и
трубопроводов КС" ( , 2002); XXII тематическом семинаре "Диагностика
оборудования и трубопроводов КС" (2003); 5 Всероссийской конференции
молодых
ученых,
специалистов
и
студентов
по
проблемам
газовой
промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности"
(Москва, 2003); Х научно-технической конференции «Проблемы ресурса и
безопасной эксплуатации материалов» (СПб, 2004); ХI научно-технической
8
конференции
«Проблемы
ресурса и безопасной эксплуатации материалов»
(СПб, 2005); XXIV тематическом семинаре "Диагностика оборудования и
трубопроводов КС", 2005 г.; XVI Международной конференции "Физика
прочности и пластичности материалов" (Самара, 2006); XXV тематическом
семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС" (, 2006); XXVI
тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС", 2007);
Научно-технической конференции «Акустическая эмиссия. Достижения в теории
и
практике»
2008);
VI
Евразийской
научно-практической
конференции
«Прочность неоднородных структур» 2008); Проведена апробация нормативных
документов по диагностике оборудования различных типов. Впервые на
основании разработанного нормативного документа проведены работы по
продлению
срока
безопасной
эксплуатации
испарителей-теплообменников
отечественного и импортного производства в условиях Приполярья и Заполярья.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15
печатных работах, в том числе по теме диссертации – 12, в изданиях перечня
ВАК – 4.
Структура и объем диссертации. Содержание диссертации изложено на
135 страницах текста, текст содержит 18 таблиц и 57 рисунков. Работа состоит из
введения, трех глав, заключения и приложения. Список цитируемой литературы
включает 130 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,
сформулирована ее цель и основные направления исследований.
В первой главе, содержащей обзор литературных данных, приведены
результаты
изучения
процесса
разрушения
гетерогенных
материалов.
Рассматриваются и анализируются основные физические концепции модели
разрушения материалов: силовой подход и основные положения теории трещин,
кинетическая теория прочности, разработанная в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН,
включая двухстадийную модель разрушения.
Приведен обзор результатов по акустико-эмиссионному контролю процесса
разрушения материалов в лабораторных и полевых условиях и возможности по
9
изменению
акустико-эмиссионных параметров
следить
за
процессом
разрушения материалов. Несмотря на достаточно большое число публикаций по
данным вопросам и предлагаемым диагностическим признакам развития процесса
разрушения, автор делает вывод о необходимости дополнительного исследования
процесса
разрушения
низколегированных
конструкционных
сталей,
в
сопровождении акустико-эмиссионного контроля. Такие исследования позволяют
уточнить
результаты
и
выводы,
сделанные
в
публикациях,
поскольку
большинство рассмотренных в публикациях работ проведены на чистых
металлах, либо на сталях других классов с недостаточно прописанными
количественными критериями и характеристиками АЭ контроля за процессом
разрушения материалов. В результате этого подобные данные затруднительно
применить для практического использования на реальных объектах.
Далее приведен обзор существующих и действующих в настоящее время
методических и нормативных документов, касающихся определения реального
технического состояния и продления срока службы оборудования газовой
промышленности. Отмечено отсутствие каких-либо нормативных документов по
продлению
срока
службы
испарителей-теплообменников.
На
основе
шестилетнего опыта работы автора проведен анализ применения различных
методов неразрушающего контроля при диагностике оборудования газовой
отрасли,
отмечены
преимущества
акустико-эмиссионного
метода
неразрушающего контроля. Приведен анализ критериев оценки остаточного
ресурса оборудования, существующих в настоящее время, сделан вывод об их
недостаточности и неполноте.
Во
второй
полученных
главе
автором,
описаны
методики
их
основные
результаты
проведения,
экспериментов,
установки
и
приборы,
использовавшиеся в диссертационной работе. Методом регистрации трещин,
применявшийся в работе, служил метод акустической эмиссии. Суть АЭ метода –
в следующем. При зарождении и развитии трещин происходит динамическая
перестройка объема вокруг данной трещины, которая вызывает формирование
упругой волны в материале, которая регистрируется преобразователем АЭ, с
последующей записью АЭ системой.
10
В первой серии экспериментов проводилось статическое нагружение
монолитных образцов (в виде двойной лопатки) и образцов с концентраторами
(надрезом), изготовленных из стали 09Г2С (из этой марки стали изготовлена
подавляющая часть технологического оборудования ОАО «Газпром») до разрыва,
при этом фиксировались АЭ сигналы с момента приложения нагрузки до момента
разрыва образцов. Таким образом, определялись диагностические признаки
процесса разрушения, возможность и достоверность их регистрации АЭ
аппаратурой,
а
также
достаточность
совокупности
зарегистрированных
диагностических признаков для определения той или иной стадии процесса
разрушения объекта.
Сигналы АЭ регистрируются уже на стадии упругой деформации, что
свидетельствует о наличии и развитии дефектов в структуре образца с ростом
нагрузки при небольших напряжениях и появления зоны пластической
деформации на диаграмме, наличие которой обусловлено началом интенсивного
движения дислокаций, ведущее к образованию микротрещин (рис.1). По
характеру накопления сигналов АЭ надежно выделяются момент формирования и
дальнейшее
развитие
очага
макрораз-
рушения с локализацией его в зоне шейки
(плоские образцы) или искусственного концентратора (образцы с надрезом). Качественное различие процессов, происходящих в
материале образцов, иллюстрируется качественным изменением зависимостей различных параметров АЭ. Так, переход от упруРис 1. Результаты испытаний
гой к пластической деформации четко виден
образцов. 1-диаграмма растяжения
образца; 2-зависимость накопления по изменению характера графиков накоплесигналов АЭ от деформации; 3ния сигналов и активности АЭ (рис.1).
изменения амплитуды сигналов АЭ
Характерный всплеск АЭ наблюдается на
от деформации.
стадии пластической деформации, которая заканчивается макроразрывом образца.
Незадолго до макроразрушения появляются сигналы АЭ с большой амплитудой,
что
соответствует
формированию
укрупненных
трещин
и
подготовки
11
макроразрушения образца. Стандартное отклонение
амплитудного
распределения сигналов АЭ на упругом этапе находится в пределах 5,
практически не меняясь. На этапе пластической деформации оно имеет четкие
импульсные «броски» на 70 % в моменты, соответствующие процессам
образования шейки и разрушения образца.
В результате проведенных исследований на основании результатов АЭ
контроля автором сделаны следующие выводы:
1.
Выявлены характерные зависимости изменения параметров АЭ от нагрузки
при статическом нагружении образцов из стали 09Г2С. Результаты анализа
накопления сигналов АЭ показали, что процесс разрушения стальных образцов
состоит из двух стадий: первой, когда накопление трещин
развивается
квазистационарно и второй, имеющей ускоренный характер. Метод АЭ надежно
выявляет момент образования и контролирует стадию развития очага разрушения
(макротрещину)
независимо
от
наличия
или
отсутствия
концентратора
и
изменения
механических
напряжений в образце.
2.
Установлена
взаимосвязь
деформации
характеристик образца с параметрами АЭ в упругой, пластической зонах и зоне
макроразрушения образцов обоих типов. Активные источники АЭ четко
лоцируются в зоне формирования макрортрещины непосредственно в процессе
испытаний, что наблюдается на образцах обоих типов
3.
Методом АЭ можно выявлять и контролировать развитие двух важных для
эксплуатации оборудования процессов: начало пластической деформации, то есть
появление необратимой деформации (формирование микротрещин), а также
формирование и развитие очага разрушения. Оба процесса могут развиваться
локально
при
эксплуатационных
нагрузках,
и
привести
к
нарушению
работоспособности объекта.
4.
Результаты испытаний имеют значительную практическую ценность и могут
использоваться при разработке методик проведения контроля и при контроле
изделий, выполненных из данного материала.
Во второй серии экспериментов проводились циклические испытания
трубной системы (сваренных в единую плеть труб разного типоразмера),
12
изготовленной
из
стали
20
на испытательном стенде в НПО ЦКТИ
им. И.И. Ползунова. Испытания проводились в течение 100 000 циклов подъема и
сброса давления, а затем проводилось статическое нагружение этой же трубной
системы до разрыва. Данные трубы по марке и типоразмерам широко
применяются в энергетической и газотранспортной отраслях промышленности.
При испытаниях фиксировались АЭ сигналы с момента приложения
нагрузки до момента разрыва трубной системы. В данном эксперименте
изучалось также влияние сварных швов и искусственно созданных дефектов
(смещение кромок труб в сварных швах, перекос осей труб, поверхностные поры,
а также искусственные подрезы в сварных швах) на прочность конструкции.
На рис. 2а представлены типичные результаты
АЭ контроля при
циклическом нагружении.
Рис 2а. Зависимость активности и
амплитуды сигналов АЭ от числа
циклов при циклическом нагружении
макета трубопровода:1-зависимость
активности сигналов АЭ от числа
циклов; 2-зависимость средней
амплитуды сигналов АЭ от числа
циклов.
Зарегистрированы единичные сигналы
Рис.2б. Зависимость активности и
амплитуды сигналов АЭ при
статическом нагружении макета
трубопровода: 1-зависимость давления
от времени; 2-зависимость
активности сигналов АЭ от времени;
3-зависимость амплитуды сигналов АЭ
от времени.
АЭ. В целом по трубной системе
накопление сигналов равномерное, имеет линейную зависимость.Активность
источников АЭ невысокая, со временем практически не меняется, средние
интервалы между событиями примерно одинаковые. Все сигналы АЭ имеют
невысокую амплитуду (не критичный источник). Стандартное отклонение
амплитудного распределения сигналов находится в пределах 4 – 6, и практически
не меняется на всем этапе испытаний. Приведенная выше картина соответствует
квазистационарному, не меняющемуся за время испытаний развитию процесса
13
разрушения.
Локация
сигналов
АЭ указывает на то, что в основном
источники АЭ находятся в зоне искусственно созданных дефектов в трубной
системе. Совершенно другая картина представлена на рис. 2б - результаты
обработки данных АЭ контроля при статическом нагружении. Накопление
сигналов неравномерное, имеет ступенчатую зависимость, повторяющую график
подъема давления, причем наблюдается увеличение активности со временем. Это
говорит об изменении характера процесса разрушения – с квазистационарного в
режиме циклических испытаний на ускоряющийся в режиме статического
нагружения.
В
амплитудных
спектрах
появляются
сигналы
с
большой
амплитудой (70 – 90 дБ - критически активный источник). Стандартное
отклонение амплитудного распределения сигналов АЭ находится в пределах 4,5 –
7,5 и импульсно возрастает при подъеме давления, что соответствует процессу
развития трещинообразования с ростом нагрузки. Источники АЭ сигналов
лоцируются в зонах искусственно заложенных дефектов в сварных швах. В
некоторый момент времени число АЭ сигналов небольшой амплитуды в зоне
искусственного дефекта с максимальным концентратором резко возрастает,
характер изменения среднеквадратичного отклонения становится пульсирующим,
что свидетельствует о подрастании этого дефекта до сквозного и образовании
течи. В зоне сварного шва с максимальным по величине концентратором и
произошла разгерметизация трубопроводной системы. Подобные результаты
550
6
были получены и при спектральном
5
450
5
анализе сигналов АЭ, зарегистрирован-
MFr
4
350
300
3
250
200
2
150
100
1
50
4
Pressure, V
400
Д а в л е н и е , у с л .е д .
Median Frequency, kHz
Standard Deviation, mV
М еди ан н ая частота, кГц
С тан д артн ое о ткл о н ен и е
Pressure (0 - 250 atm)
Experiment 1
Static test
500
ных хронологически последовательно в
3
процессе испытаний при увеличении
2
степени
деформации.
1
Спектральный
StD
0
0
10
20
30
Время, мин.
40
анализ показал, что доминантные и
0
50
60
70
Time, min
медианные частоты АЭ сигналов в
Рис. 3. Зависимость доминантных и
медианных частот АЭ сигналов от
процессе деформирования трубной
нагрузки
системы с увеличением степени деформации смещаются в область более
высоких частот и находятся в основном в пределах 250-450кГц (рис.3), но перед
14
образованием
течи
наблюдается уменьшение доминантной и медианной
частоты сигналов АЭ.
По результатам испытаний на основании результатов метода АЭ сделаны
следующие выводы:
1. Получена информация о развитии дефектов и процесса разрушения при
циклическом и статическом испытаниях стандартных образцов и трубных систем.
Как и в случае испытаний плоских образцов, общее
протекание процесса
разрушения трубной системы, закономерности изменения АЭ параметров в
процессе
разрушения
подтверждают
результаты
ранее
проведенных
исследований.
2. Более того, как было отмечено ранее, процесс разрушения обнаруживается
на ранней стадии, а именно – уже на этапе статического нагружения при нагрузке
в 2.2 раза меньшей разрывной. Таким образом, подтверждается вывод, сделанный
автором в предыдущей части о принципиальной возможности проведения АЭ
контроля действующего оборудования, при котором становится возможным
обнаружить признаки развития опасного процесса разрушения на его ранней
стадии без причинения вреда действующему оборудованию. Так, процесс
развития дефекта, который впоследствии и привел к
макроразрушению, был
обнаружен задолго до него на стадии циклических испытаний по лоцируемым
активным источникам АЭ.
3. Проведение АЭ контроля трубных систем (трубных пучков теплообменного
оборудования) на рабочих режимах возможно. Вся необходимая для этого
информация фиксируется соответствующим АЭ оборудованием.
4. Максимальное давление, которое выдержала данная трубная система,
составило 55 МПа (более чем в 2 раза превышает рабочее давление в
промышленном прототипе - 25 МПа). Разрушение произошло по шву,
проваренному на треть толщины, что в реальных изделиях недопустимо.
5. Использованные в работе АЭ система и программные пакеты обработки
сигналов АЭ надежно выявляют источники АЭ как в основном металле труб, так
и в сварном шве, а такие естественные дефекты сварных швов как смещение
кромок, перекос осей труб, поверхностные поры не проявляли активности на всем
15
протяжении
испытаний,
поскольку, данные
дефекты
не
относятся
к
развивающимся (в отличии от зарождающихся микротрещин).
6. Результаты спектрального анализа сигналов АЭ, зарегистрированных в
процессе испытаний показали, что доминантные и медианные частоты АЭ
сигналов перед образованием макроразрушения (сквозного отверстия) смещаются
в область более низких частот.
7. На основе проведенных исследований по разрушению стальных образцов и
модели трубопроводной системы с одновременной регистрацией сигналов АЭ
были разработаны критерии оценки стадий разрушения по количественным
характеристикам сигналов АЭ (таблица 1), которые могут быть использованы для
оценки технического состояния реальных объектов.
Таблица 1 Критерии источников АЭ и стадии разрушения образца.
№
Критерии
Классификация Стадия разрушения
п/п
источника АЭ
источника АЭ
1
сигналов АЭ не
не выявлен
-
пассивный
первая
активный
первая
рост N и Аср с увеличением
повышенно
переход ко второй,
Рисп, 10 ≤ S < 14
активный
формирование очага
рост N и Аср с увеличением
критически
вторая, развитие очага
активный
и разрушение
зарегистрировано
2 нет роста N и Аср с увеличением
Рисп, S < 5
3 рост N и/или Аср с увеличением
Рисп , 5 ≤ S < 10
4
5
Рисп,
S ≥ 14
Примечания: Рисп – испытательное давление; N – число сигналов АЭ за
время наблюдения; Аср – средняя амплитуда АЭ сигнала; S – стандартное
отклонение амплитудного распределения сигналов АЭ
Третья
глава
посвящена
реализации
полученных
результатов
при
диагностике реальных объектов. Общепризнанным фактором, ограничивающим
срок службы любого изделия, считаются дефекты – подрезы, поры, шлаковые
включения, трещины. Однако степень опасности дефектов и их влияние на
16
техническое состояние оборудования различно, поскольку одни
дефекты
склонны к развитию это трещины и свищи, а другие же не развиваются под
нагрузкой, хотя и могут являться местом зарождения тех же трещин: поры,
забоины с острыми кромками и т.п. Из всех методов неразрушающего контроля
только метод АЭ может ответить на вопрос будет дефект развиваться или нет в
процессе эксплуатации, насколько он опасен и какое время изделие может
работать.
В диссертационной работе, полученные в лабораторных исследованиях
результаты были реализованы при диагностике различных реальных объектов
(пылеуловитель,
трубопроводы
автомобильных
газонаполнительных
компрессорных станций, аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа).
Приведем результаты по исследованию АВО газа.
По результатам АЭ контроля в одном из АВО газа, установленном на КС
«Надым», в 2004 году был выявлен критически активный источник АЭ, не
допускающий дальнейшую эксплуатацию АВО газа. Результаты АЭ контроля
входной камеры АВО газа представлены на рис.4 и рис.5.
Давление, МПа * 10-1
Давление, МПа * 10-1
Рис. 4. Распределение числа сигналов и средних амплитуд по давлению для зоны
контрольной точки № 5 АВО газа КС «Надым».
Надым Цех 7 № 8 локация
Наблюдается увеличение числа сигналов и
амплитуд по мере роста давления. Выявляется
четкая локализация источников АЭ в правой
нижней части камеры в зоне сварного шва
приварки штуцера Затем наличие недопустимого дефекта в шве было подтверждено
методом УЗК. Аппарат по результатам
длина, см
Ширина, м * 10 -2
технического диагностирования выведен из
Рис. 5. Результаты локации АЭ
эксплуатации. На основе результатов АЭ
сигналов на правой входной камере контроля
промышленных
объектов
и
АВО газа КС «Надым».
лабораторных исследований разрушения
высота,
Высота,
м см* 10-2
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
17
плоских образцов и трубопроводных систем
нами
были
разработаны
критерии оценки и сроки безопасной эксплуатации объектов на базе АЭ метода
(таблица 2).
Таблица 2 Критерии источников АЭ и рекомендуемые сроки назначения АЭК
№
п/
п
Критерии
источника АЭ
Классификация
Срок
Рекомендации
источника АЭ повторного
АЭК, лет
1
Сигналов АЭ не
Не выявлен
8
-
Пассивный
8
-
Активный
4
-
Повышенно
1
Ультразвуковой или
рентгеновский контроль (УЗК, РК)
зарегистрировано
2
Нет роста N и Аср с
увеличением Рисп, S < 5
3
Рост N и/или Аср с
увеличением Рисп , 5≤ S <10
4 Рост N и Аср с увеличением
Рисп,
10 ≤ S < 14
5 Рост N и Аср с увеличением
активный
Критически
Вывод из работы,
УЗК, РК
Рисп, S ≥ 14
активный
Ремонт или замена
Примечания: Рисп – испытательное давление; N – число сигналов АЭ за время
наблюдения; Аср – средняя амплитуда АЭ сигнала; S – среднеквадратичное
отклонение амплитуды АЭ сигнала.
По результатам данной работы разработана методика по техническому
-
диагностированию испарителя-теплообменника, которая прошла апробацию на
КС "Пуровская" и утверждена ОАО "Газпром".
Основные выводы (достижения)
1. Изучены закономерности изменения параметров АЭ при различных видах
нагружения стандартных образцов и трубных систем из конструкционных сталей
и установлено соответствие изменения этих параметров различным стадиям
развития разрушения.
2. Обнаружено, что сигналы и соответствующие этим сигналам дефекты типа
микротрещин, возникают уже на ранней стадии нагружения; их развитие,
локализация и ведет в конечном итоге к макроразрушению.
18
3. Спектральный и амплитудный анализ зависимости сигналов АЭ от
времени действия нагрузки и деформации позволил выявить прогностические
признаки перехода к макроразрушению.
4. Исходя из анализа кинетических закономерностей разрушения, проведена
оценка остаточного ресурса нагруженных образцов и трубных систем и на этой
основе показана реальная возможность продления срока их безопасной
эксплуатации.
5. Результаты проведенных исследований и их анализ позволили разработать
новую методику оценки работоспособности и продления срока службы
теплообменного оборудования ОАО «Газпром».
В Приложении приведен титульный лист «Инструкции по проведению
экспертного
технического
диагностирования
испарителя
пропана
Е01
производства фирмы «CREUSOT-LOIRE», утвержденной руководством ОАО
«Газпром» и согласованной надзорными органами.
Основное практическое применение результатов работы:
Полученные результаты могут использоваться при разработке новых и
пересмотре старых методических нормативных документов на проведение
диагностики действующего оборудования теплоэнергетической отрасли.
Предложено
заменить
проведение
гидравлических
испытаний
технологического оборудования ОАО «Газпром» в условиях Крайнего Севера на
проведение АЭ контроля при испытаниях объектов рабочей средой (природным
газом), что значительно сократит материальные и трудовые затраты.
Применение метода АЭ дает возможность вести надзор за состоянием
оборудования без вывода из эксплуатации, что позволит обеспечить безопасность
сложных дорогостоящих технологических процессов на самом высоком мировом
уровне.
Результаты диссертации опубликованы в следующих работах
В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:
1. Нагинаев К.Е. Акустико-эмиссионный метод регистрации трещинообразования
в реальных конструкциях / В.С. Куксенко, К.Е. Нагинаев, В.Н. Савельев и др. //
Деформация и разрушение материалов. – 2009. - №9, С.45 – 48.
19
В рецензируемых журналах из списка ВАК:
1. Нагинаев К.Е. Акустико-эмиссионный контроль трубопроводной модели при
циклическом и статическом нагружении / К.Е. Нагинаев, В.Н. Савельев //
Известия ВУЗов. Машиностроение. – 2007. - № 6 - С.54-58.
2.
Нагинаев
К.Е.
Акустико-эмиссионный
контроль
образцов
из
низколегированной стали при статическом нагружении / К.Е. Нагинаев, В.Н.
Савельев // Известия ВУЗов. Машиностроение. – 2007. - № 8. - С.61-66.
3. Нагинаев К.Е. Исследование разрушения конструкционных сталей и
обследование опасных производственных объектов методом акустической
эмиссии / В.Н. Савельев, К.Е. Нагинаев // Управление качеством в нефтегазовом
комплексе. – 2008. - № 2, С. 41 - 47.
Прочие публикации:
1. Нагинаев К.Е. Анализ существующих подходов к проблеме оценки остаточного
ресурса оборудования компрессорных станций / В.Г. Сидоренко, М.Б. Лапшин,
К.Е. Нагинаев и др. // Труды XX тематического семинара «Диагностика
оборудования и трубопроводов КС; - М. ИРЦ «Газпром». – 2001. - № 1 - С.25-37.
2. Нагинаев К.Е. Техническое диагностирование быстродействующих затворов
сосудов, работающих под давлением на КС / С.Ф. Жданов, А.В.Хороших, К.Е.
Нагинаев и др. // Труды XXI тематического семинара «Диагностика оборудования
и трубопроводов КС; - М. ИРЦ «Газпром», 2002. – Т.1 – С.124-128.
3. Нагинаев К.Е. Вопросы продления срока безопасной эксплуатации при
проведении экспертизы промышленной безопасности сосудов, работающих под
давлением на КС и ДКС ОАО «Газпром» / В. Г.Сидоренко, М.Б. Лапшин К.Е.
Нагинаев
и
др. //
Труды
XXII тематического
семинара «Диагностика
оборудования и трубопроводов КС; - М. ИРЦ «Газпром», 2003. – Т.2. – С.115-122.
4. Нагинаев К.Е. Техническое диагностирование оборудования ОАО «Газпром» /
К.Е.Нагинаев, В.Н. Савельев // Тезисы докладов 5 Всероссийской конференции
молодых
ученых,
специалистов
и
студентов
по
проблемам
газовой
промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», М.
РГУНГ им. И.М.Губкина, 2003. – С.162.
20
5.
Нагинаев
К.Е.
Акустико- эмиссионный
контроль
технологи-
ческого оборудования ОАО «Газпром» / К.Е.Нагинаев, В.Н. Савельев // Тезисы
докладов Х научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной
эксплуатации материалов»,- СПб. СПбГУНиПТ, 2004. - С.105-111.
6. Нагинаев К.Е. Особенности обследования аппаратов воздушного охлаждения
газа неразрушающими методами контроля / К.Е. Нагинаев, В.Н. Савельев //
Труды ХI научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной
эксплуатации материалов», СПб. СПбГУНиПТ, 2005. - С.118-124.
7. Нагинаев К.Е. Исследование разрушения конструкционных сталей методом
акустической эмиссии / В.С. Куксенко, К.Е. Нагинаев, В.Н. Савельев // Сборник
тезисов XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности
материалов», Самара, 2006. – С.14.
8. Нагинаев К.Е. Новая технология экспертного технического диагностирования
теплообменного корпусного оборудования на примере испарителя пропана Е01
производства фирмы «Creusot-Loire» (Франция) / К.Е. Нагинаев, М.Б. Лапшин
В.Н. Савельев и др. // Труды XXV тематического семинара «Диагностика
оборудования и трубопроводов КС; - М. ИРЦ «Газпром», - 2007. – Т.1. – C.215224.
9. Нагинаев К.Е. Акустико-эмиссионный метод диагностики конструкций / В.С.
Куксенко, К.Е. Нагинаев, В.Н. Савельев // Тезисы докладов 4 Евразийской
научно-технической конференции «Прочность неоднородных структур», М.
МИСиС, 2008. - С.177.
10. Нагинаев К.Е. Исследование разрушения конструкционных сталей и
обследование опасных объектов методом акустической эмиссии / К.Е. Нагинаев,
В.Н. Савельев //Материалы Научно-технической конференции «Акустическая
эмиссия. Достижения в теории и практике», М. РИСКОМ, 2008. – С.136-137.
11. Нагинаев К.Е. Исследование разрушения конструкционных сталей и
обследование оборудования опасных производственных объектов методом
акустической эмиссии / К.Е. Нагинаев, В.Н. Савельев // Тезисы докладов VIII
Международной
школы-семинара
«Физические
разрушения горных пород», СПб – 2010.- С.73.
основы
прогнозирования
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа