УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ТРУБОПРОВОДОВ
ULTRASONIC METHOD FOR DETERMINATION OF RESIDUAL STRESSES IN WELDED JOINTS OF PIPELINES

Изобретение относится к области неразрушающего контроля конструкционных материалов и может быть использовано для определения остаточных механических напряжений в сварных соединениях трубопроводов.
1
2
3
1
1
3
2
2
3
Известен ультразвуковой способ определения осевых механических напряжений в трубопроводах (Патент РФ 2192634). В исследуемой зоне трубопровода с помощью пьезоэлектрических преобразователей возбуждают ультразвуковые импульсы поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, эхо-методом определяют времена задержки этих импульсов t и t, в той же зоне возбуждают ультразвуковые импульсы продольной волны и определяют время задержки t, затем определяют отношения задержек импульсов поперечных волн к задержке импульса продольной волны d=t/t и d=t/t. Кольцевое напряжение определяют по формуле
где Р - давление в зоне измерений, D - внутренний диаметр трубопровода, Н - толщина стенки трубопровода.
Измерения проводят при двух значениях давления в трубе, после чего получают математически определенную систему с тремя неизвестными из трех уравнений:
1
2
где  - неизвестное, осевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления,  - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при первом значении давления,  - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе при втором значении давления, K и K - коэффициенты упругоакустической связи,  и  - неизвестные, отношения задержек импульсов поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы соответственно, к задержке импульсов продольных волн в материале трубопровода без напряжений,  и  - отношения задержек импульсов поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы соответственно, к задержке импульсов продольных волн в материале трубопровода при первом значении давления,  и  - отношения задержек импульсов поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы соответственно, к задержке импульсов продольных волн в материале трубопровода при втором значении давления.
Систему уравнений (2) решают аналитически или численно и определяют осевое механическое напряжение  в трубопроводе. Недостатки данного способа заключаются в том, что требуется изменять давление в трубопроводе, кольцевое напряжение считается зависящим только от давления.
01
02
03
1
2
3
Известен способ определения двухосных механических напряжений в трубопроводе (ГОСТ Р 52890-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования.), заключающийся в том, что эхо-методом на ненагруженном трубопроводе проводят измерения начальных задержек ультразвуковых импульсов поперечных и продольных волн t, t и t, на нагруженном объекте проводят измерения текущих задержек ультразвуковых импульсов поперечных и продольных волн t, t и t, с помощью которых вычисляют механические напряжения:
1
2
1
2
где σ - осевое механическое напряжение в трубопроводе, σ - кольцевое механическое напряжение в трубопроводе, K и K - коэффициенты упругоакустической связи.
Недостатком этого способа является необходимость проведения измерений в ненагруженном объекте, то есть реализация способа требует разгружения объекта.
Известен ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в объеме обода цельнокатаного колеса (Гост Р 54093-2010. Колеса железнодорожного подвижного состава. Методы определения остаточных напряжений), заключающийся в измерении относительной разности времен распространения поперечных волн. Относительная разность времен распространения поперечных волн, одна из которых поляризована в радиальном, а другая в тангенциальном направлении, прямо пропорциональна разности остаточных напряжений, действующих в этих двух направлениях:
танг
рад
танг
paд
где σ и σ - остаточные напряжения в тангенциальном и радиальном направлениях, t и t - времена распространения поперечных волн, поляризованных в тангенциальном и радиальном направлениях, K - коэффициент упругоакустической связи.
Для получения эпюры распределения остаточных напряжений измерения выполняют в нескольких точках. Данное техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, принято за прототип. Недостатком прототипа является то, что при использовании данного способа не учитывается влияние текстуры материала на измеряемые времена распространения поперечных волн, что приводит к значительным погрешностям определения напряжений.
31
32
31
32
Задачей предлагаемого изобретения является оценка остаточных напряжений в кольцевом сварном соединении трубопровода без проведения разгружения материала. Технический результат - определение распределения разности осевого и кольцевого остаточных напряжений на исследуемом участке трубопровода вблизи сварного стыка в режиме, не требующем разгрузки конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что на исследуемом участке трубопровода, прилегающем к кольцевому сварному шву, получают распределения коэффициентов Пуассона ν и ν вдоль оси трубопровода. Для этого в каждой зоне эхо-методом измеряют времена распространения импульсов продольной волны и поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек оси трубы, и рассчитывают значения коэффициентов Пуассона ν и ν по следующим формулам:
1
2
3
1
2
3
где V и V - скорости поперечных волн, поляризованных вдоль соответствующих осей ортотропного материала, V - скорость продольной волны, t и t - времена распространения поперечных волн, t - время распространения продольной волны.
31
3
1
32
3
2
31
32
Коэффициент ν характеризует величину деформации в направлении n от напряжения σ, коэффициент ν характеризует величину деформации в направлении n от напряжения σ. Для изотропного материала ν=ν.
31
32
Для ортотропного материала в плоском напряженном состоянии получены следующие зависимости коэффициентов Пуассона ν и ν от напряжений:
1
2
031
032
ij
где σ и σ - соответственно осевое и кольцевое напряжения, ν и ν - значения коэффициентов Пуассона в материале трубопровода без остаточных напряжений, m - коэффициенты, выражаемые через упругие модули второго и третьего порядков.
ij
Коэффициенты m определяют в результате акустомеханических испытаний образцов.
031
032
При отсутствии остаточных напряжений в материале между коэффициентами Пуассона ν и ν существует линейная зависимость:
где B и Q- коэффициенты.
031
032
Из системы уравнений (6) с учетом зависимости (7) можно исключить неизвестные величины ν и ν:
Для оценки напряжений может быть использован параметр δν:
1
2
1
2
Определение коэффициентов с и с для образцов из трубных сталей 15, 20, 15Г2СФ, 09Г2С показало, что они отличаются знаком и фактически равны по абсолютной величине даже для сильно текстурованного материала с существенной анизотропией упругих свойств. С учетом значений с и с из (8) и (9) получается простая формула для оценки разности главных напряжений:
ν
ν
где k - коэффициент. Значения коэффициента k для исследованных сталей лежат в диапазоне 200÷240 ГПа.
Погрешность оценивается с помощью следующего соотношения:
ν
ν
где Δδν и Δk - погрешности определения параметра δν и коэффициента k соответственно.
31
32
31
32
1
2
Предлагаемый способ прошел апробацию в полевых условиях при исследовании остаточных сварочных напряжений в трубе газопровода из стали 09Г2С. В результате ультразвуковых исследований получили распределения коэффициентов Пуассона ν и ν вдоль оси трубы, фиг. 1. Построили корреляционное поле {ν; ν}, фиг. 2. Белые точки на фиг. 1 и фиг. 2 соответствуют зонам, в которых σ≈0; σ≈0.
ν
2
1
ν
В результате регрессионного анализа получили коэффициенты линейной зависимости, показанной на фиг. 2: B=0.7701, Q=0.0967. Далее для каждой зоны по формуле (9) вычислили параметр δ. Значение разности главных напряжений σ - σ в каждой зоне оценили по формуле (10) при k=210±14 ГПа, построили распределение разности остаточных напряжений в трубе, фиг. 3.
Наибольшая абсолютная погрешность составила 34 МПа при значении разности напряжений 262 МПа. Измеренные с помощью ультразвука напряжения являются средними по толщине материала.