Разработка методики безобразцовой экспресс-диагностики поврежденности металла эксплуатируемых магистральных нефтепроводов на основе метода акустической эмиссии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.11, кандидат технических наук Галкин, Денис Игоревич

• Галкин, Денис Игоревич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Галкин, Денис Игоревич

Глава 1. Состояние проблемы безопасности магистральных нефтепроводов и постановка задачи исследования

1.1. Магистральные нефтепроводы, сварка и дефекты

1.2. Аварийность и повреждаемость магистральных нефтепроводов

1.3. Обзор существующих методов контроля и оценки поврежденности

1.4. Постановка задач исследований 43 Выводы к главе

Глава 2. Применение метода акустической эмиссии для оценки поврежденности металла

2.1. Физическая природа акустической эмиссии при оценке поврежденности металла

2.2. Механизм излучения АЭ на уровне изменений микроструктуры

2.3. Акустическая эмиссия при пластической деформации металлов 59 Выводы к главе

Глава 3. Экспериментальные исследования поврежденности металла

3.1. Влияние степени пластической деформации на параметры акустической эмиссии

3.2. Исследование влияния параметров испытаний на спектральные образы сигналов акустической эмиссии

3.3. Изменение спектральных образов с увеличением поврежденности

3.3.1. Для основного металла

3.3.2. Для сварных соединений 92 Выводы к главе

Глава 4. Разработка методики безобразцовой экспресс-диагностики поврежденности металла эксплуатируемых нефтепроводов, сочетающей методы индентирования и акустической эмиссии

4.1. Экспресс-диагностика поврежденности металла эксплуатируемых нефтепроводов, на основе методов индентирования и акустической эмиссии

4.2. Определение характеристик механических свойств металла трубопроводов по результатам испытаний на твердость

4.2.1. Методика определения характеристик механических свойств металла трубопроводов с использованием корреляционных соотношений между значениями твердости и искомыми механическими свойствами

4.2.2. Методика определения характеристик механических свойств металла трубопроводов по диаграмме вдавливания шарового индентора

4.3. Методика оценки дефектов на основе акустико-эмиссионного контроля

4.4. Методика определения спектральных характеристик сигналов АЭ при различных стадиях повреждения трубопроводов

Выводы к главе

Выводы к работе

Заключение диссертации по теме «Методы контроля и диагностика в машиностроении», Галкин, Денис Игоревич

Выводы к работе

Решение поставленной задачи позволило разработать методику экспресс-оценки поврежденности металла длительно эксплуатируемого МН, основанную на совместном применении метода кинетической твердости и АЭ. При этом получены следующие научные результаты, имеющие научную новизну, самостоятельное научное и практическое значение.

1. Объединение традиционного метода кинетического индентирования с методом АЭ позволяет дополнительно проводить оценку поврежденности металла длительно эксплуатируемого МН. Использование информативного параметра - отношение максимумов спектральной плотности в основном типе сигналов АЭ, возникающих при индентировании - позволяет обоснованно выбирать периоды между очередным освидетельствованием МН.

2. При индентировании информацию о сигнале АЭ, связанном с протеканием процессов пластической деформации, переносят поверхностные волны.

3. Количество сигналов АЭ уменьшается в несколько раз по мере приближения к месту разрушения, что подтверждает предположение о том, что причиной появления сигналов АЭ при индентировании является срабатывание источников дислокационной природы.

4. Спектральный образ сигналов АЭ при индентировании статически разрушенных образцов одинаков для всех исследуемых зон, что свидетельствует об одном типе источников.

5. Появление второго пика в спектральном образе сигнала АЭ при индентировании циклически нагруженных образцов свидетельствует о том, что происхождение данного сигнала связано со срабатыванием источников, появившихся в результате циклического нагружения.

6. Степень охрупченности поверхности тем выше, чем более выражен высокочастотный пик в спектре и чем дольше после начала индентирования срабатывают высокочастотные источники, формирующие второй пик спектрального образа сигнала.

7. Несмотря на различие исходной структуры и механических свойств сварного соединения и основного металла спектральные образы сигналов АЭ при индентировании на схожих стадиях развития поврежденности одинаковы. Таким образом, можно говорить об одинаковых закономерностях развития процесса поврежденности.

Слова благодарности хочу выразить заведующему кафедрой МТ-7, академику РАН Николаю Павловичу Алёшину за предоставленную мне возможность принять участие в исследованиях, проводимых ведущей школой неразрушающего контроля и диагностики России.

Завершение данной работы стало возможным благодаря научному руководителю Георгию Аркадьевичу Бигусу, повлиявшему не только на развитие моих научных взглядов, но и на формирование моего мировоззрения. Со студенческой скамьи в лице Георгия Аркадьевича я всегда нахожу понимание и поддержку, за что ему огромное спасибо.

Также выражаю особую благодарность к.т.н. Черняевой Елене Васильевне, д.т.н. Мерсону Дмитрию Львовичу, д.т.н. Гумерову Кабиру Мухамето-вичу, д.т.н. Терентьеву Владимиру Федоровичу, труды которых, легли в основу моего исследования. Выводы, сделанные по результатам личного общения, позволили мне сформировать концепцию научной работы.

Слова признательности выражаю руководителю подразделения «Сер-тиНК» ФГУ НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана Наталье Альбертовне Бы-стровой за проявленное понимание и поддержку, что позволило мне совмещать должность ее заместителя и заниматься научно-исследовательской деятельностью.

Отдельное спасибо супруге и родителям, поддержку которых я чувствовал на протяжении работы над диссертацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Галкин, Денис Игоревич, 2011 год

1. Гумеров K.M. Обеспечение безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов регламентацией периодичности диагностики и совершенствованием технологии их ремонта: Дис. д-ра техн. наук. — Уфа, 2001. -322 с.

2. Ибрагимов Г.З., Сорокин В.А., Хисамутдинов Н.И. Химические реагенты для добычи нефти. М.: Недра, 1986. - 95 с.

3. Мазур И.И., Иванцов О.М. Безопасность трубопроводных систем. М.: Изд. центр Елица, 2004. — 1104 с.

4. Мисейко А.Н. Информационно-измерительная система для обнаружения и локализации развивающихся трещиноподобных дефектов магистральных трубопроводов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Самара: Изд-во СГТУ, 2008.-26 с.

5. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов / В.Д. Черняев и др.; Под ред. В.Д. Черняева. М.: Недра, 1997. - 517 с.

6. Логинов O.A., Мисейко А.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния участка магистрального трубопровода с тре-щиноподобным дефектом // Вестник СГТУ: Физико-математические науки (Самара). 2008. - №2. - С. 164-166.

7. Разработка научных основ и создание системы безопасной и долговременной эксплуатации магистральных трубопроводов России / К.В. Черняев и др.. -М., 1999.-92 с.

8. Терентьев В. Ф. Усталость металлических материалов. — М.: Наука, 2003.-254 с.

9. Иванова B.C., Терентьев В.Ф., Горицкий В.М. К вопросу о деформационном старении в процессе циклического нагружения // Проблемы прочности. 1973. - №3. - С. 25-29.

10. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004. -408 с.

11. Работоспособность трубопроводов. Сопротивляемость разрушению / Г.А. Ланчаков и др.. М.: Недра, 2001. - 350 с.

12. Гумеров К.М., Гумеров А.К. Метод решения задач о напряженном состоянии элементов конструкций с V-образными концентраторами // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. — Уфа: ТРАНСТЭК, 2005. С. 47-60.

13. Сварка и свариваемые материалы: справочное издание / Под ред. Э.Л. Макарова. М.: Металлургия, 1991. - Т. 1. - с. 528.

14. Пашков Ю.И., Георгиев М.Н. Влияние срока эксплуатации на изменение механических свойств металла трубопроводов // Jornal of the technikal university "Technical sciences" (Bulgaria). 2001. - Vol. 7. - P. 31- 49.

15. Реконструкция длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов с целью повышения их надежности / З.С. Гильмияров и др. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. — Уфа: ИПТЭР, 1995.-С. 105-110.

16. РД 153-39.4Р-119-03. Методика оценки работоспособности и проведения аттестации эксплуатирующихся магистральных нефтепроводов. М., 2003. — 58 с.

17. Miller S.E., Gardiner М.А., Ward C.R. In line inspection detects early cracking on Canadian crude-oil line // Oil and Gas J. 1998. - Vol. 96, № 39. p. 90-95.

18. Nitchell J.L. Smart pigs getting smarter to meet operator demands // Pipe Line and Gas Industry. 1996. - Vol. 79, № 6. - P. 37^1.

19. Жуков А. В., Кузьмин A. H., Стюхин H. Ф. Контроль трубопроводов с применением метода акустической эмиссии // В мире НК. — 2009. № 1(43). -С. 29-31.

20. Старение труб нефтепроводов / А.Г. Гумеров и др.. М.: Недра, 1995. -218 с.

21. Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Худяков М.А. Анализ стадий зарождения и развития малоцикловой коррозионной усталости металла магистральных нефтепроводов // Трубопроводный транспорт нефти. — 1999. № 6. — С. 3134.

22. Бигус Г.А., Галкин Д.И. Методы неразрушающего контроля при проведении периодического контроля и мониторинга опасных производственных объектов // Сварка и диагностика. — 2007. №1. - С. 13—16.

23. Безлюдько Г.Я. Эксплуатационный контроль усталостного состояния и ресурса металлопродукции неразрушающим магнитным (коэрцитиметриче-ским) методом // Техническая диагностика и неразрушающий контроль (Киев). 2003. - №2. - С. 20-26.

24. Агиней Р.В., Теплинский Ю.А., Кузьбожев A.C. Оценка напряжённого состояния стальных трубопроводов по анизотропии магнитных свойств металла // Контроль. Диагностика. 2004. - № 8. - С. 22-24.

25. Экономов А. Н. Влияние изменения микроструктуры поликристаллических металлов на их акустические свойства: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. Москва, 2002. - 20 с.

26. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров K.JI. Скорость звука и структура металлов и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996. - 184 с.

27. Зуев Л.Б., Муравьев В.В., Данилова Ю.С. О признаке усталостного разрушения сталей // Письма в ЖТФ. — 1999. — Т. 25. С. 31.

28. ГОСТ Р 52727-2007. Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования. — М.: Стандартинформ, 2007. 15 с.

29. Трипалин A.C., Буйло С.И. Акустическая эмиссия. Физические аспекты. -Ростов-на-Дону, 1988. 160 с.

30. Баранов В. М. Акустическая эмиссия при трении / Под ред. В. М. Баранов и др.. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 256 с.

31. Иванов В.И. Применение метода акустической эмиссии для неразрушающего контроля // Дефектоскопия. 1980. - №5. - С. 65-84.

32. Бигус Г.А. Исследование акустико-эмиссионных характеристик алюминиевых сплавов и сварных соединений с целью разработки методических рекомендаций для контроля качества топливных емкостей: Дис. . канд. техн. наук. Москва, 1990.-205 с.

33. Баранов В.М., Молодцов К.И. Акустико-эмиссионные приборы атомной энергетики. — М.: Атомиздат, 1980. — 144 с.

34. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении / H.A. Семашко и др.; Под ред. H.A. Семашко. М.: Машиностроение, 2002. -240 с.

35. Ермолов И.Н. Неразрушающий контроль. Акустические методы контро: ля: Практическое пособие / Под ред. В.В. Сухорукова. — М.: Высшая школа, Î991.- Кн. 2.-283 с.

36. Мещеряков Д.Е. Разработка основ методики неразрушающего контроля состояния металла, сочетающей методы индентирования и акустической эмиссии: Дисс. . канд. физ мат. наук. — Тольятти, 2009. — 153 с.

37. Бойко B.C., Нацик В.Д. Элементарные дислокационные механизмы акустической эмиссии // Элементарные процессы пластической деформации. — Киев: Наукова Думка, 1978. С. 159-189. ?

38. Буйло С.И. Физико-механические и статистические аспекты повышения достоверности результатов акустико-эмиссионного контроля и диагностики

39. Под ред. A.B. Белоконя. — Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального ун-та, 2008. 192 с.

40. Буйло С.И. Диагностика ранних стадий разрушения материалов по амплитудным и временным инвариантам потока актов акустической эмиссии

41. Контроль. Диагностика. 2009. - № 5. - С. 33-38.

42. Jaffrey D. Sources of acoustic emission in metals a review // Non De-struct Testing - 1979. -№ 4. - P. 9-18.

43. Vinogradov A., Patlan V., Hashimoto S., Kitagawa K. Acoustic emission during cyclic deformation of ultrafinegrain copper processed by severe plastic deformation // Phil. Mag. 2002. - №2. - P. 317-335.

44. Мерсон Д.Л. Физическая природа акустической эмиссии при деформационных процессах в металлах и сплавах: Дисс. . доктора физ—мат. наук. — Барнаул, 2001. 327 с.

45. Ingham Т., Stott A.L. and Cower A. Acoustic emission characteristics from steels. Acoustic measurements from fracture toughness tests // Int. J. Press. Vess. Piping.- 1975. Vol. 3, №4.1. P. 267-293.

46. Малинин В.Г., Малинина H.A. Структурно-аналитическая теория физической мезомеханики // Вопросы материаловедения. 2002. — №1(29). —1. С.123-143.

47. Перспективные материалы. Структура и методы исследования: Учебное пособие / Под ред. Д.Л. Мерсона. М.: МИСиС, 2006. - 536 с.

48. Алехин В.П., Булычев С.И., Калмакова A.B. Кинетическое индентирова-ние в проблеме неразрушающего контроля и диагностики материалов // Заводская лаборатория. — 2004. №6. - С. 46-51.

49. Шабанов, В. М. Связь кривой деформационного упрочнения и диаграммы вдавливания сферического индентора // Заводская лаборатория. 2002. -№9.-С. 62-63.

50. Энергетический анализ природы сигналов акустической эмиссии / А.И. Манохин и др. // Акустическая эмиссия материалов и конструкций. — Ростов-на-Дону: Изд-во Рост, ун-та, 1989. -Ч. 1. — С. 154-161.

51. Алёшин Н.П., Бигус Г.А. Определение остаточного ресурса резервуаров и трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. 2001. — № 11.— С. 18-24.

52. Бигус Г.А., Галкин Д.И. Методы оценки поврежденности металла трубопроводов // Сварка и диагностика. 2010. — №1. — С. 34—37.

53. Мерсон Д.Л. Спектральные характеристики акустической эмиссии трубной стали в зависимости от температуры отпуска; Под ред. Д. Л. Мерсон, Е.

54. B. Черняева // Деформация и разрушение материалов. 2005. — № 5. —1. C. 24-27.

55. Черняева Е.В. Оценка состояния термообработанных сталей по сигналам акустической эмиссии: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Москва: Изд-во МЭИ, 2007,-18 с.

56. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. — М., 2003. — 50 с.

57. Мерсон Д.Л., Черняева Е.В., Мещеряков Д.Е. Акустическая эмиссия в термообработанных сталях при индентировании и одноосном растяжении1

58. Известия Самарского научно го центра РАН. Самара: Из-во Самарского . научного центра РАН, 2008. - Вып. 6. - С. 91-97.

59. Мерсон Д. Л. Сопоставление акустико-эмиссионных данных при испытании термообработанных сталей на одноосное растяжение и индентирова-ние // Тезисы докладов III Евразийской научно-практической конференции

60. Под ред. Д. Л. Мерсона и др.. Москва, 2006. - С. 10-13.

61. Матюнин В.М. Оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов: Учебное пособие для научных и инженерно-технических работников. — М.: Издательский дом МЭИ, 2006. — 216 с.

62. Мерсон Д.Л., A.A. Разуваев, А.Ю. Виноградов. Применение методики анализа спектральных образов сигналов аку-стической эмиссии для исследования повреждаемости покрытий TiN на стальной подложке // Дефектоскопия. 2002. - № 7. -С. 37—46.

63. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. — М.: Машиностроение, 1990. 224 с.

64. Бескопыльный А.Н., Негров Н.С., Веремеенко A.A. Испытания металлов вдавливанием усеченного конуса // Заводская лаборатория. — 2001. — №9.-С. 58-61.

65. Марковец М. П. Переносные приборы для измерения твёрдости и механических свойств металлов // Заводская лаборатория. -1989. № 12.1. С. 73-76.

66. Новиков Н.В., Вайнберг В.Е. О физической природе акустической эмиссии при деформировании металлических материалов // Проблемы прочности. -1977.-№11.-С. 9-12.

67. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок: ПН АЭГ-7-008-89. М: Энерго-атомиздат, 1989. 168 с.

68. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок, Госгортехнадзор СССР. — М.: Металлургия, 1973. — 82 с.

69. Шабанов В. М. О критериях деформации и упрочнения при испытании материалов методом непрерывного упругопластического вдавливания сферического индентора // Заводская лаборатория. 2004. - № 11. - С. 45^18.

70. РД ЭО 0027-2005. Инструкция по определению механических свойств металла оборудования атомных станций безобразцовыми методами по характеристикам твердости. М.: Росэнергоатом, 2005. — 58 с.

71. VDI / VDE Guideline 2616 Paper 1. Hardness testing of metallic materials // Mater. Transactions. JIM. 2002. - № 8. - P. 35-38.

72. Алехин В.П., С.И. Булычев. Кинетическое индентирование новый метод неразрушающего контроля по твердости // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2003. - № 10. - С. 29-31.

73. Федосов С.А., Пешек JI.K. Определение механических свойств материалов микроиндентированием: современные зарубежные методики. М.: Физический факультет МГУ, 2004. — 100 с.

74. Матюнин. В.М. Методы и средства безобразцовой экспресс оценки механических свойств конструкционных материалов. Диагностика структурно-механического состояния металла : Учебное пособие / Под ред. В.Г. Борисова. — М.: Изд-во МЭИ, 2001.-94 с.

75. Булычев С.И., Алехин В.П. Метод кинетической твердости и микротвердости в испытании вдавливанием индентора // Заводская лаборатория. -1987. -№11. -С. 76-80.

76. Бакиров М.Б., Потапов В.В. Феноменологическая методика определения механических свойств корпусных сталей ВВЭР по диаграмме вдавливания шарового индентора // Заводская лаборатория. 2000. - №12. - С. 35^44.

77. Определение твердости и модуля Юнга при упругопластическом внедрении инденторов в материалы / Б.А. Галанов и др. // ДАН СССР. — 1984. — С. 815-817.

78. Бакиров М.Б., Мазепа А.Г., Николаев Д.А. Новый метод количественной оценки статических и циклических повреждений аустенитных сталей // Заводская лаборатория. — 2007. — №9. — С. 64-67.

79. Муравин Г.Б., Симкин Я.В., Мерман А.И. Идентификация механизмов разрушения материалов методами спектрального анализа сигналов акустической эмиссии // Дефектоскопия. 1989. - № 4. - С. 8-15.

80. Лыков Ю.И. Измерение спектральной плотности в исследованиях акустической эмиссии // Метрология. — 1977 — №7 — С. 51—56.

81. Vinogradov A., Nadtochiy M., Hashimoto S., Miura S. Correlation between spectral parameters of acoustic emission during plastic deformation of Cu and Cu-A1 single and polycrystals // Mater. Transactions. ЛМ. 1995. - № 3. - P. 426-43.'

82. Мерсон Д.Л.,Черняева E.B., Мещеряко Д.Е.Применение спектрального анализа акустической эмиссии для оценки состояния образцов стали 20

83. Деформация и разрушение. 2009. - №1. - С. 44-48.

84. Гнеденко В.В. Курс Теории вероятностей.- М.: Наука, 1988. — 448 с.