СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
METHOD OF DETERMINING TANGENTIAL STRESS IN STEEL PIPELINES

Изобретение относится к области оценки технического состояния трубопроводов и может быть использовано для определения касательных напряжений в стальных трубопроводах надземной прокладки.
Известен способ определения напряженного состояния стальных конструкций, согласно которому растягивают образец материала, вырезанного из материала, аналогичного материалу конструкции, в процессе растяжения измеряют коэрцитивную силу. Получают зависимость коэрцитивной силы от приложенного напряжения для данного материала. Затем проводят измерения коэрцитивной силы металла конструкции и определяют напряженное состояние с помощью полученной зависимости (В.Ф.Мужицкий, Б.Е.Попов, Г.Я.Безлюдько. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций подъемных сооружений и сосудов, работающих под давлением. // Дефектоскопия. - 2001. - №1. - С.38 - 46).
Известен способ определения напряжений, основанный на получении при растяжении образцов металла с различной деградацией структуры, зависимостей анизотропии коэрцитивной силы от растягивающих напряжений в образцах и оценке напряжений в конструкции с помощью полученных зависимостей с учетом фактической структуры металла (патент РФ №2281468, опубл. 10.08.2006 г.).
Недостатками известных способов являются:
1. Значительная погрешность определения напряжений (около 30-40%), обусловленная тем, что при испытании образцов металла на растяжение происходит поперечная деформация сжатия, которая в значительной степени влияет на измеряемую коэрцитивную силу и, соответственно, на построенную зависимость.
2. Невозможность определять напряжения при сложнонапряженном состоянии металла конструкции, например осевые, кольцевые и касательные напряжения в стенках трубопроводов.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения механических напряжений в стальных трубопроводах, включающий изготовление образца в виде полого цилиндра из материала, аналогичного материалу конструкции, нагружение образца созданием в нем избыточного внутреннего давления жидкой или газовой среды или его изгибом, получение зависимости коэрцитивной силы от величины напряжений в образце. Далее измеряют коэрцитивную силу действующего трубопровода и определяют его напряженное состояние с помощью полученной зависимости (патент РФ №2439530, опубл. 10.01.2012 г.).
К недостаткам способа относят невозможность определять касательные напряжения в стенках трубопроводов.
Технической задачей изобретения является расширение возможностей способа, а именно возможности определения касательных напряжений в стенках трубопроводов.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения касательных напряжений в стальных трубопроводах, включающем изготовление образца в виде полого цилиндра из материала, аналогичного материалу конструкции, пошаговое нагружение образца, измерение показателей коэрцитивной силы на каждом шаге нагружения, с определенной ориентацией магнитного потока, формируемого в датчике коэрцитиметра, относительно образца, получение зависимости показателей коэрцитивной силы от величины напряжений в образце, измерение показателей коэрцитивной силы металла конструкции, определение величины напряжения с помощью полученной зависимости, согласно изобретению в образце создают касательные напряжения путем приложения к нему крутящего момента, коэрцитивную силу измеряют вдоль оси образца или трубопровода дважды, ориентируя магнитный поток в противоположных направлениях, при этом для определения напряжений в качестве показателя коэрцитивной силы принимают модуль разности измеренных значений коэрцитивной силы.
На чертеже представлена зависимость модуля разности значений коэрцитивной силы, измеренных вдоль оси трубопровода в двух взаимно противоположных направлениях |ΔН| от касательных напряжений τ в образце.
Приведены результаты определения касательных напряжений по результатам измерения коэрцитивной силы в контрольных точках.
Способ реализуют следующим образом.
Изготавливают цилиндрический полый образец металла из материала, аналогичного материалу трубопровода, напряженное состояние которого необходимо определить. Один конец образца жестко закрепляют, к другому - прикладывают крутящий момент для создания касательных напряжений в образце, например, при помощи рычага и грузов.
Касательные напряжения пошагово увеличивают. Для каждого шага нагружения определяют напряжения в образце расчетным или другим способом, например, с помощью электротензоизмерений.
На каждом шаге нагружения измеряют коэрцитивную силу, при этом магнитный поток датчика коэрцитиметра ориентируют вдоль оси образца. Измерения выполняют дважды во взаимно противоположных направлениях. Строят зависимость модуля разности значений коэрцитивной силы |ΔН| от касательных напряжений τ в образце (см. чертеж).
Дважды измеряют коэрцитивную силу металла конструкции, ориентируя датчик вдоль оси во взаимно противоположных направлениях.
Определяют касательные напряжения с помощью полученной зависимости.
Пример
Необходимо определить касательные напряжения в надземных трубопроводах газа компрессорной станции, которые могут быть вызваны перемещением подземного коллектора в результате подвижек грунта. Трубопровод выполнен из труб марки стали 17Г1С. Диаметр трубопровода 530 мм, толщина стенки трубы 10 мм. При помощи токарного станка из бесшовной трубы марки, выполненной из стали 17Г1С, изготавливают образец - полый цилиндр в масштабе 1:5 к реальному трубопроводу (диаметр образца 106 мм, толщина стенки 2 мм). Длина образца 1 м.
Монтируют электротензорезисторы на образце под углом 45 град относительно оси образца для измерения касательных напряжений.
Один конец образца жестко фиксируют, ко второму концу образца прикрепляют рычаг длиной 1 м. На конец рычага устанавливают грузы различной массы. Создают пошагово касательные напряжения с шагом 4,0 МПа, которые измеряют электротензорезисторами, вплоть до создания касательных напряжений 132 МПа.
На каждом шаге испытания дважды измеряют коэрцитивную силу стенки образца, ориентируя датчик коэрцитиметра вдоль оси образца: при первом измерении магнитный поток датчика коэрцитиметра направлен на рычаг, при втором - на защемленный конец образца.
Строят график зависимости модуля разности двух измеренных значений коэрцитивной силы от касательных напряжений (см. чертеж).
На контролируемом трубопроводе компрессорной станции определяют сечение, в котором необходимо провести определение касательных напряжений, отмечают три контрольные точки. Вследствие того, что касательные напряжения теоретически одинаковы по сечению трубопровода, то касательные напряжения, определяемые в контрольных точках должны быть также равны с учетом погрешности.
Фрагментарно удаляют тепло-, вибро- и шумоизоляцию с поверхности трубы в месте измерения на протяженности 0,5 м.
В каждой из контрольных точек дважды измеряют коэрцитивную силу металла трубопровода, устанавливая датчик коэрцитиметра вдоль оси трубопровода, ориентируя магнитный поток, создаваемый датчиком коэрцитиметра во взаимно противоположные стороны. Первое измерение выполняют таким образом, чтобы магнитный поток был направлен по ходу газа, второе - в противоположном направлении. Рассчитывают модуль разности измеряемых значений коэрцитивной силы.
Результаты измерения представлены в таблице
Номер
Значение
Значение
Модуль разности значений
точки
коэрцитивной
коэрцитивной
коэрцитивной силы,
измерения
силы,
силы,
измеренных вдоль оси
измеренной по
измеренной
трубопровода в двух взаимно
ходу газа,
против хода
противоположных
А/м
газа, А/м
направлениях, А/м
1
360
460
100
2
280
400
120
3
350
435
85
По полученной зависимости (см. чертеж) определяют, что касательные напряжения в выбранном сечении трубопровода составляют 120±10 МПа.