Способ определения срока безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов
METHOD FOR DETERMINATION OF SAFE OPERATION PERIOD OF FIBERGLASS PIPELINES

Изобретение относится к способам диагностирования методом неразрушающего контроля строительных материалов, в частности к средствам неразрушающего контроля, основанного на анализе сигналов акустической эмиссии, и может найти применение при определении срока безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов.
Известен способ определения срока службы трубопровода (СТО Газпром 2-3.5-252-2008 Методика продления срока безопасной эксплуатации магистральных газопроводов ОАО «Газпром»), в основу которого заложен расчет скорости коррозии коррозионных дефектов, выявленных при техническом диагностировании трубопровода, и максимально допустимого утонения стенки трубы.
Недостатком известного способа является то, что оценивается срок службы отдельных труб (фактически срок безопасной эксплуатации по коррозионному состоянию), а срок службы трубопровода в целом не определяется.
Также известен способ определения срока службы трубопровода (Василевич А.В., Городниченко В.И. Оценка остаточного ресурса газопровода по результатам технического диагностирования // «Газовая промышленность» №10, 2007), позволяющий по результатам технического диагностирования в зависимости от объемов планируемого ремонта оценить его остаточный ресурс. Этот способ учитывает особенности переменного режима нагружения трубопровода в эксплуатации, результаты технического диагностирования и оценки напряженно-деформированного состояния на участках трубопровода, находящихся в непроектном положении. В основу методики положена оценка поврежденности трубопровода как функции времени эксплуатации. Поврежденность трубопровода представляет собой функцию времени, характеризующую процесс накопления повреждений в трубопроводе. Нулевое значение функции соответствует началу эксплуатации трубопровода, а единица -  моменту наступления предельного состояния в соответствии с ГОСТ Р 27.002-2009 Надежность в технике. Термины и определения. Поврежденность трубопровода включает поврежденность от действия переменных эксплуатационных нагрузок и поврежденность от дефектов или повышенного уровня напряжений в номинальном сечении трубы.
Недостатком данного способа определения технического состояния трубопровода является то, что его нельзя распространить на трубопроводы, не оборудованные камерами запуска и приема внутритрубного диагностического оборудования, так как на этих трубопроводах техническое диагностирование по всей протяженности трасс с целью выявления дефектов стенки трубы не проводится, а выполняется только выборочный неразрушающий контроль трубопроводов в шурфах. Следовательно, применение данного способа определения срока службы к трубопроводам, не оборудованных камерами запуска и приема внутритрубного диагностического оборудования, для ограниченного объема данных, полученных по результатам неразрушающего контроля в шурфах, даст завышенные оценки срока службы трубопровода.
Также известен способ акустико-эмиссионного контроля электропроводящего изделия (Патент RU № 2315993, МПК G01N 29/14, опубл. 27.01.2008 г., бюл. № 3), в соответствии с которым осуществляют подвод тока к изделию, увеличивают плотность тока до возникновения непрерывной акустической эмиссии, после чего определяют характерную прочность изделия, при этом используют значение плотности тока в момент перехода непрерывной акустической эмиссии в дискретную акустическую эмиссию при уменьшении тока.
Недостатком способа является возможность контроля только электропроводящих изделий, обусловленная способом возбуждения акустической эмиссии.
dc
dc
dc
dc
dc
Также известен способ акустико-эмиссионного контроля композиционных материалов (Патент RU № 2471180, МПК G01N 29/14, опубл. 27.12.2012 г., бюл. № 36), включающий регистрацию первичной акустико-эмиссионной информации в полосе частот 20…200 кГц, классификацию дискретной и непрерывной акустической эмиссии, усреднение активности акустической эмиссии и вычисление скалярного критерия, причем первичная акустико-эмиссионная информация регистрируется в процессе нагружения объекта исследования, представляющего собой образец-кубик размером 20×20×20 мм, причем нагружение выполняется при постоянной скорости линейной деформации 5 мкм/с, при этом нагружение прекращают при достижении времени 1,1 t, где t - момент начала регистрации непрерывной акустической эмиссии, классификацию дискретной и непрерывной акустической эмиссии выполняют управляющей программой, после чего выполняют усреднение активности акустической эмиссии по времени от 0 до 0,8 t и от 0,8 t до t, скалярный критерий вычисляют как произведение четырех на отношение второго среднего к первому, заключение о степени опасности дефектов материала выполняют на основе сравнения полученного безразмерного скалярного критерия с единицей, при этом дефекты классифицируются как опасные в том случае, если значение критерия меньше единицы.
Недостатком данного метода является то, что при нагружении объекта исследования используют образцы размером 20×20×20 мм, что не позволяет получить точные результаты при проведении акустико-эмиссионного контроля композиционных материалов.
Наиболее близким является способ проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов (Гостехнадзор России, Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов ПБ 03-593-03, г. Москва, ПИО ОБТ, 2003 г.), включающий предварительное изучение объекта контроля – трубопровода, установку на поверхность трубопровода преобразователей акустической эмиссии, использование при контроле технологических трубопроводов низкую частоту - в диапазоне 10 - 60 кГц и более высокую - в диапазоне 100 - 500 кГц, проведение измерений не менее пяти раз и вычисление скорости распространения сигналов акустической эмиссии, плавное ступенчатое нагружение давлением на уровне 0,5*Рраб, 0,75*Рраб, 1,0*Рисп и Рисп, гдеРраб- разрешенное рабочее давление, Рисп - испытательное давление, проведение контроля, накопление и обработка данных, оценка результатов контроля классификацией источников акустической эмиссии на источник I класса - пассивный источник, источник II класса - активный источник, источник III класса - критически активный источник, источник IV класса - катастрофически активный источник.
Недостатком способа является то, что оцениваются источники класса опасности стальных трубопроводов и не позволяют оценивать классы опасности стеклопластиковых трубопроводов, к тому же виды дефектов и срок службы трубопроводов в целом не определяются.
Техническими задачами являются определение остаточного ресурса и срока безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов путем обнаружения характерных дефектов и их локализации, а также путем классификации дефектов.
Технические задачи решаются способом определения срока безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов, включающим предварительное изучение объекта контроля – трубопровода, установку на поверхность трубопровода преобразователей акустической эмиссии, проведение контроля плавным ступенчатым нагружением давления на уровне 0,5*Рраб, 0,75*Рраб, 1,0*Рисп и Рисп, где Рраб - разрешенное рабочее давление, Рисп - испытательное давление, вычисление скорости распространения сигналов акустической эмиссии, накопление, обработка и анализ данных, оценка результатов контроля классификацией источников акустической эмиссии на источник I класса - пассивный источник, источник II класса - активный источник, источник III класса - критически активный источник, источник IV класса - катастрофически активный источник.
Новым является то, что при проведении контроля стеклопластиковых трубопроводов используют низкую частоту - в диапазоне 40 - 80 кГц и более высокую - в диапазоне 100 - 200 кГц, а измерения проводят с временем выдержки на промежуточных ступенях продолжительностью 6 мин, после оценки результатов контроля классификацией источников акустической эмиссии определяют срок безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов в зависимости от выявленного источника акустической эмиссии, при выявлении источника I класса срок безопасной эксплуатации определяют равным от 5,1 до 10 лет, при выявлении источника II класса срок безопасной эксплуатации определяют равным от 1,1 года до 5 лет, при выявлении источника III класса срок безопасной эксплуатации определяют равным не более 1 года, при выявлении источника IV класса рекомендуют немедленный вывод трубопровода из эксплуатации и замену поврежденных участков трубопровода.
Способ определения срока безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов осуществляют следующим образом.
Метод акустической эмиссии (АЭ) из всех методов неразрушающего контроля является наиболее соответствующим задаче диагностирования стеклопластиковых трубопроводов. Данный метод позволяет выявлять широкий спектр типов дефектов для контроля объектов из композитных материалов, в частности, стеклопластиковых трубопроводов. Дефекты стеклопластиковых трубопроводов возникают как в процессе изготовления объектов, так и в процессе их эксплуатации вследствие напряжений, возникающих при воздействии давления среды, циклических нагрузок, изгибающих воздействий при прокладке, сезонном движении грунта и других внешних факторов, включая повреждающие воздействия.
Перед проведением АЭ контроля тщательно изучают объект контроля - стеклопластиковый трубопровод с целью получения данных для разработки конкретной технологии АЭ контроля данного объекта, для выявления максимально действующего давления или нагрузке в течение последнего года эксплуатации, об испытательном давлении.
Затем на поверхность трубопровода устанавливают преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) и перемещают (через 0,5 м) имитатор АЭ по линии в направлении от ПАЭ на расстояние не менее 3 м. Каждый ПАЭ должен быть установлен непосредственно на поверхность трубопровода, при этом должен быть обеспечен надежный акустический контакт между ПАЭ и поверхностью трубы. Поверхность трубы, контактирующая с ПАЭ, должна быть чистой и свободной от твердых частиц. Проводят контроль АЭ плавным ступенчатым нагружением давления на уровне 0,5*Рраб, 0,75*Рраб, 1,0*Рисп и Рисп, гдеРраб- разрешенное рабочее давление, Рисп - испытательное давление. При проведении контроля стеклопластиковых трубопроводов используют низкую частоту - в диапазоне 40 - 80 кГц и более высокую - в диапазоне 100 - 200 кГц. Измерения проводят с временем выдержки на промежуточных ступенях продолжительностью 6 мин. Вычисляют скорость распространения сигналов акустической эмиссии.
В ходе испытаний постоянно следят за развитием ситуации, наблюдая обзорную картину АЭ активности испытываемого трубопровода на дисплее компьютера. При этом фиксируют текущее время и время после начала испытаний, число АЭ событий, амплитуду, энергию, длительность и время нарастания каждого АЭ события, осциллограммы сигналов АЭ, другие параметры, характеризующие динамику процесса АЭ контроля объекта. После выполнения контроля объекта - стеклопластикового трубопровода осуществляют накопление, обработку и анализ данных в полном объеме. Случаи возникновения механических шумов от посторонних объектов должны регистрироваться в рабочем журнале и учитываться при обработке информации. Испытания прекращают досрочно в случае выявления источника АЭ IV класса или нарушения герметичности трубопровода. Давление из трубопровода сбрасывают, испытание либо прекращают, либо выясняют источник АЭ и оценивают безопасность дальнейшего проведения испытаний. Выполняют оценку результатов контроля классификацией источников акустической эмиссии на источник I класса - пассивный источник, источник II класса - активный источник, источник III класса - критически активный источник, источник IV класса - катастрофически активный источник.
Источники АЭ классифицируют следующим образом:
- источник I класса - пассивный источник, соответствующий I стадии деградации – отслаиванию отдельных армирующих волокон от связующей матрицы, источник, активность которого не превышает 10 имп./с, либо находится в диапазоне от 10 до 100 имп./с, но не растет по мере увеличения нагрузки, либо наличие событий АЭ с амплитудой до 75 дБ;
- источник II класса - активный источник, соответствующий II стадии деградации – образованию и развитию макротрещин в связующей матрице, активность акустической эмиссии от 10 до 100 имп./с, растущая по мере увеличения нагрузки, либо наличие событий АЭ с амплитудой от 75 до 80 дБ;
- источник III класса - критически активный источник, соответствующий III стадии деградации - массовому разрыву армирующих волокон, активность акустической эмиссии, превышающая 100 имп./с, либо наличие событий АЭ с амплитудой от 80 до 90 дБ;
- источник IV класса - катастрофически активный источник, соответствующий IV стадии деградации, расслоению многослойного пакета композита и разрушению его слоев, выявленное падение давления, наличие непрерывной акустической эмиссии, либо наличие событий АЭ с амплитудой выше 90 дБ.
После оценки результатов контроля классификацией источников акустической эмиссии определяют срок безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов в зависимости от выявленного источника акустической эмиссии I - IV класса. При выявлении источника I класса срок безопасной эксплуатации определяют равным  от 5,1 до 10 лет, но в пределах установленного ТУ-2296-001-30372160-2016 срока эксплуатации трубопровода. При выявлении источника II класса срок безопасной эксплуатации определяют равным  от 1,1 года до 5 лет, но в пределах установленного ТУ-2296-001-30372160-2016 срока эксплуатации трубопровода, при выявлении источника III класса срок безопасной эксплуатации определяют равным не более 1 году, но в пределах установленного ТУ-2296-001-30372160-2016 срока эксплуатации трубопровода, при выявлении источника IV класса рекомендуют немедленный вывод трубопровода из эксплуатации и замену поврежденных участков трубопровода. Точный срок службы диагностируемого трубопровода назначается в зависимости от значения амплитуд (дБ) и наличия линейного роста сигналов АЭ-активности имп/с в пределах рекомендуемых интервалов.
Примеры практического применения.
Пример 1.
Объектами экспериментальных исследований выступали стеклопластиковые трубопроводы (в т.ч. фасонные детали), Ду=196,6 мм, Рн - 5,5 МПа изготовленные согласно ТУ-2296-001-30372160-2016, длиной участка 60 м. Предварительно изучили объект контроля. Раскопали шурфы каждые 10 м, на концах трубопровода установили заглушки, которые подключили к гидростенду. В местах шурфов установили преобразователи акустической эмиссии  ПАЭ GT200 по одному с каждой стороны, с полосой пропускания 100-200 кГц, на расстоянии 10 м. Рраб - 5,5 МПа, Рисп - 6,9 МПа.
При помощи гидростенда произвели набор давления до 2,8 МПа (0,5*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин. Далее произвели набор давления до 4,2 МПа (0,75*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин, затем произвели набор давления до 5,5 МПа (1*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин  и произвели набор давления до 6,9 Мпа  (Рисп), выдержали 6 мин. Затем произвели стравливание давления в обратном порядке. Вычислили скорость распространения сигналов акустической эмиссии. На последней ступени появились сигналы активности  в диапазоне 40-43 имп/с  и амплитуды 78 дБ согласно активности сигнала. Следовательно, исследуемый трубопровод относится к источнику II класса деградации – (образование и развитие макротрещин в связующей матрице), определили срок безопасной эксплуатации трубопровода  равным 5 годам (в других примерах практического применения при выявлении источника II класса определяли срок безопасной эксплуатации трубопровода, равный 1,1 году и 3 годам).
Пример 2.
Провели исследования стеклопластикового трубопровода Ду=76,2 мм, Рн - 10,3 Мпа изготовленные согласно ТУ-2296-001-30372160-2016, длиной участка 30 м. Предварительно изучили объект контроля. Раскопали шурфы каждые 20 м, на концах трубопровода установили заглушки, которые подключили к гидростенду. В местах шурфов установили преобразователи акустической эмиссии  ПАЭ GT200 по одному с каждой стороны, с полосой пропускания 40-80 кГц, на расстоянии 20 м. Рраб - 10,3 МПа, Рисп - 12,8 МПа.
При помощи гидростенда произвели набор давления до 5,2 МПа (0,5*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин. Далее произвели набор давления до 7,8 МПа (0,75*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин, затем произвели набор давления до 10,3 МПа (1*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин  и произвели набор давления до 12,8 МПа  (Рисп), выдержали 6 мин. Произвели стравливание давления в обратном порядке. Вычислили скорость распространения сигналов акустической эмиссии. На последней ступени появились сигналы активности в диапазоне 124-129 имп./с и амплитуды 124 дБ. Следовательно, стеклопластиковый трубопровод относится к источнику IV класса деградации – (расслоение многослойного пакета композита и разрушение его слоев), немедленно вывели трубопровод из эксплуатации.
Пример 3.
Провели исследования стеклопластикового трубопровода Ду=50,8 мм, Рн - 13,8 МПа изготовленные согласно ТУ-2296-001-30372160-2016, длиной участка 50 м. Предварительно изучили объект контроля. Раскопали шурфы каждые 10 м, на концах трубопровода установили заглушки, которые подключили к гидростенду. В местах шурфов установили преобразователи акустической эмиссии  ПАЭ GT200 по одному с каждой стороны, с полосой пропускания 100-200 кГц, на расстоянии 10 м. Рраб - 13,8 МПа, Рисп - 17,3 МПа.
При помощи гидростенда произвели набор давления до 6,9 МПа (0,5*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин. Далее произвели набор давления до 10,4 МПа (0,75*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин, затем произвели набор давления до 13,8 МПа (1*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин  и произвели набор давления до 17,3 Мпа  (Рисп), выдержали 6 мин. Произвели стравливание давления в обратном порядке. Вычислили скорость распространения сигналов акустической эмиссии. На последней ступени появились сигналы активности в диапазоне 7-9 имп/с  и амплитуды 55 дБ  согласно активности сигнала. Следовательно, исследуемый трубопровод относится к источнику I класса деградации - (отслаивание отдельных армирующих волокон от связующей матрицы), определили срок безопасной эксплуатации трубопровода  равный 10 годам (в других примерах практического применения при выявлении источника I класса определяли срок безопасной эксплуатации трубопровода, равный 8 годам и 5,1 году).
Пример 4.
Провели исследования стеклопластикового трубопровода Ду 95,3 мм, Рн - 10,3 Мпа, изготовленные согласно ТУ-2296-001-30372160-2016, длиной участка 80 м. Предварительно изучили объект контроля. Раскопали шурфы каждые 20 м, на концах трубопровода установили заглушки, которые подключили к гидростенду. В местах шурфов установили преобразователи акустической эмиссии  ПАЭ GT200 по одному с каждой стороны, с полосой пропускания 40-80 кГц, на расстоянии 20 м. Рраб - 10,3 МПа, Рисп - 12,9 МПа.
При помощи гидростенда произвели набор давления до 5,1 МПа (0,5*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин. Далее произвели набор давления до 7,8 МПа (0,75*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин, затем произвели набор давления до 10,3 МПа (1*Рраб) с временем выдержки продолжительностью 6 мин  и произвели набор давления до 12,9 МПа  (Рисп), выдержали 6 мин. Произвели стравливание давления в обратном порядке. Вычислили скорость распространения сигналов акустической эмиссии. На последней ступени появились сигналы активности в диапазоне 105-110 имп/с  и амплитуды 82 дБ  согласно активности сигнала. Следовательно, исследуемый трубопровод относится к источнику III класса деградации - (массовый разрыв армирующих волокон), определили срок безопасной эксплуатации трубопровода  равный 11 мес, не превышающий 1 года.
Предлагаемый способ позволяет определить срок безопасной эксплуатации стеклопластиковых трубопроводов путем обнаружения характерных дефектов и их локализации, а также путем классификации дефектов.