СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛА ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СТАЛЬНЫХ ТРУБ Российский патент 2008 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к области испытаний металлических конструкций и может быть использовано для определения величины холодной пластической деформации, приобретенной металлом стальной конструкции при ее изготовлении и накопленной в процессе длительной эксплуатации, а также для оценки остаточного ресурса металла длительно эксплуатируемых электросварных труб и других стальных конструкций.

При длительной эксплуатации под действием рабочих нагрузок происходит деформационное старение (в дальнейшем старение) металла стальных конструкций. Результатом старения является изменение в худшую сторону (деградация) механических свойств, в частности потеря пластичности и охрупчивание металла, что может отрицательно сказаться на работоспособности конструкции.

Известен способ определения напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций (журнал "Заводская лаборатория. Диагностика материалов" №9. 1999. том 65, 1999, стр.53-57; РД ИКЦ "КРАН-007-97").

Способ заключается в том, что прибором измеряют величину коэрцитивной силы Н_с в различных участках конструкции. Из листа (профиля) той же марки стали вырезают плоский образец, нагружают его статическим растяжением до разрушения. Нагрузку увеличивают ступенчато с разгрузкой до нуля после каждой ступени. Коэрцитивную силу измеряют в направлении вдоль приложенной нагрузки после каждого приложения и снятия нагрузки. Сопоставляя результаты значений Н_с, полученные на конструкции, со значениями, полученными при растяжении плоского образца, определяют, какой области диаграммы нагружения (упругой, упругопластической, зоне разрушения) соответствует структура металла конструкции на момент обследования. За предельное принимают состояние перехода металла конструкции в пластическую стадию.

Упомянутый способ может привести к ошибочным выводам по следующим причинам:

- значение коэрцитивной силы для конструкций из одной и той же марки стали может существенно отличаться, так как оно обусловлено не только условиями эксплуатации, но и способом производства стали, технологией производства профиля, из которого изготавливается конструкция, термической обработкой и многими другими факторами;

- зависимость коэрцитивной силы от величины напряжений H_c=f(σ) при нагружении в упругой области для сталей представляет кривую с минимумом. Поэтому при измерении одному значению Н_с соответствуют два значения напряжения, которые разделить невозможно;

- элементы большинства стальных конструкций при их производстве претерпевают значительные пластические деформации, следовательно, имеют большие значения H_c и в соответствии с обсуждаемым способом могут быть забракованы сразу после изготовления.

Известен способ определения остаточного ресурса металла труб магистрального газопровода, заключающийся в том, что из труб аварийного запаса или металла, подвергнутого предварительной термообработке, изготавливают пластины металла трубопровода, подвергают их искусственному деформационному старению с различной степенью пластической деформации, изготавливают из пластин образцы, которые подвергают механическим испытаниям; из нормативно-технической документации, действующей на момент строительства обследуемого трубопровода, выбирают параметры механических свойств металла трубопровода.

На основании анализа фактического пространственного положения трубопровода и его конструктивных параметров определяют участки трубопровода с максимальным уровнем окружных напряжений, из наиболее нагруженных участков трубопровода изготавливают образцы, по результатам испытаний которых определяют значения выбранных параметров механического состояния металла трубопровода.

По результатам испытания образцов металла, изготовленных из предварительно деформированных пластин, определяют значения выбранных параметров механических свойств металла трубопровода и для каждого выбранного параметра механических свойств металла трубопровода устанавливают аппроксимированную функциональную зависимость этого параметра от величины пластической деформации металла трубопровода, по этим аппроксимированным функциональным зависимостям и значениям соответствующих параметров механического состояния образцов металла, изготовленных из исследуемого трубопровода, определяют величину пластической деформации металла трубопровода, которую он имеет на момент исследования.

Для каждого выбранного параметра механических свойств металла трубопровода определяют коэффициент связи величины пластической деформации металла трубопровода со временем работы трубопровода, на основании которого, а также параметров аппроксимированной функциональной зависимости величины соответствующего параметра механических свойств металла трубопровода от величины его пластической деформации и величины заданного нормативного показателя соответствующего параметра механических свойств исследуемого металла определяют ресурс металла исследуемого трубопровода до достижения заданного нормативного показателя.

Для каждого выбранного параметра механических свойств металла трубопровода определяют величину остаточного ресурса как разность между ресурсом металла трубопровода до достижения заданного нормативного показателя и временем его эксплуатации на момент исследования. В качестве остаточного ресурса металла исследуемого трубопровода принимают минимальный остаточный ресурс, соответствующий одному из выбранных параметров механических свойств металла трубопровода (патент РФ №2221231 от 05.03.2002 г., G01N 3/00).

Описанный способ выбран авторами в качестве прототипа как совпадающий с заявляемым решением по главному признаку, решающему задачу определения остаточного ресурса металла обследуемых труб. Таким признаком является определение величины пластической деформации, приобретенной металлом трубы в процессе эксплуатации ε_э, и наименьшего прироста пластической деформации Δε_кр, при накоплении которого в процессе дальнейшей эксплуатации значение одной из выбранных механических характеристик металла трубы достигнет нормативного уровня.

Однако предложенный в прототипе способ определения остаточного ресурса имеет ряд недостатков, главным из которых является низкая достоверность, обусловленная тем, что за исходные данные в нем принимают значения механических характеристик металла труб аварийного запаса той же марки стали или металла обследуемой трубы, подвергнутого термической обработке. Поскольку металл труб одной марки стали имеет большой разброс значений механических характеристик, механические свойства стали после термической обработки определяются параметрами ее режима, а в способе параметры режима термообработки не оговорены, то достоверность определения степени деградации и остаточного ресурса по обсуждаемому способу будет зависеть от того, насколько в действительности соответствовали свойства металла трубы аварийного запаса и обследуемой трубы после термической обработки свойствам металла обследуемой трубы в начале ее эксплуатации.

В случае восстановления исходных свойств металла обследуемой электросварной трубы термической обработкой появляется дополнительная погрешность определения остаточного ресурса. Это следует из того, что деформационное старение металла трубы складывается из двух составляющих старения на базе пластической деформации, приобретенной металлом трубы в процессе ее производства ε_пр (формовка и экспандирование), и на базе пластической деформации, накопленной металлом трубы в процессе ее эксплуатации ε_э. Очевидно, что первая составляющая не должна учитываться при определении остаточного ресурса, поскольку она не является следствием эксплуатации. В прототипе эта составляющая не исключена из расчета, поскольку термическая обработка восстанавливает механические свойства металла обследуемой трубы до состояния листовой заготовки, а не до состояния поставки трубы.

Целью настоящего изобретения является повышение достоверности оценки остаточного ресурса металла длительно эксплуатируемых стальных труб.

Технической задачей настоящего изобретения является более точное определение пластической деформации ε_э, приобретенной металлом трубы в процессе ее эксплуатации, и наименьшего прироста пластической деформации Δε_кр, при накоплении которого в процессе дальнейшей эксплуатации один из выбранных параметров механических свойств металла трубы достигнет нормативного уровня, и исключение фактора случайности за счет того, что ε_э и Δε_кр определяют на образцах, вырезанных из обследуемой трубы, при этом величину Δε_кр определяют непосредственными измерениями, а величину деформации ε_э по результатам измерения значений коэрцитивной силы, которая единственным образом связана с величиной пластической деформации, имеющейся в металле конкретной трубы.

Поставленная задача достигается за счет того, что в заявляемом способе определения остаточного ресурса металла длительно эксплуатируемых стальных труб, включающем вырезку в направлении поперек продольной оси трубы заготовок под образцы, деформирование и искусственное их старение, измерение коэрцитивной силы, изготовление и механические испытания образцов, аппроксимацию зависимости изменения параметров механических свойств металла обследуемой трубы от величины пластической деформации, выбор из нормативно-технической документации параметров механических свойств металла трубы, определение величины деформации ε_э, накопленной металлом трубы за время эксплуатации, определение величины наименьшего прироста пластической деформации Δε_кр, при накоплении которого в процессе дальнейшей эксплуатации значение одного из выбранных параметров механических свойств достигнет нормативного уровня, определение по величинам ε_э, Δε_кр и известному сроку эксплуатации остаточного ресурса металла трубы, согласно изобретению заготовки под образцы вырезают из участка трубы с наибольшим значением коэрцитивной силы, наименьший прирост пластической деформации Δε_кр определяют путем последовательного ступенчатого деформирования заготовок, при котором после каждой ступени деформирования заготовки искусственно старят и измеряют приращение деформации, при этом часть образцов испытывают, изготовив их из заготовки после одной ступени деформирования, часть образцов испытывают, изготовив их из заготовки после двух ступеней деформирования и так далее, а величину Δε_кр определяют по аппроксимирующей зависимости как суммарную деформацию, при которой выбранный механический параметр достиг нормативного уровня, определение ε_э ведут путем измерения на одной из заготовок значения коэрцитивной силы Н^э _с, соответствующего значению коэрцитивной силы металла трубы на момент ее обследования, восстановления свойств металла до состояния, при котором значение коэрцитивной силы соответствует значению коэрцитивной силы металла трубы Н^о _с на момент ее монтажа, последующего ступенчатого деформирования заготовки, искусственного ее старения и измерения приращения пластической деформации и значения коэрцитивной силы после каждой ступени деформирования, а величину ε_э определяют по аппроксимирующей зависимости изменения значения коэрцитивной силы металла обследуемой трубы от величины пластической деформации как суммарный прирост пластической деформации при изменении значения коэрцитивной силы от Н^о _с до Н^э _с.

В заявляемом способе каждая заготовка до изготовления из нее образцов подвергается неоднократному приросту деформации и последующему искусственному старению после каждой ступени деформирования, что точнее воспроизводит процесс естественного старения.

Величина пластической деформации, имеющаяся в трубе, является решающим фактором, определяющим степень старения металла трубы. Поскольку значение коэрцитивной силы в металле конкретной трубы строго определено величиной пластической деформации, имеющейся в трубе, заготовки под образцы следует вырезать из участков труб с наибольшим значением коэрцитивной силы. Для выявления таких участков измеряют величину коэрцитивной силы по длине и периметру труб.

В качестве нормативных параметров механических свойств металла выбирают регламентированные соответствующими документами, действующими на момент обследования газопровода, например отношение предела текучести к временному сопротивлению (σ_т/σ_в), относительное удлинение δ, ударная вязкость KCV и KCU при определенных температурах, процент волокна в изломе DWTT.

Предлагаемый способ может быть применен для определения остаточного ресурса металла горячекатаных и электросварных труб всех марок ферромагнитных сталей и способов производства из них листа.

Последовательность выполнения операций по предлагаемому способу рассмотрим на примере определения остаточного ресурса всплывшего участка магистрального газопровода «Бухара - Урал».

Пример.

Газопровод построен в 1963 году. Всплывший участок вырезан в 1999 году. Протяженность участка 150 метров. Размер труб 1020×10 мм. Материал труб сталь марки 17ГС. По результатам измерения значений коэрцитивной силы по длине и периметру для исследования выбрали одну трубу. Наибольшее местное значением коэрцитивной силы на этой трубе составило величину Н^э _с=5,4 А/см. Из этого места трубы в направлении поперек продольной оси трубы вырезали 7 заготовок под образцы размером 350×11×10 мм.

Для получения значений параметров механических свойств металла обследуемой трубы из одной заготовки вырезали и испытали образцы на растяжение и ударный изгиб. Результаты механических испытаний металла обследуемой трубы представлены в табл.1

Таблица 1Марка, изготовитель, размер трубыПредел текучести σ_т, кг/м²Временное сопротивление σ_в, кг/м²σ_s/σОтносительное удлинение δ, %Ударная вязкость KCV, кг·м/см²17ГС, ЧТПЗ,
1020×1042,661,30,6925,83,5
3,3÷3,6

Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497-78, на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78.

Для определения величины Δε_кр пять заготовок после их правки подвергали последовательному ступенчатому деформированию так, что прирост пластической деформации на каждой ступени деформирования составлял величину, равную примерно 0,5%. После каждой ступени деформирования заготовки подвергали искусственному старению по режиму: нагрев до температуры 250°С, выдержка в течение 1 ч, охлаждение с печью. Искусственным старением заготовок после каждой ступени деформирования моделировали процесс естественного старения металла трубы в процессе ее эксплуатации. Порядок изготовления и испытания образцов следующий. Первую серию образцов изготовили и испытали после одной ступени деформирования, вторую серию образцов изготовили и испытали после двух ступеней деформирования и т.д. Результаты испытаний представлены в табл.2.

Как видно из табл.2, остаточный ресурс металла трубы следует определять по ударной вязкости, так как она первой достигла нормативного уровня KCV=3,0 кгс·м/см². Результаты испытаний на ударную вязкость аппроксимируются с достоверностью R²=0,894 уравнением

ε=0,3389 (KCV)²+0,42(KCV)+3,3219.

По аппроксимирующей зависимости для нормативного значения KCV=3,0 кгс·м/см² определяем Δε_кр=1,53%.

Таблица 2Номер заготовкиСуммарная деформация заготовки, %σ_т, кг/мм²σ_в, кг/мм²σ_т/σ_вδ, %KCV, кгс·м/см²10,5244,362,40,7124,73,4
3,2÷3,521,045,964,20,7323,73,5
3,2÷3,731,4749,667,00,7422,63,2
3,0÷3,342,0253,970,00,7721,52,7
2,5÷2,952,555,474,20,7520,42,3
2,1÷2,5

Номер заготовки соответствует ступени деформации, после которой из нее изготавливали и испытывали образцы.

Для определения величины ε_э одну из заготовок подвергали ряду следующих друг за другом операций. До и после проведения каждой операции проводили измерение коэрцитивной силы. Результаты измерений представлены в табл.3. Измеренное до проведения первой операции значение коэрцитивной силы соответствует значению коэрцитивной силы металла обследуемой трубы Н^э _с, а после проведения первой операции - значению коэрцитивной силы металла обследуемой трубы в состоянии листа Н^л _с (патент РФ №2290620 от 12.07.2005 г., G01N 1/28, C21D 8/00). Значение коэрцитивной силы Н^о _с, измеренное после второй операции, соответствует значению коэрцитивной силы металла трубы на момент ее монтажа. Правка отожженной заготовки приводит к такому же изменению значения коэрцитивной силы, как формовка трубы из листа. Деформация растяжением на величину ε=1,2% приводит к такому же изменению значения коэрцитивной силы в заготовке, как операция экспандирования трубы. Ступенчатое деформирование заготовки на операциях 3-5 проводят для определения деформации ε_э, накопленной металлом трубы за время эксплуатации.

Результаты табл.3 аппроксимируются с достоверностью R²=0,9931 уравнением

ε=0,3483(Н_с)²-2,2641(Н_с)+2,5532.

Таблица 3Номер операцииСодержание операцииЗначение коэрцитивной силы Н_с, А/смДо проведения операцииПосле проведения операции1Термообработка по режиму: нагрев до 500°С, выдержка при этой температуре в течение 1,5 ч и охлаждение с печью5,394,312Правка заготовки на прессе, деформация растяжением на 1,2%, искусственное старение4,31 5,04 3Деформация заготовки растяжением на 0,15% и искусственное старение5,045,184Деформация заготовки растяжением на 0,32% и искусственное старение5,185,295Деформация заготовки растяжением на 0,5% и искусственное старение5,295,376Деформация заготовки растяжением на 0,61 % и искусственное старение5,375,49

По аппроксимирующей зависимости для значения Н^э _с=5,39 А/см определяем ε_э=0,47%.

Таким образом, в рассматриваемом примере величина Δε_кр=1,53%, а величина ε=0,47%.

При определении остаточного ресурса металла горячекатаных труб по предлагаемому способу операцию 2 не проводят.

По определенным величинам ε_э, Δε_кр и известному сроку эксплуатации определяют остаточный ресурс металла обследуемой трубы. Расчет остаточного ресурса металла трубопровода проводят по формуле

где Т_ост - остаточный ресурс металла трубопровода, лет;

Т_э - срок эксплуатации газопровода на момент его обследования, лет.

Для рассматриваемого примера: Δε_кр=1,53%, ε_э=0,47%, Т_э=36 лет - остаточный ресурс Т_о=117 лет.

Предлагаемый способ определения остаточного ресурса металла длительно эксплуатируемых стальных труб позволит повысить достоверность определения остаточного ресурса металла исследуемых труб.

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность изобретения: вырезают заготовки из участка трубы с наибольшим значением коэрцитивной силы. Деформируют и искусственно их старят. Измеряют коэрцитивную силу. Изготавливают и проводят испытания образцов, аппроксимируют зависимость изменения параметров механических свойств металла трубы от величины деформации. Осуществляют выбор из документации параметров механических свойств металла трубы. Определяют величину деформации ε_э, накопленной за время эксплуатации. Определяют величину наименьшего прироста пластической деформации Δε_кр. Определяют по величинам ε_э, Δε_кр и известному сроку эксплуатации остаточный ресурс. Наименьший прирост пластической деформации Δε_кр определяют путем последовательного ступенчатого деформирования заготовок, при котором после каждой ступени деформирования заготовки искусственно старят и измеряют приращение деформации. Величину Δε_кр определяют по аппроксимирующей зависимости как суммарную деформацию, при которой механический параметр достиг нормативного уровня. Определение ε_э ведут путем измерения на одной из заготовок значения коэрцитивной силы H^э _c, соответствующего значению коэрцитивной силы металла трубы на момент ее обследования, восстановления свойств металла до состояния, при котором значение коэрцитивной силы соответствует значению коэрцитивной силы металла трубы на момент ее монтажа Н^о _с, последующего ступенчатого деформирования заготовки, искусственного ее старения и измерения приращения пластической деформации и значения коэрцитивной силы после каждой ступени деформирования. Величину ε_э определяют по аппроксимирующей зависимости изменения значения коэрцитивной силы металла обследуемой трубы от величины пластической деформации как суммарный прирост пластической деформации при изменении значения коэрцитивной силы от Н^о _с до H^э _c. Технический результат: повышение достоверности испытания. 3 табл.

Способ определения остаточного ресурса металла длительно эксплуатируемых стальных труб, включающий вырезку в направлении поперек продольной оси трубы заготовок под образцы, деформирование и искусственное их старение, измерение коэрцитивной силы, изготовление и механические испытания образцов, аппроксимацию зависимости изменения параметров механических свойств металла обследуемой трубы от величины пластической деформации, выбор из нормативно-технической документации параметров механических свойств металла трубы, определение величины деформации ε_э, накопленной металлом трубы за время эксплуатации, определение величины наименьшего прироста пластической деформации Δε_кр, при накоплении которого в процессе дальнейшей эксплуатации значение одного из выбранных параметров механических свойств металла достигнет нормативного уровня, определение по величинам ε_э, Δε_кр и известному сроку эксплуатации остаточного ресурса металла трубы, отличающийся тем, что заготовки под образцы вырезают из участка трубы с наибольшим значением коэрцитивной силы, наименьший прирост пластической деформации Δε_кр определяют путем последовательного ступенчатого деформирования заготовок, при котором после каждой ступени деформирования заготовки искусственно старят и измеряют приращение деформации, при этом часть образцов испытывают, изготовив их из заготовки после одной ступени деформирования, часть образцов испытывают, изготовив их из заготовки после двух ступеней деформирования и так далее, а величину Δε_кр определяют по аппроксимирующей зависимости как суммарную деформацию, при которой выбранный механический параметр достиг нормативного уровня, определение ε_э ведут путем измерения на одной из заготовок значения коэрцитивной силы Н^э _с, соответствующего значению коэрцитивной силы металла трубы на момент ее обследования, восстановления свойств металла до состояния, при котором значение коэрцитивной силы соответствует значению коэрцитивной силы металла трубы на момент ее монтажа Н^о _с, последующего ступенчатого деформирования заготовки, искусственного ее старения и измерения приращения пластической деформации и значения коэрцитивной силы после каждой ступени деформирования, а величину ε_э определяют по аппроксимирующей зависимости изменения значения коэрцитивной силы металла обследуемой трубы от величины пластической деформации, как суммарный прирост пластической деформации при изменении значения коэрцитивной силы от Н^о _с до Н^э _с.