Применение метода мультифрактальной параметризации при оценке остаточного ресурса магистральных трубопроводов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ

УДК 620.17, 620.18

A. С. Сильвестров, А. Д. Анваров, Е. И. Николаев,

B. А. Булкин

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОЙ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ

ПРИ ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Ключевые слова: неразрушающий контроль, магистральные трубопроводы, металлография,

мультифрактальная параметризация.

Статья затрагивает проблемы и сложные моменты, возникающие при оценке остаточного ресурса безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов. Предлагается решение на базе устройства СО-МФ-1 в целях установления соответствия между характером деформаций и мультифрактальными параметрами металлографической структуры.

Keywords: nondestructive control, trunk pipeline, metallography, multifractal parametrization.

Article mentions problems and the difficult moments arising at a mark of a residual resource of safe operation of the main pipelines. The decision on the basis of device SO-MF-1 with a view of a conformity establishment between character of deformations and multifractal parameters of metallographic structures is offered.

Степень влияния дефектов

Оценка остаточного ресурса и прогнозирование сроков безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов осложнена сложным характером возникновения и развития дефектов в условиях совместного воздействия коррозионных сред и длительных нагрузок. Из-за наличия дефектов, разрушения трубопроводов происходят, в ряде случаев, при напряжениях, значительно меньших предельных значений.

В целях повышения достоверности оценки ресурса, вновь разрабатываемые методики должны базироваться на реальной картине поврежденности металла, которые в свою очередь повышают требования к существующим методикам оценки состояния материала магистральных трубопроводов и требуют глубокого анализа процессов разрушения и структурного изменения металла в процессе эксплуатации.

Структурные критерии конструкционной прочности и ресурса пластичности

При растяжении металла в области деформационного упрочнения образуются, и с увеличением деформации накапливаются микроразрушения - происходит процесс деструкции материала. Деструкция носит стадийный характер по отношению к механизму и степени развития и накопления микроразрушений. Установлено, что в стадии микропо-

вреждаемости величина остаточной деформации для разных металлов различна и существенно отличается [1]. Напряжение и деформация, характеризующие деструкцию, определяются экспериментально путем одноосного растяжения образца металла, позволяют оценить конструкционную прочность и ресурс пластичности.

Стадийный характер разрушения

Согласно источнику [2], в котором была детально изучена стадийность формирования картины множественного разрушения, был проведен ряд исследований, результат которых показал, что в процессе нагружения плотность дислокаций и средняя длина микротрещин в пластической зоне растут, достигая своих максимальных значений, а значения концентрационного критерия снижается.

На основе анализа изменения критериев множественного разрушения выделены четыре основные стадии процесса накопления повреждений на этапе зарождения макротрещины и ее роста в малоуглеродистой стали:

- стадия 1 - образование пластической зоны в вершине надреза образца;

- стадия 2 - накопление микротрещин размером 4...5 мкм в зоне пластической деформации;

- стадия 3 - слияние микротрещин;

- стадия 4 - локализованное разрушение, в начале которой в вершине надреза формируется макротрещина и вторичная пластическая зона в ее вершине.

Роль поверхности

При оценке остаточного ресурса необходимо также учитывать существенное влияние свойств поверхностных слоев. Так, на образцах с различных участков магистральных трубопроводов из стали 09Г2С была проведена серия экспериментов. Анализировалась как внутренняя, так и наружная сторона стенки образцов. Одной из целей исследований также являлось определение эффективной глубины подготовки образца (металлографического шлифа). Для этого на поверхностях образца были подготовлены площадки с различной глубиной удаления от поверхности (100, 200, 300, 400, 700, 1000 и 2000 мкм). На каждой из них была выявлена металлографическая структура и проведен ее мультифрактальный анализ.

Результаты мультифрактального анализа приведены на рис.1 (а,б).

Рис. 1 - Распределение параметров упорядоченности (D1-D200) (а) и однородности (F200) (б) на различном удалении от наружной поверхности.

Как видно из графиков, мультифрактальные параметры вблизи поверхности на глубине до 500 мкм фиксируют наличие некоего шума, связанного, по-видимому, с влиянием всевозможных поверхностных дефектов.

Таким образом, считаем, что эффективная глубина исследований лежит в диапазоне 500-2000мкм, глубже 2000мкм исследовать нет смысла вследствие чрезмерного уменьшения толщины стенки трубопровода, то есть метод перестанет быть неразрушающим.

Способ решения

Для оценки остаточного ресурса трубопровода посредством установления соотношения между характером деформаций и мультифрактальными параметрами металлографической структуры нами предложен образец СО-МФ-1 (положительное решение о выдаче патента на заявку №2010127004). Возможность установления подобной взаимосвязи была продемонстрирована в работе [3].

СО-МФ-1 выполнен в виде прямоугольной пластины из металла идентичного материалу контролируемого трубопровода, содержит захватные 1 и рабочую 2 части (рис. 2). В рабочей части образца выполнены вырезы с радиусом К, симметрично расположенные относительно продольной оси, образующие перешеек. Радиус Я и минимальная ширина перешейка а определяются расчетным путем по соотношениям напряжений в точках на продольной оси, соответствующими пределу прочности в минимальном сечении перешейка и упругой деформации металла в начале выреза.

Рис. 2 - Устройство СО-МФ-1. Вид из программы Ашув

Приложением растягивающих нагрузок определяются деформационно-прочностные характеристики металла, по которым рассчитываются характерные точки, соответствующие определенным стадиям микроповреждаемости: от состояния упругой деформации до разрыва. В этих характерных точках снимают изображение металлографической структуры, по которой рассчитываются значения мультифрактальных параметров: однородность и упорядоченность. Таким образом, устанавливается соответствие между значениями муль-тифрактальных параметров и деформационно-прочностными характеристиками.

7ГО

В процессе определения остаточного ресурса трубопровода производится съемка структуры металла на исследуемом участке и расчет его мультифрактальных параметров. По изменению мультифрактальных параметров определяются деформационно-прочностные характеристики металла трубопровода, по которым производится расчет остаточного ресурса трубопровода известными методами.

Преимуществом рассмотренного метода определения остаточного ресурса магистральных трубопроводов является то, что в условиях эксплуатации фактические механические характеристики металла определяются неразрушающим методом, поскольку характеристики по ГОСТ могут существенно отличаться от них.

Литература

1. Махутов, Н.А. Прочность, ресурс, живучесть и безопасность машин / Н.А. Махутов и др. -М.:URSS, 2008, 213 с.

2. Ботвина, Л.Р. Разрушение: кинетика, механизмы, общие закономерности / Л.Р. Ботвина. - М.: Наука, 2008. - С. 23-24.

3. Анваров, А.Д. Возможность идентификации механических свойств металла оборудования химических производств при экспертизе промышленной безопасности на базе метода мультифрак-тальной параметризации / А.Д. Анваров, А.С. Маминов, В.А. Булкин, Г.В. Встовский / Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - №1. - С.77-82.

© А. С. Сильвестров - асп. КГТУ; А. Д. Анваров - канд. техн. наук, вед. инж. ОТЭ «СХПП»; Е. И. Николаев - канд. техн. наук, доц. КГТУ (КАИ)» В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. КГТУ, Ьи1кт_у_а @таП.ги.